武器系統輕量化設計技術研究

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部，北京 100072)

【系統工程、測量與控制】

武器系統輕量化設計技術研究

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部，北京 100072)

武器系統輕量化設計涉及系統總體、分系統及部件設計等多層面技術領域，對提高其機動性和生存能力等主要作戰性能具有重要意義。通過輕量化設計技術在典型裝備武器系統中的應用分析，提出先進的工業基礎、材料、加工制造技術及工藝水平是實現武器系統輕量化設計的前提，而分析解決輕量化設計存在的問題則是輕量化技術實現工程應用的必要條件。兵器裝備輕量化設計必須依靠于總體、部件及材料等方面突破瓶頸技術的制約，進而通過系統總體集成優化設計最終實現輕量化目標，才能在不影響武器系統作戰效能的約束條件下，提升裝備平臺的機動、運輸、部署能力。

武器系統；輕量化；火炮；彈藥；信息技術

快速部署能力是美國陸軍目前正在大力研制的“未來戰斗系統”的主要特點之一。為了能夠通過空運向全球快速投送兵力，美陸軍要求“未來戰斗系統”中各種武器裝備的重量必須嚴格控制在20噸之內。作為武器裝備的核心系統，武器系統的輕量化設計尤為重要，在不犧牲火力性能的前提下進行輕量化設計，可以為戰斗車輛機動性及防護能力的提高留有充足的空間，從而進一步提高反應時間和裝備生存能力，使其具有更高的綜合戰斗力。武器系統的輕量化設計涉及總體設計及各個分系統和主要部件的設計，并與各分系統及部件的性能息息相關。

1 輕量化設計的重要意義

高速發展的公路建設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輸的承載限度。整車的輕量化設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，提高了火炮的持續作戰能力。從而提高車輛的戰場生存能力。對于武器系統各組成部件，輕量化設計也不同程度地影響其性能和使用。例如導彈的輕量化對增加射程和導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展趨勢，其深入敵營的作戰環境，更需要減輕重量從而提高最大行程，提高戰斗和生存能力。美國最新研制的輕型、低成本、多用途隱身戰斗機上，為達到輕量化目標，復合材料用量約為30%～35%。

綜合研究分析表明，采用新材料、新工藝和新結構是實現輕量化設計的主要途徑。

2 武器系統輕量化技術的發展情況

2.1 新型材料技術

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良性能、用途廣泛的三大輕合金結構材料，對國防高技術和武器裝備的發展具有重要的作用。在促進武器裝備輕量化方面,它們各具特色，既相互競爭，又相互補充。鈦合金在減輕重量的基礎上具有較好的剛強度，但成本較高；例如針對火箭彈后坐很小而尾焰很大的特點，發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，實現在大幅度降低重量的同時節約成本。鋼絲滾道鋁合金座圈具有質量輕、受力均勻、轉動靈活、使用壽命長等優點，對減輕全武器系統質量，改善其受力狀態十分有利。

鎂是密度最低的金屬結構材料，美國及西歐軍事強國在武器裝備中大量應用鎂合金材料，如德國AMX-30的CN105F1型線膛炮的身管熱護套；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]。

鈦合金具有比強度高、輕質、耐蝕、無磁、焊接性能好、高溫性能優良等優點。美國已將應用鈦合金的部件用在M1主戰坦克上[2]，武器系統減重情況見表1[3]。

表1 M1主戰坦克武器系統鈦合金替代部件減重情況[3]

復合材料低成本制造與應用技術的發展為零部件減重提供了新的思路。以高性能碳纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化材料，已在很多重要領域發揮著不可替代的作用，具有輕質，高強度，高剛度，優良的減振性，耐疲勞和耐腐蝕等優異性能。采用碳纖維復合材料部件可以在實現輕量化的基礎上保證安全性與舒適性。另外，縮比技術、絲束鋪放技術及液體成型技術等多項加工技術的發展正在為復合材料構件自動化生產及實際應用奠定工業基礎。

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

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圖1 采用復合材料炮塔的“十字軍”自行火炮

2.2 火炮相關技術的發展

隨著材料技術的發展，火炮設計廣泛采用高強度鈦合金輕質搖架和制退器，新型超強度炮鋼材料等輕質材料，通過搖架與反后坐裝置一體化設計，在簡化結構、減小體積和重量的前提下，提高搖架剛度和強度，進而提升火炮射擊時的穩定性。

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

“個頭要小，火力要猛”是對美國未來戰斗系統(FCS)中火力性能要求最精練的表述。盡管在材料技術方面取得了很大的進步，但是目前的火炮依然“沉重”，主要原因有兩點：第一，為了使火炮能夠承受射擊所產生的巨大熱能，炮身必須有相當大的重量；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途徑來滿足未來部隊對輕型、大威力、遠射程火炮的需求。膨脹波火炮雖然沒有采用新概念的殺傷機理，但以其獨特的方式解決了減小常規火炮后坐力和控制身管發熱的技術難題，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：當發射藥在炮膛內推進彈丸時，炮尾打開，藥室內的壓力驟然下降。由炮尾打開而引起的壓力下降現象被稱為膨脹波或“火藥氣體稀釋”現象。如果能夠控制炮尾打開的時機和速度，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(MRAAS)的 武器部件和搖擺炮膛裝填系統，使后坐力降低75%，熱負荷降低50%，火炮系統總重降低25%，同時保持彈丸的炮口初速和較小的炮口焰[5]。結合采用先進的復合材料技術，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實現無后坐目標，采用毛瑟三藥室轉膛工作原理、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

傳統大口徑火炮通常采用前沖、加長后坐及制退器技術等降低后坐力，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、高效脈沖電源技術仍然是有待突破的瓶頸技術。

2.3 武器系統形式及結構

武器系統形式向頂置-無人方向發展，減掉了人員及其乘坐環境帶來的負擔。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。從防護角度來說，低矮的炮塔體積較小，相應的裝甲板也比較小，從而可以降低裝備重量。

另外武器系統可以應用新工藝及新結構實現優化設計，在實際的工程實踐中追求改變受力環境。總體及部件設計采用集成技術，達到一件多用的目的，也是輕量化設計的重要措施。例如：平衡機和高低機進行一體化集成設計，減少相關件；在炮塔上采用壓筋的技術措施，在保證構件剛強度的前提下，達到減重的目的。

總體優化設計考慮降低高度，采用隱身技術和新型主—被動相結合的裝甲防御方式等高技術措施，來提高戰場機動性能和生存能力，使防護水平不再單純依靠披掛裝甲，在滿足防護要求與輕量化設計上達到最優結合。

塔內火控及電氣部件采用集成化設計，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 彈藥技術的發展

比較典型的是小口徑火炮彈藥中埋頭彈的出現。埋頭彈(Cased Telescoped Ammunition)也稱嵌入式彈藥或套筒式彈藥，彈丸裝在藥筒的發射藥里。由于采用了圓筒狀裝藥，因此體積小、便于存放，節省了彈藥儲存空間，同等空間重量約束下可提高攜彈量；藥筒形狀簡單整齊，簡化了供彈機的設計；有利于采用旋轉閉鎖機構，從而縮小了火炮系統的總體尺寸。上世紀90年代中期，法國地面武器工業集團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(CTWS)的研制上取得了長足的進展。40 mm CTWS的彈藥與同口徑常規彈藥相比體積減小30%，重量也減輕30%，但性能提高了30%。在采用了復合材料藥筒后，大大降低了使用成本，并且不宜受損。火炮與常規自動炮相比，結構非常緊湊，40 mm CTWS的體積與25 mm自動炮相當，完全可以用來改裝大多數現役步兵戰車上的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一步為托架及搖架的優化設計及減重作出貢獻。

3 信息技術的發展對武器系統輕量化技術的影響

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

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實現通信和遙控，通過機內自檢測設計對系統自身的運行狀態進行診斷和故障定位。隨著光電技術和數字化技術的發展，輕量化、智能化的武器系統與戰場上的光電系統協同，便于采用空投等多種方式部署、作戰，甚至實現自主修復。

綜合電子信息技術利用計算機控制、數字通信和總線技術等，實現信息系統綜合化集成功能。做到戰場信息互聯、信息資源共享，使目標探測、火力控制、作戰指揮及故障診斷等功能模塊進行一體化集成設計[9]，達到單一武器系統中綜合控制系統的集成優化設計，滿足體積小、重量輕的總體要求。

裝甲部隊未來的基本作戰形式是一體化聯合作戰，它由廣譜戰場感知和智能化指控兩個方面的能力構成，具有基于航天支持和一體化網絡的信息力。裝甲車輛能夠直接接收和使用上級、友鄰以及聯合作戰的其他軍兵種的戰場感知信息，并能直接接收戰略級低軌衛星的各類偵察情報信息。另外與彈藥補充車輛的實時信息交換使單車的彈藥基數可適當減少，達到輕裝上陣、靈活作戰的目標。

4 武器系統輕量化設計存在的問題

輕量化設計與系統的經濟性、可靠性甚至產品性能之間存在一定的矛盾。例如在結構件設計中應用鈦合金，成本將成倍增長，必須考慮產品是否會有良好的性價比。復合材料一些較為復雜的成型技術，也可能帶來成本增長的問題。

鈦合金、鎂合金等在武器系統中仍然應用較少，存在制造工藝研究滯后的問題[10]。復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據庫等有待與強化研究，并針對實際應用需求進行充分的試驗驗證考核。

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

5 結論

重量是影響兵器裝備實現戰場快速反應能力的重要因素，因而對裝備的重量指標要求越來越嚴苛。而兵器裝備的輕量化設計必須依靠于部件技術、總體集成技術及材料技術的長足突破，這樣才能不影響武器系統的立身之本：作戰效能。而分析解決輕量化設計存在的問題則是實現輕量化技術工程應用的必要條件。先進的工業基礎、材料技術、加工制造技術及工藝水平是武器系統實現輕量化設計的前提，通過系統集成優化設計手段最終實現輕量化目標，從而為裝備平臺的機動、運輸、部署能力創造有利條件。

[1] 唐全波,黃少東,伍太賓.鎂合金在武器裝備中的應用分析[J].兵器材料科學與工程,2007(3)：69-72.

[2] 朱寶輝,李修勇,同磊.鈦合金在兵器裝備上的應用[C]//坦克裝甲車輛理事會2015年年會論文集102-105.

[3] 韓明臣，黃淑梅.鈦在美國軍工中的應用[J].鈦工業進展.2001,(2)：28-32.

[4] 總裝備部電子信息基礎部.陸軍武器裝備[M].北京：原子能出版社，航空工業出版社，兵器工業出版社,1995.

[5] 童皖,張金忠,姚鎏.無人炮塔系統關鍵技術組合分析[J].裝甲兵工程學院學報,2006.20(2)：42-45.

[6] 談樂斌，侯寶林，陳衛民.降低火炮后坐力技術概述[J].火炮發射與控制學報.2006.4：69-71.

[7] 王明東，王天祥.新概念武器的現狀及發展趨勢[J].武器裝備理論與技術.2014.6：1-5.

[8] 王曉云.韓國宙斯盾智能武器站[J].兵器知識,2011(4)：52-53.

[9] 曹云泉,麻勇,李其忠. 全電戰斗車輛關鍵技術介紹與分析[C]//第三屆特種車輛全電化技術發展論壇論文集71-75.

[10] 楊兵,劉卓平,鄧抗宗.淺談輕質材料在坦克裝甲車輛上的應用及發展方向[C]//坦克裝甲車輛理事會2010年年會學術論文集183-187.

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，主要從事武器系統總體技術研究。

10.11809/scbgxb2017.12.030

本文引用格式：王金梅，鐘險峰，王萬朋，等.武器系統輕量化設計技術研究[J].兵器裝備工程學報，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

(責任編輯唐定國)