某型坦克底盤線振動對行進間射擊精度影響機理研究

汪國勝，藥凌宇2，魏來生2，樸燕2，顧亮1

（1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京100081；2.中國北方車輛研究所，北京100072）

某型坦克底盤線振動對行進間射擊精度影響機理研究

汪國勝1，2，藥凌宇2，魏來生2，樸燕2，顧亮1

（1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京100081；2.中國北方車輛研究所，北京100072）

針對某型坦克高速行進間射擊精度較低的問題，從底盤線振動的角度分析了炮彈出膛的橫向速度、瞄準系統(tǒng)成像質(zhì)量、乘員觀瞄操縱效能三方面的影響因素，并結(jié)合實車試驗數(shù)據(jù)逐一研究了每個因素對射擊精度的影響。研究結(jié)果表明：底盤線振動引起的橫向射擊偏差較小，不足以引起射擊精度的大幅降低；底盤線振動雖然對瞄準鏡成像質(zhì)量雖然有一定的影響，但基本不會影響觀瞄效果；而由于乘員乘坐位置線振動較大，乘員的乘坐舒適性較差，使其難以精確操縱瞄準設(shè)備，從而影響觀瞄效果。因此，車輛底盤線振動對坦克裝甲車輛射擊精度的影響主要表現(xiàn)在對乘員乘坐舒適性的影響上，乘員舒適性較差是限制行進間射擊精度的重要原因。

兵器科學(xué)與技術(shù)；行進間射擊精度；乘坐舒適性；底盤線振動；坦克裝甲車輛

0 引言

影響坦克行進間射擊精度的因素有很多［1-3］。底盤振動是其中一個重要的因素。由于坦克裝甲車輛在實施行進間射擊時，車載武器系統(tǒng)與瞄準系統(tǒng)不可避免地隨車輛底盤發(fā)生隨機振動，在某型坦克對目標距離2 000 m固定目標實施行進間射擊的試驗（針對某型炮彈）表明：當路況較差或車速較高時，命中率會顯著下降。試驗研究與車輛乘員主觀反映均表明：車速提高引起的命中率降低主要是由于底盤振動增大導(dǎo)致的，這說明底盤振動是影響行進間射擊命中率的主要原因之一。底盤振動對射擊精度的影響主要表面在兩個方面［4］：底盤角振動和底盤線振動。多年來，國內(nèi)外研究人員對底盤角振動進行了大量的研究，國內(nèi)也設(shè)計了相應(yīng)的陀螺裝置于瞄準鏡與火炮穩(wěn)定系統(tǒng)中，很大程度上彌補了底盤角振動造成的角振動誤差［5-6］，提高了射擊精度。但陀螺只對角振動敏感，而對線振動不敏感，瞄準鏡及火炮穩(wěn)定系統(tǒng)對由坦克底盤線振動引起的射擊誤差無力補償。坦克底盤線振動對行進間射擊精度的影響表現(xiàn)在哪些方面，影響機理是怎樣，多年來相關(guān)研究較少。本文主要結(jié)合某型坦克實車行駛振動數(shù)據(jù)，研究坦克底盤線性振動對火炮射擊精度的影響。

1 坦克底盤線振動對行進間射擊精度的影響途徑

通過綜合分析發(fā)現(xiàn)，坦克裝甲車輛底盤線振動對火炮行進間射擊精度的影響主要表現(xiàn)在3個方面：

1）容易引起炮彈出膛的橫向速度［4，7］。由于火炮是通過耳軸安裝于炮塔上的，在行進間射擊過程中，耳軸不可避免地隨著車體做上下垂直振動與前后、左右水平振動，如果車體線振動過大，必然會引起一定的炮彈出膛橫向速度；

2）降低瞄準系統(tǒng)成像質(zhì)量［8-10］。坦克裝甲車輛乘員觀瞄裝置主要是車炮長瞄準鏡，這些瞄準裝置是固定于炮塔上的，而炮塔是通過炮塔座圈安裝于車體上的。同樣，如果坦克底盤垂直振動或水平振動較大，必然影響瞄準鏡的成像質(zhì)量，從而會引起車炮長瞄準精度降低，最終影響射擊精度。

3）影響乘員觀瞄操縱效能［8］。一次完整的擊發(fā)過程包含搜索、瞄準、鎖定、擊發(fā)等過程。這個過程中，車炮長必須親自操縱操縱臺上的相應(yīng)裝備或按鈕才能完成，需要車輛乘員的切身參與，是一個人機結(jié)合的過程。大量實車試驗表明：如果長時間振動較大，也會引起乘員疲勞程度增加，注意力下降，最終引起射擊精度降低；更重要的是，如果兩個位置振動增加到乘員難以坐穩(wěn)的程度時，其必須要靠扶緊操縱臺把手才能穩(wěn)住身軀，此時乘員就難以實施搜索、瞄準、鎖定、擊發(fā)等精確的觀瞄操作。所以，線振動引起的乘員觀瞄操作效能下降也可能是引起行進間射擊精度下降的一個重要原因。

上述3個方面對行進間射擊精度影響程度需結(jié)合實車試驗數(shù)據(jù)進行具體分析。

2 野外實車振動試驗及數(shù)據(jù)分析

從振動傳遞路徑可知：火炮是通過耳軸安裝在炮塔上的，耳軸位置線振動基本代表了火炮的線振動，瞄準鏡殼體上的振動體現(xiàn)了瞄準鏡的線振動；座椅位置振動大小與操縱臺位置振動大小是同步變化的，所以座椅位置振動大小基本代表了乘員觀瞄操縱效能。除此之外，還有車體質(zhì)心位置（或質(zhì)心在底甲板上的垂直投影位置），該位置雖然不直接影響射擊精度，但對于特定的車輛，該位置線性振動直接反映了整車的線振動。所以實車測試并分析耳軸、瞄準鏡、座椅、質(zhì)心在底甲板上的垂直投影等4個位置振動數(shù)據(jù)，就基本能判定上述3方面線振動對射擊精度的影響。

野外振動試驗按15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h、35 km/h車速在典型的中等起伏砂土路面上（路面等級相當于E級路面）進行。試驗結(jié)果表明：在相同路段的越野路面上，履帶車輛底盤線振動與角振動基本隨著車速的增加而增加。因篇幅限制，本文僅列出在射擊精度大幅降低的速度檔（30 km/h）條件下相關(guān)位置的振動加速度，具體如表1所示。數(shù)據(jù)處理方法與車輛x軸、y軸、z軸3個加速度方向定義參見文獻［7］.

車體質(zhì)心在底甲板上投影處x軸與z軸方向加速度、瞄準鏡與炮長座椅兩個位置z軸方向加速度信號如圖1～圖4所示。從瞄準鏡z軸方向振動加速度信號的功率譜密度來看，除了1～2 Hz之間有一個低頻峰值外（主要由懸掛系統(tǒng)一階振型產(chǎn)生），瞄準鏡位置振動以50 Hz以上高頻振動為主；耳軸位置振動頻帶基本與瞄準鏡相似。從瞄準鏡、炮長座椅兩個位置z軸方向加速度幅值分布密度曲線來看，振動加速度幅值基本呈正態(tài)隨機分布，坦克車輛底盤線振動對行進間射擊精度的影響以高頻隨機振動為主。另外從表1中與圖2、圖3中還看到，車輛質(zhì)心在底甲板上投影處的垂直向振動較大，但經(jīng)過炮塔的衰減，瞄準鏡位置振動加速度均方根值減小到質(zhì)心位置的1/3左右，耳軸位置振動減小得更多。

表1　坦克相關(guān)位置線振動統(tǒng)計值Tab.1 Statistical data of linear vibration at relative positions of tank

圖1　車體質(zhì)心投影處x軸方向振動信號Fig.1 Vibration signals（x）at tank chassis’center of gravity

圖2　車體質(zhì)心投影處z軸方向振動信號Fig.2 Vibration signals（z）at tank chassis’center of gravity

如表1和圖1所示車體質(zhì)心x軸方向振動信號可見，車體質(zhì)心x軸、y軸、z軸3個方向振動中，水平x軸方向振動幅值最大。這是由于車輛在起伏路面上高速行駛時車輛起伏顛簸及駕駛員為防止出現(xiàn)大幅的振動，而采取緊急制動措施導(dǎo)致車輛行駛速度發(fā)生大幅變化，引起安裝在車體底甲板上質(zhì)心投影附近處輸彈機等部件與車體發(fā)生慣性沖擊造成的。這種瞬態(tài)沖擊雖然較大，但是其加速度均方根值仍小于垂直向加速度均方根值。

3 底盤振動線速度對射擊精度的影響

由于車輛縱向振動速度相對炮彈飛行速度要小得多，車輛縱向振動對火炮射擊偏差的影響可以忽略不計。相關(guān)研究表明，但車輛底盤橫向（y軸、z軸）線振動速度會在炮彈出膛時引起橫向初速［4，7］，這會產(chǎn)生一定的射擊偏差。線振動速度引起的射擊偏差可用（1）式表達：

式中：f0為計算線振動速度的截止頻率，一般取f0= 250 Hz；Ga（f）為加速度功率譜密度函數(shù)。

按照（2）式求得的車體質(zhì)心在底甲板上投影處及耳軸根部x軸、y軸、z軸3個方向振動線速度均方根值如表1所示。以該試驗樣車所用某型炮彈在行進間對直瞄有效距離D=2 000 m的目標進行射擊時，炮彈飛行時間約為tf=1.15 s，按照隨機函數(shù)分布的3.29σ規(guī)律［11］可知，在99.9%的概率下，垂直向最大的射擊偏差不會超過

計算結(jié)果遠小于2.3 m×4.6 m目標靶尺寸，由此可見，在對D=2 000 m固定靶目標實施行進間射擊時，該型坦克底盤線振動速度引起的射擊偏差基本導(dǎo)致脫靶的概率較小，從而可知，其底盤線振動速度不是影響其行進間射擊精度的主要因素。

圖3　瞄準鏡位置z軸方向振動信號Fig.3 Vibration signals（z）at the position of sighting telescope

圖4　炮長座椅z軸方向振動信號Fig.4 Vibration signals（z）at the position of gunner’s seat

4 車輛底盤線振動對瞄準鏡成像質(zhì)量影響

國際上，一般均采用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來定量表示瞄準系統(tǒng)或攝像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。MTF也叫頻率反差函數(shù)，它是說明景物或圖像的反差與空間頻率關(guān)系的一種函數(shù)。所以，它包含了衡量圖像質(zhì)量標準的兩個最基本且可測量的量：空間頻率和圖像對比度，它能反映成像系統(tǒng)對目標不同空間頻率的頻譜傳遞特性。目標運動或儀器運動都會產(chǎn)生動態(tài)圖像MTF的下降，其實質(zhì)是成像介質(zhì)響應(yīng)速度有限所致［10］。

瞄準鏡實際上是一個開普列式的望遠光學(xué)系統(tǒng)。假設(shè)物鏡的焦距為fo，目鏡的焦距為fe，則瞄準鏡的倍率為

由于坦克用瞄準鏡實際上由一組物鏡與一組目鏡組成，對于試驗坦克炮長瞄準鏡，其倍率Γ變化范圍為6～10.對于裝載有瞄準鏡的車輛平臺，x軸、y軸、z軸3個方向線振動均對乘員觀瞄的圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，但相關(guān)研究表明，盡管瞄準鏡位置光軸向（x軸）振動較大，但是由于測量距離較瞄準鏡的焦距要大得多，軸向振動對成像質(zhì)量的影響較y軸、z軸兩個方向要小得多［11-12］。為此，線振動對瞄準鏡成像質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在光軸垂直面上，即y軸、z軸兩個方向上，尤其是z軸方向上振動幅度較大。假設(shè)瞄準鏡相對目標的橫向運動（振動）位移均方根值為sm，目標距離為D，則由于橫向振動引起對應(yīng)的像移均方根值為

sm可通過在頻域內(nèi)對加速度功率譜密度函數(shù)積分估計求得，如垂直向位移smz可通過（6）式［9］估計：

按照上述方法，對瞄準鏡x軸、y軸、z軸3個方向線振動位移均方根值進行了估計，具體值見表1.

假設(shè)瞄準鏡是一個理想的光學(xué)系統(tǒng)，則在高頻隨機振動下的瞄準鏡圖像MTF可由（7）式［10］表示：

式中：n為空間頻率。對于瞄準鏡，其成像的接受單元是人眼，人眼的視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞單元直徑約為2～4 μm［13］，可取其平均值計算，此時人眼能識別的圖像空間截止頻率

對于試驗樣車瞄準鏡，目鏡焦距fe=25 mm，D=2 000 m時，倍率取最大值Γ=10.由表1可見，z軸方向隨機振動的幅值最大（smz=0.005 8 m），同樣按照隨機函數(shù)分布的3.29σ規(guī)律可知，其將以99.9% 的概率保證幅值極值不超過 smzmax= 19.1 mm，這基本覆蓋了表1中所測量到的振動位移幅值的范圍。為了檢驗車輛線振動對不同距離目標成像質(zhì)量的影響，做出如圖5所示的不同目標距離條件下的瞄準鏡MTF曲線。

由于人眼對應(yīng)的 MTF函數(shù)視覺閾值為MTFmin=0.026［13］.由圖5可見，在相同振動水平下，圖像清晰度隨著目標距離的拉近而不斷降低；人眼通過瞄準鏡觀瞄2 000 m遠以外的目標時，其清晰度是可以保證的，但在觀瞄1 500 m以內(nèi)的目標時，人眼觀瞄的圖像清晰度將受到影響。根據(jù)（6）式計算可得500 m（此時對應(yīng)的倍率Γ≈6）條件下對應(yīng)的觀瞄分辨率閾值約為75 lp/mm，可知分辨率尚可，雖然圖像有些模糊，但是目標輪廓完全可分辨。由此可見，該型坦克底盤線振動基本不會影響乘員觀瞄圖像質(zhì)量，這一試驗結(jié)果跟炮手現(xiàn)場的反映是非常一致的。

圖5　瞄準鏡垂直向振動MTF曲線Fig.5 MTF curves of vertical vibration on sighting telescope

5 車輛底盤線振動對乘員操作效能的影響

目前，國際上與國內(nèi)裝甲車輛行業(yè)一般采用ISO2631—1：1997（E）［7，14］中1/3倍頻程方法評價車輛乘員的振動舒適性，對于車炮長，其面臨的振動環(huán)境比汽車更為惡劣，而由于其要進行精確的瞄準與擊發(fā)操作，操作精度要求較一般的車輛駕駛員要求更高。為考察車輛線振動對乘員乘坐舒適性的影響，以炮長為例，對該型坦克炮長座椅位置x軸、y軸、z軸3個方向加權(quán)振動加速度進行了統(tǒng)計分析，相關(guān)結(jié)果也見表1.

相關(guān)研究表明，當垂直向加權(quán)加速度達到0.5 m/s2時，人就感覺到相當不舒適了［11］。由表1可見，炮長座椅垂直向（z軸）加權(quán)加速度較大，這說明影響乘員振動舒適性的主要是垂直振動；多個型號坦克野外振動試驗表明，當垂直向加權(quán)加速度達到0.65～0.70 m/s2時，人在座椅上已難以坐穩(wěn)，這時需雙手緊扶操縱臺把手才能穩(wěn)住身軀，這對于經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的炮手等乘員，其要想進行連貫的搜索、瞄準、鎖定、擊發(fā)等精確操作已經(jīng)很困難了。由表1還可見，在中等起伏路面上以略高于行進間射擊車速的速度行駛時，炮長座椅位置垂直加權(quán)加速度已接近0.70 m/s2的上限，已超出乘員精確操縱瞄準設(shè)備的舒適性范圍；炮長座椅x軸、y軸兩個方向加權(quán)加速度值比垂直方向加權(quán)加速度小一些，但也已分別達到0.26 m/s2、0.387 m/s2.由于水平向振動對垂直坐姿的乘員乘坐舒適性的影響系數(shù)是垂直向振動影響系數(shù)的1.4倍［7，14］，這種影響也足以引起乘員身軀在x軸、y軸兩個方向上晃動，這將使得炮長眼睛不能穩(wěn)定地抵在瞄準鏡護額上，難以進行精準的搜索、瞄準操作，使操作精度與操作效能大幅下降并最終影響行進間射擊精度與行進間射擊車速，這種現(xiàn)象與實車射擊時炮手反映是完全一致的。由此可見，該型坦克底盤線振動對行進間射擊精度與射擊車速的影響較大，是影響裝甲車輛的重要因素，其影響主要體現(xiàn)在乘員乘坐舒適性上，較大的線振動會使乘員操瞄精度與操縱效能下降，最終導(dǎo)致行進間射擊精度下降。

6 結(jié)論

某型坦克野外振動試驗與研究表明，底盤線振動引起的橫向射擊偏差較小，不足以引起其射擊精度的大幅下降；底盤線振動對瞄準鏡成像質(zhì)量雖然有一定的影響，但基本不會影響其乘員觀瞄目標的效果；而由于乘員乘坐位置線振動較大，乘員的乘坐舒適性與穩(wěn)定性較差，使其難以精確操縱、瞄準設(shè)備，從而影響操瞄精度與操縱效能，最終導(dǎo)致行進間射擊精度的下降，這正是該型坦克底盤線振動對行進間射擊車速的影響限制機理。因此，底盤線振動是影響其行進間射擊車速的重要因素，需要大力克服。

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Research on the Influence of Linear Vibration of a Tank Chassis on On-the-move Shooting Accuracy

WANG Guo-sheng1，2，YAO Ling-yu2，WEI Lai-sheng2，PIAO Yan2，GU Liang1
（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

Three factors leading to the lower shooting accuracy for a tank moving at a high speed are analyzed based on the linear vibration of its chassis.The efects of the factors on the shooting accuracy are studied from the real test data.The research result shows that the lateral shooting deviation caused by the linear vibration of chassis is too small to reduce the shooting accuracy significantly.Although the linear vibration of chassis has some impact on the imaging quality of sighting telescope，it basically does not affect the sighting effect.Since the linear vibration of crew seat is larger and its ride comfort is poor，it is hard for the crew in the tank to precisely manipulate the sighting telescope，and then the sighting effect would be affected.Therefore，the influence of the linear vibration of tank chassis on the shooting accuracy is mainly through its impact on the ride comfort，and the ride comfort is an important reason of affecting on-the-move shooting accuracy.

ordnance science and technology；on-the-move shooting accuracy；ride comfort；linear vibration of chassis；tank and armored vehicle

TJ81

A

1000-1093（2016）03-0541-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.03.021

2015-08-20

國防“973”計劃項目（61337305）

汪國勝（1971—），男，研究員。E-mail：wgsheng321449@163.com