武器系統(tǒng)輕量化設(shè)計技術(shù)研究

王金梅，鐘險峰，王萬朋，于大勇

(中國北方車輛研究所總體技術(shù)部，北京 100072)

【系統(tǒng)工程、測量與控制】

武器系統(tǒng)輕量化設(shè)計技術(shù)研究

王金梅，鐘險峰，王萬朋，于大勇

(中國北方車輛研究所總體技術(shù)部，北京 100072)

武器系統(tǒng)輕量化設(shè)計涉及系統(tǒng)總體、分系統(tǒng)及部件設(shè)計等多層面技術(shù)領(lǐng)域，對提高其機(jī)動性和生存能力等主要作戰(zhàn)性能具有重要意義。通過輕量化設(shè)計技術(shù)在典型裝備武器系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，提出先進(jìn)的工業(yè)基礎(chǔ)、材料、加工制造技術(shù)及工藝水平是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)輕量化設(shè)計的前提，而分析解決輕量化設(shè)計存在的問題則是輕量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的必要條件。兵器裝備輕量化設(shè)計必須依靠于總體、部件及材料等方面突破瓶頸技術(shù)的制約，進(jìn)而通過系統(tǒng)總體集成優(yōu)化設(shè)計最終實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，才能在不影響武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的約束條件下，提升裝備平臺的機(jī)動、運(yùn)輸、部署能力。

武器系統(tǒng)；輕量化；火炮；彈藥；信息技術(shù)

快速部署能力是美國陸軍目前正在大力研制的“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”的主要特點(diǎn)之一。為了能夠通過空運(yùn)向全球快速投送兵力，美陸軍要求“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”中各種武器裝備的重量必須嚴(yán)格控制在20噸之內(nèi)。作為武器裝備的核心系統(tǒng)，武器系統(tǒng)的輕量化設(shè)計尤為重要，在不犧牲火力性能的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計，可以為戰(zhàn)斗車輛機(jī)動性及防護(hù)能力的提高留有充足的空間，從而進(jìn)一步提高反應(yīng)時間和裝備生存能力，使其具有更高的綜合戰(zhàn)斗力。武器系統(tǒng)的輕量化設(shè)計涉及總體設(shè)計及各個分系統(tǒng)和主要部件的設(shè)計，并與各分系統(tǒng)及部件的性能息息相關(guān)。

1 輕量化設(shè)計的重要意義

高速發(fā)展的公路建設(shè)為輪式裝甲車的使用提供了便利條件，但裝備重量必須滿足道路運(yùn)輸?shù)某休d限度。整車的輕量化設(shè)計也將提高其最大行駛里程，相同承載能力下增大單車攜帶的彈藥基數(shù)，提高了火炮的持續(xù)作戰(zhàn)能力。從而提高車輛的戰(zhàn)場生存能力。對于武器系統(tǒng)各組成部件，輕量化設(shè)計也不同程度地影響其性能和使用。例如導(dǎo)彈的輕量化對增加射程和導(dǎo)彈變軌的靈敏性都具有重要意義。

無人車輛是未來裝甲車輛的一個發(fā)展趨勢，其深入敵營的作戰(zhàn)環(huán)境，更需要減輕重量從而提高最大行程，提高戰(zhàn)斗和生存能力。美國最新研制的輕型、低成本、多用途隱身戰(zhàn)斗機(jī)上，為達(dá)到輕量化目標(biāo)，復(fù)合材料用量約為30%～35%。

綜合研究分析表明，采用新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計的主要途徑。

2 武器系統(tǒng)輕量化技術(shù)的發(fā)展情況

2.1 新型材料技術(shù)

輕合金是武器裝備輕量化的首選金屬材料。鋁合金、鎂合金、鈦合金是具有一系列優(yōu)良性能、用途廣泛的三大輕合金結(jié)構(gòu)材料，對國防高技術(shù)和武器裝備的發(fā)展具有重要的作用。在促進(jìn)武器裝備輕量化方面,它們各具特色，既相互競爭，又相互補(bǔ)充。鈦合金在減輕重量的基礎(chǔ)上具有較好的剛強(qiáng)度，但成本較高；例如針對火箭彈后坐很小而尾焰很大的特點(diǎn)，發(fā)射架不必使用鈦合金材料，而使用隔熱材料涂覆的鋁合金材料，實(shí)現(xiàn)在大幅度降低重量的同時節(jié)約成本。鋼絲滾道鋁合金座圈具有質(zhì)量輕、受力均勻、轉(zhuǎn)動靈活、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，對減輕全武器系統(tǒng)質(zhì)量，改善其受力狀態(tài)十分有利。

鎂是密度最低的金屬結(jié)構(gòu)材料，美國及西歐軍事強(qiáng)國在武器裝備中大量應(yīng)用鎂合金材料，如德國AMX-30的CN105F1型線膛炮的身管熱護(hù)套；英國120 mm BATL6 Wombat無坐力反坦克炮；以色列已將鎂合金用于次口徑脫殼彈彈殼、穿甲彈彈托[1]。

鈦合金具有比強(qiáng)度高、輕質(zhì)、耐蝕、無磁、焊接性能好、高溫性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。美國已將應(yīng)用鈦合金的部件用在M1主戰(zhàn)坦克上[2]，武器系統(tǒng)減重情況見表1[3]。

表1 M1主戰(zhàn)坦克武器系統(tǒng)鈦合金替代部件減重情況[3]

復(fù)合材料低成本制造與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展為零部件減重提供了新的思路。以高性能碳纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化材料，已在很多重要領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，具有輕質(zhì)，高強(qiáng)度，高剛度，優(yōu)良的減振性，耐疲勞和耐腐蝕等優(yōu)異性能。采用碳纖維復(fù)合材料部件可以在實(shí)現(xiàn)輕量化的基礎(chǔ)上保證安全性與舒適性。另外，縮比技術(shù)、絲束鋪放技術(shù)及液體成型技術(shù)等多項加工技術(shù)的發(fā)展正在為復(fù)合材料構(gòu)件自動化生產(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用奠定工業(yè)基礎(chǔ)。

美國在“十字軍”先進(jìn)155 mm自行火炮上研制應(yīng)用了復(fù)合材料炮塔(見圖1)，并完成了相關(guān)試驗驗證考核。復(fù)合材料炮塔較同等應(yīng)用需求的金屬炮塔具有顯著的減重效果，最大減重率可達(dá)30%以上，且綜合性能得到顯著提高。

《中西醫(yī)結(jié)合心血管病雜志》雜志來稿內(nèi)容應(yīng)遵循本刊稿約要求和各欄目說明，除內(nèi)容要求以外，特提醒作者注意以下情況。

圖1 采用復(fù)合材料炮塔的“十字軍”自行火炮

2.2 火炮相關(guān)技術(shù)的發(fā)展

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，火炮設(shè)計廣泛采用高強(qiáng)度鈦合金輕質(zhì)搖架和制退器，新型超強(qiáng)度炮鋼材料等輕質(zhì)材料，通過搖架與反后坐裝置一體化設(shè)計，在簡化結(jié)構(gòu)、減小體積和重量的前提下，提高搖架剛度和強(qiáng)度，進(jìn)而提升火炮射擊時的穩(wěn)定性。

英國陸軍自行研制的LTH和UFH超輕型155毫米牽引榴彈炮，反映了當(dāng)代輕型牽引炮的發(fā)展趨勢，由于大量使用鋁、鈦合金及其他低密度、高強(qiáng)度材料，并采用非常規(guī)的后坐系統(tǒng)(這種系統(tǒng)使用了長后坐沖程和低耳軸，采用一種稱為“不平衡的設(shè)計”方法使后坐力向下轉(zhuǎn)移)，從而使火炮的質(zhì)量僅有3.8 t，是同口徑性能火炮質(zhì)量的一半[4]。

“個頭要小，火力要猛”是對美國未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)(FCS)中火力性能要求最精練的表述。盡管在材料技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)步，但是目前的火炮依然“沉重”，主要原因有兩點(diǎn)：第一，為了使火炮能夠承受射擊所產(chǎn)生的巨大熱能，炮身必須有相當(dāng)大的重量；第二，火炮必須借助于較大的慣性來承受射擊時的后坐力。于是美國陸軍積極探索以多種技術(shù)途徑來滿足未來部隊對輕型、大威力、遠(yuǎn)射程火炮的需求。膨脹波火炮雖然沒有采用新概念的殺傷機(jī)理，但以其獨(dú)特的方式解決了減小常規(guī)火炮后坐力和控制身管發(fā)熱的技術(shù)難題，從而能在不影響火炮殺傷威力的前提下，較大幅度地減小火炮的重量。膨脹波低后坐炮的工作原理為：當(dāng)發(fā)射藥在炮膛內(nèi)推進(jìn)彈丸時，炮尾打開，藥室內(nèi)的壓力驟然下降。由炮尾打開而引起的壓力下降現(xiàn)象被稱為膨脹波或“火藥氣體稀釋”現(xiàn)象。如果能夠控制炮尾打開的時機(jī)和速度，使彈丸在“聽到打開的聲音”以前就己飛離炮口，那么彈丸的初速就不會下降。美國沃特夫列特森納公司成功研制出的105 mm膨脹波后坐力炮，采用105 mm多用途火炮和彈藥系統(tǒng)(MRAAS)的 武器部件和搖擺炮膛裝填系統(tǒng)，使后坐力降低75%，熱負(fù)荷降低50%，火炮系統(tǒng)總重降低25%，同時保持彈丸的炮口初速和較小的炮口焰[5]。結(jié)合采用先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)，火炮的重量將可減少一半或更多。膨脹波火炮理論上將消除后坐力，從而提高精度及可靠性。

德國毛瑟公司研制成功新型的RMK3式30 mm及35 mm口徑無后坐自動炮(如圖2所示)，并裝備到輕型遙控武器站上。該炮采用膨脹波原理技術(shù)實(shí)現(xiàn)無后坐目標(biāo)，采用毛瑟三藥室轉(zhuǎn)膛工作原理、全可燃藥筒埋頭彈，射擊精度可提高50%。

圖2 德國RMK30/35口徑無后坐自動炮

傳統(tǒng)大口徑火炮通常采用前沖、加長后坐及制退器技術(shù)等降低后坐力，后坐力可降低25%～40%[6]。新概念動能武器電磁炮顛覆傳統(tǒng)火炮概念，利用電磁能加速炮彈，相同射程及穿甲能力下炮、彈的體積顯著減小[7]，利用軌道加長可降低后坐力，但是大功率、高效脈沖電源技術(shù)仍然是有待突破的瓶頸技術(shù)。

2.3 武器系統(tǒng)形式及結(jié)構(gòu)

武器系統(tǒng)形式向頂置-無人方向發(fā)展，減掉了人員及其乘坐環(huán)境帶來的負(fù)擔(dān)。炮塔的體積明顯變小，受打擊的概率顯著降低，可以極大地提高裝備和乘員的生存率。從防護(hù)角度來說，低矮的炮塔體積較小，相應(yīng)的裝甲板也比較小，從而可以降低裝備重量。

另外武器系統(tǒng)可以應(yīng)用新工藝及新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，在實(shí)際的工程實(shí)踐中追求改變受力環(huán)境?？傮w及部件設(shè)計采用集成技術(shù)，達(dá)到一件多用的目的，也是輕量化設(shè)計的重要措施。例如：平衡機(jī)和高低機(jī)進(jìn)行一體化集成設(shè)計，減少相關(guān)件；在炮塔上采用壓筋的技術(shù)措施，在保證構(gòu)件剛強(qiáng)度的前提下，達(dá)到減重的目的。

總體優(yōu)化設(shè)計考慮降低高度，采用隱身技術(shù)和新型主—被動相結(jié)合的裝甲防御方式等高技術(shù)措施，來提高戰(zhàn)場機(jī)動性能和生存能力，使防護(hù)水平不再單純依靠披掛裝甲，在滿足防護(hù)要求與輕量化設(shè)計上達(dá)到最優(yōu)結(jié)合。

塔內(nèi)火控及電氣部件采用集成化設(shè)計，采用最新器件及工藝手段，可大幅縮小體積，提高可靠性，減輕重量。

2.4 彈藥技術(shù)的發(fā)展

比較典型的是小口徑火炮彈藥中埋頭彈的出現(xiàn)。埋頭彈(Cased Telescoped Ammunition)也稱嵌入式彈藥或套筒式彈藥，彈丸裝在藥筒的發(fā)射藥里。由于采用了圓筒狀裝藥，因此體積小、便于存放，節(jié)省了彈藥儲存空間，同等空間重量約束下可提高攜彈量；藥筒形狀簡單整齊，簡化了供彈機(jī)的設(shè)計；有利于采用旋轉(zhuǎn)閉鎖機(jī)構(gòu)，從而縮小了火炮系統(tǒng)的總體尺寸。上世紀(jì)90年代中期，法國地面武器工業(yè)集團(tuán)和英國皇家軍械公司組建了埋頭彈CATI國際公司，在40 mm埋頭彈武器系統(tǒng)(CTWS)的研制上取得了長足的進(jìn)展。40 mm CTWS的彈藥與同口徑常規(guī)彈藥相比體積減小30%，重量也減輕30%，但性能提高了30%。在采用了復(fù)合材料藥筒后，大大降低了使用成本，并且不宜受損?；鹋谂c常規(guī)自動炮相比，結(jié)構(gòu)非常緊湊，40 mm CTWS的體積與25 mm自動炮相當(dāng)，完全可以用來改裝大多數(shù)現(xiàn)役步兵戰(zhàn)車上的25～30 mm炮，而且全壽命周期成本可降低一半左右。

在威力上40 mmCTWS的炮口動能比同口徑常規(guī)彈藥大15%，而后坐力僅為美國25毫米自動炮的2/3。后坐力的減小可以進(jìn)一步為托架及搖架的優(yōu)化設(shè)計及減重作出貢獻(xiàn)。

3 信息技術(shù)的發(fā)展對武器系統(tǒng)輕量化技術(shù)的影響

新概念武器及彈藥技術(shù)的發(fā)展使武器具備高精度、大威力的目標(biāo)打擊能力，通過加載數(shù)字化裝備或列裝智能化彈藥對其進(jìn)行數(shù)字化改造，提高其精確打擊能力。武器系統(tǒng)在達(dá)到同等作戰(zhàn)能力下可減少彈藥基數(shù)，從而減輕全系統(tǒng)重量。

韓國Dodaam公司推出的針對陸軍部隊的“宙斯盾”智能武器站[8]，能夠通過無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信和遙控，通過機(jī)內(nèi)自檢測設(shè)計對系統(tǒng)自身的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷和故障定位。隨著光電技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，輕量化、智能化的武器系統(tǒng)與戰(zhàn)場上的光電系統(tǒng)協(xié)同，便于采用空投等多種方式部署、作戰(zhàn)，甚至實(shí)現(xiàn)自主修復(fù)。

綜合電子信息技術(shù)利用計算機(jī)控制、數(shù)字通信和總線技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)綜合化集成功能。做到戰(zhàn)場信息互聯(lián)、信息資源共享，使目標(biāo)探測、火力控制、作戰(zhàn)指揮及故障診斷等功能模塊進(jìn)行一體化集成設(shè)計[9]，達(dá)到單一武器系統(tǒng)中綜合控制系統(tǒng)的集成優(yōu)化設(shè)計，滿足體積小、重量輕的總體要求。

裝甲部隊未來的基本作戰(zhàn)形式是一體化聯(lián)合作戰(zhàn)，它由廣譜戰(zhàn)場感知和智能化指控兩個方面的能力構(gòu)成，具有基于航天支持和一體化網(wǎng)絡(luò)的信息力。裝甲車輛能夠直接接收和使用上級、友鄰以及聯(lián)合作戰(zhàn)的其他軍兵種的戰(zhàn)場感知信息，并能直接接收戰(zhàn)略級低軌衛(wèi)星的各類偵察情報信息。另外與彈藥補(bǔ)充車輛的實(shí)時信息交換使單車的彈藥基數(shù)可適當(dāng)減少，達(dá)到輕裝上陣、靈活作戰(zhàn)的目標(biāo)。

4 武器系統(tǒng)輕量化設(shè)計存在的問題

輕量化設(shè)計與系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性甚至產(chǎn)品性能之間存在一定的矛盾。例如在結(jié)構(gòu)件設(shè)計中應(yīng)用鈦合金，成本將成倍增長，必須考慮產(chǎn)品是否會有良好的性價比。復(fù)合材料一些較為復(fù)雜的成型技術(shù)，也可能帶來成本增長的問題。

鈦合金、鎂合金等在武器系統(tǒng)中仍然應(yīng)用較少，存在制造工藝研究滯后的問題[10]。復(fù)合材料的抗熱變形能力、與金屬材料的連接工藝方法、抗老化性能及材料性能數(shù)據(jù)庫等有待與強(qiáng)化研究，并針對實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行充分的試驗驗證考核。

輕量化設(shè)計切忌因噎廢食，目前片面追求輕量化所帶來的問題在自動武器領(lǐng)域已顯現(xiàn)出一些惡劣的后果。如89式12.7 mm重機(jī)槍，重量比77式12.7 mm機(jī)槍顯著減輕，列裝部隊后雖然以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)方式、方便的操作和攜行而受到好評，但經(jīng)過一段時間的使用暴露出一些問題，很多出現(xiàn)射擊精度下降的故障，點(diǎn)射和連發(fā)時尤為突出，車載使用時勢必對射擊精度造成更明顯的影響。

5 結(jié)論

重量是影響兵器裝備實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場快速反應(yīng)能力的重要因素，因而對裝備的重量指標(biāo)要求越來越嚴(yán)苛。而兵器裝備的輕量化設(shè)計必須依靠于部件技術(shù)、總體集成技術(shù)及材料技術(shù)的長足突破，這樣才能不影響武器系統(tǒng)的立身之本：作戰(zhàn)效能。而分析解決輕量化設(shè)計存在的問題則是實(shí)現(xiàn)輕量化技術(shù)工程應(yīng)用的必要條件。先進(jìn)的工業(yè)基礎(chǔ)、材料技術(shù)、加工制造技術(shù)及工藝水平是武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計的前提，通過系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計手段最終實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，從而為裝備平臺的機(jī)動、運(yùn)輸、部署能力創(chuàng)造有利條件。

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TheTechniqueofWeapon’sLightWeightDesign

WANG Jinmei, ZHONG Xianfeng, WANG Wanpeng, YU Dayong

(General Technology Department of China North Vehicle Researon Institue, Beijing 100072, China)

It is suggested that the technique of weapon’s lightweight design is concerned with the overall and subsystem technologyto improve the reaction time and survivability of the weapon system, and is closely related to the combat performance. Through the lightweight design analysis in the application of foreign typical weapon system’s main components, put forward the advanced industrial base, materials, processing and manufacturing technology and craft level is the premise of Lightweight Design, to solve problems existing in the lightweight design is a necessary condition for the engineering application. Lightweight design must depend on the component technology, the overall integration technology and materials technology, through the system integration and optimization design to realize the lightweight engineer. Finally improve motor ability, transportation and deploymentofequipmentwithout affect operational effectiveness.

weapon system； lightweight design； artillery； ammunition； information technology

2017-07-20；

2017-08-15

王金梅(1972—)，女，碩士，研究員，主要從事武器系統(tǒng)總體技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.030

本文引用格式：王金梅，鐘險峰，王萬朋，等.武器系統(tǒng)輕量化設(shè)計技術(shù)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(12):131-134.

formatWANG Jinmei, ZHONG Xianfeng, WANG Wanpeng, et al.The Technique of Weapon’s Light Weight Design[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):131-134.

TJ0；TJ81

A

2096-2304(2017)12-0131-04

(責(zé)任編輯唐定國)