火炮总体技术3.ppt

第三章机动武器系统总体设计 以坦克自行火炮为代表的战斗车辆 是综合许多技术产品构成的复杂武器系统 在总装配厂集中成百上千工厂的产品 由成千上万个零件构成的元件 部件和系统互相配合 来实现多方面的性能 如何解决各系统 各部件 各性能和制造之间存在的许多错综复杂的矛盾 以获得各部分比较完善协调 具有突出优良性能的武器系统 因此在具体设计各部件之前 首先就要进行总体设计 3 1总体设计的任务和工作内容 总体设计的主要任务 是根据战术技术要求和技术 生产可能性 衡量取舍 统一矛盾 提出在一定条件下的最适当的 最佳的 满足总体要求的解决方案 据此拟定部件的类型和相互间的组成关系 组织指导和配合各部件设计来实现方案 协调各矛盾 设计出整个机动武器系统 最后在试制 试验后修改设计直到产品定型 总体设计追求的目标 用适当的尺寸和重量 简便可靠的结构来实现尽可能高的性能 以达到将来能在战场上发挥最大作用的目的 设计为了制造 制造为了使用 所以低成本和高可靠性达到高性能是设计追求的目标 总体设计与各零部件的关系 总体设计是设计的全局 对整个设计 制造和性能具有决定意义 总体设计指导各部件设计而又决定于各部件 基于各局部而又高于各局部 从全局着眼来选择提出各部件的技术条件 再用技术研究较成熟的部件来构成总体 总体取决于部件 部件离不开总体 总体设计思想 总体设计要照顾设计 制造和使用各方面 照顾各项性能指标的合理应用和各个部件的有机协调 也涉及到其他技术领域和各工业部门的协作 总体设计要求有深广的知识面 涉及战术使用 制造技术 生产管理 基础技术理论 结构原理 技术发展 经济成本 市场供应多方面 特别是对技术实质的把握判断和卓越的创造能力 总体设计是一个大概念 就设计范围有大有小 任何一件产品都涉及到总体设计思想 我们过去在学制图的零件设计时也涉及到总体设计 例如针对一个零件而言 主视图如何选定 需要几个视图 需要什么样的剖视 需要什么材料 需要什么热处理方法 需要如何标注 选定什么样的公差和表面要求等 这无形中就表现了一种总体设计的思想 我们拿到一个小的机构或部件 同样要分析机构或部件的功能和作用 适用条件和使用环境 选用什么样的零件 多少零件 来完成本机构的功能 需要什么附加条件 注意事项 工艺要求等等也同样体现总体设计的思想 只不过对于坦克 自行火炮这样的机动武器系统所涉及的内容更大更加复杂 需要考虑的问题更加综合 更加系统 更加仔细 总体设计需要一个团队 对于一个庞大的武器系统 任何一个人员都无法独立完成 需要一个团队 涉及各方技术骨干 在统一领导下形成一个总体设计组 由总设计师 副总设计师和分系统总设计师以及成员构成 总体设计对人员素质的基本要求 足够的热情专业的知识良好的学习能力具备领导能力和协调能力 坦克自行火炮总体设计工作内容 1 消化战术技术要求和任务2 部件选型和采用新技术3 设计总体方案和各部件的布置4 方案的分析 审查和确定5 总体布置和部件协调6 拟定有关技术文件 做好技术准备7 指导工程设计8 修正总体设计 总体设计需要掌握和了解许多相关的技术和具有丰富的实践经验 这里只对技术有关的内容作一介绍希望能对同学有所帮助 可起到抛砖引玉的目的 3 2发动机的选择 一 一般选择发动机是机动车辆的心脏之称 对车辆的性能影响很大 选用好发动机 是设计出优良车辆底盘的前提 而底盘又是安装一切战斗和作业装置的前提 车辆设计之前 对已有发动机需要进行选择 没有完全合适的发动机 则应预先提出设计或改进要求 对发动机及其附属系统组成的动力装置的主要要求是 动力性能 包括功率和扭矩特性 冷起动和加速特性 能在低速和高负荷的广泛范围工作等 单位功率大 体积小 质量小 所使用的燃料 耗油 能在各种气候和环境条件下长期可靠工作 寿命长 噪音小 造价低 保修及拆装方便等 柴油机与汽油机 苏联在二次大战时首先选定专用柴油机 在具有同样容量的燃料时 柴油机车辆最大行程是汽油机的1 3 1 6倍 在战场上也不易着火 安全性好 没有电火花影响通讯和电子装置 一般重型作战车辆采用柴油机 在拥有大量汽车的一些炮兵或步兵部队中 为了后勤简便和与汽车通用 也有采用汽油机的装甲车辆 有的轻型履带车辆也采用大量的民用发动机及其传动装置 发动机水冷与风冷 水冷发动机工艺要求较低 成本较低 容易防止局部过热 机体表面的温度较低 噪音较小 水上行驶和潜渡时有可能利用车外的水来冷却 水冷却系统的缺点是比较容易损坏和漏水 水垢多 冬季停车还需放水 风冷发动机的整个动力部分所占体积小 质量小 冬季使用方便不需放水 有利于在缺水地区使用 可防止发动机过热 可靠性高 发动机的气缸排列形式 直列气缸发动机 在一般缸径时的功率不够大时使用 缸数 4缸 过多会使机体过长 常用于民用车辆 对置活塞发动机 高度影响车体高度 活塞顶和燃烧室的热负荷大 导致壳体和缸套易裂纹 它和卧式对置发动机都较难于再继续加大功率 V形结构发动机 包括许多轻型车辆也如此 V形夹角一般为90 或60 缸数多数是12缸 也有8缸的 形成紧凑的整体 现在发展趋势 发动机不但与传动装置组装为一体冷却装置 风扇 散热器 和空气滤清器等也都固定为一体 这样结构紧凑 工作可靠性高 整体拆装和调整也方便 二 提高发动机功率和指标问题 现代坦克典型动力为V形12缸水冷四冲程的多燃料压燃发动机 近年以来主战坦克发动机都达到1000kW以上 有的提高到1300kw以上 主要问题是现在发动机已占坦克质量的4 5 及车内体积的10 而连附件在内的动力装置则占全车质量的10 左右及体积的30 40 难于容许进一步增大 特别是体积的增大使车体增大 会导致装甲车体质量更显著的增加 另一方面受到发动机技术发展的限制 无限提高发动机功率在技术上也存在许多的难题 所以人们试图从发动机内部发掘潜力 由于四冲程发动机的功率P是随下列因素而定的 式中V 活塞移动的排量 l n 发动机转速 r minJ 平均有效压力 bar kw 如果增大排量V来提高功率 将导致发动机尺寸增大 如果提高转速 受活塞运动速度的限制 这个速度目前平均为11 12m s 最高为15m s 这涉及润滑技术和燃烧速度问题因此 最主要的办法在于提高平均有效压力 而其主要措施 就是进气增压 20世纪60年代一般多采用机械增压器 进行压比为1 2的中增压 20世纪70年代多采用带进气中冷的废气涡轮高增压 一般压比2 4 现在主战坦克发动机主要指标的发展情况 约为单位体积功率不小于800 1000kW m3 比质量1 5 2kg kW以下 燃油比耗量 额定 在240g kwh以下 比功率的概念 单位重量的发动机功率 一般为15kw 20kw甚至更高 数字越大机动性越好 燃气轮机 正式采用燃气轮机是1980年开始装备部队的美国坦克 以及苏联的T 80坦克 燃气轮机有以下优点 1 机件无往复运动 比往复活塞式发动机平稳 振功小 2 扭矩 速度特性虽不如蒸汽机和电动机 但比汽油机和柴油机好 适用于车辆 3 主要是不需要散热器 无循环水泵驱动功率 也不需水冷风扇功率 柴油机的冷却风扇消耗功率约为发动机功率的12 14 燃气轮只需要4 左右 4 体积小 质量轻 燃气轮机本身的单位体积功率约为柴油机本身的一倍 而比质量则只一半左右 5 结构简单 零件少 要求保养较少 6 要求燃料不严 低于多燃料发动机的要求 7 噪音可以较小 排气没有明显黑烟 8 冷起动容易和迅速 燃气轮机的缺点 1 油耗大 低速性能不好2 燃气轮机不能有效地进行怠速旋转3 燃烧空气耗量为柴油机2倍4 成本价格比柴油机约贵一倍最近由于技术的不断发展 许多车辆都采用了燃气轮机发动机 M1 外贸155等 3 3武器选择 不同战斗车辆的武器随作战目的不同而可能不同 有些装甲车辆的武器只要求对付有限的目标 或只进行自卫 自行火炮通常为提高某一武器的机动和防护能力而与车辆结合 坦克是具有多用途目的的战斗车辆 需要很好地选用武器才能很好地发挥作用 下面以坦克或自行火炮为例进行分析 一 对武器的一般要求 坦克需要完成多种作战任务 对坦克主要武器的要求是威力大 能摧毁或压制战场上的各种目标 包括有生力量 各种武器及火力点和野战工事 火箭发射场 特别是能对付敌坦克和其他装甲车辆 以及对付远距离的低空直升机 射程远 能在2km左右距离对敌装甲目标作战 并能保证高的射击精度和发射速度 命中后应具有较高的作用效力 操作应该方便 工作可靠 轻巧 发射装置和发射物的成本都低等 1 对武器的威力要求 火炮设计突出穿甲威力的最佳参数性能 以长杆式超速脱壳穿甲弹为主要弹种 兼顾杀伤 爆破威力 能发射各种不同的弹药包括穿甲弹 破甲弹 榴弹 以及炮射导弹等 反坦克身管长度50倍口径左右 越长初速越高 榴弹炮身管长度30 50倍左右 2 对武器的精度要求 坦克强调立靶密集度和直射距离 弹丸出炮口瞬间的动态弹道正确性 和系统反应时间快等要求 将地面散布和最大射程作为次要目标 因此 要求火炮起落部分自然平衡 不需要平衡机机构 发射时间短 炮身射击振型最佳 射击后坐部分合力矩不变向 现代坦克炮管都有热护套 抽气装置 炮口校正之类的特殊装置 3 对武器的后坐及空间要求 坦克火炮后坐应满足坦克内部空间狭窄 紧凑的要求 例如后坐距离常要求在300 500mm内 后坐阻力必须打破火炮通常的对车辆重力的比例限制 常采用少量液体的高压驻退 总体布置适于降低炮塔和保证俯仰角 适于减小车内长度和减小座圈直径 火炮布置方案要尽可能地紧凑 后面需要防危板 自动闭锁装置等 轮式装备的武器后座长相对较长 自行榴弹炮空间相对较大 4 对炮尾炮闩的要求 横楔式炮尾炮闩立楔式炮尾炮闩螺式炮尾炮闩闭气式炮尾炮闩 5 击发发火要求 机械击发旧时的坦克火炮 电磁击发二战以后的坦克59 69T自行榴弹炮电击发二代坦克88式机电击发三代坦克突击炮双攻底火 6 对弹药的要求 不同的装备对弹药的要求也不一样弹药种类穿甲弹 破甲弹 榴弹 多用途弹 炮射导弹 末端制导炮弹 榴霰弹 末敏弹 增程弹结构形式 整装弹药 分装弹药 药包弹药 可燃药筒弹药 半可燃药筒弹药 模块装药等 7 其他要求 为保证密闭的车内少受污染 要求有炮膛吹气或抽气装置 装填过程的尽可能自动化 包括供弹机 推弹机 抛壳机等以提高发射速度和提高战术机动性 二 线膛炮或滑膛炮的选择 苏联T 62坦克开始使用115mm口径的滑膛炮后 各国称赞其优点 同时也评议其远距离射击精度差 十几年后苏联发展了125mm滑膛炮 德国 美 法 日各国20世纪80年代的新坦克也部采用了120mm滑膛炮 这几乎已成为西方坦克的标准武器 现只有英国仍坚持采用120mm线膛炮 滑膛与线膛炮的特点分析 1 旋转性不适合发射破甲弹 导弹2 速度降旋转弹好3 精度旋转弹好4 长径比滑膛好5 热损失滑膛好 吸热面积小6 初速滑膛高目前发展趋势 坦克炮采用滑膛 榴弹炮采用线膛 三 口径问题 现在许多观点认为 今后主战坦克火炮口径不会再进一步加大 其理由归纳如下 1 坦克车体宽度和座圈直径不能再加大 限制采用更大尺寸的火炮 2 随口径d增加 炮和弹的质量将以d3的关系增加 弹药基数则相应减少 而坦克质量发展已接近或达到50 60t的极限 难以容许炮和弹的质量再增加 也难于容许发射时后坐阻力的再增加 3 在一定炮身长度的条件下 小口径时穿甲弹威力与口径d成正比关系 d超过100mm 威力逐渐与d的1 2次方成比例 因此 再加大口径可能得不偿失 4 从穿甲威力看 由于提高的途径和方法多 以120 125mm口径为基础的改进潜力尚大 特别是在弹的发展上更是如此 在今后相当时期内 能满足军事需要 发展更大口径的可能性 尽管历史上已不止一次出现坦克火炮口径不会再增加的预言 但口径的比赛仍不断在进行 其中苏联一直以5 10mm的口径优势领先于西方 只要矛盾对立面的装甲要全力发展以阻止弹丸穿透 弹丸就会尽一切努力发展来穿透装甲 现在已经为未来坦克炮的发展提供了新条件 发展更大口径的可能性 1 现在已广泛采用的自动装弹机构 避免了人工装弹节省了一定的空间 2 现在正积极发展的顶置火炮的方案 没有炮塔限制火炮尺寸及后坐距离 3 现已试验成功不妨碍翼稳脱壳穿甲弹的高效率炮口制退器 所以 坦克口径可能会向140或145mm继续发展提供了可能 目前发展趋势已经趋同 目前坦克炮采用120 125为宜 榴弹炮采用105 122 152 155mm为宜 主战坦克 英美105 120 俄100 125我国100 105 125大口径榴弹 英美155 俄152中155中口径榴弹炮 英美105 中俄122 四 新型火炮和弹药的发展 1 炮射导弹2 末端制导炮弹3 榴霰弹 xiandan 4 末敏弹5 液体发射药技术6 电磁炮7 激光武器 1 炮射导弹 炮射导弹 利用火炮发射推力将导弹发射出去 在利用制导装置将导弹导向目的地 与炮弹相比 具有射程远 命中精度高 杀伤威力大等优点 制导装置与火炮同属于一个发射平台目前我国已经成功应用于部分装备 2 末端制导炮弹 末端制导炮弹 火炮不用做任何变动 就像发射普通炮弹时一样 把此未制导炮弹送到目标附近的上空 此时飞行的炮弹就和普通炮弹一样 按火炮赋予的弹道自由飞行 只是在靠近目标一定范围内 在弹道飞行的未段利用激光照射目标开始制导的 故简称末制导炮弹 特点是制导装置与火炮不在同一平台 此种未制导炮弹集中了火炮初速高 飞行时间短 弹丸飞行的大部分时间无制导靠自然弹道飞行 不会受到外来干扰 导弹能改变飞行弹道追踪目标以及命中精度高等优点 目前已经在152口径的火炮上成功应用 末端制导炮弹射击示意图 3 榴霰弹 榴霰弹 针对特种目标发射不同榴霰弹 例如反武装直升机弹种可能取得发展和装备 在2000m以远目标附近几十米处引爆的霰弹 只需要稍微接触及螺旋桨就能将它击落 对有生力量特别有效 4 末敏弹 末敏弹是末端敏感弹药的简称 这里 末端 是指弹道的末端 而 敏感 是指弹药可以探测到目标的存在并被目标激活 所以 末敏弹就是在弹道末端能够探测出装甲目标的方位并使战斗部朝着目标方向爆炸的炮弹 现已装备到155毫米自行火炮和多管远程火箭炮 该弹采用复合型敏感装置 其战斗部为自锻破片战斗部 用火箭炮发射的末敏弹每发含5枚子弹 可直接对敌坦克发起顶攻击 5 液体发射药技术 利用液态火药的发射技术液体发射药的能量密度高 装填密度大 燃烧温度低 炮膛烧蚀小 排烟少 它可将初速提高到2000m s以上 不用药筒 发射药在车内的布置方便 有利于实现自动装弹 射速和弹药基数都可以提高 据美国用105mm炮和155mm炮试验 其稳定性和点火及控制燃烧问题在不久将来可望解决 它将对火炮和坦克总体布置都带来相当的变化 6 电磁炮 电磁炮 在各实验室多次将小质量弹丸加速到4000 20000m s 原理上没有障碍 弹丸加速度与直线直流电动机所需瞬时大电流的平方成正比 因而电源的技术难点如正在取得突破的超导体等解决后 前景很吸引人 其加速均匀 发射无声 短期不可能成熟 装车问题也有困难 7 激光武器 利用定向发射激光束 以光速传递电磁能 利用高温高压光能摧毁目标 激光武器前景光明 但在坦克上采用为时尚远 它初期只能攻击飞机 导弹等薄壳目标 激光致盲武器较容易 但目前还不可能代替主要武器 3 4机动武器总体方案布置 在安排机动武器三大性能 选择主要部件 初步形成轮廓的 原则的方案以后 需要进一步明确车内的布置和整车的外形 使方案逐步具体化 布置的原则是力求完善地实现战术技术要求 突出主要性能水平 而不出现重大的缺点 以乘员发挥战斗作用为中心 结合技术可能性 以坦克为例来了解可能的布置方案 1 乘员配置 图 a 是现代大多数坦克所用的乘员布置方案 即驾驶员位于车体内 而其余的战斗员位于炮塔内 驾驶员在前 不随炮塔回转 便于观察前方道路 车长位于炮长后上方 便于环视战场 而炮长着重观察炮口所指的方 右边是装填手为火炮服务 图 b 是英国坦克的布置方案 实质与图 a 相同 西方火炮设计的装填手在炮左侧 开闩和送弹入膛需用右手 车长和炮长即在炮的右侧 英国坦克因公路交通规则是靠路左行驶 因而驾驶员在车内右侧 才便于行车 超车和汇车 图 c 是采用自动装弹机构省去装填手的三个乘员的布置方案 这里的驾驶员居中 便于同样照顾左 右转向 图 d 是全部乘员集中在炮塔内的方案 曾为美德合作研制的MBT 70坦克所用 这种炮塔尺寸大 驾驶员和乘员一人兼顾 若采用自动装弹机 并继续简化火炮的瞄准 射击等操作 将乘员的工作尽量可靠地自动化 就可能减少全车乘员为2人 其他方案汇总 100突击炮乘员分布 与坦克类似 由炮长 瞄准手 装填手及驾驶员组成 号位置为副驾驶位置 是机动位置 自行榴弹炮乘员分布 由于弹药分装所以多一个装填手由炮长 瞄准手 装弹手 装药手及驾驶员组成 2 空间配置 从坦克的内部空间来区分 一般大致可划分为驾驶室 战斗 或载员 作业 室 动力室 传动室共四个空间 驾驶室内主要有驾驶员 操纵装置和一些储存物等 战斗室内主要有战斗员 武器和火控装置等 动力室以发动机为主 传动室以传动及其操纵装置为主 发动机和传动后置方案 这是最典型的坦克总体布置形式 为二次世界大战以来大多数中 重型或主战坦克以及较多的轻型坦克所采用 动力和传动装置在后比较集中 驾驶员在前较便于观察道路 战斗室约占车体长度的1 4左右 驾驶员只需要驾驶室的部分宽度 其余空间可作为放置油箱 弹药 仪表 蓄电池等使用 这种方案的优点 a 驾驶室较宽敞和合理 便于观察和驾驶 b 车首没有传动部件 装甲可以较倾斜有利于防护 c 较易于保证驾驶室 战斗室的密封 有利于 三防 布置 d 冷却进气的百叶窗不影响战斗室 比较容易保证战斗需要 e 主动轮在后比较安全 被击毁的机会少 f 冷却风扇 散热器通道能较合理地安排 动力部分的风扇也可以冷却传动部件 e 动力和传动室足够宽大便于安排 g 火线高低矮隐蔽性好 h 火力射界好 发动机后置 传动前置方案 这种方案的特点是操纵和传动部分混在一个空间 这种方案存在着对应于前面方案优点的一些缺点 突出的缺点是传动轴穿过战斗室 使需要回转的战斗空部件位置被迫提高 因而使车体大 并引起车辆质量大幅增加 这类方案的特点 1 当车辆质量较轻 前装甲不太重时 动力和传动装置分别布置在前后两端 整个车辆总悬置于悬挂装量上 容易得到纵向的平衡 2 驾驶室与传动室的长度重叠 可以缩短车长 减轻车体质量 战斗室的长度可能扩大到车长的2 5左右 3 战斗室位置相对后移 炮口伸出车体的长度减短 利于改善通行 但是炮口影响车辆严重 4 传动操纵拉杆简便可靠 便于调整 5 车内可以接近传动及操纵部件 排除故障可以不出到车外 6 发功机和传动部件分置在前后端 车辆绕横轴的转动惯量较大 纵向角振动周期增长 有利于提高在行进间射态的精度和改善乘员的工作条件 二次世界大战中美国曾在M4A3中型坦克中应用 缺点是总体很高 而且传动前置使车首装甲难于倾斜 传动装置与车首装甲成为一体需要一起拆装 这类方案现在已基本淘汰未再采用 发动机前置 传动后置方案 这种方案最大的优点是风冷发动机的本身或冷却水散热器的前置 便于在车辆前进时得到迎风冷却 可以节省风扇功率 减轻 减小及简化风扇及其传动机构 传动后置即驱动轮在后 有利于越野轮式车辆上坡时发挥牵引力 这对履带车辆的关系不大 迎风冷却需要在前面开窗 这是防护所不允许的 传动轴穿过车辆中部 发动机占去驾驶员观察道路的前端位置 迫使乘员和驾驶员位置升高 这也不利于防护 因此这种方案较符合于车身采用梁式构架的履带式非装甲车辆的需要 其驾驶室和车厢类似汽车 所以用于一些非装甲的牵引车和越野车辆的方案 发动机和传动前置方案 所有的履带式装甲输送车和步兵战车 多数现代自行火炮和轻型坦克 以及少数主战坦克采用这种方案 这类布置方案共有的优点 1 动力 传动 驾驶室在长度上重合 空间最短 有利于减轻车体重量和得到最大的后部空间 2 可利用的空间在后 宽敞完整 便于改装成各种变型车 成为系列车族 可降低成本 便于通用 3 有可能在车内接近发动机 传动和操纵部件 战场上排除发动机故障可以不出车外 以减轻危险 4 炮口伸出车体更短 有利于通行 5 适用于后部开门 对乘员出入安全和方便 155毫米M109系列自行榴弹炮 这类方案的缺点 1 发动机和传动部件的温度 噪音 气体 振动等对乘员的影响较大 隔板长度大而曲折 不利于驾驶员的密封三防 2 较厚的前装甲和发动机及传动部件都集中在前 车辆易于前重后轻 不平衡 特别是较重的主战坦克更易发生这种情况 3 乘员在车尾 行进间的振幅较大 影响射击和易于疲劳 4 为拆装发动机和传动部件 必须在前装甲上开大窗口做成可卸甲板 冷却系若也在前面布置 也要求进出空气的大百叶窗 这都影响强度和防护 5 发动机 传动和驾驶室密集紧凑 保养维修不方便 缺少战斗室以外的弹药和油料储存空间 发动机冷却系等也难于合理布置 6 在向前的主要方位上 火炮的俯角可能受到限制 为此增加炮塔高度将增加防护的正面积 也会增加质量 3 5驾驶室的布置 驾驶室布置的一般要求和布置方案1 驾驶环境满足不同身材的驾驶员要求操纵机构能有调整的余地 满足不同身材的要求 2 便于观察和行车在开窗和闭窗两种情况下的驾驶员对外视界要开阔清楚 死角或盲区小 3 满足人机工程要求驾驶员空间和座椅舒适 操纵机构方便 迅速 安全 4 创造良好的驾驶环境提高驾驶效果良好的隔震降噪措施 减少内部环境污染等5 进出方便迅速出入方便 开关门方便自如等 3 6战斗室的布置 战斗车辆的动力 传动 驾驶室在一定意义上都是为战斗室服务的 在战斗室 战斗乘员在通讯联络 指挥车辆前进 观察战场搜索目标 测定目标距离等工作之外 关键的是围绕武器进行供弹装填 瞄准修正 射击等战斗活动 战斗室的布置方案也是决定武器系统成败的关键 这是我们研究的重点内容 一 车体宽度和炮塔座圈直径 为能在车辆防护下向四周进行俯仰瞄准 机动地射击所有方位的目标 将火炮和机枪安装在位于车体顶部的座圈上的回转炮塔上 为避免火炮射击后坐时座圈回转或方向机构承受大负荷 火炮常居座圈中心线上 或偏一个小距离 这样 战斗人员位置常在炮塔座圈内火炮两侧的空间处 这是至今一至采用的最基本布置方案 火力射界 机动武器一般要求火力360度旋转并具备一定的高低射界 有的火炮则要求高低射界范围大 但是方向射界小 有的则要求方向和射界都比较大 过去一些自行火炮 歼击坦克不要求用座圈 而将火炮安装在车体前部可以在有限方位左右摆动的炮框上 这种方案现在已很少采用 现在有的火炮采用座圈 但是不一定要求360度旋转 如俄国的120迫榴炮 目前绝大部分机动火炮是要求360度旋转的 炮塔内空间要求 坦克战斗室最基本的两个尺寸是车体宽度和座圈直径 火炮要在耳轴支点上前后平衡 炮尾在车内既要随俯仰上下 又要随炮塔的回转而运动 火炮发射时具有一个后坐距离 开闩装弹也需要长度空间 因此 车体宽度和座圈尺寸应该满足在炮塔转向任何方向和火炮在任何俯仰角度时都能装弹和射击 车体越宽 座圈可以越大 总体布局越方便表3 11是不同坦克随火炮口径的大小 在有限的车体宽度上设置大直径座圈的情况 为能在一定车体宽度上加大座圈 有些坦克将履带运动高度之上的侧装甲向外倾斜 或焊接弧形装甲来局部加宽车体 如图3 28所示 T 62车体两旁的弧形装甲向外突出370mm 座圈直径也是各种坦克中已知最大的 由于它的座圈直径大 当炮尾 有抛壳装置 运动圆弧达R2074mm时 其耳轴距塔裙高度也只有189mm 大座圈的特点 火线高低 总体高度低 人员空间大 但占用宽度大 需要增加特别支撑 后来T 72坦克采用带自动装弹机的125mm火炮 战斗乘员减少到2人 座圈直径减到1925mm 相应炮塔也比较小 可见座圈直径不但与火炮口径及其炮尾 后坐长度等有关 也与座圈内乘员人数有关 我国对座圈制定了专用的国军标 GJB1250 91规定了装甲车辆炮塔尺寸系列可供设计时参考 炮塔座圈齿圈节圆尺寸系列有 1020 1260 1500 1540 1840 2100 2280 2600mm等8种规格 其中最常用的外圈回转式结构图如下 二 炮塔最小尺寸的决定 决定战斗车辆总体方案的外形尺寸需要炮塔基本尺寸 这也是炮塔设计的基本依据 为了加强防护和减轻质量 炮塔应该在保证火炮高低射界和乘员观察及操作方便的条件下 力求外形矮小 二战后坦克在加大火炮的情况下 出现了一些铸造的接近半球形的较小的炮塔 近代间隙装甲 复合装甲等的应用 又形成一些焊接的 外形宽长的大方炮塔 一般强调要求炮塔的正投影面积小 特别是火线以上的正投影面积越小越有利于减少中弹的机会 不管炮塔设计成什么外形 塔内空间需要满足火炮 火控等设备以及乘员活动的要求 炮塔形状主要取决于如下尺寸 火炮耳轴的高度h距离群板高度 座圈高度耳轴到座圈中心的距离L水平距离座圈最小直径Dmin 座圈中心到塔前和塔后的长度Ll和L2塔体的高度H炮塔体宽度B塔裙部最小回转半径尺Rmin火炮动作宽度防危板宽度塔体出入门数量等 如图所示耳轴到炮尾防危板俯仰圆弧最大半径r 1耳轴位置和座圈最小直径的关系 确定耳轴位置满足火炮尺寸及高低射界的要求 应当尽可能降低炮塔高度 根据火炮绕耳轴俯仰起落的需要 座圈前断面理论上最好的相对位置应该在耳轴的正下方 偏离这个位置之前 耳轴高度会增大到h 偏离到后方 由于仰角比俯角大 耳轴高度h 会更快地增大 确定最小的座圈直径根据耳轴到炮尾防危板俯仰圆弧最大半径为r 据此可以得到理论上的最小的座圈直径Dmin 一般座圈中心线位于车体宽的中心线 车内宽b也要满足火炮俯仰要求 即满足横向射击的要求 减小座圈尺寸的措施 为了减小座圈尺寸 还可以采取许多措施 例如 要求坦克炮的后坐距离比一般火炮小 要求耳轴在炮身上尽量偏后 即耳轴后的炮尾部尽量短 在平衡的基础上缩短尾部长度 尽量减小耳轴之前的质量 小防盾尽量后移 炮尾增加配重等 有的坦克为扩大同居一侧的车长和炮长的活动空间 把火炮中心线布置得稍偏离炮塔座圈的纵向中心线 例如T 54坦克偏离20mm 而座圈中心线又在炮塔体中心线之左10mm 不对称的布置应分别检查火炮向左和向右俯仰时的不同情况以免干涉 2 确定炮塔体的基本长度和高度 塔顶高度应满足最大火炮俯角时塔顶内壁与火炮间至少有20mm以上的间隙 间隙不能太小 因为要保证塔体等大件的较大制造公差 塔顶应尽可能保证装填手有足够的站立高度以便于装弹操作 考虑到装填手半坐姿装填 身体向后斜靠在座圈上的非完全站直的姿态 一般塔内高度不小于1550mm 这个高度还取决于炮塔高度和车体地面高度 塔体后部也有各种各样的设计 西方国家的坦克多数向后扩大成为一个大的平衡舱 用以相对平衡支座在耳轴上的火炮质量 用于平衡在坡道上时炮塔转动平衡 也叫大尾舱结构 满足纵向布弹要求与此相反的结构是小尾舱结构T59T62等 横向布弹 大尾舱纵向布弹 挑战者炮塔 梅卡瓦炮塔 小尾舱横向布弹100坦克 3 塔体宽度B和最小回转半径Rmin 从顶视图上布置塔裙应适当地大于座圈 以便连接和保护座圈 炮塔宽度首先满足设备以及乘员的空间 最小回转半径不小于座圈的外径 这样可以充分利用座圈的宽度 三 战斗室内乘员 装置的布置 战斗室空间 可以分为形状不太规则 可回转的炮塔内空间 和基本呈方形的车体内空间两部分 战斗室内 既有若干乘员和火炮 也有其他火控装备 其功能 形状和数量各异 它们一部分随火炮俯仰运动 多数还随炮塔在车体内回转 因此 空间布置应根据具体情况处理 战斗乘员布置情况 为保证乘员具有较便于工作的位置和空间 包括观察 战斗操作 出入等 坦克方案战斗室内的乘员人数一般有3人 有的为2人 它们在火炮两侧的布置 装填手单独在火炮一侧 以便搬取和装填既大又重的炮弹 而车长 炮长同居一侧 自行榴弹炮战斗乘员布置有所区别 前左是瞄准手 前右是炮长 后边分别是两个装填手 空间相对较大 乘员面积情况 在战斗室的平面布置中 每个乘员的活动面积应不少于 550mm 乘员着冬季服装后肩宽在400mm以上 车长 炮长向后同居一侧的前后距离最小为450 500mm 装填手需要的空间较大 需要满足搬运弹长的要求 通常驾驶员所需空间约0 6m3车长 炮长各需约0 55 0 55 1 4 0 4m3 而装填手约需0 55x0 9x1 6 0 8m3 如果火炮起落部分的宽度为500mm左右 座圈内径不足到1800mm以上 乘员活动将有困难 所以100mm口径以上的火炮炮塔座圈必须大于1800mm以上 我国100mm坦克和自行火炮的座圈通常为1840mm以上 各种设备装置的安装要求 火控 炮控 电器 各种传感器等 各种装置设备的安装都要考虑到乘员的活动空间和人机工程要求 主要部分安装在炮塔上和起落部分上 需要连接可靠调试方便 观察便利互不干涉为原则 炮塔设计必须紧密联系火控部件的结构和安装位置 四 弹药的布置 由于车体内部空间很紧凑 现代坦克的炮弹又长又重 即使现在要求的弹药基数逐步减少 40 60发炮弹及其存放或固定装置的体积约需1 6 2 4m3左右 它们在车内的布置是一个突出的困难问题 各种坦克的弹药基数 M1坦克40发挑战者64发豹2坦克42发梅卡瓦60发T72坦克39发59坦克34发88B坦克44发88C 98坦克41发 图3 37是一些口径为l05 125mm的炮弹例 随着火炮口径的增加 以立方关系随弹的体积增加而增加 如图3 38所示 炮弹布置的要求 1 位置尽量低和不靠车前 以免被命中后出现 二次效应 破坏 要能可靠安全地固定放置 不容易和其他物体碰撞 2 取弹方便 迅速 省力 据装填手最好在一手臂远处 炮塔转到不同方位时也能取到不同的弹种 取出后不需换手颠倒头尾就能装弹入膛 3 允许少部分炮弹布置在需要预先搬动其他部件或设备才能取出的位置 这要求在战斗间隙中倒换一次位置 4 不妨碍火炮俯仰 战斗部分回转和人员的操作 当动力 传动装置前置时 最好的炮弹布置位置是在战斗室之后的车尾 例如自行火炮大都采用此类布置 当传动 动力装置后置时 最好的位置应是战斗室和动力室之间 特别是其下部 以上两种情况下 战斗室的下部也有可能储存 其次是装填手一侧 炮塔后部平衡舱内储存炮弹很普遍 可以对炮塔起平衡作用 取用也最方便 但这里正是最不安全的地方 被命中的机会多 建议放置最初射击的少数炮弹 有自动装填要求的弹药放置应满足自动取弹的要求 以下是几种不同的炮弹布置形式 弹药结构形式 整装弹药坦克炮弹 直射火炮分装弹药榴弹炮部分坦克炮药筒装药榴弹炮部分坦克炮药包装药大口径榴弹炮 五 自动装弹机的布置方案 坦克与自行火炮的自动装弹机构方案不只是一个部件设计问题 取弹和装弹的自动化问题它与总体布置密切相关 需要在总体设计时进行考虑 是一项非常复杂和繁重的高科技问题 目前大口径火炮大都要求采用半自动装填系统 但是做的好的目前还不成熟 中口径火炮目前仍然采用人工装填为主 关于自动供输弹机和装填机构 供输弹机 针对小口径火炮而言由于结构小巧 比较容易实现弹药装填的自动化程度 现在技术也比较成熟 习惯上叫自动或半自动供输弹机或供输弹系统 装弹机构 又叫装填机构 针对中大口径火炮而言 由于体积 机构空间等条件限制 实现自动装弹具有相当难度 现在技术都不十分成熟 习惯上叫做装弹系统 又叫装填系统或半自动装填系统 自动装填系统 自行榴弹炮自动装填应用情况 国外现在的155自行榴弹炮大多数采用了半自动装填系统 例如德国pzh2000 美国的十字军火炮系统 理由是由于口径大 弹药重 分装弹药 射角大等国内研制生产的新155也同样采用了半自动装弹机构 其中 弹丸采用自动选弹 自动供弹 自动装填 药筒 药包采用人工装填形式 目前正在研究自动模块装药系统 坦克自动装填应用情况 坦克射角小实现自动装填方便一些 但是空间非常狭小 又受到限制 坦克应用比较好的是苏式坦克 T 72 T 80 T 90等以及法国勒克莱尔坦克 其他西方国家的坦克都没有采用自动装填机构 包括德国和美国 自动装填的特点 1 可省去装填手 节省空间 减小座圈 减轻质量 2 车长和炮长可不在火炮一侧前后排列 工作更为方便 可以降低炮塔高度 缩小炮塔正面积 3 为取消炮塔 顶置火炮和将乘员降入车体内创造条件 4 装弹速度快 有可能提高发射射数 并提高行进间射击的能力 5 不受人为因素干扰 不会影响战斗力 6 是未来无人作战武器系统的前提条件 7 技术复杂 维修困难 可靠性将影响战斗力 对自动装弹的基本要求 1 连续自动装弹的发数应较多 至少应在10发以上才有希望省去装填手 不省去装填手也应能连续装填几发 才能提高射击速度 自动装弹发射后 应能进行机械动力补充弹 或需要人工补弹 要求方便快捷 2 可以选择发射的弹种和退弹坦克自行火炮携带多种弹种 选弹至少不少于二种 入膛后的弹末发射时应能退换 或退出废弹 弹壳应能处理 如抛出车外 要求不能影响系统正常工作 3 能在任意方位角都能进行装弹即在任意方向角都能自动装填 需要随炮塔转动 以免离开目标影响战斗力 最好也要能在任意俯仰角度下装弹 需要解决许多技术问题 目前任意角装填还不多 4 动作简便工作可靠占用空间少每发弹从弹舱到入膛的运动次数少 机构迅速可靠和简便 并兼顾可以人工装弹 体积小 单独占用空间不大于装填手 5 节约能源 电力驱动不能耗电太大 例如不超过5 10kW 其他动力不能影响动力供给 当然 以上这些要求全部办到是相当难的 例如T 72自动装填方案也只适用于分装弹 并只能在4 5 的固定仰角下装弹入膛 其他火炮的自动装填大部分也是固定角装填 相对来讲小口径自动炮的自动装填要容易的多 自动装填系统难度和设计要求 1 在有限的空间下工作 机构动作受到限制难度 在有限的炮塔空间里安装复杂的自动装填机构受到上下左右空间的限制 设计要求 机构设计必须小巧 紧凑 在有限的范围内容下功能齐全的装填机构 自动装填系统难度和设计要求 2 火炮后坐运动占用纵向空间难度 输弹机输弹时需要从后部对准炮膛装弹 火炮发射后座运动又要占用后部空间 装填完毕后必须避让火炮后座时的运动空间 设计要求 装填机构不能长时间占用火炮后方的位置 必须有可靠的避让和运动措施 自动装填系统难度和设计要求 3 火炮仰角运动与自动装填动作难以协调 难度 火炮的射角高低变化范围大 而输弹机构不可能随炮整体运动 特别是榴弹炮系统大射角俯仰 设计要求 装填机构能够与火炮相协调 特别是任意角装填 装弹机构必须准确到位 自动装填系统难度和设计要求 4 机构动作协调匹配难度大 选弹 供弹复杂 难度 坦克 自行火炮携带多种弹种 选弹至少不少于两种以上 需要有自动选弹功能 设计要求 在供弹系统中需要设计多弹通道 满足选弹要求 自动装填系统难度和设计要求 5 机构动作应满足末发射或不能发射的弹药难度 作战时难免弹药装填不发射或由于哑弹 臭弹需要退出炮膛 这时应当能安全退出炮膛 并不影响下一发的装弹 设计要求 机构必须满足自动与人工相协调的功能 在任何一个环节都能停下来人工操作或自动操作退弹和装填 自动装填系统难度和设计要求 6 冲击与震动工作环境复杂恶劣难度 火炮发射时冲击非常大 车辆行走时振动颠簸冲击恶劣 机构需要有足够的刚强度 在工作中必须可靠工作 克服这些环境的影响 设计要求 机构动作设计时必须要求考虑这些影响因素保证工作的可靠性 自动装填系统难度和设计要求 7 供弹系统难度将弹药从弹药架送到输弹线上 需要的动作有拿弹 传递 放弹 回位 离开等程序 设计要求机构设计需要满足机械手拿取弹药 机构运动传递弹药 放开弹药 回位离开等动作 自动装填系统难度和设计要求 8 输弹机构难点 输弹机需要一定的行程 至少需要后坐的行程 所以输弹机结构必须与后坐行程相匹配和协调 设计要求输弹机构有许多形式 无论哪种形式必须解决与后坐干涉问题 自动装填系统难度和设计要求 输弹形式与动力 弹簧式输弹机构弹簧力气压式输弹机构气压力液压式输弹机构液压力链条式输弹机构电机动力 自动装填系统难度和设计要求 9 退壳难点 火炮后坐复进过程退壳 将药筒退出 在退壳过程中炮尾后部不能有其他机构存在 也就是输弹机构不能过早地回到输弹线上 设计要求 输弹机动作必须考虑到后坐与退壳协调 为了提高供输弹速度 还要及时回到输弹位置 自动装填系统难度和设计要求 10 挡壳药筒退出后以一定的速度 向后运动 必须有机构将药筒限制在一定的范围内 档壳机构将药筒收住或挡住 简单的档壳机构将药筒挡落在炮尾的后下方 但是不能堆积大量的药筒 需要抛壳机构来处理 自动装填系统难度和设计要求 11 抛壳由于机动武器系统空间有限 不可能堆积许多药筒 需要将用后的药筒及时抛到车体外部 简单的抛壳机构是在车体底部开一个活动窗 药筒积累到一定数量时将底窗打开 药筒落在车底外部空间 T72坦克有一个专门的抛壳机构 每次射击后挡壳机构将药筒抓住及时将药筒抛出到车外 自动装填系统难度和设计要求 12 弹药架在有限的空间下 安排好存放弹药的位置和地方 满足供弹与选弹的需要 同时还要可靠方便地满足供输弹机构要求 自动装填系统的其他要求 机构动作协调与避让各动作有序协调 合理避让 即要求动作及时又要求不能干涉 要求机构动作时序合理 动力能源利用有效 多学科合理安排 机械 动力 自动控制等 时序控制可靠 自动控制协调匹配 自动装填系统的其他要求 动力的合理利用由于动作机构繁多 各机构动力需要合理安排与应用 后座能量 复进能量 弹簧能量 气体能量 液压能量 电机动力等合理利用 自动装填系统的其他要求 综合技术由于以上诸多问题 所以涉及许多方面的技术需要综合集成与合理应用 需要多方面的人才共同努力和攻关 自动装填系统的其他要求 可靠性问题正由于技术复杂 所以自动供输弹系统和自动装填系统多少年来 一致没有很好的解决 需要多种投入 加以不断地完善 逐步提高和改进 形成适用的技术 满足机动武器使用要求 可见自动装填系统是一项非常复杂的机械 电子 电器 液压 气压以及综合控制相结合的复杂技术 属于典型的机器人技术 这方面需要我们在坐的同学在今后的工作当中去实现与解决 以下是几种自动供输弹系统的原理和设想 七人体尺寸 人机工程是新发展的一门专门学科 从工程角度研究人体有关的问题 并应用于工程技术 在汽车 建筑 航空 航天等各领域 着重研究的内容有差异 从坦克装甲车辆设计需要来看 涉及运动学 人体尺寸 运动范围及速度等 主动动力学 不同姿态的力和持久性等 被动动力学 反应速度 能忍受的条件及时间等 以及各条件下的生理变化等 图3 l7和表3 8是20世纪80年代初在一定范用测量的男性人体主要尺寸 表中的5 点和95 点 是指5 和95 的被测量者身体尺寸不超过的数值 这是舍弃极端大和极端小以后的大多数人的尺寸范围 以一定代价保证这个范围的乘员能有适合的布置 比用更大代价保证100 的范围合理 可为驾驶室及战斗室的布置做参考 若按年龄分组 年龄小的身高较高 这是青少年体质增强的结果 据计算 中国男青年平均身高的年增量约2 3 5mm 而以近年的增长为较快 1985年报载中国男子平均身高为1688mm 而18 25岁男青年的平均身高为1703mm 中国南方和北方各省的身材一般有差别 特别是与外国人体尺寸有明显差别 例如与美国和苏联的比较如表3 9 七 火控系统应用与原理简介 7 1火控系统概述 火力 机动性和防护性是坦克的三个最基本的性能参数 坦克自问世以来 即成为地面战场上威力强大 攻防兼备的进攻性陆战武器 为了充分发挥坦克火力的威力 使之能在复杂条件下迅速而准确地保证弹丸命中目标 在坦克上设置了一套用以搜索 发现目标和控制坦克武器进行跟踪 瞄准和发射的自动化或半自动化装置 即坦克火控系统 火控系统简单地说 就是火力控制系统 它是一套使被控武器发挥最大作战效能的自动化或半自动化装置 火控系统运用于不同的装备有不同的火控系统 例如 反坦克火炮火控系统 榴弹炮火控系统 高炮火控系统等 这里以反坦克火控系统为例做简单介绍 7 2坦克火控系统 坦克火控系统能够适应各种复杂气候条件 保证坦克武器在野战条件下克服车体振动和转向的影响 对各种目标实施准确的瞄准 射击 现代坦克火控系统集控制 计算 电子 信息等先进技术于一体 被誉为武器火力威力的倍增器 不仅是武器系统不可缺少的一部分 而且是武器系统现代化程度的标志 属于火力的一个主要部分 7 2 1坦克火控系统发展概况 发展现代化的坦克火控系统是发挥坦克火力 提高坦克战斗力的最有效的途径之一 因此 世界各国普遍重视坦克火控系统的发展 许多新的技术在火控系统中得到了应用 这包括激光技术 红外夜视技术和微型计算机技术等 使火控系统的性能不断得到改善 火控系统的发展大致经历了以下几个过程 1以光学瞄准镜为主的火控系统 这是一种最简单的坦克火控系统 一般只装备一具与火炮相连的光学瞄准镜和一个用来高速转动炮塔以达到转移火力目的的炮塔电动机 其中瞄准镜的分划镜上有测距分划 炮手可根据目标占据多少个分划粗略地估测目标距离 显然这种测距方式的测距范围和测距精度都是低的 这类坦克实施射击的主要手段是采用加差法 即根据估测的距离先打一发炮弹 然后观察弹着点 再凭经验进行修正 一般来说 这种火控系统配合当时的火炮还是适宜的 因为那时的火炮口径小 初速低 有效射程较近 反应慢 在直射距离内作战 主要对付固定目标 但是 另一方面 这种火控系统显然存在着首发命中率低 对付活动目标较为因难 以及不能在行进间消灭敌装甲目标等缺点 2带有火炮稳定器的坦克火控系统 在战场上行驶着的坦克 将随着地形的起伏不平而高低振动 由于炮塔 火炮和瞄准镜是与车体间通过机械结构连接起来的 车体带着火炮和瞄准镜一起振动 这样必然给炮手观察战场 搜索目标和瞄准射击带来很大困难 稳定器主要是为解决坦克行进间瞄准和射击问题而出现的 它可以使火炮炮身轴线的方向不受车体振动的影响 同时可以用操纵台来控制火炮在高低和水平方向的移动 实践表明 安装双向稳定器后 在通常作战距离内目标中速运动 20 30干米 小时 的情况下 命中率可以提高到50 以上 此外 没有稳定器的坦克在射击时往往采用短停射击的方法 而安装稳定器的坦克 即使仍采用短停射击方法 其短停发射所需的时间也比没有稳定器的坦克大为减少 可见 稳定器对于增加坦克射击机会和提高命中率起着非常重要的作用 单向稳定双向稳定 3带有夜视 夜瞄装置和测距仪的坦克火控系统 为了在夜间和能见度很差的条件下发现和识别目标 使坦克具有全天候作战的能力 人们应用了红外夜视或微光夜视器材 坦克在行进间射击时 目标距离判定的准确与否 对首发命中率具有头等重要的意义 随着火炮的有效射程不断增加 射击的测距问题就更加显得重要 为了测量精度从光学测距仪发展到了激光测距仪 4带有计算机的火控系统 坦克火控系统的优劣最终取决于坦克射击命中精度 随着计算机应用技术 人们将原来由人工修正装定工作用计算机来代替 我们通常把应用到坦克火控系统中的计算机早期称为 弹道计算机 现改称 火控计算机 计算机实现了对瞄准系统和火炮系统的控制 能自动装定表尺和瞄准 在很短的时间内完成射击准备工作 然后炮长就可进行击发射击 不仅提高了首发命中率 还缩短了射击反应时间 这是以前任何系统所不能比拟的 7 2 2坦克火控系统的基本组