武器系统轻量化设计技术研究

王金梅，钟险峰，王万朋，于大勇

(中国北方车辆研究所总体技术部，北京 100072)

【系统工程、测量与控制】

武器系统轻量化设计技术研究

王金梅，钟险峰，王万朋，于大勇

(中国北方车辆研究所总体技术部，北京 100072)

武器系统轻量化设计涉及系统总体、分系统及部件设计等多层面技术领域，对提高其机动性和生存能力等主要作战性能具有重要意义。通过轻量化设计技术在典型装备武器系统中的应用分析，提出先进的工业基础、材料、加工制造技术及工艺水平是实现武器系统轻量化设计的前提，而分析解决轻量化设计存在的问题则是轻量化技术实现工程应用的必要条件。兵器装备轻量化设计必须依靠于总体、部件及材料等方面突破瓶颈技术的制约，进而通过系统总体集成优化设计最终实现轻量化目标，才能在不影响武器系统作战效能的约束条件下，提升装备平台的机动、运输、部署能力。

武器系统；轻量化；火炮；弹药；信息技术

快速部署能力是美国陆军目前正在大力研制的“未来战斗系统”的主要特点之一。为了能够通过空运向全球快速投送兵力，美陆军要求“未来战斗系统”中各种武器装备的重量必须严格控制在20吨之内。作为武器装备的核心系统，武器系统的轻量化设计尤为重要，在不牺牲火力性能的前提下进行轻量化设计，可以为战斗车辆机动性及防护能力的提高留有充足的空间，从而进一步提高反应时间和装备生存能力，使其具有更高的综合战斗力。武器系统的轻量化设计涉及总体设计及各个分系统和主要部件的设计，并与各分系统及部件的性能息息相关。

1 轻量化设计的重要意义

高速发展的公路建设为轮式装甲车的使用提供了便利条件，但装备重量必须满足道路运输的承载限度。整车的轻量化设计也将提高其最大行驶里程，相同承载能力下增大单车携带的弹药基数，提高了火炮的持续作战能力。从而提高车辆的战场生存能力。对于武器系统各组成部件，轻量化设计也不同程度地影响其性能和使用。例如导弹的轻量化对增加射程和导弹变轨的灵敏性都具有重要意义。

无人车辆是未来装甲车辆的一个发展趋势，其深入敌营的作战环境，更需要减轻重量从而提高最大行程，提高战斗和生存能力。美国最新研制的轻型、低成本、多用途隐身战斗机上，为达到轻量化目标，复合材料用量约为30%～35%。

综合研究分析表明，采用新材料、新工艺和新结构是实现轻量化设计的主要途径。

2 武器系统轻量化技术的发展情况

2.1 新型材料技术

轻合金是武器装备轻量化的首选金属材料。铝合金、镁合金、钛合金是具有一系列优良性能、用途广泛的三大轻合金结构材料，对国防高技术和武器装备的发展具有重要的作用。在促进武器装备轻量化方面,它们各具特色，既相互竞争，又相互补充。钛合金在减轻重量的基础上具有较好的刚强度，但成本较高；例如针对火箭弹后坐很小而尾焰很大的特点，发射架不必使用钛合金材料，而使用隔热材料涂覆的铝合金材料，实现在大幅度降低重量的同时节约成本。钢丝滚道铝合金座圈具有质量轻、受力均匀、转动灵活、使用寿命长等优点，对减轻全武器系统质量，改善其受力状态十分有利。

镁是密度最低的金属结构材料，美国及西欧军事强国在武器装备中大量应用镁合金材料，如德国AMX-30的CN105F1型线膛炮的身管热护套；英国120 mm BATL6 Wombat无坐力反坦克炮；以色列已将镁合金用于次口径脱壳弹弹壳、穿甲弹弹托[1]。

钛合金具有比强度高、轻质、耐蚀、无磁、焊接性能好、高温性能优良等优点。美国已将应用钛合金的部件用在M1主战坦克上[2]，武器系统减重情况见表1[3]。

表1 M1主战坦克武器系统钛合金替代部件减重情况[3]

复合材料低成本制造与应用技术的发展为零部件减重提供了新的思路。以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化材料，已在很多重要领域发挥着不可替代的作用，具有轻质，高强度，高刚度，优良的减振性，耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。采用碳纤维复合材料部件可以在实现轻量化的基础上保证安全性与舒适性。另外，缩比技术、丝束铺放技术及液体成型技术等多项加工技术的发展正在为复合材料构件自动化生产及实际应用奠定工业基础。

美国在“十字军”先进155 mm自行火炮上研制应用了复合材料炮塔(见图1)，并完成了相关试验验证考核。复合材料炮塔较同等应用需求的金属炮塔具有显著的减重效果，最大减重率可达30%以上，且综合性能得到显著提高。

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图1 采用复合材料炮塔的“十字军”自行火炮

2.2 火炮相关技术的发展

随着材料技术的发展，火炮设计广泛采用高强度钛合金轻质摇架和制退器，新型超强度炮钢材料等轻质材料，通过摇架与反后坐装置一体化设计，在简化结构、减小体积和重量的前提下，提高摇架刚度和强度，进而提升火炮射击时的稳定性。

英国陆军自行研制的LTH和UFH超轻型155毫米牵引榴弹炮，反映了当代轻型牵引炮的发展趋势，由于大量使用铝、钛合金及其他低密度、高强度材料，并采用非常规的后坐系统(这种系统使用了长后坐冲程和低耳轴，采用一种称为“不平衡的设计”方法使后坐力向下转移)，从而使火炮的质量仅有3.8 t，是同口径性能火炮质量的一半[4]。

“个头要小，火力要猛”是对美国未来战斗系统(FCS)中火力性能要求最精练的表述。尽管在材料技术方面取得了很大的进步，但是目前的火炮依然“沉重”，主要原因有两点：第一，为了使火炮能够承受射击所产生的巨大热能，炮身必须有相当大的重量；第二，火炮必须借助于较大的惯性来承受射击时的后坐力。于是美国陆军积极探索以多种技术途径来满足未来部队对轻型、大威力、远射程火炮的需求。膨胀波火炮虽然没有采用新概念的杀伤机理，但以其独特的方式解决了减小常规火炮后坐力和控制身管发热的技术难题，从而能在不影响火炮杀伤威力的前提下，较大幅度地减小火炮的重量。膨胀波低后坐炮的工作原理为：当发射药在炮膛内推进弹丸时，炮尾打开，药室内的压力骤然下降。由炮尾打开而引起的压力下降现象被称为膨胀波或“火药气体稀释”现象。如果能够控制炮尾打开的时机和速度，使弹丸在“听到打开的声音”以前就己飞离炮口，那么弹丸的初速就不会下降。美国沃特夫列特森纳公司成功研制出的105 mm膨胀波后坐力炮，采用105 mm多用途火炮和弹药系统(MRAAS)的 武器部件和摇摆炮膛装填系统，使后坐力降低75%，热负荷降低50%，火炮系统总重降低25%，同时保持弹丸的炮口初速和较小的炮口焰[5]。结合采用先进的复合材料技术，火炮的重量将可减少一半或更多。膨胀波火炮理论上将消除后坐力，从而提高精度及可靠性。

德国毛瑟公司研制成功新型的RMK3式30 mm及35 mm口径无后坐自动炮(如图2所示)，并装备到轻型遥控武器站上。该炮采用膨胀波原理技术实现无后坐目标，采用毛瑟三药室转膛工作原理、全可燃药筒埋头弹，射击精度可提高50%。

图2 德国RMK30/35口径无后坐自动炮

传统大口径火炮通常采用前冲、加长后坐及制退器技术等降低后坐力，后坐力可降低25%～40%[6]。新概念动能武器电磁炮颠覆传统火炮概念，利用电磁能加速炮弹，相同射程及穿甲能力下炮、弹的体积显著减小[7]，利用轨道加长可降低后坐力，但是大功率、高效脉冲电源技术仍然是有待突破的瓶颈技术。

2.3 武器系统形式及结构

武器系统形式向顶置-无人方向发展，减掉了人员及其乘坐环境带来的负担。炮塔的体积明显变小，受打击的概率显著降低，可以极大地提高装备和乘员的生存率。从防护角度来说，低矮的炮塔体积较小，相应的装甲板也比较小，从而可以降低装备重量。

另外武器系统可以应用新工艺及新结构实现优化设计，在实际的工程实践中追求改变受力环境。总体及部件设计采用集成技术，达到一件多用的目的，也是轻量化设计的重要措施。例如：平衡机和高低机进行一体化集成设计，减少相关件；在炮塔上采用压筋的技术措施，在保证构件刚强度的前提下，达到减重的目的。

总体优化设计考虑降低高度，采用隐身技术和新型主—被动相结合的装甲防御方式等高技术措施，来提高战场机动性能和生存能力，使防护水平不再单纯依靠披挂装甲，在满足防护要求与轻量化设计上达到最优结合。

塔内火控及电气部件采用集成化设计，采用最新器件及工艺手段，可大幅缩小体积，提高可靠性，减轻重量。

2.4 弹药技术的发展

比较典型的是小口径火炮弹药中埋头弹的出现。埋头弹(Cased Telescoped Ammunition)也称嵌入式弹药或套筒式弹药，弹丸装在药筒的发射药里。由于采用了圆筒状装药，因此体积小、便于存放，节省了弹药储存空间，同等空间重量约束下可提高携弹量；药筒形状简单整齐，简化了供弹机的设计；有利于采用旋转闭锁机构，从而缩小了火炮系统的总体尺寸。上世纪90年代中期，法国地面武器工业集团和英国皇家军械公司组建了埋头弹CATI国际公司，在40 mm埋头弹武器系统(CTWS)的研制上取得了长足的进展。40 mm CTWS的弹药与同口径常规弹药相比体积减小30%，重量也减轻30%，但性能提高了30%。在采用了复合材料药筒后，大大降低了使用成本，并且不宜受损。火炮与常规自动炮相比，结构非常紧凑，40 mm CTWS的体积与25 mm自动炮相当，完全可以用来改装大多数现役步兵战车上的25～30 mm炮，而且全寿命周期成本可降低一半左右。

在威力上40 mmCTWS的炮口动能比同口径常规弹药大15%，而后坐力仅为美国25毫米自动炮的2/3。后坐力的减小可以进一步为托架及摇架的优化设计及减重作出贡献。

3 信息技术的发展对武器系统轻量化技术的影响

新概念武器及弹药技术的发展使武器具备高精度、大威力的目标打击能力，通过加载数字化装备或列装智能化弹药对其进行数字化改造，提高其精确打击能力。武器系统在达到同等作战能力下可减少弹药基数，从而减轻全系统重量。

韩国Dodaam公司推出的针对陆军部队的“宙斯盾”智能武器站[8]，能够通过无线局域网实现通信和遥控，通过机内自检测设计对系统自身的运行状态进行诊断和故障定位。随着光电技术和数字化技术的发展，轻量化、智能化的武器系统与战场上的光电系统协同，便于采用空投等多种方式部署、作战，甚至实现自主修复。

综合电子信息技术利用计算机控制、数字通信和总线技术等，实现信息系统综合化集成功能。做到战场信息互联、信息资源共享，使目标探测、火力控制、作战指挥及故障诊断等功能模块进行一体化集成设计[9]，达到单一武器系统中综合控制系统的集成优化设计，满足体积小、重量轻的总体要求。

装甲部队未来的基本作战形式是一体化联合作战，它由广谱战场感知和智能化指控两个方面的能力构成，具有基于航天支持和一体化网络的信息力。装甲车辆能够直接接收和使用上级、友邻以及联合作战的其他军兵种的战场感知信息，并能直接接收战略级低轨卫星的各类侦察情报信息。另外与弹药补充车辆的实时信息交换使单车的弹药基数可适当减少，达到轻装上阵、灵活作战的目标。

4 武器系统轻量化设计存在的问题

轻量化设计与系统的经济性、可靠性甚至产品性能之间存在一定的矛盾。例如在结构件设计中应用钛合金，成本将成倍增长，必须考虑产品是否会有良好的性价比。复合材料一些较为复杂的成型技术，也可能带来成本增长的问题。

钛合金、镁合金等在武器系统中仍然应用较少，存在制造工艺研究滞后的问题[10]。复合材料的抗热变形能力、与金属材料的连接工艺方法、抗老化性能及材料性能数据库等有待与强化研究，并针对实际应用需求进行充分的试验验证考核。

轻量化设计切忌因噎废食，目前片面追求轻量化所带来的问题在自动武器领域已显现出一些恶劣的后果。如89式12.7 mm重机枪，重量比77式12.7 mm机枪显著减轻，列装部队后虽然以独特的结构方式、方便的操作和携行而受到好评，但经过一段时间的使用暴露出一些问题，很多出现射击精度下降的故障，点射和连发时尤为突出，车载使用时势必对射击精度造成更明显的影响。

5 结论

重量是影响兵器装备实现战场快速反应能力的重要因素，因而对装备的重量指标要求越来越严苛。而兵器装备的轻量化设计必须依靠于部件技术、总体集成技术及材料技术的长足突破，这样才能不影响武器系统的立身之本：作战效能。而分析解决轻量化设计存在的问题则是实现轻量化技术工程应用的必要条件。先进的工业基础、材料技术、加工制造技术及工艺水平是武器系统实现轻量化设计的前提，通过系统集成优化设计手段最终实现轻量化目标，从而为装备平台的机动、运输、部署能力创造有利条件。

[1] 唐全波,黄少东,伍太宾.镁合金在武器装备中的应用分析[J].兵器材料科学与工程,2007(3)：69-72.

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[9] 曹云泉,麻勇,李其忠. 全电战斗车辆关键技术介绍与分析[C]//第三届特种车辆全电化技术发展论坛论文集71-75.

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TheTechniqueofWeapon’sLightWeightDesign

WANG Jinmei, ZHONG Xianfeng, WANG Wanpeng, YU Dayong

(General Technology Department of China North Vehicle Researon Institue, Beijing 100072, China)

It is suggested that the technique of weapon’s lightweight design is concerned with the overall and subsystem technologyto improve the reaction time and survivability of the weapon system, and is closely related to the combat performance. Through the lightweight design analysis in the application of foreign typical weapon system’s main components, put forward the advanced industrial base, materials, processing and manufacturing technology and craft level is the premise of Lightweight Design, to solve problems existing in the lightweight design is a necessary condition for the engineering application. Lightweight design must depend on the component technology, the overall integration technology and materials technology, through the system integration and optimization design to realize the lightweight engineer. Finally improve motor ability, transportation and deploymentofequipmentwithout affect operational effectiveness.

weapon system； lightweight design； artillery； ammunition； information technology

2017-07-20；

2017-08-15

王金梅(1972—)，女，硕士，研究员，主要从事武器系统总体技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.030

本文引用格式：王金梅，钟险峰，王万朋，等.武器系统轻量化设计技术研究[J].兵器装备工程学报，2017(12):131-134.

formatWANG Jinmei, ZHONG Xianfeng, WANG Wanpeng, et al.The Technique of Weapon’s Light Weight Design[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):131-134.

TJ0；TJ81

A

2096-2304(2017)12-0131-04

(责任编辑唐定国)