劉琮敏，孫大鵬，范志國(guó)，張瑞霞

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

中大口徑火炮的彈丸質(zhì)量和尺寸較大，形狀不規(guī)則，人工裝填非常困難，同時(shí)大口徑火炮在射擊過(guò)程中需依據(jù)射程的變化進(jìn)行裝藥號(hào)的變換(這里主要指多發(fā)同時(shí)彈著射擊)。如何在確保安全的前提下，快速完成彈丸和裝藥的選取、裝藥組合、引信裝定、輸送彈丸和發(fā)射裝藥入膛，很大程度上決定了火炮研制的成功與否，是世界各國(guó)發(fā)展火炮武器裝備都會(huì)面臨的難題，也是影響大口徑壓制火炮發(fā)展的技術(shù)瓶頸[1-2]。

彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)作為提高火炮武器作戰(zhàn)性能的主要技術(shù)，一直是世界各國(guó)火炮武器研究與發(fā)展的熱點(diǎn)。自20世紀(jì)末以來(lái)，世界各國(guó)競(jìng)相研制的中大口徑自行火炮都把彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)作為發(fā)展研制的重點(diǎn)[2]。筆者就中大口徑火炮的彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)研究所涉及的研究?jī)?nèi)容、技術(shù)瓶頸、發(fā)展方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述。

1 彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)的地位

1.1 對(duì)火炮總體布局的影響

彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)是中大口徑火炮武器系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件一般有供彈機(jī)、彈協(xié)調(diào)器、輸彈機(jī)、供藥機(jī)、藥協(xié)調(diào)器及輸藥機(jī)(有的部件可合并)，這些部件的大小與安裝位置直接影響炮塔總體布局及形狀尺寸；其質(zhì)量直接影響火力部分的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所需動(dòng)力直接影響整個(gè)武器系統(tǒng)的動(dòng)力源大小及配置；而火炮動(dòng)力源的大小影響整個(gè)武器系統(tǒng)的質(zhì)量和機(jī)動(dòng)性等指標(biāo)[3]。

1.2 對(duì)火炮戰(zhàn)技指標(biāo)的影響

1.2.1 對(duì)最大射速指標(biāo)的影響

最大射速指標(biāo)是中大口徑火炮武器系統(tǒng)的重要戰(zhàn)技指標(biāo)，火炮武器的最大射速與火炮本身發(fā)射占用的時(shí)間t1、彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)所占用的時(shí)間t2和隨動(dòng)調(diào)炮占用時(shí)間t3有關(guān)?；鹋谧畲笊渌倏傃h(huán)時(shí)間為：

t=t1+t2+t3

式中：t1包含關(guān)閂、擊發(fā)、后坐、復(fù)進(jìn)與開閂占用時(shí)間；t2裝填系統(tǒng)占用火炮主循環(huán)時(shí)間；t3包含彈藥裝填系統(tǒng)工作時(shí)火炮瞄準(zhǔn)不可重疊的所有時(shí)間(這里主要指多發(fā)同時(shí)彈著射擊)。

在一般的中大口徑火炮武器系統(tǒng)中，彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)所占用的時(shí)間t2占總循環(huán)時(shí)間t的60%～80%，因此，彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)對(duì)火炮最大射速指標(biāo)影響很大。

1.2.2 對(duì)射擊精度指標(biāo)的影響

輸彈機(jī)主要完成輸送彈丸入膛和保證彈丸可靠卡膛等功能，彈丸的卡膛姿態(tài)和卡膛深度的一致性會(huì)影響彈丸的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)，增大彈丸出炮口時(shí)的炮口擾動(dòng)，從而影響火炮的射擊精度。

輸藥機(jī)主要完成發(fā)射藥進(jìn)入藥室功能，如果是模塊藥發(fā)射的火炮，模塊藥在藥室的位置、每塊藥之間的間距直接影響火炮的內(nèi)彈道性能，從而影響火炮的射擊精度。

2 壓縮總循環(huán)時(shí)間的主要技術(shù)途徑

射速是實(shí)現(xiàn)炮火猛烈和高強(qiáng)度打擊的基礎(chǔ)條件。人工裝填彈藥涉及到炮手的操作技能、體力、工作環(huán)境和裝填方便性的影響，一方面無(wú)法保證持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地輸送彈藥，另一方面極大地限制了火炮射速的提高。彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)作為地面壓制火炮的重要組成部分，它以實(shí)現(xiàn)彈丸和發(fā)射裝藥的全自動(dòng)裝填為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)裝填系統(tǒng)總體、組成配置、功能和性能的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)彈藥安全、快速、可靠地自動(dòng)裝填，提高火炮的發(fā)射速度，進(jìn)而提高火炮的威力、自動(dòng)化程度和快速反應(yīng)能力，它是火炮武器性能高低的重要標(biāo)志，也是火炮彈藥裝填技術(shù)發(fā)展的主流。

壓縮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)總循環(huán)時(shí)間的主要技術(shù)途徑有：

1)最短路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的組成與火炮總體密切相關(guān)，系統(tǒng)中各獨(dú)立功能部件都與火炮總體布置相互制約，形成彈藥從彈藥倉(cāng)到火炮炮膛裝填的傳遞路徑，而傳遞路徑的長(zhǎng)短是裝填速度的主要制約點(diǎn)之一。目前所開發(fā)的彈倉(cāng)、藥倉(cāng)、協(xié)調(diào)器、輸彈機(jī)等功能部件，品種單一，制約了彈藥裝填系統(tǒng)最短路徑優(yōu)化總體技術(shù)的發(fā)展，因此，研發(fā)出多種不同形式的功能部件，就為不同形式的火炮總體優(yōu)化布置需求提供了基礎(chǔ)技術(shù)條件。

2) 壓縮單步工作時(shí)間設(shè)計(jì)技術(shù)。彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)工作過(guò)程是由多個(gè)功能部件運(yùn)動(dòng)組合而成，每個(gè)功能部件單步工作時(shí)間對(duì)彈藥的整個(gè)裝填過(guò)程的總時(shí)間都有直接或間接的影響，因此，壓縮每個(gè)功能部件單步工作時(shí)間是提高彈藥裝填速度的主要途徑之一。

3)提高多運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的可重疊概率設(shè)計(jì)技術(shù)。彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的多個(gè)功能部件運(yùn)動(dòng)不是單純的串聯(lián)工作，而是分主循環(huán)、副循環(huán)的串并混合的工作方式，合理的提高多運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的可重疊概率是提高彈藥裝填速度的主要途徑之一。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)總體技術(shù)

彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)總體技術(shù)決定著彈丸從彈倉(cāng)到炮膛、發(fā)射藥從藥倉(cāng)到火炮藥室傳遞運(yùn)動(dòng)的路徑、路程和傳遞環(huán)節(jié)。裝填系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)是將彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的多個(gè)功能部件進(jìn)行優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，形成適應(yīng)于火炮總體要求的部件安裝、布置方式，目標(biāo)是彈藥裝填路徑最短，傳遞環(huán)節(jié)最少，系統(tǒng)占用空間最小。

3.2 彈藥運(yùn)動(dòng)的順暢性與交接的便捷性

彈藥形狀的不規(guī)則就決定了彈藥在火炮行進(jìn)與射擊過(guò)程的固定、裝填過(guò)程的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度相當(dāng)大。例如：彈丸在供彈機(jī)儲(chǔ)彈筒內(nèi)既要可靠固定、又要順暢運(yùn)動(dòng)，這本身就有一定的矛盾。怎樣實(shí)現(xiàn)彈丸在供彈機(jī)儲(chǔ)彈筒、彈協(xié)調(diào)器、輸彈線上順暢運(yùn)動(dòng)；怎樣實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥在供藥機(jī)儲(chǔ)藥筒、藥協(xié)調(diào)器、輸藥線上順暢運(yùn)動(dòng)，這是保證射速與可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.3 部件動(dòng)作的可重疊性

提高多運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的可重疊概率是提高火炮射速的重要途徑。在彈藥裝填系統(tǒng)的總體與部件設(shè)計(jì)技術(shù)必須充分考慮部件動(dòng)作的可重疊性設(shè)計(jì)技術(shù)。

開發(fā)機(jī)構(gòu)動(dòng)作連鎖的自動(dòng)機(jī)械部件是提高動(dòng)作重疊概率與可靠性的最佳途徑，這需要進(jìn)行長(zhǎng)期而艱巨的工作。

控制軟件要優(yōu)化動(dòng)作控制流程，最大限度地提高彈藥傳遞機(jī)構(gòu)動(dòng)作的重疊概率。

3.4 大扭矩變負(fù)載快速定位與低壓大電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)

155 mm火炮彈丸質(zhì)量一般約為45 kg，對(duì)于彈丸的傳遞機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)都屬于大扭矩變負(fù)載快速定位機(jī)構(gòu)，而火炮武器系統(tǒng)的動(dòng)力配電一般是直流28 V安全電壓供電體制，因此，大扭矩變負(fù)載快速定位與低壓大電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)是中大口徑彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)，是壓縮單步工作時(shí)間提高射速與系統(tǒng)可靠性的保證。

3.5 多機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)液壓動(dòng)力源相互影響問(wèn)題

彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)為了提高射速，采用提高多運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的可重疊概率設(shè)計(jì)技術(shù)，必然存在同時(shí)多機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)液壓動(dòng)力源相互影響問(wèn)題。例如，在輸藥機(jī)油缸翻轉(zhuǎn)到位時(shí)，沖擊壓力脈沖在管道中的傳播，會(huì)造成整個(gè)藥協(xié)調(diào)器的一定振動(dòng)；當(dāng)彈、藥協(xié)調(diào)器同時(shí)工作時(shí)(同時(shí)接彈和藥，同時(shí)協(xié)調(diào))，與單獨(dú)工作相比，轉(zhuǎn)速明顯減緩；如果一個(gè)協(xié)調(diào)器減速停止，而另一個(gè)協(xié)調(diào)器仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的協(xié)調(diào)器會(huì)獲得一個(gè)突然的速度增長(zhǎng)，同時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)比較高的加速度。

在安排整個(gè)彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的時(shí)序時(shí)，要仔細(xì)考慮同時(shí)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的相互影響，即能保證機(jī)構(gòu)動(dòng)作的平穩(wěn)性，又有利于提高射速。

4 需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容

4.1 彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)總體優(yōu)化技術(shù)

彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)總體優(yōu)化技術(shù)包括：

1)提高能自動(dòng)選彈藥、自動(dòng)供彈藥、模塊藥裝藥號(hào)能自動(dòng)生成的彈藥倉(cāng)的占空比，有效利用炮塔空間。

2)利用新型價(jià)格低廉的輕質(zhì)材料，減少系統(tǒng)中部件的質(zhì)量與造價(jià)，提高系統(tǒng)費(fèi)效比。

3)從系統(tǒng)角度設(shè)計(jì)彈藥倉(cāng)到炮膛、藥室傳遞的路徑，力爭(zhēng)減少傳遞環(huán)節(jié)，并且使每個(gè)傳遞環(huán)節(jié)距離最短。

4)從系統(tǒng)角度設(shè)計(jì)彈丸自動(dòng)裝填、發(fā)射藥自動(dòng)裝填、火炮關(guān)閂射擊開閂三路運(yùn)動(dòng)之間，各路運(yùn)動(dòng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可重疊率最大。

4.2 部件系列化、模塊化、可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

彈藥裝填系統(tǒng)有幾個(gè)典型的組成部分：彈藥倉(cāng)、協(xié)調(diào)器、輸彈/藥機(jī)等。從目前國(guó)內(nèi)外已裝備或在研的各種彈藥裝填系統(tǒng)來(lái)看，其各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)以及動(dòng)作、控制等各不相同，一方面是因?yàn)榛鹋诳傮w的限制，另一方面是各自不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格。開展各子部件的單項(xiàng)研究，一是可以吸取各種不同類型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)該部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；二是可以更好地對(duì)以后不同類型的火炮進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。各子部件技術(shù)的成熟是裝填系統(tǒng)整體性能的根本。

彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)主要部件系列化、模塊化技術(shù)包括：

1)彈藥倉(cāng)系列化、模塊化技術(shù)。由于彈藥倉(cāng)在彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)中體積質(zhì)量最大，對(duì)火炮系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)影響最大，因此，必須研制開發(fā)系列化、模塊化彈藥倉(cāng)，以適應(yīng)不同火炮總體布置的需要，例如，臥式回轉(zhuǎn)彈藥倉(cāng)、立式彈藥倉(cāng)、彈鼓式彈藥倉(cāng)、二維異形彈藥倉(cāng)、混合式彈藥倉(cāng)等。

2)彈藥中間的傳遞機(jī)構(gòu)系列化、模塊化技術(shù)。彈藥協(xié)調(diào)器或者彈藥中間的傳遞機(jī)構(gòu)，是從彈藥倉(cāng)到輸彈輸藥線傳遞彈藥必不可少的機(jī)構(gòu)，其可靠性與運(yùn)動(dòng)方式、所需功率都直接影響整個(gè)彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的性能指標(biāo)，必須研制開發(fā)系列化、模塊化彈藥協(xié)調(diào)器，以適應(yīng)不同火炮總體布置的需要，例如，擺動(dòng)式協(xié)調(diào)器、翻轉(zhuǎn)式協(xié)調(diào)器、平動(dòng)式協(xié)調(diào)器、曲線協(xié)調(diào)器、智能機(jī)械臂等。

3)輸彈機(jī)系列化、模塊化技術(shù)。輸彈機(jī)是彈丸自動(dòng)裝填過(guò)程最主要的部件，它直接影響彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的射速、功率、可靠性、安全性與火炮射擊精度，因此，必須研制開發(fā)系列化、模塊化輸彈機(jī)，以適應(yīng)不同火炮總體布置的需要，例如，鏈?zhǔn)捷攺?藥機(jī)、彈射輸彈機(jī)(氣動(dòng)、液壓、氣液混合式等)、復(fù)進(jìn)聯(lián)動(dòng)輸彈機(jī)等。

4.3 部件消耗功率最小化設(shè)計(jì)

隨著火炮武器系統(tǒng)的發(fā)展，自動(dòng)化程度的提高，對(duì)動(dòng)力源的需求越來(lái)越高，由于火炮武器使用特點(diǎn)的限制，能提供動(dòng)力源功率有限，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與部件設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮所需運(yùn)動(dòng)的功率問(wèn)題，例如，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)幾個(gè)動(dòng)作重疊時(shí)，充分考慮合理匹配，避免同時(shí)啟動(dòng)時(shí)帶來(lái)的高沖擊和消耗功率大的問(wèn)題；在部件設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮傳動(dòng)方式，負(fù)載力矩變化情況，爭(zhēng)取做到單部件消耗功率最小。

4.4 內(nèi)能源合理利用設(shè)計(jì)

由于火炮武器提供動(dòng)力源功率有限，而火炮發(fā)射時(shí)內(nèi)能源利用率又低，在系統(tǒng)與部件設(shè)計(jì)時(shí)，采用內(nèi)外能源相結(jié)合的方式，考慮一部分內(nèi)能源的合理利用，例如，利用火炮后坐能量實(shí)現(xiàn)輸彈機(jī)向輸彈線的運(yùn)動(dòng)，既可以節(jié)省動(dòng)力源功率，又可以縮短裝填時(shí)間。

4.5 全電驅(qū)動(dòng)及高效率動(dòng)力源設(shè)計(jì)

復(fù)雜的155 mm自行火炮要實(shí)現(xiàn)彈藥的自動(dòng)裝填，需要10個(gè)以上的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)基本上均屬于低壓大電流驅(qū)動(dòng)下的大扭矩變負(fù)載快速定位。低壓大電流驅(qū)動(dòng)下的大扭矩變負(fù)載快速定位技術(shù)，是彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)，能源種類少，動(dòng)作合理匹配，能源的合理分配，管線能耗最低，動(dòng)力源效率高是彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)必須進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

4.6 無(wú)人化操控技術(shù)設(shè)計(jì)

無(wú)人炮塔具備減少成員數(shù)量，減輕火炮武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗全重，提高火炮的生存能力和對(duì)成員的防護(hù)能力等綜合作戰(zhàn)性能，是火炮自動(dòng)化、信息化發(fā)展的必然結(jié)果，彈藥自動(dòng)裝填是火炮自動(dòng)化的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人炮塔的關(guān)鍵技術(shù)。目前，世界各國(guó)對(duì)155 mm火炮的研制和對(duì)現(xiàn)役裝備改進(jìn)，均將彈藥全自動(dòng)裝填技術(shù)的研制作為關(guān)鍵，與自動(dòng)操瞄、自主作戰(zhàn)等先進(jìn)技術(shù)綜合集成，共同提高火炮的作戰(zhàn)使用性能[4]。

無(wú)人化操控技術(shù)設(shè)計(jì)是在控制系統(tǒng)采用數(shù)字化、模塊化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化兼容設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)裝填系統(tǒng)的在線檢測(cè)、彈藥管理及信息反饋、并開發(fā)了新型人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)中大口徑火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)操作、虛擬仿真、顯示一體化，包括：多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作的電液氣一體化變負(fù)載快速定位控制技術(shù)；可自動(dòng)識(shí)別選、供、輸彈藥的計(jì)算機(jī)管理與識(shí)別技術(shù)；信息的采集、指令數(shù)據(jù)與反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算等處理的計(jì)算機(jī)控制與總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)；工作方式、所需的彈種、彈數(shù)、藥號(hào)等裝定參數(shù)和數(shù)傳參數(shù)的裝入、系統(tǒng)重要狀態(tài)和工作條件的實(shí)時(shí)三維虛擬顯示的計(jì)算機(jī)圖像應(yīng)用技術(shù)；有線、無(wú)線通訊技術(shù)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)對(duì)火炮總體布局與火炮戰(zhàn)技指標(biāo)的影響分析，闡述了彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)在中大口徑火炮研制中的重要地位；針對(duì)壓縮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間的三種主要技術(shù)途徑，提出了彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；并根據(jù)目前彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，論述了彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究的六項(xiàng)內(nèi)容。

彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的發(fā)展方向是在火炮射擊條件下，實(shí)現(xiàn)彈、藥全自動(dòng)裝填；射速指標(biāo)達(dá)到8～12發(fā)/min；實(shí)現(xiàn)模塊藥裝藥號(hào)自動(dòng)生成；工作狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)和故障診斷；炮塔無(wú)人的遠(yuǎn)端操控；人機(jī)界面對(duì)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)三維虛擬顯示。隨著彈藥自動(dòng)裝填技術(shù)的成熟，為火炮系統(tǒng)向無(wú)人炮塔甚至無(wú)人火炮的方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3]。

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