火炮系统高原环境适应性及防护措施分析

王保贵，王坚

(北京跟踪与通信技术研究所，北京100094)

我国高原面积广阔、地形复杂、多变的高原环境条件对高原地区使用的装备和人员都会产生许多不良的影响，引起多种故障。为保证高原环境下装备的使用性能，必须要充分考虑其对高原环境的适应性，并针对高原环境对其影响的特点，进行相应的防护处理。为此，文中以高原使用的火炮为例，对高原环境对其性能的影响进行了分析，总结提出了高原环境条件下的防护措施。

1 高原环境特点

高原气候环境的典型特点表现为以下几个方面［1—3］。

1)海拔高、气压低、空气密度低、含氧量低。高原条件下，随着海拔的增加，大气压力逐渐下降，空气越稀薄，空气中含氧量也随之减少。通常海拔每升高1 km，大气压力则下降约9%，空气密度下降约为10%～6%，含氧量下降约10%。在海拔5 km的地方，其空气中的含氧量仅为海平面的53%。在20℃条件下，不同海拔高度大气压、空气密度和含氧量的关系见表1。

表1 不同海拔高度大气压、空气密度及含氧量Table 1 Atmospheric pressure，air density and oxygen contentat different altitude

2)平均气温低、昼夜温差大、年低温期长。大气温度是距离地面1.5 m高度处测得的空气温度。大气对流层的最大特点是气温随海拔的升高而降低。同纬度地区海拔每上升1 km，大气温度则下降6.5℃。气温变化主要取决于纬度和海拔高度，同纬度地区海拔越高气温越低，而最大气温日温差的大小与纬度、云量、海陆分布、地势、地表性质、海拔高度和季节等因素有关。高海拔地区，地势复杂，气候多变，昼夜温差变化较大，与同纬度平原相比，高原上昼夜温差增大一倍左右。同样的，海拔越高，年低温期也越长。海拔4 km以上的地区为常年固定冷区，年平均气温在-4℃以下，冷期大于5个月，昼夜温差越大，日温差可高达30℃，极端最低气温可达-27～-45℃。

3)日照幅射强、风沙大。地球上不同的气候决定于太阳辐射，而太阳辐射强度决定于地理纬度。随着海拔高度的增加，太阳光线通过大气的厚度、空气密度、水汽和悬浮物质都相应减少，太阳光透过度愈大，到达地面的辐射较强。随着海拔的增加，太阳直接辐射强度增大，海拔高度增加1 km，太阳直接辐射强度约增加54 W/m2。

4)高原环境，风力大、风速高、风压小、沙尘多。年大风期长，最高风速为20～28 m/s，年平均风速为3m/s。海拔每升高1 km，风压则下降9%。由于植被少、土壤及大气湿度小，因此沙尘量大。沙尘量按地区不同，是低海拔多尘空气含尘密度的5倍以上。沙尘的大小和风速密切相关，随着风速增大，刮起沙尘颗粒直径也愈大。

2 高原典型环境效应［4—8］

高原环境对装备的影响因素主要体现在:低气压缺氧、低温、辐射、沙尘等。

低气压缺氧引起的环境效应主要体现在:功率下降，发动机启动与燃烧不正常;气密设备应力增大，造成密封外壳变形，焊接开裂，结构损坏，设备泄漏;空气抗电强度降低，产生电弧，电晕放电等现象;空气介电常数降低，电参数发生变化;低密度材料物理和化学性能发生改变;热传导降低，引起装备过热。

低温环境效应主要体现在:热胀冷缩引起机械接触部件卡死、破裂脆裂;弹簧部件弹性性能下降;电子器件及机电部件性能改变;材料低温硬化与脆化;润滑剂粘度增加导致传动失效;密封件硬化脆化老化引起泄漏等。

温差变化引起的温度冲击效应主要体现在:机械零部件的变形或破裂，运动部件的卡紧或松弛;金属材料腐蚀或非金属材料老化;表面涂层开裂;密封舱泄漏;绝缘保护失效等。

太阳辐射效应主要体现在:活动部件受热不均匀而卡死或松动;电子器件和机电部件性能发生变化;复合材料物理化学性质改变，强度和弹性发生变化;涂层材料起泡、剥落、分层;绝缘材料介电性能改变，绝缘性能下降;密封材料稳定性下降，丧失密封性能。

沙尘效应主要体现在:沙尘进入装备内部会使活动部件卡死，过滤装置阻塞;使电接触不良，电路劣化;表面磨蚀加剧，沙尘上带的各类盐分、有机物和有害气体还能加速金属腐蚀和材料变质;静电荷增大，产生电噪声;吸附水分，降低材料的绝缘性能;热传导下降，干扰光学装置的光学特性。

3 高原环境对火炮系统的影响分析

3.1 火炮结构特点分析［9］

火炮是利用火药在管形内膛燃烧形成燃气压力来发射弹丸的一种射击武器。对于自行火炮而言，主要由火力与控制系统、推进系统和辅助系统组成。其中火力与控制系统由火力系统、火控系统和辅助武器等组成;推进系统由动力装置、传动装置、操纵装置、行动装置、车体等组成;辅助系统由电气系统、通信系统、夜视仪器、三防装置、烟幕装置、液压系统等组成。

从火炮结构组成可以看出，火炮是一种特殊的机电装备，大量采用机械、电子、液压、气动等部件，采用了多种金属、非金属材料。从受高原环境影响不同的角度，可以将火炮部件归纳为:动力部分、机械配合及传动件、电子器件、液压部件、密封件、弹簧等几类。

3.2 高原环境对火炮动力部分的影响［2—3，10—18］

动力部分为自行火炮提供机动的动力。高原恶劣环境会对其产生很大的影响，具体表现为以下几个方面。

1)低压缺氧的环境，使发动机气缸所充空气密度降低，燃烧不充分，燃油消耗量大，排气黑烟严重，废气有害物排放量大大增加。

2)功率下降，海拔在2 km以上时，每升高300 m，功率下降4%，发动机动力不足。

3)空气密度低，发动机冷却风扇流量少，散热效果下降，多余热量不能及时散发，发动机、传动系统、液压系统容易过热。

4)海拔越高，气压越低，水的沸点下降。通常海拔在4 km时，水的沸点为85℃左右，而冷却系统防冻液正常工作温度应在90℃左右，冷却系统不能正常工作。

5)高原气温低，空气温度达不到发动机气缸所需启动温度，且气缸内压缩空气压力明显低于正常启动时所要求的压力，使得发动机启动困难。

6)气温低，蓄电池工作能力下降。通常气温每降1℃，蓄电池容量下降1%～1.5%，蓄电池总电量不足，启动时电能不足。

7)高原空气稀薄，发动机增压后空气量和增压压力相应发生变化，导致增压器压气轮出现喘振、废气涡轮出现阻塞，发动机排气温度过高等问题。

8)液压系统与发动机匹配发生变化，各液压阀、液压缸等执行元件的动作时间随海拔高度增加而动作迟缓，液力传动受发动机外特性影响较大，机械功率转变成热量，散热差，作业油温高，严重影响动力的有效传动。

3.3 高原环境对火炮机械配合及传动件的影响

火炮武器系统中存在大量的机械配合及传动接触部件，如炮身在摇架内的后坐复进直线运动，高低机和方向机起落、回转时的旋转运动，瞄准装置的瞄准过程，炮闩的击发过程等，其传动形式主要有摩擦滑动、齿轮传动、涡轮蜗杆的螺旋传动等。高原恶劣的环境条件会对接触部件产生很大的影响，表现为:因温差变化大，各类接触部件金属热膨胀或收缩不均匀，引起结构件变形，接触间隙改变，使得接触受力和接触部位产生改变，带来了运动摩擦增大，部件局部受力不均匀，造成接触部位发生过度磨损甚至损坏等现象;同时高原地区风沙大，特别是在干燥环境下微小尘埃含量加大，造成接触部件大量带入沙尘，运动摩擦增大，同样会造成接触部位发生过度磨损甚至损坏的现象。在以上的影响下，火炮瞄准精度下降，传动部件受力状况进一步恶劣，造成部件受力增大，传动部件损坏，火炮结构部件接触部位磨损加大。

3.4 高原环境对火炮电子器件的影响

火炮上大量使用了各类电子器件，既有电源设备，也有各类数字信息、通信设备，高原环境会对其产生一定影响。高原环境下，蓄电池低温使用性能降低，电源线路效率降低。高原空气密度低，空气干燥，电气设备绝缘强度降低。同时高原日照强烈，紫外线强度大，会促使绝缘材料老化加快，特别是有机绝缘材料，会加速油漆涂层的老化和龟裂。空气密度小，电子器件表面散热性能下降，导致器件的性能下降或运行不稳定等现象。

3.5 高原环境对火炮液压、密封部件的影响［3，19］

火炮系统上大量采用了液压部件和密封件，火炮上最重要的部件之一是反后坐装置，通常都采用液压式结构，包括制退机和复进机等。火炮的其他部件也大量采用了液压结构，如用于传动的液压式高低机、用于改善起落部分受力不均的平衡机等，各种武器还大量使用了液压千斤顶来承担火炮发射时的受力。同时由于大量液压部件的使用，必然对密封结构提出了更高的要求，大部分密封器件采用了非金属材料，如橡胶、尼龙、塑料等。

受高原低气压的影响，液压油箱内压力不足，液压油粘度大，液压油泵的吸油性能变差。液压缸、液压马达等执行元件磨损量增大，密封件磨损老化严重，液压泄漏量增大。沙粒或尘埃进入液压系统，又会加速各元件的磨损或堵塞，导致液压系统出现功能障碍，从而影响反后坐装置、平衡机、液压千斤顶等设备的使用可靠性。

高原低气压同样会使得密封部件承受向外膨胀的压力，使得外壳变形，密封件破裂造成密封器件失效。低温及温度变化又会造成材料脆性、塑性等特性变化，增加了密封部件低温低压下产生变形或开裂的危险。同时由于高原高紫外线的辐射，常用的橡胶、尼龙、塑料基底制作的密封器件都会出现老化硬化、失去弹性等现象，引起密封部件失效、泄漏和损坏等，从而影响反后坐装置、平衡机和千斤顶等部件的工作性能。

3.6 高原环境对火炮弹簧类器件的影响

火炮大量使用了各类弹簧元器件，从重要的击发机构、保险机构到平衡机、悬挂弹簧到搭扣、卡锁、铰链、开关、手柄、杠杆、防转垫圈等器件。高原环境会对此类部件造成影响。主要体现为:低温冷脆效应，使得弹簧器件在低温条件下出现弹性性能降低，刚度下降、行程缩短等现象，造成工作不可靠;弹簧导向筒、导向杆等弹簧导向、定位零部件在低温情况下膨胀收缩变形、润滑不佳以及受沙尘侵入影响，会造成弹簧部件失效现象频发;温度的交替变化，使得弹簧材料产生时效退化效应，导致弹簧性能降低，紧固件松脱，卡锁失灵等。以上因素会导致击发机构失灵、反后坐装置作用不可靠、自动机异常、各类关卡机构异常和弹簧垫圈等防松零部件失效等现象的发生。

4 火炮系统高原环境下防护措施［20］

为避免高原环境对火炮系统的影响，火炮系统需要采取针对性的防护措施。

动力部分需配备大容量蓄电池，并采取防寒措施，对发动机进行涡轮增压，提高发动机功率。增加散热器散热面积，改善散热条件，降低热负荷。采用大流量、低阻力、滤清效率高的空气滤清器。选用耐低温的润滑油、防冻液和机油。

机械配合及传动件应选用有良好冲击韧性的耐低温结构件，活动件之间留出足够的膨胀间隙。选用耐低温的电子元器件，空气绝缘部分采用绝缘胶层，避免尖端结构与残留毛刺，防止尖端放电发生。弹簧元器件选择适应高原低温及温差变化环境的器件。

对于液压、密封部件，增大液压系统散热面积，必要时采取强制冷却措施。液压泵采取相应措施，消除低气压引起的液压泵容积效率下降的问题。液压油箱应采用防止沙尘和水进入的措施。合理选用密封件和橡胶件，提高密封性能。液压油管应选用抗紫外线和耐寒性能强的材料，选择耐老化、抗紫外线、耐低温的密封件。

5 结语

从高原环境特点和环境效应入手，分析了高原环境对火炮系统的影响因素和影响程度，提出高原环境下火炮系统的一些防护措施，为提高火炮系统高原环境适应性进行了一些有益的探讨。分析结果对提高高原环境下试验和使用的火炮系统整体性能和环境适应性能具有参考价值。

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