某型坦克底盘线振动对行进间射击精度影响机理研究

汪国胜，药凌宇2，魏来生2，朴燕2，顾亮1

（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.中国北方车辆研究所，北京100072）

某型坦克底盘线振动对行进间射击精度影响机理研究

汪国胜1，2，药凌宇2，魏来生2，朴燕2，顾亮1

（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2.中国北方车辆研究所，北京100072）

针对某型坦克高速行进间射击精度较低的问题，从底盘线振动的角度分析了炮弹出膛的横向速度、瞄准系统成像质量、乘员观瞄操纵效能三方面的影响因素，并结合实车试验数据逐一研究了每个因素对射击精度的影响。研究结果表明：底盘线振动引起的横向射击偏差较小，不足以引起射击精度的大幅降低；底盘线振动虽然对瞄准镜成像质量虽然有一定的影响，但基本不会影响观瞄效果；而由于乘员乘坐位置线振动较大，乘员的乘坐舒适性较差，使其难以精确操纵瞄准设备，从而影响观瞄效果。因此，车辆底盘线振动对坦克装甲车辆射击精度的影响主要表现在对乘员乘坐舒适性的影响上，乘员舒适性较差是限制行进间射击精度的重要原因。

兵器科学与技术；行进间射击精度；乘坐舒适性；底盘线振动；坦克装甲车辆

0 引言

影响坦克行进间射击精度的因素有很多［1-3］。底盘振动是其中一个重要的因素。由于坦克装甲车辆在实施行进间射击时，车载武器系统与瞄准系统不可避免地随车辆底盘发生随机振动，在某型坦克对目标距离2 000 m固定目标实施行进间射击的试验（针对某型炮弹）表明：当路况较差或车速较高时，命中率会显著下降。试验研究与车辆乘员主观反映均表明：车速提高引起的命中率降低主要是由于底盘振动增大导致的，这说明底盘振动是影响行进间射击命中率的主要原因之一。底盘振动对射击精度的影响主要表面在两个方面［4］：底盘角振动和底盘线振动。多年来，国内外研究人员对底盘角振动进行了大量的研究，国内也设计了相应的陀螺装置于瞄准镜与火炮稳定系统中，很大程度上弥补了底盘角振动造成的角振动误差［5-6］，提高了射击精度。但陀螺只对角振动敏感，而对线振动不敏感，瞄准镜及火炮稳定系统对由坦克底盘线振动引起的射击误差无力补偿。坦克底盘线振动对行进间射击精度的影响表现在哪些方面，影响机理是怎样，多年来相关研究较少。本文主要结合某型坦克实车行驶振动数据，研究坦克底盘线性振动对火炮射击精度的影响。

1 坦克底盘线振动对行进间射击精度的影响途径

通过综合分析发现，坦克装甲车辆底盘线振动对火炮行进间射击精度的影响主要表现在3个方面：

1）容易引起炮弹出膛的横向速度［4，7］。由于火炮是通过耳轴安装于炮塔上的，在行进间射击过程中，耳轴不可避免地随着车体做上下垂直振动与前后、左右水平振动，如果车体线振动过大，必然会引起一定的炮弹出膛横向速度；

2）降低瞄准系统成像质量［8-10］。坦克装甲车辆乘员观瞄装置主要是车炮长瞄准镜，这些瞄准装置是固定于炮塔上的，而炮塔是通过炮塔座圈安装于车体上的。同样，如果坦克底盘垂直振动或水平振动较大，必然影响瞄准镜的成像质量，从而会引起车炮长瞄准精度降低，最终影响射击精度。

3）影响乘员观瞄操纵效能［8］。一次完整的击发过程包含搜索、瞄准、锁定、击发等过程。这个过程中，车炮长必须亲自操纵操纵台上的相应装备或按钮才能完成，需要车辆乘员的切身参与，是一个人机结合的过程。大量实车试验表明：如果长时间振动较大，也会引起乘员疲劳程度增加，注意力下降，最终引起射击精度降低；更重要的是，如果两个位置振动增加到乘员难以坐稳的程度时，其必须要靠扶紧操纵台把手才能稳住身躯，此时乘员就难以实施搜索、瞄准、锁定、击发等精确的观瞄操作。所以，线振动引起的乘员观瞄操作效能下降也可能是引起行进间射击精度下降的一个重要原因。

上述3个方面对行进间射击精度影响程度需结合实车试验数据进行具体分析。

2 野外实车振动试验及数据分析

从振动传递路径可知：火炮是通过耳轴安装在炮塔上的，耳轴位置线振动基本代表了火炮的线振动，瞄准镜壳体上的振动体现了瞄准镜的线振动；座椅位置振动大小与操纵台位置振动大小是同步变化的，所以座椅位置振动大小基本代表了乘员观瞄操纵效能。除此之外，还有车体质心位置（或质心在底甲板上的垂直投影位置），该位置虽然不直接影响射击精度，但对于特定的车辆，该位置线性振动直接反映了整车的线振动。所以实车测试并分析耳轴、瞄准镜、座椅、质心在底甲板上的垂直投影等4个位置振动数据，就基本能判定上述3方面线振动对射击精度的影响。

野外振动试验按15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h、35 km/h车速在典型的中等起伏砂土路面上（路面等级相当于E级路面）进行。试验结果表明：在相同路段的越野路面上，履带车辆底盘线振动与角振动基本随着车速的增加而增加。因篇幅限制，本文仅列出在射击精度大幅降低的速度档（30 km/h）条件下相关位置的振动加速度，具体如表1所示。数据处理方法与车辆x轴、y轴、z轴3个加速度方向定义参见文献［7］.

车体质心在底甲板上投影处x轴与z轴方向加速度、瞄准镜与炮长座椅两个位置z轴方向加速度信号如图1～图4所示。从瞄准镜z轴方向振动加速度信号的功率谱密度来看，除了1～2 Hz之间有一个低频峰值外（主要由悬挂系统一阶振型产生），瞄准镜位置振动以50 Hz以上高频振动为主；耳轴位置振动频带基本与瞄准镜相似。从瞄准镜、炮长座椅两个位置z轴方向加速度幅值分布密度曲线来看，振动加速度幅值基本呈正态随机分布，坦克车辆底盘线振动对行进间射击精度的影响以高频随机振动为主。另外从表1中与图2、图3中还看到，车辆质心在底甲板上投影处的垂直向振动较大，但经过炮塔的衰减，瞄准镜位置振动加速度均方根值减小到质心位置的1/3左右，耳轴位置振动减小得更多。

表1　坦克相关位置线振动统计值Tab.1 Statistical data of linear vibration at relative positions of tank

图1　车体质心投影处x轴方向振动信号Fig.1 Vibration signals（x）at tank chassis’center of gravity

图2　车体质心投影处z轴方向振动信号Fig.2 Vibration signals（z）at tank chassis’center of gravity

如表1和图1所示车体质心x轴方向振动信号可见，车体质心x轴、y轴、z轴3个方向振动中，水平x轴方向振动幅值最大。这是由于车辆在起伏路面上高速行驶时车辆起伏颠簸及驾驶员为防止出现大幅的振动，而采取紧急制动措施导致车辆行驶速度发生大幅变化，引起安装在车体底甲板上质心投影附近处输弹机等部件与车体发生惯性冲击造成的。这种瞬态冲击虽然较大，但是其加速度均方根值仍小于垂直向加速度均方根值。

3 底盘振动线速度对射击精度的影响

由于车辆纵向振动速度相对炮弹飞行速度要小得多，车辆纵向振动对火炮射击偏差的影响可以忽略不计。相关研究表明，但车辆底盘横向（y轴、z轴）线振动速度会在炮弹出膛时引起横向初速［4，7］，这会产生一定的射击偏差。线振动速度引起的射击偏差可用（1）式表达：

式中：f0为计算线振动速度的截止频率，一般取f0= 250 Hz；Ga（f）为加速度功率谱密度函数。

按照（2）式求得的车体质心在底甲板上投影处及耳轴根部x轴、y轴、z轴3个方向振动线速度均方根值如表1所示。以该试验样车所用某型炮弹在行进间对直瞄有效距离D=2 000 m的目标进行射击时，炮弹飞行时间约为tf=1.15 s，按照随机函数分布的3.29σ规律［11］可知，在99.9%的概率下，垂直向最大的射击偏差不会超过

计算结果远小于2.3 m×4.6 m目标靶尺寸，由此可见，在对D=2 000 m固定靶目标实施行进间射击时，该型坦克底盘线振动速度引起的射击偏差基本导致脱靶的概率较小，从而可知，其底盘线振动速度不是影响其行进间射击精度的主要因素。

图3　瞄准镜位置z轴方向振动信号Fig.3 Vibration signals（z）at the position of sighting telescope

图4　炮长座椅z轴方向振动信号Fig.4 Vibration signals（z）at the position of gunner’s seat

4 车辆底盘线振动对瞄准镜成像质量影响

国际上，一般均采用调制传递函数（MTF）来定量表示瞄准系统或摄像系统的成像质量。MTF也叫频率反差函数，它是说明景物或图像的反差与空间频率关系的一种函数。所以，它包含了衡量图像质量标准的两个最基本且可测量的量：空间频率和图像对比度，它能反映成像系统对目标不同空间频率的频谱传递特性。目标运动或仪器运动都会产生动态图像MTF的下降，其实质是成像介质响应速度有限所致［10］。

瞄准镜实际上是一个开普列式的望远光学系统。假设物镜的焦距为fo，目镜的焦距为fe，则瞄准镜的倍率为

由于坦克用瞄准镜实际上由一组物镜与一组目镜组成，对于试验坦克炮长瞄准镜，其倍率Γ变化范围为6～10.对于装载有瞄准镜的车辆平台，x轴、y轴、z轴3个方向线振动均对乘员观瞄的图像质量产生影响，但相关研究表明，尽管瞄准镜位置光轴向（x轴）振动较大，但是由于测量距离较瞄准镜的焦距要大得多，轴向振动对成像质量的影响较y轴、z轴两个方向要小得多［11-12］。为此，线振动对瞄准镜成像质量的影响主要表现在光轴垂直面上，即y轴、z轴两个方向上，尤其是z轴方向上振动幅度较大。假设瞄准镜相对目标的横向运动（振动）位移均方根值为sm，目标距离为D，则由于横向振动引起对应的像移均方根值为

sm可通过在频域内对加速度功率谱密度函数积分估计求得，如垂直向位移smz可通过（6）式［9］估计：

按照上述方法，对瞄准镜x轴、y轴、z轴3个方向线振动位移均方根值进行了估计，具体值见表1.

假设瞄准镜是一个理想的光学系统，则在高频随机振动下的瞄准镜图像MTF可由（7）式［10］表示：

式中：n为空间频率。对于瞄准镜，其成像的接受单元是人眼，人眼的视网膜神经细胞单元直径约为2～4 μm［13］，可取其平均值计算，此时人眼能识别的图像空间截止频率

对于试验样车瞄准镜，目镜焦距fe=25 mm，D=2 000 m时，倍率取最大值Γ=10.由表1可见，z轴方向随机振动的幅值最大（smz=0.005 8 m），同样按照随机函数分布的3.29σ规律可知，其将以99.9% 的概率保证幅值极值不超过 smzmax= 19.1 mm，这基本覆盖了表1中所测量到的振动位移幅值的范围。为了检验车辆线振动对不同距离目标成像质量的影响，做出如图5所示的不同目标距离条件下的瞄准镜MTF曲线。

由于人眼对应的 MTF函数视觉阈值为MTFmin=0.026［13］.由图5可见，在相同振动水平下，图像清晰度随着目标距离的拉近而不断降低；人眼通过瞄准镜观瞄2 000 m远以外的目标时，其清晰度是可以保证的，但在观瞄1 500 m以内的目标时，人眼观瞄的图像清晰度将受到影响。根据（6）式计算可得500 m（此时对应的倍率Γ≈6）条件下对应的观瞄分辨率阈值约为75 lp/mm，可知分辨率尚可，虽然图像有些模糊，但是目标轮廓完全可分辨。由此可见，该型坦克底盘线振动基本不会影响乘员观瞄图像质量，这一试验结果跟炮手现场的反映是非常一致的。

图5　瞄准镜垂直向振动MTF曲线Fig.5 MTF curves of vertical vibration on sighting telescope

5 车辆底盘线振动对乘员操作效能的影响

目前，国际上与国内装甲车辆行业一般采用ISO2631—1：1997（E）［7，14］中1/3倍频程方法评价车辆乘员的振动舒适性，对于车炮长，其面临的振动环境比汽车更为恶劣，而由于其要进行精确的瞄准与击发操作，操作精度要求较一般的车辆驾驶员要求更高。为考察车辆线振动对乘员乘坐舒适性的影响，以炮长为例，对该型坦克炮长座椅位置x轴、y轴、z轴3个方向加权振动加速度进行了统计分析，相关结果也见表1.

相关研究表明，当垂直向加权加速度达到0.5 m/s2时，人就感觉到相当不舒适了［11］。由表1可见，炮长座椅垂直向（z轴）加权加速度较大，这说明影响乘员振动舒适性的主要是垂直振动；多个型号坦克野外振动试验表明，当垂直向加权加速度达到0.65～0.70 m/s2时，人在座椅上已难以坐稳，这时需双手紧扶操纵台把手才能稳住身躯，这对于经过专业训练的炮手等乘员，其要想进行连贯的搜索、瞄准、锁定、击发等精确操作已经很困难了。由表1还可见，在中等起伏路面上以略高于行进间射击车速的速度行驶时，炮长座椅位置垂直加权加速度已接近0.70 m/s2的上限，已超出乘员精确操纵瞄准设备的舒适性范围；炮长座椅x轴、y轴两个方向加权加速度值比垂直方向加权加速度小一些，但也已分别达到0.26 m/s2、0.387 m/s2.由于水平向振动对垂直坐姿的乘员乘坐舒适性的影响系数是垂直向振动影响系数的1.4倍［7，14］，这种影响也足以引起乘员身躯在x轴、y轴两个方向上晃动，这将使得炮长眼睛不能稳定地抵在瞄准镜护额上，难以进行精准的搜索、瞄准操作，使操作精度与操作效能大幅下降并最终影响行进间射击精度与行进间射击车速，这种现象与实车射击时炮手反映是完全一致的。由此可见，该型坦克底盘线振动对行进间射击精度与射击车速的影响较大，是影响装甲车辆的重要因素，其影响主要体现在乘员乘坐舒适性上，较大的线振动会使乘员操瞄精度与操纵效能下降，最终导致行进间射击精度下降。

6 结论

某型坦克野外振动试验与研究表明，底盘线振动引起的横向射击偏差较小，不足以引起其射击精度的大幅下降；底盘线振动对瞄准镜成像质量虽然有一定的影响，但基本不会影响其乘员观瞄目标的效果；而由于乘员乘坐位置线振动较大，乘员的乘坐舒适性与稳定性较差，使其难以精确操纵、瞄准设备，从而影响操瞄精度与操纵效能，最终导致行进间射击精度的下降，这正是该型坦克底盘线振动对行进间射击车速的影响限制机理。因此，底盘线振动是影响其行进间射击车速的重要因素，需要大力克服。

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Research on the Influence of Linear Vibration of a Tank Chassis on On-the-move Shooting Accuracy

WANG Guo-sheng1，2，YAO Ling-yu2，WEI Lai-sheng2，PIAO Yan2，GU Liang1
（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

Three factors leading to the lower shooting accuracy for a tank moving at a high speed are analyzed based on the linear vibration of its chassis.The efects of the factors on the shooting accuracy are studied from the real test data.The research result shows that the lateral shooting deviation caused by the linear vibration of chassis is too small to reduce the shooting accuracy significantly.Although the linear vibration of chassis has some impact on the imaging quality of sighting telescope，it basically does not affect the sighting effect.Since the linear vibration of crew seat is larger and its ride comfort is poor，it is hard for the crew in the tank to precisely manipulate the sighting telescope，and then the sighting effect would be affected.Therefore，the influence of the linear vibration of tank chassis on the shooting accuracy is mainly through its impact on the ride comfort，and the ride comfort is an important reason of affecting on-the-move shooting accuracy.

ordnance science and technology；on-the-move shooting accuracy；ride comfort；linear vibration of chassis；tank and armored vehicle

TJ81

A

1000-1093（2016）03-0541-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.03.021

2015-08-20

国防“973”计划项目（61337305）

汪国胜（1971—），男，研究员。E-mail：wgsheng321449@163.com