火炮設計理論(火炮系統(tǒng)分析與總體設計)

1、火炮設計理論 南京理工大學火炮教研室南京理工大學火炮教研室主講：張相炎主講：張相炎 教授教授聯(lián)系電話：聯(lián)系電話：84315581第六章第六章 火炮系統(tǒng)分析與總體設計火炮系統(tǒng)分析與總體設計 6.16.1 火炮戰(zhàn)術技術指標火炮戰(zhàn)術技術指標 火炮設計是按照對它提出的主要戰(zhàn)術技術性能要求進行的。戰(zhàn)術技術性能要求以量化的形式給出，則稱為戰(zhàn)術技術指標。 火炮的戰(zhàn)術技術指標 作戰(zhàn)效能 + 全壽命周期費用1 1 火炮的作戰(zhàn)效能火炮的作戰(zhàn)效能 系統(tǒng)效能:預期一個系統(tǒng)滿足一組特定任務要求的度量。 系統(tǒng)效能 有效性 + 可信賴性 + 功能 有效性：系統(tǒng)在規(guī)定條件下隨時使用時能正常工作的能力。 可信賴性：系統(tǒng)在規(guī)定條

2、件下在規(guī)定時間能正常工作的能力。 功能：系統(tǒng)能達到任務目標的能力?；鹋诘淖鲬?zhàn)效能 威力 + 機動性 + 快速反應能力 + 戰(zhàn)場生存能力 + 可靠性1.11.1火炮威力火炮威力 火炮威力：火炮在戰(zhàn)斗中迅速而準確地殲滅、毀傷或壓制目標的能力 。 火炮威力 射程 + 射擊精度 + 火力密度 + 彈丸對目標的毀傷效能6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標（1 1）射程）射程 射程，一般指彈丸發(fā)射起點(射出點)至落點(炸點)的水平距離稱為射程或射擊距離。 對空中目標射擊通常用射高表示。 射程它是衡量火炮遠射能力的標志。 射程最大射程、最小射程、直射距離、有效距離。 對于壓制火炮，通常以最大射程和最小射程來描述。 對于

3、坦克炮和反坦克火炮，通常以直射距離和有效（穿/破甲）距離來描述。 直射距離是指射彈的最大彈道高等于給定目標高（一般為2m）時的射擊距離。 有效距離是指在給定目標條件和射擊條件下射彈能夠達到給定毀傷概率的射擊距離。 對于防空火炮，通常以有效射高和最大射高來描述。 目前大口徑地面壓制火炮的最大射程可以達到40km，采用增程技術的超遠程火炮的最大射程可以達到120km，美國正在研制最大射程可以達到160km的超遠程火炮。 （2 2）射擊精度）射擊精度 射擊精度是射擊(彈)密集度和射擊準確度的總稱。 射擊精度 射擊(彈)密集度 + 射擊準確度 射擊密集度是指在相同的條件下(氣象、彈重、裝藥、射擊諸元)

4、，用同一火炮發(fā)射的彈丸，其彈著點(落點)相對于平均彈著點的密集程度，通常用公算偏差（或然誤差）或標準偏差表示。 對大口徑地面壓制火炮，射擊密集度一般用地面密集度來度量。 地面密集度分為縱向密集度和橫向密集度?？v向密集度一般用距離標準偏差（或然誤差）與最大射程的比值的百分數(shù)（或多少分之一）表示。橫向密集度一般用方向標準偏差（或然誤差）與最大射程的比值的密位數(shù)表示。目前大口徑地面壓制火炮發(fā)射非精確制導彈藥的縱向密集度可以達到3左右，橫向密集度可以達到1密位左右。 對直瞄射擊火炮，尤其是中小口徑自動炮，射擊密集度一般用立靶密集度來度量。立靶有100m立靶、200m立靶、1000m立靶等。 立靶密集度

5、分為高低密集度和方向密集度。高低密集度一般用高低標準偏差（或然誤差）與立靶距離的比值的密位數(shù)表示。方向密集度一般用方向標準偏差（或然誤差）與立靶距離的比值的密位數(shù)表示。目前小口徑自動炮的200m立靶密集度為1.5密位左右。6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標 射擊密集度主要取決于火炮自身的彈道與結構性能、力學特性等。 射擊準確度是指平均彈著點對預期命中點的偏離程度。射擊精度越高，對目標毀傷的概率就越大。 射擊準確度主要取決于射手操作火炮的熟練程度，以及火炮系統(tǒng)有關儀表設備的狀況。 精確制導彈藥就是通過在彈藥系統(tǒng)中引入制導技術，排除了人工操作和射彈散布的偏差，極大地提高火炮與自動火炮的射擊精度。 6.1 火

6、炮戰(zhàn)術技術指標（3 3）火力密度）火力密度 單位時間內火炮發(fā)射彈丸的數(shù)量稱為火力密度。 一般用發(fā)射速度來描述火力密度。 發(fā)射速度是指火炮在單位時間內可能發(fā)射的彈數(shù)。 發(fā)射速度有分為理論射速和實際射速。 理論射速是指單位時間內可能的射擊循環(huán)次數(shù)。 實際射速是指在戰(zhàn)斗條件下按規(guī)定的環(huán)境和射擊方式單位時間內能發(fā)射的平均彈數(shù)。 實際射速有分為最大射速、爆發(fā)射速（也稱突擊射速）和持續(xù)射速（也稱極限射速和額定射速）。 最大射速是指在正常操作和射擊條件下在單位時間內能發(fā)射的最大彈數(shù)。 爆發(fā)射速是指在最有利條件下在給定的短時間（一般10s30s）內能發(fā)射的最大彈數(shù)。爆發(fā)射速遠大于正常的射速。 持續(xù)射速是指在給

7、定的較長時間（一般1小時）內火炮不超過溫升極限時可以發(fā)射的最大彈數(shù)。 例如FH70式155mm榴彈炮的最大射速為6r/min，爆發(fā)射速為6r/13s，持續(xù)射速為2r/ min（1小時內）。 小口徑自動炮的發(fā)射速度比大口徑地面壓制火炮的發(fā)射速度高23個數(shù)量級。如美國20mm轉管自動炮的理論射速可以達到6000r/ min。 6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標（4 4）彈丸對目標的毀傷效能）彈丸對目標的毀傷效能 彈丸對目標的毀傷效能，是指彈丸在目標區(qū)或對目標作用時，通過直接高速碰撞、裝填物的特性或其自身反應，產生或釋放具有機械、熱、化學、生物、電磁、核、光學、聲學等效應的毀傷元，如實心彈丸、破片、爆炸沖擊波

8、、聚能射流、熱輻射、高能粒子束、激光、次聲、生物及化學戰(zhàn)劑氣溶膠等，使目標處于極端狀態(tài)的環(huán)境中，暫時或永久地、局部或全部喪失其正常功能。 常用指標包括口徑、初速、彈重、殺傷半徑等等。 6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標1.2 1.2 火炮機動性火炮機動性 火炮機動性分為運行的機動能力和火力的機動能力兩個方面。 火炮機動性運行性 + 火力機動性 火炮運行的機動能力是行走能力和對各種運輸方式的適配能力的總稱，通俗地說火炮運動性就是火炮快速運動，進入陣地和轉換陣地的能力。 行走能力，用火炮在不同路面上能夠達到的牽引速度或行駛速度、距離、越障能力等來描述，例如最大牽引速度、公路最大行駛速度、公路平均行駛速度、越

9、野平均行駛速度、水上最大行駛速度、最大行駛距離、最大爬坡度、最大側傾行駛坡度、過垂直墻高、越壕寬等。這對各軍、兵種聯(lián)合作戰(zhàn)非常重要。目前155mm自行，最大行駛速度60km/h左右，過垂直墻高1m左右，越壕寬3m左右，最大爬坡度30左右，最大側傾行駛坡度15左右。 對各種運輸方式的適配能力，是指當部隊進行大范圍或遠距離、特殊的緊急調動時，需要用各種運輸手段實施，如火車、飛機、船只的載運，直升飛機的吊運，對火炮的重量、體積、外形尺寸、質心位置、固定或結合的接口都有明確要求，研制時都應滿足。目前155mm自行炮戰(zhàn)斗全重40T50T。 火力的機動能力，是指火炮在同一個陣地或射擊位置上，迅速而準確地捕

10、捉目標和跟蹤目標并轉移火力的能力。系統(tǒng)的射界、瞄準操作速度和多發(fā)同時彈著是衡量火力機動性的標志。 6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標1.3 1.3 火炮系統(tǒng)反應時間火炮系統(tǒng)反應時間 火炮系統(tǒng)反應時間是指火炮系統(tǒng)工作時由首先發(fā)現(xiàn)目標到火炮系統(tǒng)能開始發(fā)射第一發(fā)炮彈之間的時間。 火炮從受領任務開始到開火為止所需的時間，是衡量火炮快速反應能力的標志。 在戰(zhàn)場上反應快的一方必占優(yōu)勢。 火炮的反應能力主要取決于火炮行軍與戰(zhàn)斗狀態(tài)相互轉換的時間、火炮進入戰(zhàn)斗狀態(tài)時對陣地選擇和設置的難易、射擊諸元求解與傳輸速度、射擊準備(含彈藥準備、供輸彈、瞄準操作)的速度等。 科學合理的結構設計，采用先進的偵察通訊設備和火控系統(tǒng)、隨

11、動系統(tǒng)，是提高火炮反應能力的有效技術途徑。 6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標1.4 1.4 戰(zhàn)場生存能力戰(zhàn)場生存能力 戰(zhàn)場生存能力主要包括偽裝和隱身能力、裝甲防護能力、核生化“三防”能力、緊急逃生能力、迅速脫離戰(zhàn)斗的能力、電子戰(zhàn)信息戰(zhàn)的能力等。 偽裝和隱身能力，主要是采用的偽裝措施和隱身技術。當部隊進行調動、集結和隱蔽待命時，盡量不讓敵方偵察發(fā)現(xiàn)，因此，應有適應環(huán)境的偽裝措施，如穿戴偽裝網，插戴就地采集的樹枝、野草，人員涂抹偽裝油彩等；火炮裝備采用隱身技術，如暴露的金屬表面和光學玻璃，要經過適當?shù)谋砻嫣幚聿粫陉柟庹丈湎麻W亮，火炮裝備的表面增加隱形涂料，采用隱身材料等。把發(fā)射時伴生的聲、光、焰降低到盡

12、可能小的程度。 裝甲防護能力，主要是采用裝甲和襯里防護。對非裝甲的自行火炮采用防盾，在有限的范圍內防槍彈和破片的毀傷，減少膛口沖擊波的傷害。對裝甲自行火炮，能防破片的毀傷。為了降低穿、破甲后的二次毀傷效應，在裝甲車內增加一種特殊的襯里，可以降低車內人員、儀器、設備的毀傷。 核生化“三防”能力，主要是裝備具有“三防”能力的設施。未來戰(zhàn)爭在敵方實施核、生、化攻擊時，自行火炮應具有“三防”設施，以確保能安全地通過核、生、化火炮污染過的地域。 6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標 緊急逃生能力，主要是火炮應具備防火、滅火、抑爆、逃生的功能。遭敵攻擊的一次或二次效應都可能引發(fā)火情，特別是在自行火炮的駕駛艙、戰(zhàn)斗艙內

13、，由于空間狹小、易燃易爆物集中，因而必須有較完善的火情報警、自動滅火系統(tǒng)和消防器材；在設計時采用隔艙化的結構，彈藥艙具有抑爆的技術措施；在結構設計時應使各乘員具有迅速、安全緊急逃生的功能。 迅速脫離戰(zhàn)斗的能力，主要是指為了防止敵方火力及突襲，火炮應具備迅速轉移的能力。當今偵察手段越來越先進，只要火炮一開火就能迅速確定炮位的坐標并實施反擊，因而要能在反擊的炮火到達前迅速撤出到敵炮火威力范圍以外的地域，例如美國正在研制的155mm自行榴彈炮，要求具備在90秒內急速行駛750m。裝備有施放煙幕的系統(tǒng)，形成足夠寬度、高度、厚度、濃度并持續(xù)一定時間的的煙幕，以便自行火炮在煙幕的掩蔽下迅速脫離戰(zhàn)斗。 電子

14、戰(zhàn)、信息戰(zhàn)的能力，主要是為了對抗精確制導火炮的攻擊，火炮要求具備電磁干擾的能力，或發(fā)射誘餌進行誤導、迷盲等。 6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標1.5 1.5 火炮的可靠性火炮的可靠性 火炮的可靠性是火炮質量的重要特征和標志，是火炮的固有屬性，貫穿著火炮全壽命周期?；鹋诘目煽啃砸蟀煽啃浴⒕S修性、安全性。 火炮可靠性是指火炮在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力?；鹋诳煽啃灾笜艘话阌霉收下省⑵骄收祥g隔發(fā)數(shù)、壽命、儲存期限等來度量。 火炮維修性是指火炮在壽命周期內，經過維護和維修可以保持或恢復其正常功能的能力?；鹋诰S修性指標一般用預防維修周期、維修時間、修復時間、保養(yǎng)時間等來度量。 火炮安全

15、性包括操作安全性和設備安全性等。2 火炮全壽命周期費用火炮全壽命周期費用 火炮全壽命周期費用包括研究與研制階段費用、投資與采購（生產與裝備）階段費用和使用與支援階段費用等。 6.1 火炮戰(zhàn)術技術指標6.26.2 火炮火炮系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 1 1 火炮系統(tǒng)分析火炮系統(tǒng)分析 火炮系統(tǒng)分析，就是用系統(tǒng)分析方法來分析火炮，尋求最優(yōu)方案?；鹋谙到y(tǒng)分析，是使用周密，可再現(xiàn)技術的確定火炮各種方案的可比性能。 1.1 1.1 火炮系統(tǒng)分析的任務火炮系統(tǒng)分析的任務 （1）向火炮設計決策者提供適當?shù)馁Y料和方法，幫助其選擇能達到 規(guī)定的戰(zhàn)術技術指標的火炮方案； （2）對火炮設計的不同層次進行分析，提供優(yōu)化方案； （

16、3）對火炮的發(fā)展，選擇，修改，使用提出改進意見。 系統(tǒng)分析者應該不帶偏見，進行公正的技術評估。 1.2 1.2 系統(tǒng)分析的要素系統(tǒng)分析的要素 （1）目標：系統(tǒng)分析的主要任務和目標必須明確； （2）方案：系統(tǒng)分析的目的是選擇優(yōu)化方案，必須進行多方案比較； （3）模型：系統(tǒng)分析確定的是各種方案的可比性能， 必須建立抽象的模型并進行參數(shù)量化； （4）準則：系統(tǒng)分析的過程是選優(yōu)過程，必須實現(xiàn)制定優(yōu)劣評判標準； （5）結果：系統(tǒng)分析的結果是得到最優(yōu)方案； （6）建議：系統(tǒng)分析的最終結果是提出建議，作為決策者的參考意見。 1.3 1.3 火炮綜合火炮綜合性能指標性能指標 系統(tǒng)分析是對系統(tǒng)可比性能進行分析，

17、系統(tǒng)的性能一般應轉化為數(shù)量指標。為了對火炮進行系統(tǒng)分析，通常將火炮的主要戰(zhàn)術技術指標轉化為火炮綜合性能指標。火炮綜合性能指標主要有效費比、威力系數(shù)、金屬利用系數(shù)、沖量系數(shù)等。 （1 1）效費比）效費比 效費比（也稱相對價值），是以基本裝備為基準，經過規(guī)范化的，火炮系統(tǒng)的相對戰(zhàn)斗效能與相對壽命周期費用之比。即 CEW 式中：W相對價值；E以基本裝備為基準經過規(guī)范化的相對效能；C以基本裝備為基準經過規(guī)范化的相對費用。效費比綜合評定不同火炮的性能，應用比較廣泛。6.26.2 火炮火炮系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 （2 2）威力系數(shù)威力系數(shù) 威力系數(shù)是炮口動能與火炮口徑的三次方之比。即 式中： 30dEC C威力

18、系數(shù)； 20021mVE 彈丸炮口動能；m彈丸質量；V0炮口速度；d口徑。威力系數(shù)主要揭示火炮內彈道性能，用以評定火炮威力。6.26.2 火炮火炮系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 （3 3）金屬利用系數(shù)金屬利用系數(shù) 金屬利用系數(shù)是火炮炮口動能與全炮戰(zhàn)斗狀態(tài)質量之比。即 式中： ZEmE0E金屬利用系數(shù)；E0炮口動能；mz全炮戰(zhàn)斗狀態(tài)質量。金屬利用系數(shù)主要反映金屬材料利用程度，揭示威力與質量的矛盾關系。6.26.2 火炮火炮系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 （4 4）沖量系數(shù)沖量系數(shù) 沖量系數(shù)是火藥氣體作用在后坐部分的全沖量與火炮戰(zhàn)斗狀態(tài)質量之比。即 式中： ZpImI001)(VmmWmITwTpI 沖量系數(shù)；火藥氣體作用全

19、沖量；m0后坐部分質量；WT最大自由后坐速度；m彈丸質量；m裝藥質量；火藥氣體作用系數(shù)；T炮口制退器效率；V0炮口速度；mz火炮戰(zhàn)斗狀態(tài)質量。沖量系數(shù)主要反映結構設計合理性。6.26.2 火炮火炮系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 2 2 火炮系統(tǒng)分析方法火炮系統(tǒng)分析方法 火炮系統(tǒng)分析方法主要包括系統(tǒng)技術預測和系統(tǒng)評估與決策兩個方面。2.1 2.1 火炮系統(tǒng)技術預測火炮系統(tǒng)技術預測 火炮系統(tǒng)技術預測，是預測現(xiàn)有火炮（零部件）其特性及行為。 火炮系統(tǒng)技術預測方法主要有幾何模擬法、物理模擬法、計算機仿真法、虛擬現(xiàn)實法等。 幾何模擬法，是從結構尺寸上，用模型模擬實體，可以是實物幾何模擬，如木模等，也可以是計算機實體造

20、型，主要分析實體的造型，結構模式，聯(lián)接關系等。 物理模擬法，是根據(jù)量綱理論，用實物或縮尺模擬實物的動態(tài)特性。 計算機仿真法，是應用動力學理論、建立數(shù)學模型，應用計算機求解、分析火炮系統(tǒng)動態(tài)特性，并用動畫技術進行動態(tài)演示。 虛擬現(xiàn)實法，是利用多媒體技術，造就和諧的人機環(huán)境，創(chuàng)造嶄新的思維空間、逼真的現(xiàn)實氣氛，模擬系統(tǒng)的使用環(huán)境及效能。6.26.2 火炮火炮系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 2.2 2.2 火炮系統(tǒng)火炮系統(tǒng)評估與決策評估與決策 火炮的研制過程是一個擇優(yōu)的動態(tài)設計過程，又是一個不斷在主要研制環(huán)節(jié)上評價決策的過程?；鹋诘脑u價決策與研制過程中結構優(yōu)化設計不同處在于：它是對經過多種方法優(yōu)化提出的多方案的評

21、價；它是系統(tǒng)的高層次綜合性能評估。決策的目的和任務是合理決定火炮的戰(zhàn)術技術指標，選擇方案，以最經濟的手段和最短的時間完成研制任務。因此要有評價方法。顯然，評價方法應能對被評系統(tǒng)做出綜合估價（綜合性），同時評價的結果應能反映客觀實際并可度量（代表性和可測性），最后方法應簡單可行（簡易性）。 火炮全面評價（不再區(qū)分方案與產品），應是性能（或效能）、經濟性（全壽命周期費用）兩方面的綜合評價，即通常所說的“效費比”。根據(jù)需要，性能和經濟性評價也可分開進行。 評價作為一種方案的選優(yōu)方法或者作為提供決策的參考依據(jù)，不可能是絕對的。但評價方法的研究會促使決策的科學化，使考慮的問題更加有層次和系統(tǒng)，減少盲目性

22、和片面性。 火炮系統(tǒng)評估與決策方法主要有效費比分析法、模糊評估法、試驗評價法等。 6.26.2 火炮火炮系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 （1 1）效費比分析法）效費比分析法 效費比分析法，也稱綜合指標法，是對能滿足既定要求的每一火炮系統(tǒng)方案的戰(zhàn)斗效能和壽命周期費用進行定量分析，給出評價準則，估計方案的相對價值，從中選擇最佳方案。 效費比分析的主要內容包括：任務需求分析，不足之處和可能范圍分析，使用環(huán)境分析，約束條件分析，使用概念分析，具體功能目標分析，系統(tǒng)方案分析，系統(tǒng)特性、性能和效能分析，費用分析，不定性分析，最優(yōu)方案分析，預演，簡化模型，效能與費用分析報告等。 效費比分析的主要關鍵是模型的建立，及其定量化描述。6.26.2 火炮火炮系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 （2 2）模糊評估法）模糊評估法 法模糊評估法，是應用模糊理論對系統(tǒng)進行評估選擇較優(yōu)方案。火炮中常有一部分定性要求如結構布局、外形、防護措施等無法定量，只能以好、較好等模糊概念評價。模糊數(shù)學評價實質是將這些模糊信息數(shù)值化進行評價的方法。這種方法對系統(tǒng)復雜，評估層次較多時也很適用。 設有方案集VRm，