膛線
身管實質上是一根發射時供彈丸通過的鋼管。身管內表面稱作炮膛，通常刻有凹線或膛線。也有沒有膛線的滑膛身管，但它們主要用在坦克炮上，特別是用在發射尾翼穩定彈丸的火炮上。炮膛的膛線是按螺旋形刻制的，有等齊和漸速兩種纏度。
帶等齊纏度膛線的炮膛，其特徵是陰線相對於炮身軸線的斜度是個常數。炮身軸線是沿炮膛中心貫穿炮膛全長的一條假想線。漸速膛線是指陰線與炮身軸線間的斜度是不斷變化的，越向炮口斜度越大。漸速膛線，在身管內的火藥氣體壓力達到最高點時，可用於減少彈帶作用到陽線上的壓力，從而保證彈丸在離開炮口前能獲得足夠的轉數。使用漸速膛線在理論上的好處是，比較短的身管不會降低彈丸飛行中的穩定性。但是，正如我們將在後面瞭解到的一樣，在如何使身管的不同部位得到不同的壓力的問題上還存在著一些相互矛盾的要求。
凸起的膛線稱為“陽線”。不包括陽線深度的炮膛直徑就是用於衡量身管、也就是武器的口徑的尺度。膛線的用途是在彈丸穿越炮膛時使彈丸旋轉。彈丸上配有用比膛線軟一些的材料製成彈帶。當彈丸向前運動時，膛線嵌入彈帶，膛線在彈帶上刻出的凹槽的形狀與陽線斷面相應。彈帶上被刻出的凹槽被迫沿膛線扭轉的路線運動，從而使彈丸旋轉。在決定膛線深度時必須解決兩個彼此矛盾的要求。一方面，深陰線更有利於為彈丸穿過炮膛時導向並能減少膛線的磨損。但是另一方面，淺陰線更容易使彈帶嵌入膛線，而且由於彈丸飛出炮口時留在彈帶上的刻槽較淺，因而可減小彈丸在飛行中的空氣阻力。
射擊時的膛內現象
射擊時在火炮內發生的一系列現象正是彈丸膛內運動即內彈道學所要研究的課題。內彈道學還包括對發射藥彈道性能的研究。
火炮發射時，燃燒的發射藥產生具有很高壓力的氣體，使彈丸加速穿過炮膛，直到以預定初速離開炮口。初速是具有一定質量和形狀的彈丸最終要達到的整個射程的基礎。在設計火炮時必須進行計算以保證最正常、最有效地產生所需要的初速。發射裝藥產生的能量用於完成好幾種工作。大部分能量用於賦予彈丸速度。能量還消耗在做下述功上：使彈丸旋轉，克服彈丸與膛壁之間的摩擦力，使發射藥和發射藥氣體在膛內運動以及使火炮後坐部分後坐。有些能量還以熱能的形式損失在身管、炮尾、彈丸和藥筒(如果使用藥筒的話)上。
在裝藥被點著的瞬間，發射藥開始在一個封閉的空間燃燒。這個空間前有彈丸的彈帶封閉，後有火炮所採用的緊塞裝置封閉，緊塞裝置用於防止火藥氣體從後面逸出。在發射藥氣體的壓力達到能使彈丸運動的程度之前，發射藥的燃燒速度與膛壓增加的速度是成正比例的。所謂“彈丸啟動壓力”就是指使彈丸開始向前運動的壓力。
當彈丸沿身管向前運動時，供發射藥氣體佔用的空間增大，因此膛壓的增加速度減小。當空間增加所導致的壓力的增加相等時，膛壓達到最大值。自此以後膛壓開始下降，同時彈丸卻在繼續加速，甚至在發射藥全部燃盡後彈丸仍在繼續加速，只是加速度逐漸減小，彈丸一出炮口即變為減速。上圖說明膛內壓力、彈丸膛內行程和彈丸速度間的關係。
彈丸在膛內的運動大約要消耗掉髮射藥產生的能量的25-35%。其餘的能量都在彈丸離開炮口後排入大氣。從上圖可以看出，通過增加身管長度以延長髮射藥氣體作用於彈丸時間的方法，還有可能使彈丸初速增加。只是用這種方法增加初速也有其缺點，因為在身管增長超過一定限度後所增加的初速與所帶來的缺點相權衡，是得不償失的。上圖也說明了這一點。從此圖可以很明顯地看出，從發射藥燃盡點開始，彈丸速度的增加是越來越平緩的。
在火炮設計中發射藥在膛內的燃盡位置是很重要的。如果燃盡位置在膛內過於靠前，則很可能會增加耀眼的炮口焰，從而增加被敵人發現的可能性。如果燃盡位置在炮口外，則炮閂在發射藥全部燃盡前有被打開的危險。在設計火炮及其裝藥系統時，必須非常注意這種可能性，特別是對發射後自動開閂的火炮。使燃盡位置適當靠後還有其他一些理由，其中比較重要的是，這樣做能減小各發彈之間的初速差異。很明顯，發射藥在膛內的燃盡點還會影響應力對身管的作用位置和大小。只要考慮到即使是一門105毫米野戰炮要以每秒幾百米的速度把彈丸推出炮口，其膛壓也會大大超過20噸/平方英寸，這就很易理解應對身管應力問題給予極大重視的道理了。
身管特性
身管壽命
火炮身管所要具備的主要特性是壽命長、強度大、剛度強、重量適度和重心合適。身管的使用壽命應儘可能長，這就是說身管在由於磨損而不能以所要求的初速正常地發射能穩定飛行的彈丸前，應能發射大量炮彈。然而，在要求身管具有較長壽命方面，有一些考慮是相互矛盾的。採用身管特別冷卻技術、冷燃發射藥或價格昂貴的膛面光潔材料來增長身管壽命，都是很不經濟的。這裡需要優先考慮的是作戰要求，特別是所需要的發射速度和估計多久換一次身管最合適；但是，還必須將這些作戰方面的要求與製造成本和難易性相權衡比較。
強度
不言而喻，身管強度必須能承受射擊應力而不致在作戰情況下出現故障。這種強度要求可通過許多方法來實現，如在鋼中添加合金元素、給身管施加預應力或依靠身管本身的設計來實現。一般是綜合採用這三種方法。身管的重量主要取決於對其強度的要求，但是也考慮剛度和整門火炮射擊時的穩定性。
剛度
身管必須具有足夠的剛度，或通常所說的“梁強度”，以使其在自重作用下不致彎曲。這一特性對長身管火炮來說尤其重要。在身管使用的鋼材品位確定以後，身管的梁強度要求通過選擇合適的身管外形來滿足，即，使身管的厚度從炮尾到炮口逐漸減薄。
重心
現代火炮多采用後耳軸。身管重心離耳軸越遠，由於身管和炮尾不能繞平衡點旋轉而引起的身管的不平衡力矩也越大。因此，身管重心儘可能靠近耳軸是最理想的。現代火炮一般使用平衡機來解決這個問題。詳細情況可見第五章。另一個解決辦法是增加炮尾重量，形成配重平衡。這種方法的缺點是增加了火炮重量，然而重量增加也有好處，即可以提高火炮的穩定性。關於火炮穩定性的問題請見第五章。身管的炮口端過重傾向還可以通過調整身管全長的重量分佈來解決。但是，一般認為，其它一些因素包括前面幾段提到的那些問題在內，在決定身管外形上更為重要。
身管結構
纏絲身管
纏絲身管現在已經過時，但是它使用過的工藝還是值得注意的。用這種工藝製造身管就是把鋼絲緊緊地纏繞在身管上。從炮尾往前纏絲部分的長度取決於承受射擊應力的需要。纏絲身管具有某些優點，主要優點是所使用的鋼絲的強度可以在生產過程中嚴格控制。另外，鋼絲中的任何故障往往只具有局部影響，與身管上產生裂紋不一樣。這種工藝的缺點是，需要把某種形式的外管或被筒冷縮到身管上，以使身管具有足夠的梁強度。整個工藝過程是比較耗費時間的，而且費用昂貴。使這種工藝過時的主要原因是現在已有更好的製造預應力身管的工藝。
套筒身管
製造身管的另一種方法是把兩個或兩個以上的圓管套在一起，形成套筒式身管。套裝之前，外管的直徑應稍小於內管。把外管加熱後，再把冷內管裝入外管裡。冷卻後兩個管子的貼合面被壓在一起。結果內管所受的切向壓縮應力和外管所受的張力在兩個管子間產生了壓力。這種套筒身管的總的效果是，身管內腔表層存在的壓力使這種身管比用相同厚度的單個金屬管做成的身管能承受更大的射擊應力。當然這種比較只有在這種單層金屬身管沒有采用其它方法如自緊工藝進行預應力處理時才是正確的。自緊工藝將在本章後面部分介紹。套筒身管技術過去曾經顯示出某些優越性，特別是在製造極大型身管時用其他方法提高身管強度在當時存在著不可克服的製造困難。
松裝身管或松裝襯管
另一種增加身管強度的方法是在身管的某一部分上安裝被筒以提高身管承受高應力部位的強度。被筒還對身管起縱向支撐作用。“松裝身管”一詞容易使人誤解，其實身管和被筒是緊密結合件，兩者被牢牢地固定在一起，以防止彈丸在膛內運動時身管在被筒中旋轉。松裝身管的好處在於更換身管時和把身管分解成馱運件時，身管比較容易卸下。松裝襯管是松裝身管的前身。兩者的主要不同是整個松裝襯管全被被筒套住。因此，與松裝身管比較，松裝襯管更加笨重。發射18磅或25磅彈的速射火炮使用松裝襯管，而其後繼型火炮則使用松裝身管。
組合身管
組合身管是由各段身管組合而成的，除身管各段用不同牌號鋼材製成外，與松裝身管相似。身管各段的鋼號選擇取決於其所承受的發射藥氣體壓力的大小。組合身管可以做成線膛；也可以把炮口端做成滑膛，以延長身管長度，增加初速。這種似乎很複雜的身管的好處是可根據內膛的磨損情況來更換身管。組合身管的缺點在於它的複雜性，在於如何保證各段身管的完全密封，還在於身管的各相鄰兩段間如何做到準確的膛線對接。然而，組合身管已成功地為高射炮和反坦克炮生產出來。與上述各種身管制造技術一樣，組合身管目前也已被單肉身管所取代。
單肉身管
單肉身管用整段鍛件製成，沒有任何被筒或襯管。由於單肉身管容易製造和冶金學的發展為身管的製造提供了能可靠地承受極高膛壓的合金鋼材，因此單肉身管技術目前已成為普遍採用的技術。製造單肉身管的現代工藝是非常快速的。現有的旋鍛機床已經能把空心和實心棒鋼經熱鍛或冷鍛做成長達十米以上的身管。由於使用數控系統以程控完成整個操作，整個工藝過程已不象過去那樣依靠操作者的個人技術。鍛壓成一根105毫米身管只需要十來分鐘。在使用冷鍛工藝時，膛線成形也可以包括在身管成形工藝中。這時可使用一個具有所需要的膛線深度和纏度鏡象的芯棒裝置來使身管成形。
如果鋼號一定，要想在製造單肉身管時不施加預應力而獲得更大強度，就必須加厚管壁。增厚管壁的做法除使身管更重、使其價格更貴外，其效用也是很有限的。身管鋼材的外層與內層相較往往應力不足。當身管直徑與炮膛直徑之比超過某一比值時，強度的增加將是有限的。由於身管壁在承受膛壓時壓力大小不均，因此內表面受到的壓力會達到極限，而外層受到的壓力卻極小，這是單肉身管的基本缺點之一。增大身管強度的措施是使用具有更大抗張強度的鋼材或者給身管施加預應力或者兩者兼施。目前被廣泛接受的方法是通過自緊工藝取得預應力身管。
自緊工藝
身管所受應力
共有五種不同類型的應力作用在身管上。它們是梁應力、徑向應力、圓周應力、縱向應力和扭轉應力。梁應力是身管自身的重量和長度作用在身管上而引起的一種撓曲應力。因此，身管必須具有足夠大的剛度以防止自重引起的彎曲。發射時，發射藥氣體在膛內向身管壁施加一個向外的徑向應力。發射藥氣體還產生一個圓周應力，圓周應力沿切向作用在炮膛圓周的任何一點上。
當彈丸在膛內運動時，它還產生另外兩種應力：其一是縱向應力，其二是扭轉應力。縱向應力是由彈帶在膛內的向前運動和彈帶前後的壓力差引起的。縱向應力的作用是縱向拉長身管，但是這種應力的作用範圍很小，只限於局部且隨彈丸向前移動。與彈丸的膛內運動有關的第二種應力是扭轉應力。扭轉應力是由於彈丸在膛內運動時扭轉而引起的。扭轉應力產生扭轉作用，其方向與膛線纏度方向相反。
要弄清自緊工藝到底是誰發明的是很困難的。大多數人認為是法國人在20世紀初期發明的；但是有些法國人卻認為早在19世紀60年代就發明了，這就更難證實了。顯然“autofrettage”(自緊)一詞源出法文，其英譯為“self-hooping”。不管人們對該技術的源起日期如何懷疑，第一門自緊火炮是1913年法國人制造的140毫米火炮，則是確實無疑的。
現將自緊工藝過程概述如下。首先選擇一根內徑略小於所需要的口徑的鋼管，然後從裡面對鋼管施加足夠大的壓力，使其內膛擴大。在這個過程中鋼管內層金屬被伸展超過其彈性極限。這意味著內層金屬已伸展到在膛內壓力一旦消失後不能恢復其原狀的程度。在施加內壓過程中鋼管外層也會伸展，但內壓的大小被控制在不使鋼管外層金屬伸展超過其彈性極限的範圍。之所以出現這種現象，是因為管壁應力分佈不均；鄰近壓力源的金屬層所受應力最大，到鋼管外層應力顯著減小。
在彈性極限內應變(或者說尺寸變化)與施加的壓力成正比，因此鋼管外層的伸展小於內層。由於外層金屬擴展是在彈性極限內，因此外層金屬力圖恢復原狀，而同時被永久性伸展的內層則極力阻止其這樣做。結果使內層金屬處於外層金屬的壓縮之下，非常象外層金屬被收縮在內層上一樣。下一步是對已應變的內層金屬進行低溫熱處理，使內層金屬的彈性極限至少提高到與在自緊工藝的第一階段所施加的壓力一樣大。最後是再次施加內壓以試驗身管彈性。但是這次施加內壓時必須非常小心，必須保證內層金屬的擴展不超過其新的彈性極限。
採用自緊工藝的第一個好處是，在最大發射壓力一定時，可以選用一種價格比較便宜的低牌號鋼材做身管。另一個好處是，在鋼材牌號一定時，可減薄身管壁厚，從而可減少炮重並降低成本。例如，一個外徑比內徑大50%的身管，經過自緊處理後其強度相當於將壁厚增加約50%的同樣的非自緊單肉身管。自緊身管的再一個好處是，若對身管內膛加壓，則有可能彌合內膛表面的細微裂縫，從而減少身管在使用期內因疲勞而發生故障的可能性。就較輕型身管而言，其疲勞壽命可增加一倍以上。自緊工藝有幾種不同的工藝形式，其主要區別是在對炮膛施加內壓的方法上。這些工藝方法可分作兩類，即液壓自緊和擠壓自緊。
液壓自緊工藝
液壓自緊工藝是通過往膛內引入高壓液體來獲得所需要的應力的。通常使用的高壓液體是甘油和水的混合液，因為這種液體在高壓下具有穩定性。國家不同則使用的液壓自緊裝置也有所不同。圖4.3為美國使用的一種液壓自緊裝置。
某些高強度鋼材的屈服點接近70噸/平方英寸，使這類鋼材獲得必需的液壓力是很困難的。即使能產生這樣的壓力，在密封自緊裝置上也存在很大的問題。另外，液壓自緊還有一個先天不足之處，那就是由於沿身管長度上壁厚不同，因此就會產生不同的預應力。前面說過在身管全長上具有同樣壁厚是不必要的，因此如果火炮重量是個問題，則就非常需要在自緊後的拋光工序中減小身管厚度，越到炮口減的應越多。擠壓自緊工藝是克服上述某些困難的有效方法。
擠壓自緊工藝
擠壓自緊工藝就是用液壓頂杆迫使一個體積比鋼管內膛大的衝頭或心軸通過內膛。使身管內層產生超限應變所需要的壓力的大小，取決於身管所需要的鋼材牌號、身管壁厚、身管內膛初始直徑與衝頭的直徑差以及內膛與衝頭的接觸面積。就產生同樣大的預應力而論，推動衝頭穿過身管內膛所需要液壓力比液壓自緊所需要的液壓力更容易獲得。另外，擠壓自緊為設計師提供了僅對需要施加預應力的那段身管進行自緊處理的能力。圖4.4中的示意圖說明了擠壓自緊工藝原理。
身管磨損
儘管在身管制造技術上取得了若干進展，但是身管磨損問題仍然存在。身管磨損起因於膛內發射藥產生的高溫、高壓氣體在膛內的化學作用和彈帶穿越身管時的摩擦作用。磨損的結果會造成相對於射彈起動壓力的初始阻力的減小，從而使最大膛壓下降，使初速減小。由磨損引起的初速減退量是可以計算出來的，並且可在火炮上進行修正或在計算射擊諸元時進行修正。如果身管磨損過大，就有可能出現沒法接受的初速偏差。此外，如果膛線磨損嚴重，彈帶可能失靈，彈丸飛行就會不穩定。如果彈丸不能穩定地沿彈道飛行，就會使空氣阻力增加，從而產生近彈。這種後果是很難預測的，因而不能象修正初速減退量那樣進行修正。
由高溫、高壓發射藥氣體造成的磨損稱為燒蝕。燒蝕常常是局部性的，在這種情況下燒蝕被稱為燒痕。在身管的有缺陷處，燒痕就會出現並會很快擴展。在彈帶和膛線之間密封不嚴的地方，也會出現燒痕。還有一種燒蝕叫環形燒蝕，環形燒蝕表現為在速射火炮藥室中的藥筒前沿處身管局部的圓形擴展。由彈丸與炮膛表面摩擦形成的磨損叫磨蝕。磨蝕將會逐漸磨掉炮膛表面的金屬，陽線上使彈帶旋轉一端的機械摩擦將逐漸把陽線磨圓。用改變彈藥設計、減少膛內摩擦的方法可以防止磨蝕。通常，燒蝕是最嚴重的一種膛內磨損，特別是對射程遠、射速高的火炮來說。
可選用下面四種方法的一種或多種來解決炮膛磨損問題，這四種方法是：使用防磨損添加劑在炮膛表面形成絕熱層、使用冷燃發射藥、使用抗燒蝕性更高的鋼材和使用身管冷卻技術。使用防磨損添加劑的主要問題是，最好在每發彈發射前都放添加劑；當然，這是可以做到的。可把合適的添加劑如硅酸鎂和石蠟的混合物放在彈丸後邊的藥室中。射擊時，身管內表面將覆蓋一層添加劑，它可以保護炮膛免受高溫發射藥氣體的燒蝕。直到今天，使用防磨損添加劑的效果都是非常令人滿意的，但是還需要對其作進一步的研究。使用冷燃發射藥會給火炮設計師帶來其它約束，因為為了盛裝更多的冷燃發射藥以獲得一定的最大膛壓，就必須增大火炮藥室。與此相似，使用耐燒蝕材料做身管也同樣有其缺點。大多數耐燒蝕材料，如鉬和鉻，都很昂貴，而且加工不易。鍍鉻身管是近年來廣為研究的課題，但是彈丸的摩擦作用能使鉻層遭到破壞，因此鍍鉻身管直到今天仍主要用於小口徑武器。
剩下的唯一的一個選擇是採用某種方法使身管冷卻。就炮兵武器目前存在的射速、特別是持續射速越來越高的趨勢來說，對解決身管過熱問題的要求已變得越來越緊迫。解決這個問題的途徑有兩個，就是水冷和氣冷。水冷已經成功地應用於高射炮和艦炮，因為對這兩種火炮來說，重量不是應考慮的主要因素。這種水冷方式對提供近程和中程支援的火炮來說是成問題的，肯定不適用於牽引火炮。為使水冷有效，冷卻水或其它冷卻劑必須緊靠身管。冷卻系統必須能為來自某種形式的蓄水器的冷卻水提供循環條件並向蒸氣提供排放條件。水冷應用於自行火炮是可能的。在自行火炮上，可把水冷系統作為自行火炮的一部分，但是水冷系統佔用空間並會增加自行火炮的重量和複雜性也是一個問題。氣冷是解決這個問題的很有吸引力的途徑，因為氣冷與水冷比較，其系統的結構簡單而重量輕。
火炮採用氣冷的困難之處是身管散熱面積過小，常常不能足夠快地降低溫度以抵銷由於持續射擊而增加的熱量。以一門105毫米輕型火炮為例，先以每分鐘四發的射速連續射擊15分鐘，接著再以每三分鐘四發的射速持續射擊15分鐘，這時其身管溫度可達160℃左右。甚至在射擊中斷了90分鐘以後，身管溫度仍有60-70℃，視當時的環境溫度而定。顯然，如果再以同樣的射速進行射擊，身管溫度將會更快地達到並超過160℃。在炮膛表面溫度超過675℃左右時，燒蝕速度將會穩定地增加；超過980℃後，燒蝕速度將顯著加快。當然，使用防磨損添加劑和拋光炮膛表面會部分地解決這個問題。儘管通過上述措施可降低身管溫度，但是對高性能火炮來說它產生的熱量是很大的，身管的最高膛溫主要是由火炮一天中在戰場上發射的所有炮彈造成的。對於現代炮兵武器系統來說，尤其如此，可能要求它們每天發射近千發炮彈，至於是否能進行爆發射關係不大。
曾經對通過增加散熱面積來冷卻身管的方法進行過試驗。在這些方法中包括使用散熱片、散熱環和散熱肋等。一般地說，增加散熱面積的做法在火炮設計中還沒有引起重視。在身管上裝帶槽或帶翼片的被筒並在身管和被筒間注入冷空氣是可以做到的；但是這樣做又會帶來使火炮增重和變得更復雜的缺點。身管厚度的任何增加肯定也會有助於降低炮膛溫度，因為增厚將增加身管的容熱能力。遺憾的是，對提供近接支援和縱深支援的炮兵武器來說，它們不能採用使自己增重的方法。
對炮膛溫度的考慮遠遠超出了磨損問題。炮膛溫度也涉及安全問題。在發射速度很高時，炮膛溫度也會很高，就有可能引起發射裝藥爆燃或自燃，甚至在極端條件下會引起彈丸爆炸。隨著火炮發射速度的日益提高，在火炮上設置膛溫監測裝置是非常可取的。美國M198式155毫米榴彈炮就配有這種測溫裝置。
身管的疲勞問題
最新一代的炮兵武器既需要具有比以往更遠的射程，同時又需要足夠輕便，以滿足戰略、戰術和戰場機動性要求。為滿足射程遠、重量輕的要求，身管都是用具有更高屈服強度的鋼材製造的，以適應能產生更遠射程的高膛壓。煉製屈服強度約為1200兆帕的鋼材是可以做到的，但是這會大大降低其斷裂韌度。採用這樣的鋼材製造身管已使這樣一種趨勢越來越嚴重：使身管因燒蝕和磨蝕而報廢之前就會提前報廢。換句話說就是，現在使用的身管由於受到低於抗張強度的應力水平上的應力的反覆作用而發生疲勞和斷裂的情況越來越多。
在多數火炮的炮膛中都可以發現膛面上有密如蛛網的裂紋和龜裂現象。在目前通常使用的高膛壓的作用下，龜裂會很快地擴展成較大的裂紋。這種疲勞性龜裂最終會在射擊時造成身管的嚴重損壞。不難理解，這種現象正越來越引起重視，顯然這個問題有兩個方面。其一是要預計在身管疲勞成為嚴重問題之前火炮能發射多少發炮彈。其二是確定哪種鋼材的斷裂韌度最佳和抑制疲勞裂紋生成速度的能力最佳。目前存在的困難是不能提供精確的數據，主要原因是對溫度對於自緊身管疲勞的影響和裂紋的擴展還缺少充分的資料
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