80年代，德國(guó)軍方對(duì)剛剛服役不久的“豹”2坦克進(jìn)行了一場(chǎng)測(cè)試：在坦克炮炮口一段固定一個(gè)基座，基座上放一杯扎啤，坦克在野地里玩命跑，啤酒一滴都沒灑出來，這個(gè)技術(shù)看似新奇，實(shí)際上就是火炮穩(wěn)定裝置在起作用。這項(xiàng)看似雜技表演的技術(shù)，具有相當(dāng)重要的實(shí)戰(zhàn)意義，當(dāng)坦克快速行進(jìn)時(shí)，炮管能夠始終保持一個(gè)相對(duì)固定的方向。然而，在獵-殲式火控誕生以前，“火炮穩(wěn)定”的工作原理通俗地講，并不是始終瞄準(zhǔn)一個(gè)地方，而是始終保持一個(gè)姿勢(shì)。與觀瞄系統(tǒng)無關(guān)，其實(shí)就是兩個(gè)陀螺儀作用的結(jié)果。那么，“火炮穩(wěn)定裝置”究竟是怎樣被發(fā)明出來的？后來又經(jīng)過那些改進(jìn)？今天我們就來談一談這個(gè)問題。 世界上第一款安裝有火炮穩(wěn)定裝置的坦克是在1959年，蘇聯(lián)為一輛T-54A坦克進(jìn)行升級(jí)改造的過程中誕生的，這次改造當(dāng)中的一項(xiàng)重要的升級(jí)部件就是在火炮的高低機(jī)上，安裝了一個(gè)機(jī)械式的角度陀螺儀傳感器和一個(gè)平滑其加速作用的速率陀螺傳感器。陀螺在檢測(cè)到車輛運(yùn)動(dòng)信號(hào)后，由控制系統(tǒng)將信號(hào)按照預(yù)先設(shè)定好的比例放大并交給液壓執(zhí)行元件，調(diào)動(dòng)火炮作相反的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到穩(wěn)定的目的，而在第一代坦克服役的時(shí)代，這一切指令和動(dòng)作都是通過預(yù)設(shè)機(jī)構(gòu)來完成，連計(jì)算機(jī)都沒用上。美國(guó)在80年代以后，才開始測(cè)試使用計(jì)算機(jī)完成計(jì)算瞄準(zhǔn)的坦克。這款世界上第一款安裝了火炮穩(wěn)定器的坦克，也就是后來的T-55坦克。而其采用的這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、僅能對(duì)上下兩個(gè)方向進(jìn)行糾偏的穩(wěn)定裝置被稱為“單向穩(wěn)定器”。 也許有讀者會(huì)問：“為什么坦克上安裝火炮穩(wěn)定裝置，首先考慮的是實(shí)現(xiàn)高低向穩(wěn)定，而不是水平向穩(wěn)定？”如果僅僅用技術(shù)不足的借口來解釋這個(gè)問題，就顯得十分片面。其實(shí)，在T-55坦克誕生的作戰(zhàn)環(huán)境當(dāng)中，輪式裝甲車還沒有誕生，裝甲車多以履帶式為主，且行進(jìn)速度一般不超過60千米、小時(shí)，所以坦克并不需要單槍匹馬地對(duì)付高速行駛的裝甲車，比較普遍的使用方法是許多坦克組成一個(gè)梯隊(duì)、多可梯隊(duì)組成一個(gè)集群，以最快速度向敵方陣地發(fā)起沖擊。在沖擊的過程中，T-54坦克的駕駛員在演習(xí)和訓(xùn)練中感覺最明顯的是坦克在野外高速機(jī)動(dòng)中，火炮隨坦克行進(jìn)上下起伏很大，難以瞄準(zhǔn)目標(biāo)。蘇軍為此進(jìn)行了專門試驗(yàn)搜集相關(guān)數(shù)據(jù)。 坦克負(fù)責(zé)射擊的乘員是炮長(zhǎng)。炮長(zhǎng)從自己的瞄準(zhǔn)鏡中選定一個(gè)目標(biāo)，按下?lián)舭l(fā)按鈕到炮彈出膛，全過程存在0.034～0.16秒的時(shí)間差，而坦克在此過程中是不斷行進(jìn)的，所以當(dāng)炮彈射出炮膛的時(shí)候，炮管所指的方向已經(jīng)不是炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)的目標(biāo)了。以火炮穩(wěn)定裝置誕生前夕，華約國(guó)家的主要裝甲突擊裝備T-34坦克為例，其85毫米炮在攻擊距離1000米的目標(biāo)時(shí)，僅高度偏離一項(xiàng)引起的誤差就將近30米，這樣的誤差率基本就不用“散布”這個(gè)詞來形容了，根本不是“指哪打哪”，而是“打哪指哪”。所以，在高低機(jī)上安裝一部穩(wěn)定裝置就成為了當(dāng)時(shí)提高坦克火炮射擊精度的良方。經(jīng)過實(shí)彈射擊測(cè)試，坦克炮的射擊精度從安裝穩(wěn)定器前的30%提高到50%。  由于高低機(jī)上安裝穩(wěn)定裝置取得了巨大成功，所以水平穩(wěn)定裝置的研制任務(wù)自然而然地提上了日程。60年代，蘇聯(lián)繼續(xù)對(duì)T-55坦克進(jìn)行升級(jí)改裝，這次改裝為坦克在高低向和水平向上各安裝了一個(gè)陀螺穩(wěn)定器。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)實(shí)際使用需要，水平轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定沒有高低位移那么嚴(yán)重，所以高低機(jī)的穩(wěn)定精度被控制在-1～+1.5個(gè)密位，水平轉(zhuǎn)向精度被控制在-3～+3個(gè)密位之間。在后來的演習(xí)中，安裝了雙向穩(wěn)定裝置的T-55坦克火炮命中率普遍達(dá)到了70%左右。 截止到一代坦克服役期間，火炮穩(wěn)定裝置的主要性能只能達(dá)到“坦克行進(jìn)當(dāng)中粗略穩(wěn)定、停車后轉(zhuǎn)為精確穩(wěn)定”的水平。今天看起來略顯落后，但在當(dāng)時(shí)確實(shí)是一項(xiàng)了不起的發(fā)明。通過普遍統(tǒng)計(jì)，蘇軍坦克在安裝了火炮雙向穩(wěn)定裝置以后，短停射擊的準(zhǔn)備時(shí)間僅為15秒，而當(dāng)時(shí)沒有這項(xiàng)技術(shù)的西方坦克短停射擊一般需要1～2分鐘的準(zhǔn)備時(shí)間。 蘇聯(lián)T-55坦克安裝的雙向穩(wěn)定裝置還屬于純機(jī)械式原理的，而這種火炮穩(wěn)定裝置并不是T-55坦克首創(chuàng)。在二戰(zhàn)當(dāng)中，蘇聯(lián)科學(xué)家曾經(jīng)在T-28坦克上進(jìn)行過相關(guān)的技術(shù)探索，他們將單軌火車的重力陀螺拆下來，制作成了世界上第一部火炮穩(wěn)定裝置，但是這部火炮穩(wěn)定裝置重量達(dá)到了1噸以上，而且巨大的機(jī)械結(jié)構(gòu)占用了坦克內(nèi)的大量空間。而且當(dāng)時(shí)坦克普遍存在單位功率小、最大速度偏低的特點(diǎn)，加之T-28坦克本身加速性并不突出，所以當(dāng)時(shí)的坦克炮穩(wěn)定裝置并沒有轉(zhuǎn)化為成熟部件，但它的偉大意義正像當(dāng)今很多新技術(shù)一樣，一項(xiàng)技術(shù)從概念到應(yīng)用只是時(shí)間問題。這個(gè)1噸多的大家伙讓科研人員知道了依靠陀螺儀的工作原理能夠?qū)崿F(xiàn)火炮穩(wěn)定，開啟了火炮穩(wěn)定裝置的技術(shù)之路。  西方世界在趕超蘇聯(lián)坦克的過程中，由于做不出像蘇聯(lián)那樣出色的系統(tǒng)工程，只能在新技術(shù)上下文章。所以在60年代以后，西方世界的電子技術(shù)發(fā)展迅速，依靠新技術(shù)堆砌的先進(jìn)部件被安裝在坦克上。當(dāng)時(shí)世界上主要存在蘇、美兩大坦克研發(fā)思路，蘇聯(lián)的思路是將一種部件的性能發(fā)揮到極致，美國(guó)的思路是像狗熊掰棒子一樣，一個(gè)部件落后了就再研制個(gè)新的。受這種思路的影響，很多電子部件被用于坦克穩(wěn)定裝置上。由于電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件逐步成熟，控制機(jī)構(gòu)的指令編寫也已經(jīng)更趨于完善。測(cè)量元件和執(zhí)行元件已經(jīng)自成系統(tǒng)，因而，火炮穩(wěn)定器用陀螺儀時(shí)，不再單獨(dú)負(fù)責(zé)直接穩(wěn)定火炮的任務(wù)，而僅僅作為火控系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，出現(xiàn)在當(dāng)時(shí)十分簡(jiǎn)單的火控系統(tǒng)中。具體的工作流程是，觀瞄器械負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，激光測(cè)距機(jī)測(cè)量到的目標(biāo)信號(hào)傳輸給彈道計(jì)算機(jī)，彈道計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序形成指令，再傳遞給放大器，信號(hào)放大后控制執(zhí)行原件，將火炮調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)。西方的這套技術(shù)，原理曲折、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不符合機(jī)械裝置越簡(jiǎn)單越好的基本規(guī)律。同時(shí)，這種從光學(xué)儀器到計(jì)算機(jī)，再到機(jī)械機(jī)構(gòu)之間的多重信號(hào)傳遞也暴露出西方坦克工業(yè)存在系統(tǒng)性差的弊病，這個(gè)問題當(dāng)今已經(jīng)成為阻礙西方坦克性能拔高的頑疾。 隨著時(shí)間推移到70年代，二代坦克逐漸登上戰(zhàn)爭(zhēng)舞臺(tái)，各軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)坦克的技術(shù)要求越來越高，不僅要求各自的坦克能夠先敵開火，同時(shí)也把坦克炮的攻擊距離從1000米提高到了1500～2000米。這對(duì)坦克火控系統(tǒng)提出了更高的要求，原先的彈道技術(shù)算計(jì)預(yù)設(shè)程序已經(jīng)無法滿足新時(shí)期的戰(zhàn)技指標(biāo)，而先敵開火對(duì)于坦克火炮穩(wěn)定裝置的要求更為嚴(yán)苛，尤其是必須計(jì)算出坦克在進(jìn)行短停射擊甚至動(dòng)態(tài)射擊時(shí)，各種因素對(duì)坦克火炮保持穩(wěn)定的影響。當(dāng)時(shí)，西方國(guó)家系統(tǒng)工程薄弱，單純依靠新技術(shù)、新部件實(shí)現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先的弊病影響了新型火炮穩(wěn)定裝置的研發(fā)。雖然大學(xué)教授們經(jīng)將相關(guān)的諸多數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)模型上表現(xiàn)了出來，但科研所的工程師沒有可用的傳感器，無法將數(shù)學(xué)模型上數(shù)據(jù)從坦克炮的機(jī)械運(yùn)動(dòng)中檢測(cè)出來，工廠的工程技術(shù)人員更談不上制造出相應(yīng)的控制裝置。這種理念技術(shù)與工程實(shí)際無法銜接的窘境在很多走西方技術(shù)路線的科研項(xiàng)目中十分常見。為此，科學(xué)家們又繞回了蘇聯(lián)依靠陀螺儀的舊概念當(dāng)中，研發(fā)了液浮陀螺，氣浮陀螺、靜電陀螺以及激光陀螺等種類繁多的陀螺儀。由于電子技術(shù)領(lǐng)先、工裝設(shè)備先進(jìn)，西方國(guó)家制造出的陀螺儀從加工水平到精度等級(jí)都較蘇聯(lián)的同類產(chǎn)品有了很大提高。 以各種先進(jìn)的陀螺儀組成的傳感器為西方國(guó)家的坦克指明了技術(shù)之路，為了解決車體運(yùn)動(dòng)對(duì)于水平向和高低向?qū)鹋诜€(wěn)定的影響，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，科學(xué)家們?cè)谲圀w上分別加裝了水平向速率陀螺傳感器和高低向速率陀螺傳感器，而炮塔相對(duì)車體對(duì)火炮在水平向和高低向的影響也要按數(shù)學(xué)模型考慮進(jìn)去，所以有的坦克，炮塔上也加裝了一個(gè)方向或兩個(gè)方向的速率陀螺傳感器。這樣在原有穩(wěn)定器的基礎(chǔ)上，車體、炮塔、火炮三者的水平向和高低向相對(duì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)就都被檢測(cè)到了，這些信號(hào)經(jīng)過放大處理后交給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而成就了電子、機(jī)械相結(jié)合的火炮穩(wěn)定裝置。 然而，完整的數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)模型表明，在笛卡座標(biāo)的三個(gè)方向上對(duì)火炮都有干擾的可能性存在。另一個(gè)方向，稱為側(cè)傾。解決側(cè)傾對(duì)火炮射擊精度影響的最好的辦法，就是像笛卡座標(biāo)一樣，制造一個(gè)三軸活動(dòng)炮塔，檢測(cè)出三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，加以控制和穩(wěn)定。例如西德的黃鼠狼步兵戰(zhàn)豐，它是一款典型的三軸炮塔的車型。但是，主戰(zhàn)坦克的火炮一般重達(dá)10噸左右，由于受到慣性沖擊影響，以及受坦克車體內(nèi)部空間所限，在二代坦克稱霸疆場(chǎng)的年代，任何國(guó)家的技術(shù)都無法實(shí)現(xiàn)為坦克安裝像步兵戰(zhàn)車一樣的三軸炮塔，于是只好采用折中的辦法，在火炮耳軸上加裝一個(gè)重力傾斜傳感器。它把傾斜信號(hào)檢測(cè)出來后，分解成水平向分量和高低向分量，分別交給水平向穩(wěn)定部分和高低向穩(wěn)定部分，再加以控制和穩(wěn)定，以彌補(bǔ)缺少側(cè)傾方向穩(wěn)定的不足。所以，在70年代以后研制的二代坦克，陀螺傳感器數(shù)目用的最多，有人稱它們?yōu)殡p陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)、四陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)和六陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)等等。其穩(wěn)定精度一般在0.5密位以內(nèi)。裝有這類穩(wěn)定系統(tǒng)的坦克，采用火控計(jì)算機(jī)后，在原定的1200米直射距離內(nèi)基本可以在坦克低速運(yùn)動(dòng)時(shí)攻擊敵方坦克。而短停后射擊敵方靜止或活動(dòng)目標(biāo)在1500～2000米距離內(nèi)，命中率可達(dá)70%。  三代坦克登場(chǎng)以后，火力、機(jī)動(dòng)性和防護(hù)性能都有了很大提高，新的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境對(duì)坦克火力的要求從先敵開火延伸發(fā)展到提高首發(fā)命中率。但三代坦克與二代坦克相比，不僅僅是性能指標(biāo)提高那么簡(jiǎn)單。以火炮穩(wěn)定裝置這個(gè)小部件為例，其工作原理、工作方式等關(guān)鍵技術(shù)都有了巨大的變化。 二代坦克末期，由于使用了大量高精度的陀螺儀和依靠幾近完美的數(shù)學(xué)模型作為數(shù)據(jù)依托，這種機(jī)電結(jié)合的火炮穩(wěn)定裝置似乎已經(jīng)發(fā)展到了盡頭，為了進(jìn)一步提高火炮穩(wěn)定性能，科學(xué)家們跳出了穩(wěn)定裝置這個(gè)小圈子，從火炮系統(tǒng)這個(gè)層面找突破點(diǎn)、從物理學(xué)的根本原理找突破點(diǎn)、根據(jù)最普遍的科學(xué)常識(shí)當(dāng)中找突破點(diǎn)。終于，突破點(diǎn)找到了，炮鋼！就是炮鋼！重量越大、慣性也就越大。為了減輕火炮重量，德國(guó)科學(xué)家研制了新的炮鋼，采用新型炮鋼制造的火炮，身管薄、重量輕，80年代，瑞士曾經(jīng)與德國(guó)聯(lián)合制造“豹”2坦克火炮，采用的就是這種新型高強(qiáng)度炮鋼，身管壁厚度比原先減少了1/3左右，再搭配上瑞士的身管鍍鉻技術(shù)，火炮的壽命和精度性能極佳。對(duì)于西方科學(xué)家而言，有了新技術(shù)，一切都好辦了。新型火炮質(zhì)量小，對(duì)穩(wěn)定裝置的要求有所降低。而控制論告訴我們，一旦出現(xiàn)偏差，將該偏差反饋回到控制回路，同基準(zhǔn)控制信號(hào)進(jìn)行比較，就能夠消除掉該偏差?；鹋诳傮w重量已經(jīng)降下來不少，取出這個(gè)偏差信號(hào)又不成問題。問題是比較的基準(zhǔn)信號(hào)在哪里呢？根據(jù)坦克的具體情況而言，該基準(zhǔn)信號(hào)不但是穩(wěn)定的，而且穩(wěn)定精度要求高于火炮，這樣才能將火炮穩(wěn)定偏差消除掉，最終達(dá)到的理想狀態(tài)是，整個(gè)系統(tǒng)的偏差僅僅是基準(zhǔn)信號(hào)自身含有的偏差。為了達(dá)到這個(gè)理想狀態(tài)，很多三代坦克將二代坦克上一直同火炮并軸安裝的瞄準(zhǔn)具獨(dú)立出來，并靠陀螺儀實(shí)現(xiàn)精度更高的第二次穩(wěn)定。這種當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)運(yùn)用于三代坦克的火控系統(tǒng)上，以德國(guó)“豹”2坦克為例，其穩(wěn)定精度達(dá)到了0.2密位以下。經(jīng)過測(cè)試，“豹”2坦克在距離靜態(tài)目標(biāo)1500～2000米范圍內(nèi)，短停射擊的首發(fā)命中率一般在95%以上；速度在40千米/小時(shí)以下的動(dòng)對(duì)動(dòng)射擊的首發(fā)命中率也高達(dá)70%。由此實(shí)現(xiàn)了端著啤酒跑，一滴不灑的絕技。  |
|
|
