火炮结冰结霜射击试验技术研究

陈蕊，万先锋，王志杰，佘昌伟，刘伟

（1.西安昆仑工业（集团）有限责任公司，西安 710043； 2.广州克莱美特仪器设备科技有限公司，广州 511458）

引言

某火炮结冰结霜环境试验是考核火炮在高低温结冰结霜环境下零部件的强度、机构动作的可靠性、以及射击指标能否满足火炮作战要求。GJB《某火炮***寿命试验方法》结冰结霜试验要求，要求火炮在-50℃保存6 h后，将火炮移至常温条件下放置1～1.5 h或待其外表面结霜蒙上湿气并开始出现水珠为止，将表面、膛内水珠擦拭干净后，再将火炮移入低温-50 ℃的低温环境环境箱出现结冰结霜现象后保低温1 h后进行实弹射击。在以往结冰结霜射击试验一般采用人工手动拆卸移出办法，即操作人员进入-50 ℃低温环境箱首先把火炮从炮架上拆下，然后手动抬出环境箱至常温下。此方法对小型火炮来说适用，从拆卸到移出大约10 min左右，对于大型火炮来说，由于其结构复杂，体积庞大、重量较大，操作复杂，整个操作过程1 h以上，一是人员不能长时间待低温环境箱，需频繁更换操作人员，二是频繁拆装某火炮增加了火炮的故障率。三，环境箱密封严实，箱内空气干燥；在冬天，如果室外空气干燥，即使将火炮移至常温下，也很难结霜凝露。常规环境箱要实现结冰结霜试验一般采用喷淋方式，而喷淋方式与自然空气温差结霜蒙湿气不同，无法满足GJB《火炮自动机寿命试验方法》试验要求。同时，普通环境箱一般要求箱内空气干燥，避免在温度较低情况下蒸发器结霜引起压缩机结霜结冰导致系统性能下降。因此开展火炮结冰结霜试验相对困难。

1 结冰结霜试验技术

鉴于上述情况，一，试验箱自身密封的局限，二火炮拆卸困难，我们考虑能否突破此两项桎梏，寻求第三方资源，引入加热加湿新风吹风系统，同时利用自然环境变化资源来解决问题。我们将高低温环境箱设计为快速升温模式，即在低温情况下温度迅速回升，同时引入加热加湿新风吹风系统，而此系统仅对火炮进行吹扫，无需将火炮移出，完成结冰结霜射击试验。

1.1 快速升温模式

在试验箱设计初我们将设备设计为快速升温模式，即升温速率≥10 ℃/min，这样设计的理念就是利用自然环境规律来达到试验目的，空气中只有在温差变化较大的情况下，才可出现结霜凝珠现象，火炮在-50 ℃保存6 h甚至更长时间，试件已完全冻透，在快速升温过程中，仅环境箱内空气温度迅速上升，而火炮温度则无法这么快速响应，试验箱从-50 ℃升至0 ℃需要5 min，而此时火炮温度可能为-40 ℃左右，甚至更低，在-40 ℃与0 ℃的温差下，火炮表面自然会有结霜现象发生。随着环境箱内温度的迅速上升，火炮表面结霜凝露至水珠出现，从而达到考核火炮的目的。如果升温速率为1℃/min，或者更低，那么，试验箱从-50 ℃升至0 ℃需要50 min甚至更长时间，此时火炮温度和箱内温度同步上升，行不成较大温差，试验失败。上面研究是从大自然环境理论的角度来分析，而实际工况是在相对密闭箱体内空气较干燥，湿度较低，尤其在北方干燥的冬季，几乎无法实现结霜现象，因此我们引入加热加湿新风系统。

1.2 加热加湿新风系统

环境箱长时间保高温、保低温试验，箱内空气相对干燥，湿度低，在温差较大的情况下，也无法完成结霜凝珠试验。新风吹风系统主要将实时环境空气经过过滤、加湿、加热后引入环境箱。具体包含尘过滤器、加湿锅炉、加热器、离心分轮、风机、进出口温度湿度传感器等。其主要工作原理图见图1所示。

尘过滤器主要材质为纵横交错的波形不锈钢网组成，过滤网多层次交叉将空气中沙粒、粉尘、扬尘以及气态污染物经过物理化学反应形成的盐类颗粒物滤除掉。加湿锅炉主要是通过蒸汽加湿，它的作用是将过滤后的干燥空气增加湿度，增加空气中水分子含量，在温差变化大的情况下极易结霜凝露。利用PID算法来控制加湿量，加湿量从0～100 %PH进行无级调节，实现精确控制。在北方冬天或者温度相对低的环境下，空气温度皆在0 ℃以下，加热器功能是将空气温度按设定的温度值进行加热，加热器一般采用镍铬丝进行加热，离心风轮就是强制空气对流热换，达到恒定温度、恒定湿度并将空气送出。风机设有挡位调整，分为低中高三档进行可调，以此控制出风口风流量。进风口、出风口位置分别安装温度、湿度传感器，温度传感器采用K型热电偶，湿度传感器采用电容式湿度传感器，温湿度传感器皆有响应快、精度高等优点。进风口温度、湿度主要用于检测外部引入空气温度湿度值，即为当下环境温度湿度值，出风口温度、湿度主要用于控制加热器、加湿锅炉输出。出风口温湿度值可根据结霜凝露情况进行调节设置。当环境温湿度值大于设置温湿度值，系统加热器加湿锅炉不工作，此过滤后的空气可直接作为新风源使用。其中一项高于设定值则该项加热器或加湿锅炉不参与工作，低于设定值参与工作。整个循环控制系统通过PLC精准控制来实现。

图1 加热加湿新风系统工作原理图

1.3 通风管路

我们设计引入的新风系统主要是引入高温、高湿空气，目的为了与环境箱内火炮形成温差，另外一个重要的原因就是引入的新风可独立对火炮进行吹扫，如果将新风引入整个箱体，那么箱体顶部蒸发器同火炮一样也出现结霜现象，这样导致压缩机结霜整个制冷系统性能下降，甚至损坏压缩机导致环境箱故障。因此，我们设计了独立吹扫通风管路。

环境箱顶部预留出风口，新风系统出风口与环境箱顶部用普通通风管连接，箱顶出风口与火炮之间用可随意拉伸硅橡胶管连接，硅橡胶管耐温范围为-73～180 ℃，硅橡胶管一端与箱顶出风口连接，另一端与不锈钢管连接，不锈钢管口设计为喇叭口，便于扩大吹扫面积，如图2所示。

图2 通风管路系统工作示意图

2 火炮结冰结霜试验

2.1 低温存储试验

按火炮环境试验要求，将火炮试件移入低温环境箱，并安装完好，进行低温存储试验。

2.2 结霜凝珠试验

当火炮低温保温结束后，将环境箱温度控制设置为自动升温模式，即最大升温速率模式，目标温度可根据试验情况设置为20 ℃或者30 ℃，可调节，并启动升温试验。同时启动加热加湿新风系统，新风系统湿度、温度设置可随意调节，根据火炮表面结霜缓慢程度进行设置。将通风管拉伸至火炮位置，不锈钢喇叭口对着火炮表面进行来回吹扫，当环境温度低于0 ℃，引入高温加湿新风空气，火炮表面出现结霜现象，当结霜达到一定要求时，关闭新风系统，完成火炮产品GJB结霜考核要求。随着箱内环境温度迅速上升，此时火炮自身温度恢复缓慢，当环境温度高于0 ℃，火炮表面慢慢蒙上湿气，随着温度继续上升，直至达到设定温度值，此时，环境箱停止升温，保持此温度值，火炮表面及膛内由蒙上湿气到出现凝珠现象，此时达到了GJB凝珠环境考核要求，关闭环境箱控制系统。

2.3 低温结冰保存

用干净棉纱将火炮表面、膛内水珠擦拭干净，然后，将环境箱温度控制设置为程序控制模式，降温速率设置为1 ℃/min，低温目标温度设置为试验要求温度，并进行低温保存。由于火炮膛内及一些零部件拐角位置处有部分地方水珠不易擦拭，在低温保存时产生结冰现象，达到GJB低温结冰环境考核要求。

2.4 实弹射击试验

低温保存结束后，打开环境箱射击窗口，完成实弹射击试验，完成整个结冰结霜试验考核。

3 结论

由于在-50～20 ℃采用了快速升温模式，空气温度迅速回温，而火炮温度恢复缓慢，造成了一定的温差，于此同时引入加湿加热过滤后的新风空气，从而实现了结霜结冰试验。环境箱在常规设置基础上引入新风系统，并对火炮单独吹扫，实现了仅火炮完成结冰结霜试验。同时避免了因拆装火炮带来的火炮故障隐患，人员低温操作带来的安全隐患。

该试验箱完成多项火炮结冰结霜试验，试验箱运作稳定，结冰结霜效果显著，实现了常规试验箱开展结冰结霜这一重要功能。