迫擊炮輕量化應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

李禮 戴煜

迫擊炮具有結(jié)構(gòu)簡單、機動性強、發(fā)射速度快、殺傷力大、火力覆蓋面積大及造價低等眾多優(yōu)勢，是有效的壓制性武器，并在各大戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重大作用，可謂是“戰(zhàn)績顯赫、功勛卓著”。據(jù)外媒報道：二戰(zhàn)中，地面部隊一半以上的傷亡都是由迫擊炮的火力造成的。現(xiàn)代戰(zhàn)場地形復(fù)雜，戰(zhàn)機轉(zhuǎn)瞬即逝，特別適合迫擊炮這種“快、準、狠”的作戰(zhàn)模式。目前，在我國迫擊炮不僅在步兵大量配備，空降兵、海軍陸戰(zhàn)隊以及其他兵種也配置了數(shù)量不菲的迫擊炮。由此可見，迫擊炮在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位十分重要。

增材制造技術(shù)能夠根據(jù)構(gòu)件的實際工況進行高效設(shè)計結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，特別適用于在武器輕量化的時代背景下取代傳統(tǒng)機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，并探討了增材制造技術(shù)在未來武器輕量化上的應(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)爭中；隨后，英國研制出81mm的“斯托克斯”迫擊炮，射程達到1 900m；1927年法國開發(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、蘇聯(lián)、德國、英國、日本等大量裝備和生產(chǎn)該類武器，其口徑有50mm、51mm、60mm、76mm、80mm、81mm、90mm、107mm、120mm、160mm、245mm、300mm等，數(shù)量之多遠超其他類型火炮（對比詳情見表1）。

鑒于現(xiàn)代作戰(zhàn)模式與戰(zhàn)場環(huán)境，世界各國都側(cè)重于如何能使迫擊炮更好地適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的研究工作（圖1）。目前，國外對于迫擊炮輕量化的研究主要體現(xiàn)在3個方面：①選取新型材料，在保障迫擊炮性能的同時，合理選擇高強度合金鋼、輕型合金、復(fù)合材料、納米材料甚至是非金屬材料；②對迫擊炮關(guān)鍵部件進行創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限元仿真與理論分析精準實現(xiàn)實體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對輕量化設(shè)計的機構(gòu)進行振動、疲勞及碰撞分析以使其滿足要求，來達到迫擊炮輕量化的目的（見圖1）；③采用新工藝，如增材制造技術(shù)/特種焊接技術(shù)進行結(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、俄羅斯與歐洲等發(fā)達國家，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），某些型號的迫擊炮甚至采用工程塑料和復(fù)合材料進行制造。

如美國M224A1輕型迫擊炮（見圖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，射程并沒有縮短，整體性能仍與之前迫擊炮的水平相當(dāng)。改進的方面有2點：身管采用特殊的鎳合金，質(zhì)量得到了減輕，但強度不減；支撐架也進行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，采用高強鋁和鈦合金制成，質(zhì)量減輕了17%。

美國正在研制的M252型81mm改進型（見圖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)彈道性能并沒有下降；美國某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)報道，美國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脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，而內(nèi)襯則采用晶須強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，可在打擊過程中將高達1 000℃的內(nèi)膛溫度降至300℃以下；美國某專利同時報道出，利用纖維增強復(fù)合材料制備的身管結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強度高，可經(jīng)受炮彈發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬時管壓，可用來全部代替或部分代替以前的金屬身管；美國75mm轉(zhuǎn)膛炮采用的石墨/環(huán)氧復(fù)合材料加長身管，替代了傳統(tǒng)金屬加長身管，減重37%以上；美國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，從而實現(xiàn)可空運性；美國155mm牽引榴彈炮將石墨/環(huán)氧樹脂基復(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)達國家在迫擊炮材料減重方面也做了大量的研究工作。如英國研制L16式81mm迫擊炮（見圖4），身管由鎳鉻鉬礬高強度合金鋼鍛造而成，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)襯的碳纖維增強塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)的炮管，可減重25%以上。

1.2 設(shè)計輕型結(jié)構(gòu)

在應(yīng)用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計減重方面，主要是針對迫擊炮最重要的座鈑進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。如英國裝備的L1A1式81mm迫擊炮、美國裝備的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，美國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，近年來基于增材制造（3D打印）的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)研究也在迫擊炮上得到了快速發(fā)展。如美國海軍陸戰(zhàn)隊第1維修營和第15作戰(zhàn)后勤團將激光增材制造技術(shù)用于新型迫擊炮結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造，并證實通過激光增材制造技術(shù)的升級，彈藥系統(tǒng)和殺傷力得到了進一步提升。同時，該技術(shù)能使海軍陸戰(zhàn)隊的武器更安全，效果也更加精準；美國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2.5萬件3D打印零部件，成本節(jié)省超過4 500萬美元，開發(fā)流程從3個月減少至只要25天；位于紅石兵工廠的美國陸軍航空與導(dǎo)彈研究開發(fā)與工程中心（AMRDEC）正在進行大規(guī)模的增材制造工藝及設(shè)備研究。

2 國內(nèi)迫擊炮輕量化研究現(xiàn)狀

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

現(xiàn)階段，國內(nèi)在迫擊炮輕量化研究主要體現(xiàn)在以下幾個方面：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，一方面主要是對座鈑進行有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進一步減少座鈑尺寸與質(zhì)量；另一方面是進行組合式座鈑研究，組合式座鈑雖無法降低迫擊炮總重，但是可以將座鈑化一為多，以達到單獨部件可背運的質(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，如我國迫擊炮發(fā)展過程中的55式120mm迫擊炮重達275kg，64式120mm迫擊炮重175kg，W86式120mm迫擊炮重206 kg（詳見圖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)量的過程。我軍W90式60mm迫擊炮采用高強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；我國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，不含瞄準鏡質(zhì)量僅18.1kg，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)量由原來的14.3kg降低至8.5kg以下，減重達到40%。

在應(yīng)用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計減重方面，我國在60年代左右就開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。如我國綜合了三角形座鈑和拱形座鈑的優(yōu)點設(shè)計的一種新型結(jié)構(gòu)座鈑—梯形座鈑。目前，我國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；我國在PP89式60mm迫擊炮上創(chuàng)新設(shè)計的座鈑—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，裝備部隊后深受好評；W式上翻邊圓形窗式座鈑是我國為PP93式遠射程60mm迫擊炮新設(shè)計的創(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；組合座鈑即把一個座鈑分成幾塊小座鈑，戰(zhàn)斗時組合起來使用。它可分為平面組合和立體式組合2類，以解決背運的質(zhì)量問題。為了解決120mm迫擊炮的背運問題，我國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。

3 迫擊炮輕量化上的發(fā)展趨勢

由于新型迫擊炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)屬于軍事機密，國內(nèi)軍工單位大都是自主研發(fā)，公開資料相對較少，根據(jù)已有的報道情況分析，目前國內(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)報道，現(xiàn)階段國內(nèi)增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域，諸如殲-20飛機、梟龍飛機等飛機上已得到初步應(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)動機中的主噴射器、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，中國兵器工業(yè)增材制造技術(shù)研究應(yīng)用中心等平臺的成立，已經(jīng)表明國內(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，國內(nèi)對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)射載荷過大限制。迫擊炮輕量化設(shè)計可大幅降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但在大載荷沖擊下，全炮質(zhì)量的降低會使迫擊炮關(guān)鍵部件（座鈑、身管等）受力惡化，同時對射擊穩(wěn)定性造成不良影響。因此，發(fā)射載荷過大成為迫擊炮進一步輕量化的瓶頸。從這個角度出發(fā)，可以通過更高強度的新型輕質(zhì)材料、更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、更省料的新型加工工藝來提升迫擊炮的輕量化空間。

基于提升迫擊炮機動性，整炮質(zhì)量應(yīng)具有較輕的質(zhì)量；基于空降兵背負工況，迫擊炮身管應(yīng)具有合適的長度；基于迫擊炮座鈑在炮彈發(fā)射過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；基于迫擊炮對內(nèi)彈道性能、最大射程及地面密集度等指標，迫擊炮身管的尺寸及綜合力學(xué)性能應(yīng)進行合理化匹配；基于迫擊炮戰(zhàn)場適用性，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，提高迫擊炮的機動性與戰(zhàn)場環(huán)境適用性已成為現(xiàn)代火炮設(shè)計永恒不變的主題。隨著研究的深入，火炮發(fā)射載荷過大引起的結(jié)構(gòu)強度和設(shè)計穩(wěn)定性問題成為迫擊炮進一步減重的瓶頸。針對這些問題，采用輕型材料、基于增材制造的結(jié)構(gòu)拓撲優(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個方面開展深入研究，實現(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與傳統(tǒng)加工的迫擊炮保持一致（甚至優(yōu)于），為我國新型迫擊炮及其他型號迫擊炮的研制和升級換代提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)語

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛的時代，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，但是所有的局部戰(zhàn)爭基本上還是常規(guī)戰(zhàn)爭。海灣戰(zhàn)爭中，以美國為首的多國部隊發(fā)起迅速進攻，激光制導(dǎo)炸彈、巡航導(dǎo)彈、隱形飛機等高端武器裝備在戰(zhàn)爭中展現(xiàn)出來，但是美國地面部隊依然還是裝備了大量的迫擊炮。由此可見迫擊炮作為傳統(tǒng)的常規(guī)武器，不僅沒有被時代淘汰，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、準確性、機動性以及戰(zhàn)爭的適用性上取得了重大突破。

進入21世紀，從阿富汗反恐戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭以及世界范圍內(nèi)局部反恐戰(zhàn)爭的不斷爆發(fā)來看，在未來戰(zhàn)場上，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)計與工藝方法的基礎(chǔ)上，對迫擊炮武器系統(tǒng)作出進一步的改進和升級，以達到提升迫擊炮武器系統(tǒng)整體技術(shù)性能的目標。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)計與工藝方法上有其獨特的優(yōu)勢，在迫擊炮輕量化上具有廣闊的應(yīng)用前景。