为什么坦克火炮在行进的颠簸中也能打得准?

特战之家2018-12-05 19:50:21

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在日本10坦克和德国豹2坦克亮相各种军事展出时,他们都会表演一项绝活,就是在坦克火炮的前端校准台(就是坦克炮最前端的突起)上放一杯红酒。然后转上一两圈,红酒一滴不洒,赢得全场欢呼(但也有玩脱的时候)。很多人就很好奇,是里面的炮手手特别稳还是什么别的原因呢?

在现代坦克技术中,除了万年的心脏问题,以及基本发挥到极致的火炮,最重要的一项就是火控系统。火控系统全名火力指挥与控制工程,主要是用来控制武器实施自动瞄准和射击的总和电子系统。在这些系统中,有一项装置对于坦克炮的射击准确度有着非常至关重要的作用,他就是双向稳定装置。

坦克炮稳定器分为单向稳定器、双向稳定器和三向稳定器。单向稳定器通常只稳定火炮的射角,亦称高低稳定器;双向稳定器同时稳定火炮的射角和射向;三向稳定器除稳定射角和射向外,还稳定侧倾角。前两种已广泛应用,后一种正处于研制试验阶段。按其动力驱动装置的结构,分为全电式稳定器和电液式稳定器。坦克炮稳定器主要由测量、放大和执行3部分组成。由于结构上有全电式和电液式之分,故其组成部件也随之而异。主要部件通常有:陀螺仪、信号放大器、功率放大器、伺服电机或液压马达、动力缸、操纵台及其他自动控制部件。


世界上第一款安装有火炮稳定装置的坦克是在1959年,苏联为一辆T-54A坦克进行升级改造的过程中诞生的,这次改造当中的一项重要的升级部件就是在火炮的高低机上,安装了一个机械式的角度陀螺仪传感器和一个平滑其加速作用的速率陀螺传感器。陀螺在检测到车辆运动信号后,由控制系统将信号按照预先设定好的比例放大并交给液压执行元件,调动火炮作相反的运动,从而达到稳定的目的,而在第一代坦克服役的时代,这一切指令和动作都是通过预设机构来完成,连计算机都没用上。美国在80年代以后,才开始测试使用计算机完成计算瞄准的坦克。这款世界上第一款安装了火炮稳定器的坦克,也就是后来的T-55坦克。而其采用的这种结构简单、仅能对上下两个方向进行纠偏的稳定装置被称为“单向稳定器”。

坦克的射击稳定装置来源于坦克对行进间射击的要求。在坦克行进的过程中,坦克非常颠簸,尤其是在野战环境中,地面几乎不可能是平整的,即使坦克的悬挂系统大大的减少了颠簸之苦,但是在行进间射击想要命中基本不可能。二战时期,美国人装备的M4谢尔曼坦克开创了稳定装置的先河。M4谢尔曼坦克装备了最早期的单向水平稳定仪,该稳定仪主要提供纵向的自我调整,通过装置内的陀螺仪实时得到车体纵向位移角度,并形成相反的信号经过放大传输到电液混合动力的炮塔控制器上,完成对火炮的稳定。

在实际应用中,M4谢尔曼坦克行进间射击能力相比同时期其他坦克有着相当大的突出优势,但由于谢尔曼坦克自身原因,该装置并没有那么引人注目。第二代的双向稳定仪的研发是从上个世纪50年代开始,世界各国进入了第一代主战坦克的研发,英国人在百夫长坦克上使用了电传动式双向稳定仪。双向稳定仪中一般有两个稳定仪组成,一个稳定火炮射角,一个稳定火炮射向。这两个稳定仪各有一个陀螺仪,在坦克行进时会实时传输射角射界偏离角度,并根据信号放大传输到电子设置中,由火控计算机辅助完成稳定状态。所以在看到坦克的炮塔都是头不动身子动,火炮的炮管也是一直锁定在目标身上任由车身摇摆。

火炮双向稳定仪对于坦克的作用如此之大,未来的发展绝对不会停下脚步。火炮稳定仪早期都有着重量过大,维护麻烦,精确度较差,反应不灵敏等特点。在越来越数字化,微电子化的今天,军事武器也必然走这一条道路。双向稳定仪的未来必然是利用微电子的细致入微的数据控制达到更高的精度,而随着机械结构的取消,其装置大小也将会被基本整合到姿态感受器内,与坦克的综合面板融于一体,达到最佳的效果。

在双向稳定器中,一般采用两个独立的稳定回路,一个稳定火炮射角,一个稳定火炮射向。每个回路至少有1个陀螺仪。坦克行驶中,地形变化、车体振动和车辆转向时,安装在火炮上的陀螺仪测出火炮和炮塔的偏离角度、角速度和偏离方向,并输出稳定信号,经信号放大器和功率放大器放大后,传给火炮和炮塔的电气或液压驱动装置,立即产生一个与干扰力矩方向相反、大小相等的稳定力矩,驱动火炮和炮塔回到原位。这样,炮膛轴线便保持在赋予的空间角位置而得到稳定。

也许有读者会问:“为什么坦克上安装火炮稳定装置,首先考虑的是实现高低向稳定,而不是水平向稳定?”如果仅仅用技术不足的借口来解释这个问题,就显得十分片面。其实,在T-55坦克诞生的作战环境当中,轮式装甲车还没有诞生,装甲车多以履带式为主,且行进速度一般不超过60千米、小时,所以坦克并不需要单枪匹马地对付高速行驶的装甲车,比较普遍的使用方法是许多坦克组成一个梯队、多可梯队组成一个集群,以最快速度向敌方阵地发起冲击。在冲击的过程中,T-54坦克的驾驶员在演习和训练中感觉最明显的是坦克在野外高速机动中,火炮随坦克行进上下起伏很大,难以瞄准目标。苏军为此进行了专门试验搜集相关数据。

坦克负责射击的乘员是炮长。炮长从自己的瞄准镜中选定一个目标,按下击发按钮到炮弹出膛,全过程存在0.034~0.16秒的时间差,而坦克在此过程中是不断行进的,所以当炮弹射出炮膛的时候,炮管所指的方向已经不是炮长瞄准的目标了。以火炮稳定装置诞生前夕,华约国家的主要装甲突击装备T-34坦克为例,其85毫米炮在攻击距离1000米的目标时,仅高度偏离一项引起的误差就将近30米,这样的误差率基本就不用“散布”这个词来形容了,根本不是“指哪打哪”,而是“打哪指哪”。所以,在高低机上安装一部稳定装置就成为了当时提高坦克火炮射击精度的良方。经过实弹射击测试,坦克炮的射击精度从安装稳定器前的30%提高到50%。



由于高低机上安装稳定装置取得了巨大成功,所以水平稳定装置的研制任务自然而然地提上了日程。60年代,苏联继续对T-55坦克进行升级改装,这次改装为坦克在高低向和水平向上各安装了一个陀螺稳定器。在设计当中,根据实际使用需要,水平转向的稳定没有高低位移那么严重,所以高低机的稳定精度被控制在-1~+1.5个密位,水平转向精度被控制在-3~+3个密位之间。在后来的演习中,安装了双向稳定装置的T-55坦克火炮命中率普遍达到了70%左右。

截止到一代坦克服役期间,火炮稳定装置的主要性能只能达到“坦克行进当中粗略稳定、停车后转为精确稳定”的水平。今天看起来略显落后,但在当时确实是一项了不起的发明。通过普遍统计,苏军坦克在安装了火炮双向稳定装置以后,短停射击的准备时间仅为15秒,而当时没有这项技术的西方坦克短停射击一般需要1~2分钟的准备时间。

苏联T-55坦克安装的双向稳定装置还属于纯机械式原理的,而这种火炮稳定装置并不是T-55坦克首创。在二战当中,苏联科学家曾经在T-28坦克上进行过相关的技术探索,他们将单轨火车的重力陀螺拆下来,制作成了世界上第一部火炮稳定装置,但是这部火炮稳定装置重量达到了1吨以上,而且巨大的机械结构占用了坦克内的大量空间。而且当时坦克普遍存在单位功率小、最大速度偏低的特点,加之T-28坦克本身加速性并不突出,所以当时的坦克炮稳定装置并没有转化为成熟部件,但它的伟大意义正像当今很多新技术一样,一项技术从概念到应用只是时间问题。这个1吨多的大家伙让科研人员知道了依靠陀螺仪的工作原理能够实现火炮稳定,开启了火炮稳定装置的技术之路。



西方世界在赶超苏联坦克的过程中,由于做不出像苏联那样出色的系统工程,只能在新技术上下文章。所以在60年代以后,西方世界的电子技术发展迅速,依靠新技术堆砌的先进部件被安装在坦克上。当时世界上主要存在苏、美两大坦克研发思路,苏联的思路是将一种部件的性能发挥到极致,美国的思路是像狗熊掰棒子一样,一个部件落后了就再研制个新的。受这种思路的影响,很多电子部件被用于坦克稳定装置上。由于电子技术的发展,电子器件逐步成熟,控制机构的指令编写也已经更趋于完善。测量元件和执行元件已经自成系统,因而,火炮稳定器用陀螺仪时,不再单独负责直接稳定火炮的任务,而仅仅作为火控系统的一个组成部分,出现在当时十分简单的火控系统中。具体的工作流程是,观瞄器械负责发现目标,激光测距机测量到的目标信号传输给弹道计算机,弹道计算机根据预设的程序形成指令,再传递给放大器,信号放大后控制执行原件,将火炮调整至稳定状态。西方的这套技术,原理曲折、结构复杂,不符合机械装置越简单越好的基本规律。同时,这种从光学仪器到计算机,再到机械机构之间的多重信号传递也暴露出西方坦克工业存在系统性差的弊病,这个问题当今已经成为阻碍西方坦克性能拔高的顽疾。

随着时间推移到70年代,二代坦克逐渐登上战争舞台,各军事强国对坦克的技术要求越来越高,不仅要求各自的坦克能够先敌开火,同时也把坦克炮的攻击距离从1000米提高到了1500~2000米。这对坦克火控系统提出了更高的要求,原先的弹道技术算计预设程序已经无法满足新时期的战技指标,而先敌开火对于坦克火炮稳定装置的要求更为严苛,尤其是必须计算出坦克在进行短停射击甚至动态射击时,各种因素对坦克火炮保持稳定的影响。当时,西方国家系统工程薄弱,单纯依靠新技术、新部件实现技术领先的弊病影响了新型火炮稳定装置的研发。虽然大学教授们经将相关的诸多数据在数学模型上表现了出来,但科研所的工程师没有可用的传感器,无法将数学模型上数据从坦克炮的机械运动中检测出来,工厂的工程技术人员更谈不上制造出相应的控制装置。这种理念技术与工程实际无法衔接的窘境在很多走西方技术路线的科研项目中十分常见。为此,科学家们又绕回了苏联依靠陀螺仪的旧概念当中,研发了液浮陀螺,气浮陀螺、静电陀螺以及激光陀螺等种类繁多的陀螺仪。由于电子技术领先、工装设备先进,西方国家制造出的陀螺仪从加工水平到精度等级都较苏联的同类产品有了很大提高。

以各种先进的陀螺仪组成的传感器为西方国家的坦克指明了技术之路,为了解决车体运动对于水平向和高低向对火炮稳定的影响,根据数学模型,科学家们在车体上分别加装了水平向速率陀螺传感器和高低向速率陀螺传感器,而炮塔相对车体对火炮在水平向和高低向的影响也要按数学模型考虑进去,所以有的坦克,炮塔上也加装了一个方向或两个方向的速率陀螺传感器。这样在原有稳定器的基础上,车体、炮塔、火炮三者的水平向和高低向相对运动信号就都被检测到了,这些信号经过放大处理后交给执行机构,从而成就了电子、机械相结合的火炮稳定装置。

然而,完整的数学运动模型表明,在笛卡座标的三个方向上对火炮都有干扰的可能性存在。另一个方向,称为侧倾。解决侧倾对火炮射击精度影响的最好的办法,就是像笛卡座标一样,制造一个三轴活动炮塔,检测出三个方向上的运动信号,加以控制和稳定。例如西德的黄鼠狼步兵战丰,它是一款典型的三轴炮塔的车型。但是,主战坦克的火炮一般重达10吨左右,由于受到惯性冲击影响,以及受坦克车体内部空间所限,在二代坦克称霸疆场的年代,任何国家的技术都无法实现为坦克安装像步兵战车一样的三轴炮塔,于是只好采用折中的办法,在火炮耳轴上加装一个重力倾斜传感器。它把倾斜信号检测出来后,分解成水平向分量和高低向分量,分别交给水平向稳定部分和高低向稳定部分,再加以控制和稳定,以弥补缺少侧倾方向稳定的不足。所以,在70年代以后研制的二代坦克,陀螺传感器数目用的最多,有人称它们为双陀螺稳定系统、四陀螺稳定系统和六陀螺稳定系统等等。其稳定精度一般在0.5密位以内。装有这类稳定系统的坦克,采用火控计算机后,在原定的1200米直射距离内基本可以在坦克低速运动时攻击敌方坦克。而短停后射击敌方静止或活动目标在1500~2000米距离内,命中率可达70%。



三代坦克登场以后,火力、机动性和防护性能都有了很大提高,新的战争环境对坦克火力的要求从先敌开火延伸发展到提高首发命中率。但三代坦克与二代坦克相比,不仅仅是性能指标提高那么简单。以火炮稳定装置这个小部件为例,其工作原理、工作方式等关键技术都有了巨大的变化。

二代坦克末期,由于使用了大量高精度的陀螺仪和依靠几近完美的数学模型作为数据依托,这种机电结合的火炮稳定装置似乎已经发展到了尽头,为了进一步提高火炮稳定性能,科学家们跳出了稳定装置这个小圈子,从火炮系统这个层面找突破点、从物理学的根本原理找突破点、根据最普遍的科学常识当中找突破点。终于,突破点找到了,炮钢!就是炮钢!重量越大、惯性也就越大。为了减轻火炮重量,德国科学家研制了新的炮钢,采用新型炮钢制造的火炮,身管薄、重量轻,80年代,瑞士曾经与德国联合制造“豹”2坦克火炮,采用的就是这种新型高强度炮钢,身管壁厚度比原先减少了1/3左右,再搭配上瑞士的身管镀铬技术,火炮的寿命和精度性能极佳。对于西方科学家而言,有了新技术,一切都好办了。新型火炮质量小,对稳定装置的要求有所降低。而控制论告诉我们,一旦出现偏差,将该偏差反馈回到控制回路,同基准控制信号进行比较,就能够消除掉该偏差。火炮总体重量已经降下来不少,取出这个偏差信号又不成问题。问题是比较的基准信号在哪里呢?根据坦克的具体情况而言,该基准信号不但是稳定的,而且稳定精度要求高于火炮,这样才能将火炮稳定偏差消除掉,最终达到的理想状态是,整个系统的偏差仅仅是基准信号自身含有的偏差。为了达到这个理想状态,很多三代坦克将二代坦克上一直同火炮并轴安装的瞄准具独立出来,并靠陀螺仪实现精度更高的第二次稳定。这种当前最先进的技术运用于三代坦克的火控系统上,以德国“豹”2坦克为例,其稳定精度达到了0.2密位以下。经过测试,“豹”2坦克在距离静态目标1500~2000米范围内,短停射击的首发命中率一般在95%以上;速度在40千米/小时以下的动对动射击的首发命中率也高达70%。由此实现了端着啤酒跑,一滴不洒的绝技。


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