中大口径火炮弹药自动装填技术

刘琮敏，孙大鹏，范志国，张瑞霞

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

中大口径火炮的弹丸质量和尺寸较大，形状不规则，人工装填非常困难，同时大口径火炮在射击过程中需依据射程的变化进行装药号的变换(这里主要指多发同时弹着射击)。如何在确保安全的前提下，快速完成弹丸和装药的选取、装药组合、引信装定、输送弹丸和发射装药入膛，很大程度上决定了火炮研制的成功与否，是世界各国发展火炮武器装备都会面临的难题，也是影响大口径压制火炮发展的技术瓶颈[1-2]。

弹药自动装填技术作为提高火炮武器作战性能的主要技术，一直是世界各国火炮武器研究与发展的热点。自20世纪末以来，世界各国竞相研制的中大口径自行火炮都把弹药自动装填技术作为发展研制的重点[2]。笔者就中大口径火炮的弹药自动装填技术研究所涉及的研究内容、技术瓶颈、发展方向进行了简要的论述。

1 弹药自动装填技术的地位

1.1 对火炮总体布局的影响

弹药自动装填技术是中大口径火炮武器系统的核心关键技术之一，弹药自动装填系统中的运动机构部件一般有供弹机、弹协调器、输弹机、供药机、药协调器及输药机(有的部件可合并)，这些部件的大小与安装位置直接影响炮塔总体布局及形状尺寸；其质量直接影响火力部分的质量与转动惯量；其运动机构所需动力直接影响整个武器系统的动力源大小及配置；而火炮动力源的大小影响整个武器系统的质量和机动性等指标[3]。

1.2 对火炮战技指标的影响

1.2.1 对最大射速指标的影响

最大射速指标是中大口径火炮武器系统的重要战技指标，火炮武器的最大射速与火炮本身发射占用的时间t1、弹药自动装填系统所占用的时间t2和随动调炮占用时间t3有关。火炮最大射速总循环时间为：

t=t1+t2+t3

式中：t1包含关闩、击发、后坐、复进与开闩占用时间；t2装填系统占用火炮主循环时间；t3包含弹药装填系统工作时火炮瞄准不可重叠的所有时间(这里主要指多发同时弹着射击)。

在一般的中大口径火炮武器系统中，弹药自动装填系统所占用的时间t2占总循环时间t的60%～80%，因此，弹药自动装填系统对火炮最大射速指标影响很大。

1.2.2 对射击精度指标的影响

输弹机主要完成输送弹丸入膛和保证弹丸可靠卡膛等功能，弹丸的卡膛姿态和卡膛深度的一致性会影响弹丸的膛内运动，增大弹丸出炮口时的炮口扰动，从而影响火炮的射击精度。

输药机主要完成发射药进入药室功能，如果是模块药发射的火炮，模块药在药室的位置、每块药之间的间距直接影响火炮的内弹道性能，从而影响火炮的射击精度。

2 压缩总循环时间的主要技术途径

射速是实现炮火猛烈和高强度打击的基础条件。人工装填弹药涉及到炮手的操作技能、体力、工作环境和装填方便性的影响，一方面无法保证持续、稳定、可靠地输送弹药，另一方面极大地限制了火炮射速的提高。弹药自动装填系统作为地面压制火炮的重要组成部分，它以实现弹丸和发射装药的全自动装填为目标，通过对装填系统总体、组成配置、功能和性能的研究和优化设计，实现弹药安全、快速、可靠地自动装填，提高火炮的发射速度，进而提高火炮的威力、自动化程度和快速反应能力，它是火炮武器性能高低的重要标志，也是火炮弹药装填技术发展的主流。

压缩弹药自动装填系统总循环时间的主要技术途径有：

1)最短路径优化设计技术。弹药自动装填系统的组成与火炮总体密切相关，系统中各独立功能部件都与火炮总体布置相互制约，形成弹药从弹药仓到火炮炮膛装填的传递路径，而传递路径的长短是装填速度的主要制约点之一。目前所开发的弹仓、药仓、协调器、输弹机等功能部件，品种单一，制约了弹药装填系统最短路径优化总体技术的发展，因此，研发出多种不同形式的功能部件，就为不同形式的火炮总体优化布置需求提供了基础技术条件。

2) 压缩单步工作时间设计技术。弹药自动装填系统工作过程是由多个功能部件运动组合而成，每个功能部件单步工作时间对弹药的整个装填过程的总时间都有直接或间接的影响，因此，压缩每个功能部件单步工作时间是提高弹药装填速度的主要途径之一。

3)提高多运动部件动作的可重叠概率设计技术。弹药自动装填系统的多个功能部件运动不是单纯的串联工作，而是分主循环、副循环的串并混合的工作方式，合理的提高多运动部件动作的可重叠概率是提高弹药装填速度的主要途径之一。

3 关键技术

3.1 弹药自动装填系统总体技术

弹药自动装填系统总体技术决定着弹丸从弹仓到炮膛、发射药从药仓到火炮药室传递运动的路径、路程和传递环节。装填系统总体设计技术是将弹药自动装填系统的多个功能部件进行优化组合设计，形成适应于火炮总体要求的部件安装、布置方式，目标是弹药装填路径最短，传递环节最少，系统占用空间最小。

3.2 弹药运动的顺畅性与交接的便捷性

弹药形状的不规则就决定了弹药在火炮行进与射击过程的固定、装填过程的运动机构设计的难度相当大。例如：弹丸在供弹机储弹筒内既要可靠固定、又要顺畅运动，这本身就有一定的矛盾。怎样实现弹丸在供弹机储弹筒、弹协调器、输弹线上顺畅运动；怎样实现发射药在供药机储药筒、药协调器、输药线上顺畅运动，这是保证射速与可靠性的关键环节。

3.3 部件动作的可重叠性

提高多运动部件动作的可重叠概率是提高火炮射速的重要途径。在弹药装填系统的总体与部件设计技术必须充分考虑部件动作的可重叠性设计技术。

开发机构动作连锁的自动机械部件是提高动作重叠概率与可靠性的最佳途径，这需要进行长期而艰巨的工作。

控制软件要优化动作控制流程，最大限度地提高弹药传递机构动作的重叠概率。

3.4 大扭矩变负载快速定位与低压大电流驱动技术

155 mm火炮弹丸质量一般约为45 kg，对于弹丸的传递机构运动都属于大扭矩变负载快速定位机构，而火炮武器系统的动力配电一般是直流28 V安全电压供电体制，因此，大扭矩变负载快速定位与低压大电流驱动技术是中大口径弹药自动装填系统的核心关键技术，是压缩单步工作时间提高射速与系统可靠性的保证。

3.5 多机构运动液压动力源相互影响问题

弹药自动装填系统为了提高射速，采用提高多运动部件动作的可重叠概率设计技术，必然存在同时多机构运动液压动力源相互影响问题。例如，在输药机油缸翻转到位时，冲击压力脉冲在管道中的传播，会造成整个药协调器的一定振动；当弹、药协调器同时工作时(同时接弹和药，同时协调)，与单独工作相比，转速明显减缓；如果一个协调器减速停止，而另一个协调器仍继续旋转，则继续旋转的协调器会获得一个突然的速度增长，同时导致产生一个比较高的加速度。

在安排整个弹药自动装填系统的时序时，要仔细考虑同时机构动作的相互影响，即能保证机构动作的平稳性，又有利于提高射速。

4 需要进一步研究的内容

4.1 弹药自动装填系统总体优化技术

弹药自动装填系统总体优化技术包括：

1)提高能自动选弹药、自动供弹药、模块药装药号能自动生成的弹药仓的占空比，有效利用炮塔空间。

2)利用新型价格低廉的轻质材料，减少系统中部件的质量与造价，提高系统费效比。

3)从系统角度设计弹药仓到炮膛、药室传递的路径，力争减少传递环节，并且使每个传递环节距离最短。

4)从系统角度设计弹丸自动装填、发射药自动装填、火炮关闩射击开闩三路运动之间，各路运动内部机构运动可重叠率最大。

4.2 部件系列化、模块化、可扩展性设计

弹药装填系统有几个典型的组成部分：弹药仓、协调器、输弹/药机等。从目前国内外已装备或在研的各种弹药装填系统来看，其各个部件的结构以及动作、控制等各不相同，一方面是因为火炮总体的限制，另一方面是各自不同的设计风格。开展各子部件的单项研究，一是可以吸取各种不同类型结构的优点，对该部件进行优化设计；二是可以更好地对以后不同类型的火炮进行针对性设计。各子部件技术的成熟是装填系统整体性能的根本。

弹药自动装填系统主要部件系列化、模块化技术包括：

1)弹药仓系列化、模块化技术。由于弹药仓在弹药自动装填系统中体积质量最大，对火炮系统的总体设计影响最大，因此，必须研制开发系列化、模块化弹药仓，以适应不同火炮总体布置的需要，例如，卧式回转弹药仓、立式弹药仓、弹鼓式弹药仓、二维异形弹药仓、混合式弹药仓等。

2)弹药中间的传递机构系列化、模块化技术。弹药协调器或者弹药中间的传递机构，是从弹药仓到输弹输药线传递弹药必不可少的机构，其可靠性与运动方式、所需功率都直接影响整个弹药自动装填系统的性能指标，必须研制开发系列化、模块化弹药协调器，以适应不同火炮总体布置的需要，例如，摆动式协调器、翻转式协调器、平动式协调器、曲线协调器、智能机械臂等。

3)输弹机系列化、模块化技术。输弹机是弹丸自动装填过程最主要的部件，它直接影响弹药自动装填系统的射速、功率、可靠性、安全性与火炮射击精度，因此，必须研制开发系列化、模块化输弹机，以适应不同火炮总体布置的需要，例如，链式输弹/药机、弹射输弹机(气动、液压、气液混合式等)、复进联动输弹机等。

4.3 部件消耗功率最小化设计

随着火炮武器系统的发展，自动化程度的提高，对动力源的需求越来越高，由于火炮武器使用特点的限制，能提供动力源功率有限，因此，在系统设计与部件设计时，必须充分考虑所需运动的功率问题，例如，在系统设计几个动作重叠时，充分考虑合理匹配，避免同时启动时带来的高冲击和消耗功率大的问题；在部件设计时，综合考虑传动方式，负载力矩变化情况，争取做到单部件消耗功率最小。

4.4 内能源合理利用设计

由于火炮武器提供动力源功率有限，而火炮发射时内能源利用率又低，在系统与部件设计时，采用内外能源相结合的方式，考虑一部分内能源的合理利用，例如，利用火炮后坐能量实现输弹机向输弹线的运动，既可以节省动力源功率，又可以缩短装填时间。

4.5 全电驱动及高效率动力源设计

复杂的155 mm自行火炮要实现弹药的自动装填，需要10个以上的动力传动机构运动，这些运动基本上均属于低压大电流驱动下的大扭矩变负载快速定位。低压大电流驱动下的大扭矩变负载快速定位技术，是弹药自动装填系统的核心关键技术，同时，能源种类少，动作合理匹配，能源的合理分配，管线能耗最低，动力源效率高是弹药自动装填系统必须进一步解决的问题。

4.6 无人化操控技术设计

无人炮塔具备减少成员数量，减轻火炮武器系统的战斗全重，提高火炮的生存能力和对成员的防护能力等综合作战性能，是火炮自动化、信息化发展的必然结果，弹药自动装填是火炮自动化的重要组成部分，是实现无人炮塔的关键技术。目前，世界各国对155 mm火炮的研制和对现役装备改进，均将弹药全自动装填技术的研制作为关键，与自动操瞄、自主作战等先进技术综合集成，共同提高火炮的作战使用性能[4]。

无人化操控技术设计是在控制系统采用数字化、模块化、信息化、网络化兼容设计，实现对自动装填系统的在线检测、弹药管理及信息反馈、并开发了新型人机界面实现中大口径火炮弹药自动装填系统操作、虚拟仿真、显示一体化，包括：多机构协调工作的电液气一体化变负载快速定位控制技术；可自动识别选、供、输弹药的计算机管理与识别技术；信息的采集、指令数据与反馈数据进行存储、运算等处理的计算机控制与总线网络应用技术；工作方式、所需的弹种、弹数、药号等装定参数和数传参数的装入、系统重要状态和工作条件的实时三维虚拟显示的计算机图像应用技术；有线、无线通讯技术等。

5 结束语

笔者通过弹药自动装填技术对火炮总体布局与火炮战技指标的影响分析，阐述了弹药自动装填技术在中大口径火炮研制中的重要地位；针对压缩弹药自动装填系统循环时间的三种主要技术途径，提出了弹药自动装填系统的五项关键技术；并根据目前弹药自动装填系统发展现状，论述了弹药自动装填系统需要进一步研究的六项内容。

弹药自动装填系统的发展方向是在火炮射击条件下，实现弹、药全自动装填；射速指标达到8～12发/min；实现模块药装药号自动生成；工作状态自动检测和故障诊断；炮塔无人的远端操控；人机界面对工作状态的实时三维虚拟显示。随着弹药自动装填技术的成熟，为火炮系统向无人炮塔甚至无人火炮的方向发展奠定了基础[3]。

参考文献(References)

[1] 侯保林，樵军谋，刘琮敏. 火炮自动装填[M]. 北京：兵器工业出版社，2010:5-57.

HOU Bao-lin，QIAO Jun-mou，LIU Cong-min.Gun automatic handling[M].Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2010：5-57.(in Chinese)

[2] 刘琮敏，李涛，郑海鹏，等. 多路位置控制在大口径自行火炮弹药自动装填系统上的实现[J]. 火炮发射与控制学报，2008(2):32-34.

LIU Cong-min，LI Tao，ZHENG Hai-peng，et al. Realization of multi-path position control for large caliber self-propelled gun automatic ammunition handling system[J].Journal of Gun Launch & Control，2008 (2)：32-34.(in Chinese)

[3] 梁辉，马春茂，潘江峰，等.大口径火炮弹药自动装填系统研发现状和趋势[J].火炮发射与控制学报， 2010(3)：103-107.

LIANG Hui，MA Chun-mao，PAN Jiang-feng，et al. The actuality and trend of the autoloader study for large caliber howitzer [J].Journal of Gun Launch & Control，2010 (3)：103-107.(in Chinese)

[4] 刘琮敏，李涛，郑海鹏，等. 火炮武器无人化技术研究[C].//火炮装备与技术研讨会论文集. 中国兵工学会火炮专业委员会，2007：97-103.

LIU Cong-min，LI Tao，ZHENG Hai-peng，et al.Study on the technologies of unmanned artillery weapons[C].// The symposium on Equipment and Technology Seminar.Gun Speciality Committee of China Ordnance Society，2007：97-103.(in Chinese)