中大口径火炮射击密集度研究综述

王宝元

（西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099）

火炮射击密集度是指在相同射击条件下，弹丸的弹着点相对于平均弹着点的密集程度。射击密集度和射击准确度共同构成了射击精度。射击密集度是随机误差，是多种参数微小变化引起的预先无法确定的误差，而射击准确度是系统误差，可以修正。如果射击密集度水平高或射弹散布小，则解决射击准确度就容易，产生的系统误差也容易修正。如果射击密集度水平很低，就不容易判断平均弹着点位置，不容易修正系统误差。因此，射击密集度是射击准确度的基础。

火炮射击中，当各种射击条件都相同时，例如，采用同一门炮、同一批弹药、在同样气象条件下，用同一射击诸元由同一射手对同一目标发射一批弹丸，其弹着点并不重合在一起，而是散落在一定范围内，这种现象称为“射弹散布”。散布现象是客观存在的，它具有一定的规律性。火炮不同，散布规律也不同。由外弹道学可知，一条空气弹道由初速v0、射角θ0及弹道系数c这3 个参量确定。然而，由于存在各种随机因素使各发弹之间的v0、θ0及c的确切值存在着微小的随机差异，这就是形成射弹散布的根本原因。例如，弹丸制造中其外形、质量分布及表面光洁度的差异，装填情况的不一致，发射药性能、药温的差异，火炮瞄准机构的空回，射手瞄准的主观误差，发射时身管的振动、弹丸的起始扰动不同，以及气象条件的变化等因素都是不可避免的和随机的。这些微小随机变化的参数，可以综合反映在火炮系统的某一性能参数上，具体如，火药性能、装药结构、点火传火、药室、身管、弹重、弹炮摩擦、膛压等的差异可综合反映在初速上；其他一些微小随机变化，可反映在射角、阻力系数和弹丸起始扰动上。因此，也可用几个综合参数的微小变化（如初速、射角、阻力系数等散布）分析和计算射击密集度。

本文出现的火炮射击精度主要指射击密集度问题，射击密集度也仅限无控弹药范围。

火炮射击密集度一直是火炮发射动力学研究领域的热点问题，每年都有大量相关科技文献发表。火炮射击密集度研究方法主要包括理论分析和试验研究。

1 理论分析

火炮射击密集度是火炮发射过程中，由内弹道、火炮振动和外弹道等因素综合影响的结果。

1.1 内弹道因素

弹丸初速是表征火炮内弹道特性的重要参数，是确定弹道的三大重要因素之一。一门火炮射击密集度指标要满足要求，首先弹丸初速必须满足设计要求。弹丸和火药的质量都是在一定公差范围内变化的，都会产生初速误差。弹丸质量变化不仅影响弹道系数，而且影响初速［1］。研究结果表明［2］，初速或然误差对纵向密集度影响较大，当初速或然误差大于1.6m／s时，初速因素影响的远程纵向密集度将大于1／300，无法判定火炮发射平台性能对射击密集度的影响程度；在1.3m／s左右则是临界状态；当初速或然误差控制在1.0m／s以下时，火炮发射平台性能对纵向密集度的影响将占主导因素。文献［3］对某车载榴弹炮射击密集度超差因素分析后认为，初速或然误差大于1.6 m／s时，火炮的纵向射击密集度将很差。

1.2 火炮振动因素

在采用制式弹药条件下，火炮振动就成为影响射击密集度的关键因素之一。因此，采用火炮发射动力学研究方法，以提高射击密集度性能就成为研究重点。就火炮振动而言，减小炮口振动，能减小弹丸起始扰动，最终可提高射击密集度性能。

在火炮方案设计阶段和结构图纸设计阶段，通过动力学分析，优化结构方案，预测系统射击密集度。火炮动力学仿真可以包括三部分：一是结构刚度和强度有限元分析，结构振动有限元分析；二是机械系统运动学和动力学分析；三是发射过程动力学仿真。

进行有限元分析时，采用ANSYS等大型通用有限元分析软件，计算火炮部件或零件的强度和刚度，计算结构的振动响应、固有频率和固有振型。结构强度是火炮功能实现的基本保证，应首先进行有限元强度校核。大多数情况下（内外弹道性能正常），火炮密集度问题就是火炮结构的刚度问题，结构刚度大（或结构变形小），火炮射击密集度就好，反之，结构刚度小（或结构变形大），火炮射击密集度就差。为了满足火炮射击密集度性能要求，火炮关键部件的刚度要满足一定的要求。在火炮型号研制过程中，有时会因对力学计算分析的重要性认识不足，忽视了刚度分析；或者虽然进行了结构刚度有限元计算，由于没有掌握结构刚度与射击密集度的相关规律，不能发现刚度薄弱部位，使得设计缺陷在靶场试验时最终暴露出来。对于大口径火炮，其摇架的变形在弹丸出炮口时刻的数值尽管远小于1mm，这样量级的变形如果分散性较大，则会使得火炮射击密集度性能不能满足设计要求。因此，火炮结构刚度有限元计算是保证和提高其射击密集度的重要技术措施之一。火炮结构振动有限元计算，可以给出载荷激励下的炮口、摇架和炮架等部位的振动响应，包括振动位移、速度和加速度。通过结构有限元计算模态分析，给出结构固有频率和固有振型，为避免结构共振引起较大振动响应提供理论依据，使射击密集度性能达到设计要求。

利用虚拟样机技术进行火炮射击密集度仿真研究，以探索结构设计影响火炮动态特性的规律，为提高火炮射击精度提供支撑。后坐部分质量左右偏心、后坐部分质量上下偏心、高低机刚度、大架刚度和高低机阻尼是影响火炮初始扰动的重要结构参数［4］。减小动力偶臂e值是减小炮口扰动的重要方法，采用尽量小的导轨间隙能够减小炮口扰动，在考虑总体布置时，必须保证后坐部分质心落在身管前后支撑之间，这样能使炮口扰动较小，有利于提高火炮射击密集度［5］。

身管内膛结构既影响弹丸膛内动力学特性，也影响弹丸出炮口姿态。弹丸出炮口状态是弹丸飞行初始条件，影响着射击精度特性，这些对于新型火炮和轻型火炮尤为重要。计算机模拟是实际情况的数学描述，由靶场试验数据验证其模型非常重要。采用有限元方法将火炮身管、弹丸简化为梁单元，模拟发射阶段和弹丸离开炮口直到外弹道飞行阶段。模拟软件可以预测弹丸着靶坐标与身管内膛形状之间的确定关系［6］。

火炮传统研制方法在于，当物理样机加工完成后，直接进入靶场用射击方法验证设计效果。为节约研制经费，缩短研制周期，文献［7］研发了一种中大口径火炮射击模拟装置。该装置能够模拟火炮射击时的炮膛合力，提供1～10 MN 的冲击载荷；具有轴向交变载荷加载功能，能够模拟火炮射击时的后坐阻力，其值介于0.1～1 MN 之间，基本覆盖了中大口径火炮冲击载荷和后坐阻力范围。

1.3 外弹道因素

外弹道学中，理想弹道是由弹丸初速、弹道系数和射角确定的。在理想弹道方程组中没有考虑的其他因素称为扰动因素，这些扰动因素使受扰动后的实际弹道诸元与理想弹道诸元之间产生偏差，引起射弹散布［8］。

散布误差是发射过程中火炮状态方面、射弹方面、气象方面等微小差异造成的［9］。提高自行火炮武器系统射击精度应从提高射表精度、气象条件测量精度、定位定向精度、初速修正精度及调炮精度入手［10］。随着射程的增加，定位定向误差、目标坐标误差和调炮误差占开始诸元距离和方向误差比重逐步下降。

气象探测时间与射击时间不一致及气象探测空间与射击空间不一致会引起诸元误差。文献［11］认为，气象条件探测时间与射击时间相隔不应超过2h，探测空间与射击空间相隔不应超过40 km。初速散布、射角散布、弹道系数散布、偏流散布、纵风和横风散布因素是影响火炮地面密集度的重要因素。最大射程角时，影响距离散布主要因素为纵风散布和弹道系数散布［12］。随着海拔高度的增大，弹丸的陀螺稳定性和动态稳定性增强，动力平衡角和偏流明显增大，地面密集度有所提高［13］。

火炮射击密集度是由多种随机因素引起的，火炮射击之前，虽然无法准确预测具体弹丸落点坐标，但是，在目前技术条件下，还是可以预测给定火炮的射击密集度水平。采用火炮发射动力学理论，建立全弹道仿真软件，进行发射过程动力学仿真。经过内弹道、反后坐装置、火炮振动、起始扰动、外弹道仿真及弹丸落点坐标统计计算等，预测火炮射击密集度，优化结构设计，评价火炮武器设计效果［14］。

2 试验研究

试验研究包括火炮结构物理参数测试和靶场射击时的动力学响应参数测试，物理参数主要指静态参数。

在火炮结构机械加工完成，火炮系统装调过程中或结束后，需完成零部件和全系统的质量与质心测试、转动惯量测试、身管内膛弯曲度测试、起落部分、回转部分空回测试和弹丸参数测试等。这些参数是系统理论分析所需的原始参数，是确保理论分析结果准确性的基础，是检验系统设计效果、零部件机械加工质量的不可缺少的技术环节，也是密集度分析的试验测试依据。在火炮进入靶场试验之前，对全炮结构进行试验模态分析，用试验测试技术获取火炮结构固有频率和固有振型，预测火炮靶场射击时是否会出现共振现象，以便尽早采取解决措施。同时，试验模态分析技术也是检验火炮系统装调完成后能否进行密集度试验的有效手段。

振动试验测试是火炮靶场射击试验的不可缺少的环节，它是检验火炮设计、加工和装调效果的最直接方法，是故障诊断获取火炮动态特性的最直接方法，更是火炮射击密集度分析的基础数据采集环节。与密集度分析有关的火炮振动测试内容包括炮口振动位移、速度和加速度测试，后坐部分后坐位移和速度测试，起落部分俯仰角位移和角速度测试，回转部分绕其回转中心的转动角位移，自行火炮底盘或牵引火炮炮架振动位移等测试。

火炮振动试验测试是系统故障再现、原因分析的有力工具。火炮发射过程时间短暂、振动冲击大，但振动测试结果却能详细地记录火炮结构细微的运动过程、包含了火炮振动的固有特性。火炮工程实践表明，按照同一套设计图纸加工出的两门火炮，常常会出现其火炮振动特性有明显差异，其射击密集度性能也有较大差异，试验测试是解释其差异的最直接途径。

目前，炮口振动位移测试传感器主要有电涡流位移传感器、CCD 激光位移传感器、光电位移跟随器和激光测振仪等，炮口角位移主要是通过线位移测试而间接获得，炮口振动速度测试可以采用激光测振仪，它是基于多普勒原理的激光非接触测振技术而研制的，炮口角速度参数主要采用角速度陀螺传感器测试，而压电型加速度传感器使用最广泛［15］。

弹丸飞行章动角测试是研究火炮振动、弹丸起始扰动影响射击密集度的常用方法，目前基本都是采用纸靶法，只能进行平角射击。文献［16］采用2台高速数字摄像机，并结合弹道跟踪架完成了45°高低射角弹丸飞行初期章动角试验测试。对于所选择的155mm 火炮，弹丸章动和进动频率分别为17.6Hz和4.9Hz。

减小后坐阻力是提高射击密集度性能的主要手段之一。近十几年开展的磁流变技术、非待发射状态击发技术［17］和二维后坐技术［18］已取得了显著的效果。采用二维后坐技术后，全炮质量可减小24%，最大后坐阻力可降低54%。将非待发射状态击发技术应用于105mm 火炮，其后坐阻力减小了40%。

3 分析与讨论

影响火炮射击密集度因素复杂多样，但概括起来，可以分为内弹道、火炮振动和外弹道三方面。当采用制式弹药时，火炮振动就成为影响射击密集度的关键因素。总结多年火炮武器型号研制和火炮射击密集度攻关过程，当采用制式弹药时，提高射击密集度性能的技术措施主要包括：加强火炮结构刚度、减小结合面间隙和膛内时期自由后坐。当然，降低火线高、减小后坐部分e值、减小身管弯曲度、减小后坐阻力、保证弹丸装填一致性也都是提高射击密集度性能的技术措施。

3.1 加强火炮结构刚度

机械振动理论指出，当载荷一定时，结构刚度大，则其振动响应就小。因此，在火炮密集度设计时，应首先开展结构刚度优化设计。由于火炮发射过程的复杂性和瞬态性，以及射击密集度影响因素的多样性，到目前为止，人们还没有掌握火炮结构刚度与射击密集度的定量关系，结构刚度的取值没有成熟的判据。因此，火炮武器型号研制中的射击密集度不达标问题反复出现。而我国在开展某大口径火炮研制过程中，通过采取加强火炮摇架、托架、炮塔和底盘等结构刚度后，最大射程纵向地面密集度性能提高了50%以上，满足了密集度战技指标要求。

3.2 减小结合面间隙

为了满足功能要求、使用方便、灵活和机动性等要求，火炮武器机构中设计了多个结合面。火炮后坐部分沿导轨发生后坐与复进运动，起落部分绕耳轴发生俯仰转动，自行火炮炮塔绕其回转中心沿座圈发生转动运动等。为了使火炮机构运动顺畅，结合面应留有间隙；但为了使火炮整体刚度满足密集度要求，其结合面间隙又应减小。如何解决好机构运动顺畅和整炮结构刚度之间的矛盾一直是人们研究的重点课题之一。正如文献［3］所述，针对某车载榴弹炮射击密集度超差问题，梳理出影响该炮射击密集度的主要因素为上架联接螺栓松动。在后坐部分与摇架配合间隙、液压支撑腿状态不一致性、起落部分排空回方式、地面条件、环境温度、气象条件和药温均满足设计要求条件下，当上架联接螺栓松动时，纵向射击密集度平均值为1／291，没有达到1／300的指标要求。改进回转座圈与上架的联接螺栓结构及紧固方式，确保联接螺栓可靠紧固后，再次进行实弹射击密集度验证试验，3组纵向射击密集度平均值为1／339，满足了1／300的指标要求。

3.3 膛内时期自由后坐

膛内时期自由后坐就是火炮发射时，弹丸膛内运动时期后坐部分呈现自由后坐状态。文献［19］描述了“初期自由后坐”的总体设计思想。“初期自由后坐”是对反后坐装置性能而言，设计后坐阻力在弹丸出炮口前尽量地小，力求呈现为“自由后坐”状态。由于火炮发射开始阶段呈自由后坐，弹丸出炮口以前后坐阻力很小，基本消除了反后坐装置给炮身和炮架的作用力，使炮身基本不发生转动，炮架也基本保持静止，保证弹丸沿着原来瞄准的方向飞出炮口，避免了“射角偏差”。这种初期自由后坐技术对于车载火炮来说特别有意义。“初期自由后坐”总体设计思想与膛内时期自由后坐具有相同含义。该文献完成了某火炮初期自由后坐与常规后坐的射角偏差计算结果对比，采取初期自由后坐措施后，射角偏差值由常规后坐时的4.075″减小到1.325″，射角偏差值减小了67%，效果很明显。“初期自由后坐”对于减小射弹散布、提高射击密集度性能具有重要意义。

4 展望

针对无控制式弹药，提高中大口径火炮射击密集度性能，今后应突破的关键技术包括低后坐阻力技术、火炮结构动力学精确建模技术和射击过程关键动态参数测试技术。

针对低后坐阻力技术，应采用膛内时期自由后坐技术途径，对反后坐装置结构进行优化，保证在炮口振动响应最小时使弹丸离开炮口。非待发射状态击发技术（或者称为软后坐技术）也应给予高度重视，在解决好发射安全性和发射过程可靠控制后，非待发射状态击发技术将会表现出显著的积极效果。

针对火炮结构动力学精确建模技术，重点应突破机构结合面动力学特性研究，包括后坐部分导轨部位、耳轴部位、座圈部位以及自行火炮底盘与地面之间的动力学特性研究，还包括间隙影响结构固有特性研究。建立起包括炮口在内的火炮不同部件振动响应与射击密集度关系动力学模型，并经过射击试验严格验证。采用虚拟样机技术，显著减少实弹射击次数。

针对射击过程关键动态参数测试技术，应采用激光非接触式测试和高速数字摄像测试技术途径，注重开展消除炮口焰、烟雾、强冲击等干扰技术研究，真正发挥激光非接触测试技术优势；采用多台高速数字摄像机、结合图像运动分析软件技术，从炮口、弹丸等运动物体在复杂多维运动形式中得到有用动态参数，验证火炮设计效果，指导火炮结构修改。

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