火炮设计理论(火炮系统分析与总体设计)

1、火炮设计理论 南京理工大学火炮教研室南京理工大学火炮教研室主讲：张相炎主讲：张相炎 教授教授联系电话：联系电话：84315581第六章第六章 火炮系统分析与总体设计火炮系统分析与总体设计 6.16.1 火炮战术技术指标火炮战术技术指标 火炮设计是按照对它提出的主要战术技术性能要求进行的。战术技术性能要求以量化的形式给出，则称为战术技术指标。 火炮的战术技术指标 作战效能 + 全寿命周期费用1 1 火炮的作战效能火炮的作战效能 系统效能:预期一个系统满足一组特定任务要求的度量。 系统效能 有效性 + 可信赖性 + 功能 有效性：系统在规定条件下随时使用时能正常工作的能力。 可信赖性：系统在规定条

2、件下在规定时间能正常工作的能力。 功能：系统能达到任务目标的能力。火炮的作战效能 威力 + 机动性 + 快速反应能力 + 战场生存能力 + 可靠性1.11.1火炮威力火炮威力 火炮威力：火炮在战斗中迅速而准确地歼灭、毁伤或压制目标的能力 。 火炮威力 射程 + 射击精度 + 火力密度 + 弹丸对目标的毁伤效能6.1 火炮战术技术指标（1 1）射程）射程 射程，一般指弹丸发射起点(射出点)至落点(炸点)的水平距离称为射程或射击距离。 对空中目标射击通常用射高表示。 射程它是衡量火炮远射能力的标志。 射程最大射程、最小射程、直射距离、有效距离。 对于压制火炮，通常以最大射程和最小射程来描述。 对于

3、坦克炮和反坦克火炮，通常以直射距离和有效（穿/破甲）距离来描述。 直射距离是指射弹的最大弹道高等于给定目标高（一般为2m）时的射击距离。 有效距离是指在给定目标条件和射击条件下射弹能够达到给定毁伤概率的射击距离。 对于防空火炮，通常以有效射高和最大射高来描述。 目前大口径地面压制火炮的最大射程可以达到40km，采用增程技术的超远程火炮的最大射程可以达到120km，美国正在研制最大射程可以达到160km的超远程火炮。 （2 2）射击精度）射击精度 射击精度是射击(弹)密集度和射击准确度的总称。 射击精度 射击(弹)密集度 + 射击准确度 射击密集度是指在相同的条件下(气象、弹重、装药、射击诸元)

4、，用同一火炮发射的弹丸，其弹着点(落点)相对于平均弹着点的密集程度，通常用公算偏差（或然误差）或标准偏差表示。 对大口径地面压制火炮，射击密集度一般用地面密集度来度量。 地面密集度分为纵向密集度和横向密集度。纵向密集度一般用距离标准偏差（或然误差）与最大射程的比值的百分数（或多少分之一）表示。横向密集度一般用方向标准偏差（或然误差）与最大射程的比值的密位数表示。目前大口径地面压制火炮发射非精确制导弹药的纵向密集度可以达到3左右，横向密集度可以达到1密位左右。 对直瞄射击火炮，尤其是中小口径自动炮，射击密集度一般用立靶密集度来度量。立靶有100m立靶、200m立靶、1000m立靶等。 立靶密集度

5、分为高低密集度和方向密集度。高低密集度一般用高低标准偏差（或然误差）与立靶距离的比值的密位数表示。方向密集度一般用方向标准偏差（或然误差）与立靶距离的比值的密位数表示。目前小口径自动炮的200m立靶密集度为1.5密位左右。6.1 火炮战术技术指标 射击密集度主要取决于火炮自身的弹道与结构性能、力学特性等。 射击准确度是指平均弹着点对预期命中点的偏离程度。射击精度越高，对目标毁伤的概率就越大。 射击准确度主要取决于射手操作火炮的熟练程度，以及火炮系统有关仪表设备的状况。 精确制导弹药就是通过在弹药系统中引入制导技术，排除了人工操作和射弹散布的偏差，极大地提高火炮与自动火炮的射击精度。 6.1 火

6、炮战术技术指标（3 3）火力密度）火力密度 单位时间内火炮发射弹丸的数量称为火力密度。 一般用发射速度来描述火力密度。 发射速度是指火炮在单位时间内可能发射的弹数。 发射速度有分为理论射速和实际射速。 理论射速是指单位时间内可能的射击循环次数。 实际射速是指在战斗条件下按规定的环境和射击方式单位时间内能发射的平均弹数。 实际射速有分为最大射速、爆发射速（也称突击射速）和持续射速（也称极限射速和额定射速）。 最大射速是指在正常操作和射击条件下在单位时间内能发射的最大弹数。 爆发射速是指在最有利条件下在给定的短时间（一般10s30s）内能发射的最大弹数。爆发射速远大于正常的射速。 持续射速是指在给

7、定的较长时间（一般1小时）内火炮不超过温升极限时可以发射的最大弹数。 例如FH70式155mm榴弹炮的最大射速为6r/min，爆发射速为6r/13s，持续射速为2r/ min（1小时内）。 小口径自动炮的发射速度比大口径地面压制火炮的发射速度高23个数量级。如美国20mm转管自动炮的理论射速可以达到6000r/ min。 6.1 火炮战术技术指标（4 4）弹丸对目标的毁伤效能）弹丸对目标的毁伤效能 弹丸对目标的毁伤效能，是指弹丸在目标区或对目标作用时，通过直接高速碰撞、装填物的特性或其自身反应，产生或释放具有机械、热、化学、生物、电磁、核、光学、声学等效应的毁伤元，如实心弹丸、破片、爆炸冲击波

8、、聚能射流、热辐射、高能粒子束、激光、次声、生物及化学战剂气溶胶等，使目标处于极端状态的环境中，暂时或永久地、局部或全部丧失其正常功能。 常用指标包括口径、初速、弹重、杀伤半径等等。 6.1 火炮战术技术指标1.2 1.2 火炮机动性火炮机动性 火炮机动性分为运行的机动能力和火力的机动能力两个方面。 火炮机动性运行性 + 火力机动性 火炮运行的机动能力是行走能力和对各种运输方式的适配能力的总称，通俗地说火炮运动性就是火炮快速运动，进入阵地和转换阵地的能力。 行走能力，用火炮在不同路面上能够达到的牵引速度或行驶速度、距离、越障能力等来描述，例如最大牵引速度、公路最大行驶速度、公路平均行驶速度、越

9、野平均行驶速度、水上最大行驶速度、最大行驶距离、最大爬坡度、最大侧倾行驶坡度、过垂直墙高、越壕宽等。这对各军、兵种联合作战非常重要。目前155mm自行，最大行驶速度60km/h左右，过垂直墙高1m左右，越壕宽3m左右，最大爬坡度30左右，最大侧倾行驶坡度15左右。 对各种运输方式的适配能力，是指当部队进行大范围或远距离、特殊的紧急调动时，需要用各种运输手段实施，如火车、飞机、船只的载运，直升飞机的吊运，对火炮的重量、体积、外形尺寸、质心位置、固定或结合的接口都有明确要求，研制时都应满足。目前155mm自行炮战斗全重40T50T。 火力的机动能力，是指火炮在同一个阵地或射击位置上，迅速而准确地捕

10、捉目标和跟踪目标并转移火力的能力。系统的射界、瞄准操作速度和多发同时弹着是衡量火力机动性的标志。 6.1 火炮战术技术指标1.3 1.3 火炮系统反应时间火炮系统反应时间 火炮系统反应时间是指火炮系统工作时由首先发现目标到火炮系统能开始发射第一发炮弹之间的时间。 火炮从受领任务开始到开火为止所需的时间，是衡量火炮快速反应能力的标志。 在战场上反应快的一方必占优势。 火炮的反应能力主要取决于火炮行军与战斗状态相互转换的时间、火炮进入战斗状态时对阵地选择和设置的难易、射击诸元求解与传输速度、射击准备(含弹药准备、供输弹、瞄准操作)的速度等。 科学合理的结构设计，采用先进的侦察通讯设备和火控系统、随

11、动系统，是提高火炮反应能力的有效技术途径。 6.1 火炮战术技术指标1.4 1.4 战场生存能力战场生存能力 战场生存能力主要包括伪装和隐身能力、装甲防护能力、核生化“三防”能力、紧急逃生能力、迅速脱离战斗的能力、电子战信息战的能力等。 伪装和隐身能力，主要是采用的伪装措施和隐身技术。当部队进行调动、集结和隐蔽待命时，尽量不让敌方侦察发现，因此，应有适应环境的伪装措施，如穿戴伪装网，插戴就地采集的树枝、野草，人员涂抹伪装油彩等；火炮装备采用隐身技术，如暴露的金属表面和光学玻璃，要经过适当的表面处理不会在阳光照射下闪亮，火炮装备的表面增加隐形涂料，采用隐身材料等。把发射时伴生的声、光、焰降低到尽

12、可能小的程度。 装甲防护能力，主要是采用装甲和衬里防护。对非装甲的自行火炮采用防盾，在有限的范围内防枪弹和破片的毁伤，减少膛口冲击波的伤害。对装甲自行火炮，能防破片的毁伤。为了降低穿、破甲后的二次毁伤效应，在装甲车内增加一种特殊的衬里，可以降低车内人员、仪器、设备的毁伤。 核生化“三防”能力，主要是装备具有“三防”能力的设施。未来战争在敌方实施核、生、化攻击时，自行火炮应具有“三防”设施，以确保能安全地通过核、生、化火炮污染过的地域。 6.1 火炮战术技术指标 紧急逃生能力，主要是火炮应具备防火、灭火、抑爆、逃生的功能。遭敌攻击的一次或二次效应都可能引发火情，特别是在自行火炮的驾驶舱、战斗舱内

13、，由于空间狭小、易燃易爆物集中，因而必须有较完善的火情报警、自动灭火系统和消防器材；在设计时采用隔舱化的结构，弹药舱具有抑爆的技术措施；在结构设计时应使各乘员具有迅速、安全紧急逃生的功能。 迅速脱离战斗的能力，主要是指为了防止敌方火力及突袭，火炮应具备迅速转移的能力。当今侦察手段越来越先进，只要火炮一开火就能迅速确定炮位的坐标并实施反击，因而要能在反击的炮火到达前迅速撤出到敌炮火威力范围以外的地域，例如美国正在研制的155mm自行榴弹炮，要求具备在90秒内急速行驶750m。装备有施放烟幕的系统，形成足够宽度、高度、厚度、浓度并持续一定时间的的烟幕，以便自行火炮在烟幕的掩蔽下迅速脱离战斗。 电子

14、战、信息战的能力，主要是为了对抗精确制导火炮的攻击，火炮要求具备电磁干扰的能力，或发射诱饵进行误导、迷盲等。 6.1 火炮战术技术指标1.5 1.5 火炮的可靠性火炮的可靠性 火炮的可靠性是火炮质量的重要特征和标志，是火炮的固有属性，贯穿着火炮全寿命周期。火炮的可靠性要求包括可靠性、维修性、安全性。 火炮可靠性是指火炮在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。火炮可靠性指标一般用故障率、平均故障间隔发数、寿命、储存期限等来度量。 火炮维修性是指火炮在寿命周期内，经过维护和维修可以保持或恢复其正常功能的能力。火炮维修性指标一般用预防维修周期、维修时间、修复时间、保养时间等来度量。 火炮安全

15、性包括操作安全性和设备安全性等。2 火炮全寿命周期费用火炮全寿命周期费用 火炮全寿命周期费用包括研究与研制阶段费用、投资与采购（生产与装备）阶段费用和使用与支援阶段费用等。 6.1 火炮战术技术指标6.26.2 火炮火炮系统分析系统分析 1 1 火炮系统分析火炮系统分析 火炮系统分析，就是用系统分析方法来分析火炮，寻求最优方案。火炮系统分析，是使用周密，可再现技术的确定火炮各种方案的可比性能。 1.1 1.1 火炮系统分析的任务火炮系统分析的任务 （1）向火炮设计决策者提供适当的资料和方法，帮助其选择能达到 规定的战术技术指标的火炮方案； （2）对火炮设计的不同层次进行分析，提供优化方案； （

16、3）对火炮的发展，选择，修改，使用提出改进意见。 系统分析者应该不带偏见，进行公正的技术评估。 1.2 1.2 系统分析的要素系统分析的要素 （1）目标：系统分析的主要任务和目标必须明确； （2）方案：系统分析的目的是选择优化方案，必须进行多方案比较； （3）模型：系统分析确定的是各种方案的可比性能， 必须建立抽象的模型并进行参数量化； （4）准则：系统分析的过程是选优过程，必须实现制定优劣评判标准； （5）结果：系统分析的结果是得到最优方案； （6）建议：系统分析的最终结果是提出建议，作为决策者的参考意见。 1.3 1.3 火炮综合火炮综合性能指标性能指标 系统分析是对系统可比性能进行分析，

17、系统的性能一般应转化为数量指标。为了对火炮进行系统分析，通常将火炮的主要战术技术指标转化为火炮综合性能指标。火炮综合性能指标主要有效费比、威力系数、金属利用系数、冲量系数等。 （1 1）效费比）效费比 效费比（也称相对价值），是以基本装备为基准，经过规范化的，火炮系统的相对战斗效能与相对寿命周期费用之比。即 CEW 式中：W相对价值；E以基本装备为基准经过规范化的相对效能；C以基本装备为基准经过规范化的相对费用。效费比综合评定不同火炮的性能，应用比较广泛。6.26.2 火炮火炮系统分析系统分析 （2 2）威力系数威力系数 威力系数是炮口动能与火炮口径的三次方之比。即 式中： 30dEC C威力

18、系数； 20021mVE 弹丸炮口动能；m弹丸质量；V0炮口速度；d口径。威力系数主要揭示火炮内弹道性能，用以评定火炮威力。6.26.2 火炮火炮系统分析系统分析 （3 3）金属利用系数金属利用系数 金属利用系数是火炮炮口动能与全炮战斗状态质量之比。即 式中： ZEmE0E金属利用系数；E0炮口动能；mz全炮战斗状态质量。金属利用系数主要反映金属材料利用程度，揭示威力与质量的矛盾关系。6.26.2 火炮火炮系统分析系统分析 （4 4）冲量系数冲量系数 冲量系数是火药气体作用在后坐部分的全冲量与火炮战斗状态质量之比。即 式中： ZpImI001)(VmmWmITwTpI 冲量系数；火药气体作用全

19、冲量；m0后坐部分质量；WT最大自由后坐速度；m弹丸质量；m装药质量；火药气体作用系数；T炮口制退器效率；V0炮口速度；mz火炮战斗状态质量。冲量系数主要反映结构设计合理性。6.26.2 火炮火炮系统分析系统分析 2 2 火炮系统分析方法火炮系统分析方法 火炮系统分析方法主要包括系统技术预测和系统评估与决策两个方面。2.1 2.1 火炮系统技术预测火炮系统技术预测 火炮系统技术预测，是预测现有火炮（零部件）其特性及行为。 火炮系统技术预测方法主要有几何模拟法、物理模拟法、计算机仿真法、虚拟现实法等。 几何模拟法，是从结构尺寸上，用模型模拟实体，可以是实物几何模拟，如木模等，也可以是计算机实体造

20、型，主要分析实体的造型，结构模式，联接关系等。 物理模拟法，是根据量纲理论，用实物或缩尺模拟实物的动态特性。 计算机仿真法，是应用动力学理论、建立数学模型，应用计算机求解、分析火炮系统动态特性，并用动画技术进行动态演示。 虚拟现实法，是利用多媒体技术，造就和谐的人机环境，创造崭新的思维空间、逼真的现实气氛，模拟系统的使用环境及效能。6.26.2 火炮火炮系统分析系统分析 2.2 2.2 火炮系统火炮系统评估与决策评估与决策 火炮的研制过程是一个择优的动态设计过程，又是一个不断在主要研制环节上评价决策的过程。火炮的评价决策与研制过程中结构优化设计不同处在于：它是对经过多种方法优化提出的多方案的评

21、价；它是系统的高层次综合性能评估。决策的目的和任务是合理决定火炮的战术技术指标，选择方案，以最经济的手段和最短的时间完成研制任务。因此要有评价方法。显然，评价方法应能对被评系统做出综合估价（综合性），同时评价的结果应能反映客观实际并可度量（代表性和可测性），最后方法应简单可行（简易性）。 火炮全面评价（不再区分方案与产品），应是性能（或效能）、经济性（全寿命周期费用）两方面的综合评价，即通常所说的“效费比”。根据需要，性能和经济性评价也可分开进行。 评价作为一种方案的选优方法或者作为提供决策的参考依据，不可能是绝对的。但评价方法的研究会促使决策的科学化，使考虑的问题更加有层次和系统，减少盲目性

22、和片面性。 火炮系统评估与决策方法主要有效费比分析法、模糊评估法、试验评价法等。 6.26.2 火炮火炮系统分析系统分析 （1 1）效费比分析法）效费比分析法 效费比分析法，也称综合指标法，是对能满足既定要求的每一火炮系统方案的战斗效能和寿命周期费用进行定量分析，给出评价准则，估计方案的相对价值，从中选择最佳方案。 效费比分析的主要内容包括：任务需求分析，不足之处和可能范围分析，使用环境分析，约束条件分析，使用概念分析，具体功能目标分析，系统方案分析，系统特性、性能和效能分析，费用分析，不定性分析，最优方案分析，预演，简化模型，效能与费用分析报告等。 效费比分析的主要关键是模型的建立，及其定量化描述。6.26.2 火炮火炮系统分析系统分析 （2 2）模糊评估法）模糊评估法 法模糊评估法，是应用模糊理论对系统进行评估选择较优方案。火炮中常有一部分定性要求如结构布局、外形、防护措施等无法定量，只能以好、较好等模糊概念评价。模糊数学评价实质是将这些模糊信息数值化进行评价的方法。这种方法对系统复杂，评估层次较多时也很适用。 设有方案集VRm，