迫擊炮輕量化應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)

李禮 戴煜

迫擊炮具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、發(fā)射速度快、殺傷力大、火力覆蓋面積大及造價(jià)低等眾多優(yōu)勢(shì)，是有效的壓制性武器，并在各大戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著重大作用，可謂是“戰(zhàn)績(jī)顯赫、功勛卓著”。據(jù)外媒報(bào)道：二戰(zhàn)中，地面部隊(duì)一半以上的傷亡都是由迫擊炮的火力造成的?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)地形復(fù)雜，戰(zhàn)機(jī)轉(zhuǎn)瞬即逝，特別適合迫擊炮這種“快、準(zhǔn)、狠”的作戰(zhàn)模式。目前，在我國(guó)迫擊炮不僅在步兵大量配備，空降兵、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)以及其他兵種也配置了數(shù)量不菲的迫擊炮。由此可見(jiàn)，迫擊炮在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位十分重要。

增材制造技術(shù)能夠根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際工況進(jìn)行高效設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，特別適用于在武器輕量化的時(shí)代背景下取代傳統(tǒng)機(jī)械加工方式制造輕量化迫擊炮，提高武器的便攜性。

本文系統(tǒng)梳理了全球迫擊炮輕量化研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，并探討了增材制造技術(shù)在未來(lái)武器輕量化上的應(yīng)用前景，以期為武器輕量化領(lǐng)域的工作者提供新的研究思路與方法。

1 國(guó)外迫擊炮輕量化研究現(xiàn)狀

最早的迫擊炮出現(xiàn)于1904年的日俄戰(zhàn)爭(zhēng)中；隨后，英國(guó)研制出81mm的“斯托克斯”迫擊炮，射程達(dá)到1 900m；1927年法國(guó)開(kāi)發(fā)了斯托克斯—勃朗德式81mm迫擊炮，其射程增至2 200m；第二次世界大戰(zhàn)中，迫擊炮得到迅速地發(fā)展。其中美國(guó)、蘇聯(lián)、德國(guó)、英國(guó)、日本等大量裝備和生產(chǎn)該類(lèi)武器，其口徑有50mm、51mm、60mm、76mm、80mm、81mm、90mm、107mm、120mm、160mm、245mm、300mm等，數(shù)量之多遠(yuǎn)超其他類(lèi)型火炮（對(duì)比詳情見(jiàn)表1）。

鑒于現(xiàn)代作戰(zhàn)模式與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，世界各國(guó)都側(cè)重于如何能使迫擊炮更好地適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的研究工作（圖1）。目前，國(guó)外對(duì)于迫擊炮輕量化的研究主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①選取新型材料，在保障迫擊炮性能的同時(shí)，合理選擇高強(qiáng)度合金鋼、輕型合金、復(fù)合材料、納米材料甚至是非金屬材料；②對(duì)迫擊炮關(guān)鍵部件進(jìn)行創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元仿真與理論分析精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)、疲勞及碰撞分析以使其滿(mǎn)足要求，來(lái)達(dá)到迫擊炮輕量化的目的（見(jiàn)圖1）；③采用新工藝，如增材制造技術(shù)/特種焊接技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重。

1.1 選取輕型材料

在應(yīng)用輕型材料減重方面，美國(guó)、俄羅斯與歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，在迫擊炮的制造中已使用了輕型合金（如鈦合金、鋁合金、鎂合金等），某些型號(hào)的迫擊炮甚至采用工程塑料和復(fù)合材料進(jìn)行制造。

如美國(guó)M224A1輕型迫擊炮（見(jiàn)圖2）是原有的M224迫擊炮系統(tǒng)的輕型化替代裝備，質(zhì)量比M224迫擊炮輕大約20%，全炮質(zhì)量為16.6kg，射程并沒(méi)有縮短，整體性能仍與之前迫擊炮的水平相當(dāng)。改進(jìn)的方面有2點(diǎn)：身管采用特殊的鎳合金，質(zhì)量得到了減輕，但強(qiáng)度不減；支撐架也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，采用高強(qiáng)鋁和鈦合金制成，質(zhì)量減輕了17%。

美國(guó)正在研制的M252型81mm改進(jìn)型（見(jiàn)圖3），迫擊炮的身管、能量吸收器、座鈑和支架等均采用碳纖維復(fù)合材料支撐，迫擊炮質(zhì)量減輕一半以上。

此外，美國(guó)曾采用石墨/環(huán)氧復(fù)合材料技術(shù)研制出81mm和120mm迫擊炮，該種結(jié)構(gòu)的120mm迫擊炮的質(zhì)量比鋼制迫擊炮輕62%；美國(guó)另一種120mm迫擊炮采用氧化鋯陶瓷內(nèi)襯，該身管比炮鋼制造的身管輕了50%以上，但是內(nèi)彈道性能并沒(méi)有下降；美國(guó)某81mm火炮系統(tǒng)的身管、座鈑以及兩腳架同樣是用復(fù)合材料制成；據(jù)報(bào)道，美國(guó)空軍正在研究多種復(fù)合材料耦合的迫擊炮身管部件，其外套采用石墨纖維和聚酰胺或聚醚酮等樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，而內(nèi)襯則采用晶須強(qiáng)化的氧化鋁或氮化硅等陶瓷，該身管在內(nèi)襯與外套之間還植入了一層中間陶瓷隔熱層，可在打擊過(guò)程中將高達(dá)1 000℃的內(nèi)膛溫度降至300℃以下；美國(guó)某專(zhuān)利同時(shí)報(bào)道出，利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備的身管結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，可經(jīng)受炮彈發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬時(shí)管壓，可用來(lái)全部代替或部分代替以前的金屬身管；美國(guó)75mm轉(zhuǎn)膛炮采用的石墨/環(huán)氧復(fù)合材料加長(zhǎng)身管，替代了傳統(tǒng)金屬加長(zhǎng)身管，減重37%以上；美國(guó)155mm牽引榴彈炮大膽采用輕質(zhì)合金和復(fù)合材料，將整炮質(zhì)量從7.2t降到4.05t，從而實(shí)現(xiàn)可空運(yùn)性；美國(guó)155mm牽引榴彈炮將石墨/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料用于制造炮大架，代替鋼制大架，質(zhì)量從102kg降到36kg。

歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家在迫擊炮材料減重方面也做了大量的研究工作。如英國(guó)研制L16式81mm迫擊炮（見(jiàn)圖4），身管由鎳鉻鉬礬高強(qiáng)度合金鋼鍛造而成，管壁較薄，腳架為特殊鋼和輕合金鋼結(jié)構(gòu)、呈K字型，大大減輕了質(zhì)量；瑞典陸軍研制出鈦合金內(nèi)襯的碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)的炮管，可減重25%以上。

1.2 設(shè)計(jì)輕型結(jié)構(gòu)

在應(yīng)用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)減重方面，主要是針對(duì)迫擊炮最重要的座鈑進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。如英國(guó)裝備的L1A1式81mm迫擊炮、美國(guó)裝備的M29A1式81mm迫擊炮、奧地利研制的M82式82mm迫擊炮上都采用了圓形窗式座鈑；為了減輕座鈑的單件質(zhì)量，方便戰(zhàn)士背運(yùn)，美國(guó)M29式和T62式81mm迫擊炮采用了平面組合座鈑，座鈑由內(nèi)、外2圈組合而成（見(jiàn)圖5）。

1.3 應(yīng)用新型工藝

在應(yīng)用新工藝減重方面，近年來(lái)基于增材制造（3D打?。┑慕Y(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)研究也在迫擊炮上得到了快速發(fā)展。如美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)第1維修營(yíng)和第15作戰(zhàn)后勤團(tuán)將激光增材制造技術(shù)用于新型迫擊炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，并證實(shí)通過(guò)激光增材制造技術(shù)的升級(jí)，彈藥系統(tǒng)和殺傷力得到了進(jìn)一步提升。同時(shí)，該技術(shù)能使海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的武器更安全，效果也更加精準(zhǔn)；美國(guó)安妮斯頓陸軍基地已經(jīng)成功將增材制造技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜曲面金屬零部件以及薄壁結(jié)構(gòu)件（迫擊炮座鈑等），并完成了2.5萬(wàn)件3D打印零部件，成本節(jié)省超過(guò)4 500萬(wàn)美元，開(kāi)發(fā)流程從3個(gè)月減少至只要25天；位于紅石兵工廠的美國(guó)陸軍航空與導(dǎo)彈研究開(kāi)發(fā)與工程中心（AMRDEC）正在進(jìn)行大規(guī)模的增材制造工藝及設(shè)備研究。

2 國(guó)內(nèi)迫擊炮輕量化研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)迫擊炮的發(fā)展先后經(jīng)歷了仿制、改進(jìn)、自行設(shè)計(jì)、研制更新的歷程，也已形成了一個(gè)較為完整的自主迫擊炮產(chǎn)品體系，自主研制了十幾個(gè)型號(hào)的迫擊炮，其口徑有50 mm、60 mm、82 mm、100 mm、120mm及150mm。如我軍60mm迫擊炮部隊(duì)列裝型號(hào)主要有PP63式、PP63-1式、PP89式、PP93式和專(zhuān)門(mén)為空降兵研制的PPT89式60mm特種迫擊炮。其中，PP63式、PP63-1式已經(jīng)退出現(xiàn)役，目前部隊(duì)在役型號(hào)包括PP89式、PP93式和PPT89式60mm迫擊炮（詳見(jiàn)表2）。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)在迫擊炮輕量化研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①應(yīng)用輕型材料，如鈦合金身管和座鈑、鋁基復(fù)合材料身管和炮架、碳纖維復(fù)合材料身管和炮架等。②結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面主要是對(duì)座鈑進(jìn)行有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步減少座鈑尺寸與質(zhì)量；另一方面是進(jìn)行組合式座鈑研究，組合式座鈑雖無(wú)法降低迫擊炮總重，但是可以將座鈑化一為多，以達(dá)到單獨(dú)部件可背運(yùn)的質(zhì)量要求。

在應(yīng)用輕型材料減重方面，早期迫擊炮受材料性能和技術(shù)水平的限制，大部分采用的是38CrA、PCrMoV和PCrNi1Mo等炮鋼制成，全炮質(zhì)量普遍較重，如我國(guó)迫擊炮發(fā)展過(guò)程中的55式120mm迫擊炮重達(dá)275kg，64式120mm迫擊炮重175kg，W86式120mm迫擊炮重206 kg（詳見(jiàn)圖6），其中，W86式與64式相比，雖然質(zhì)量增加了18%，但射程和威力均得到大幅提升，迫擊炮的發(fā)展也經(jīng)歷了提高金屬利用系數(shù)，降低全炮質(zhì)量的過(guò)程。我軍W90式60mm迫擊炮采用高強(qiáng)度鋼和鋁合金等材料制造，具有質(zhì)量輕、射擊密集度好、座鈑穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；我國(guó)1983年-1式（83-1式）82mm迫擊炮身管、座鈑和炮架等主要零部件均采用鈦合金制成，全炮體積小、質(zhì)量輕，不含瞄準(zhǔn)鏡質(zhì)量?jī)H18.1kg，比1967年式82mm迫擊炮輕了一半；89式60mm迫擊炮身管、座鈑采用鈦合金制作，質(zhì)量由原來(lái)的14.3kg降低至8.5kg以下，減重達(dá)到40%。

在應(yīng)用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)減重方面，我國(guó)在60年代左右就開(kāi)始自主研制迫擊炮座鈑，先后研制了梯形座鈑、V型筋鈑的圓形窗式座鈑、W式上翻邊圓形窗式座鈑、組合座鈑等。如我國(guó)綜合了三角形座鈑和拱形座鈑的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一種新型結(jié)構(gòu)座鈑—梯形座鈑。目前，我國(guó)67式82mm迫擊炮、87式82mm迫擊炮以及W76式140mm迫擊炮上廣泛采用這種座鈑；我國(guó)在PP89式60mm迫擊炮上創(chuàng)新設(shè)計(jì)的座鈑—V型筋鈑的圓形窗式座鈑，它綜合了膜狀、拱形、三角形、梯形、窗式等座鈑的優(yōu)點(diǎn)，裝備部隊(duì)后深受好評(píng)；W式上翻邊圓形窗式座鈑是我國(guó)為PP93式遠(yuǎn)射程60mm迫擊炮新設(shè)計(jì)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)座鈑，其優(yōu)異的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能得到軍方肯定；組合座鈑即把一個(gè)座鈑分成幾塊小座鈑，戰(zhàn)斗時(shí)組合起來(lái)使用。它可分為平面組合和立體式組合2類(lèi)，以解決背運(yùn)的質(zhì)量問(wèn)題。為了解決120mm迫擊炮的背運(yùn)問(wèn)題，我國(guó)正在研制一種鈦合金積木式120mm迫擊炮座鈑，將座鈑分為5件，由5名士兵背運(yùn)。

3 迫擊炮輕量化上的發(fā)展趨勢(shì)

由于新型迫擊炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)屬于軍事機(jī)密，國(guó)內(nèi)軍工單位大都是自主研發(fā)，公開(kāi)資料相對(duì)較少，根據(jù)已有的報(bào)道情況分析，目前國(guó)內(nèi)仍然采用基于新型輕質(zhì)材料的傳統(tǒng)加工方法，增材制造技術(shù)在迫擊炮上的輕量化應(yīng)用仍屬于空白階段。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域，諸如殲-20飛機(jī)、梟龍飛機(jī)等飛機(jī)上已得到初步應(yīng)用，覆蓋鈦合金、鋁合金等材料，涉及格柵、復(fù)雜薄壁等零件；在航天領(lǐng)域，諸如液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)中的主噴射器、主噴油嘴、火箭噴嘴等部件中初步得到應(yīng)用；在武器裝備，諸如戰(zhàn)斗部異型彈體、藥型罩等部件中初步得到應(yīng)用。2015年，中國(guó)兵器工業(yè)增材制造技術(shù)研究應(yīng)用中心等平臺(tái)的成立，已經(jīng)表明國(guó)內(nèi)軍工單位已經(jīng)做好將增材制造新工藝應(yīng)用于武器裝備的預(yù)備工作。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)迫擊炮輕量化研究已經(jīng)取得很大的突破，但是隨著研究的深入也遇到一些瓶頸，主要是受到發(fā)射載荷過(guò)大限制。迫擊炮輕量化設(shè)計(jì)可大幅降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但在大載荷沖擊下，全炮質(zhì)量的降低會(huì)使迫擊炮關(guān)鍵部件（座鈑、身管等）受力惡化，同時(shí)對(duì)射擊穩(wěn)定性造成不良影響。因此，發(fā)射載荷過(guò)大成為迫擊炮進(jìn)一步輕量化的瓶頸。從這個(gè)角度出發(fā)，可以通過(guò)更高強(qiáng)度的新型輕質(zhì)材料、更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、更省料的新型加工工藝來(lái)提升迫擊炮的輕量化空間。

基于提升迫擊炮機(jī)動(dòng)性，整炮質(zhì)量應(yīng)具有較輕的質(zhì)量；基于空降兵背負(fù)工況，迫擊炮身管應(yīng)具有合適的長(zhǎng)度；基于迫擊炮座鈑在炮彈發(fā)射過(guò)程中需承載較大的沖擊載荷，迫擊炮身管、座鈑等關(guān)鍵部件在常溫和高溫（300℃）下應(yīng)具有較高的強(qiáng)度。在常溫和低溫（-40℃）下，應(yīng)具有較高的沖擊韌性；基于迫擊炮對(duì)內(nèi)彈道性能、最大射程及地面密集度等指標(biāo)，迫擊炮身管的尺寸及綜合力學(xué)性能應(yīng)進(jìn)行合理化匹配；基于迫擊炮戰(zhàn)場(chǎng)適用性，迫擊炮應(yīng)具備在高溫（50～60℃）、低溫（-30℃）、腐蝕環(huán)境（海邊）等惡劣環(huán)境中的作戰(zhàn)能力；基于迫擊炮大量生產(chǎn)的需要，迫擊炮設(shè)計(jì)應(yīng)具有良好的制造工藝性。

基于上述前提，根據(jù)迫擊炮承擔(dān)的任務(wù)，要求迫擊炮在保證威力的條件下，盡可能尺寸小、質(zhì)量輕，研制輕量化迫擊炮，提高迫擊炮的機(jī)動(dòng)性與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適用性已成為現(xiàn)代火炮設(shè)計(jì)永恒不變的主題。隨著研究的深入，火炮發(fā)射載荷過(guò)大引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)穩(wěn)定性問(wèn)題成為迫擊炮進(jìn)一步減重的瓶頸。針對(duì)這些問(wèn)題，采用輕型材料、基于增材制造的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)以及激光增材制造技術(shù)減輕全炮的質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)迫擊炮輕量化最重要的技術(shù)手段，并從基于增材制造的迫擊炮座鈑結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)技術(shù)-迫擊炮炮管（身管）、座鈑增材制造與后處理技術(shù)-增材制造制備鈦合金零件綜合力學(xué)性能優(yōu)化技術(shù)3個(gè)方面開(kāi)展深入研究，實(shí)現(xiàn)新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝下新型迫擊炮內(nèi)彈道性能、最大射程及地面密集度等指標(biāo)與傳統(tǒng)加工的迫擊炮保持一致（甚至優(yōu)于），為我國(guó)新型迫擊炮及其他型號(hào)迫擊炮的研制和升級(jí)換代提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛的時(shí)代，各種高、精、尖的武器層出不窮。雖然原子彈、氫彈技術(shù)突飛猛進(jìn)，但是所有的局部戰(zhàn)爭(zhēng)基本上還是常規(guī)戰(zhàn)爭(zhēng)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，以美國(guó)為首的多國(guó)部隊(duì)發(fā)起迅速進(jìn)攻，激光制導(dǎo)炸彈、巡航導(dǎo)彈、隱形飛機(jī)等高端武器裝備在戰(zhàn)爭(zhēng)中展現(xiàn)出來(lái)，但是美國(guó)地面部隊(duì)依然還是裝備了大量的迫擊炮。由此可見(jiàn)迫擊炮作為傳統(tǒng)的常規(guī)武器，不僅沒(méi)有被時(shí)代淘汰，而且還得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、射程、準(zhǔn)確性、機(jī)動(dòng)性以及戰(zhàn)爭(zhēng)的適用性上取得了重大突破。

進(jìn)入21世紀(jì)，從阿富汗反恐戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)以及世界范圍內(nèi)局部反恐戰(zhàn)爭(zhēng)的不斷爆發(fā)來(lái)看，在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，迫擊炮仍將扮演重要的角色。因此，有必要在現(xiàn)有材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝方法的基礎(chǔ)上，對(duì)迫擊炮武器系統(tǒng)作出進(jìn)一步的改進(jìn)和升級(jí)，以達(dá)到提升迫擊炮武器系統(tǒng)整體技術(shù)性能的目標(biāo)。顯然，增材制造技術(shù)在輕型難加工材料（鈦合金）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝方法上有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在迫擊炮輕量化上具有廣闊的應(yīng)用前景。