第1章绪论
1.1背景和意义
车载火炮武器（简称车载炮）是火炮、弹药、轮式军用卡车底盘与信息化系统有机组合而形成的一类轮式自行火炮，在高机动、低成本、大威力、高精度、轻量化、远程化、高可靠性、人机环等方面具有独*的优势。车载炮武器系统是围绕车载炮有效作战使用而组成的包括侦察、指挥、通信、打击（车载炮）、评估、保障等装备在内的有机集成系统。
车载炮是20世纪90年代迅速发展起来的一类新型火炮武器，与同类火力的履带/轮式装甲自行火炮、牵引火炮相比，其战略机动性、越野机动性、行战/战行转换、快速反应能力、打击威力、列装成本、使用维修性能等方面具有非常高的使用效能。通过与信息化的有机融合，发扬高机动性和高侦察水平，可换取车载炮战场生存能力的不足。采用载荷分离技术，让发射载荷不经底盘轮桥系统直接传递至地面，使车载炮与所采用的底盘具有相同等级的机动性和可靠性。通过控制弹丸发射过程中状态参数的概率密度演化规律，降低弹丸飞离炮口的扰动，提高了车载炮发射非控弹药的打击精度。特别是，车载炮不受弹药装填空间限制，能发射长度较长的精确制导弹药，使其既能对点目标、移动目标进行精确打击，还能对装甲目标进行有效打击，大大提高了火炮的作战威力，扩大了火炮的使用面。上述车载炮所具有的综合优势得到了世界各国，尤其是军事强国的青睐，使车载炮成为一种现代高机动、信息化、自动化的火炮武器装备。
为了提高车载炮总体设计水平，提升我国车载炮国际竞争力，实现车载炮在高机动、低成本、大威力、高精度、轻量化、远程化、高可靠性、人机环等方面的独*优势，又好又快地创新我国车载炮工程实践，为广大火炮技术从业者提供服务强大国防的能力和手段，本书就是在这样的背景下，经过7型车载炮的工程实践和近20年的理论、方法和试验等方面的凝练和总结，形成了现代车载炮总体设计理论和方法。
1.2车载炮的特点
车载炮具有以下显著的优点：
（1）战术和战略机动性好。车载炮行驶平稳，操作方便，平均公路行驶速度在80km/h以上，这一速度远远高于履带式自行炮。车载炮具有良好的战术机动性，无道路越野的速度在30km/h以上，*大续驶里程在600km以上。今天许多国家的公路网十分发达，非常适宜于车载炮高速机动。另外，车载炮的外形较小、质量轻，能通过各种大型运输机运送，大大缩短了各战区间武器运送时间，具有良好的战略机动性。例如一架C130大型运输机能运送2门“凯撒”（CAESAR）155毫米车载炮，或1门“凯撒”155毫米车载炮和1辆“凯撒”155毫米弹药输送车。
（2）可靠性高、维修性和耐久性好。军用越野底盘的可靠性高、寿命长，在越野工况条件下，行驶无故障里程在3000km以上。由于车载炮采用越野卡车底盘，部队使用和战场维修费用较低，耐久性好。
（3）易实现发射载荷与机动载荷的分离，大大提高系统的可靠性。车载炮用卡车底盘为非承载式底盘，可以通过结构设计使发射载荷不经底盘的车轮结构直接定向自适应传递到地面，减少了发射载荷对底盘的作用。
（4）研制周期短、价格便宜和使用成本低。车载炮通常是成熟底盘与制式火炮的合理结合，它的构造比较简单，一般在2年之内就能完成研制，因此其研制和生产费用较低。车载炮所选用的军用卡车生产量大，每个零部件的成本较低，使得车载炮的使用维护成本也较低。
（5）噪声小和乘员舒适性好。由于车载炮采用的是轮式底盘，乘员舒适，且噪声小，有利于提高和保持乘员的体力，提高战斗力。
（6）信息化程度高。由于有动力，使车载炮实现信息化成为可能。火控系统能在第一时间解算获得火炮射击诸元，通过操瞄自动化快速赋予身管射向。车载炮可以采用模块化设计，对信息化设备实行高、中、低三种配置。高端配置，可以安装信息化程度高的惯性导航设备，通过输入或通过卫星获得车载炮起始运动位置信息，实现车载炮全程定位定向。中端配置，可以安装数字化方向盘，使火炮进入阵地后通过数字化方向盘与数字化周视镜进行对瞄，从而确定车载炮的位置和方向信息。低端配置，可以在车载炮上安装双卫星定位系统，建立基于卫星的定位定向模型，由软件通过差分计算，获得车载炮的位置和方向信息。
车载炮具有以下缺点：
（1）防护性能差。车载炮的缺点是没有炮塔，火炮发射时人员暴露在外，防护性能差。防护主要包括对弹片、枪弹、地雷和路边炸弹等的防护，以及对人员进行冲击波的防护。尽管车载炮也可以对驾驶室进行装甲化加强，但与装甲自行火炮相比，其防护性能薄弱。经装甲强化的车载炮驾驶室仅能抗一些低动能的弹片；在阵地发射时，由于人员在驾驶室外操作，不具备对弹片、枪弹等的防护能力。同样，由于炮手在车上或地面上发射，这些炮手位置没有设置防炮口冲击波的封闭空间，因此车载炮对炮手抗冲击波的防护性能较差。
（2）自动化程度低。由于车载炮结构上的限制，目前除了瑞典的“弓箭手”（ARCHER）155毫米车载炮、捷克的“达纳”（DANA）152毫米车载炮和塞尔维亚的B52（NORA）155毫米车载炮具有带一小炮塔的自动供输弹系统外，其余的车载炮基本采用人工供弹的半自动输弹系统，而“弓箭手”为了实现自动化致使其总体设计非常不合理。因此，与具有全自动功能的自行火炮相比，车载炮的自动化程度较低。
随着科学技术的不断进步，自动化程度较低的缺点相信能很快被克服，使车载炮成为全自动化的装备，将炮手从繁重的体力活动中解放出来，提高装备的作战效能。同时可增加主动防护系统来提升车载炮的主动防护能力，亦可通过操作流程的智能化实现快打、快撤，提高车载炮装备在战场的生存能力。
1.3车载炮研制过程中的技术难点
要发扬车载炮的上述优点，需要有一个优异的车载炮总体设计方案，也需要有支撑实现优异总体设计方案的核心关键技术。为此，在车载炮总体方案设计时，需要密切关注以下几个技术问题。
（1）总体方案构型的选择。总体方案的构型是指车载炮射击方向、炮手操炮、射击功能、射击性能等与底盘相互关系的总和，构型选择是能否发挥车载炮性能的关键。相对于机动行驶方向，车载炮的射击方向主要有两大类，一类与行驶方向相同，另一类与行驶方向相反。第一类车载炮的优点是行军转换到射击状态时，炮手比较习惯于与机动行驶相同的方式进入阵地，无需过多地进行大范围调炮，行军战斗转换时间短、系统反应速度快，在行军通过狭窄通道遭遇敌军需要运用火力时，火力压制反应迅速，总体结构布置比较合乎人们的习惯。第二类车载炮的优点是总体设计比较简单，回避了冲击波作用下驾驶室和结构的强度问题，也能实现零度直射功能。第一类车载炮设计的难点是要解决驾驶室和车体结构的抗冲击波设计、防冲击波车身重量对前桥载荷的影响、火线高对炮手在地面操炮功能的影响、火炮前向直射功能与结构防护的矛盾等。第二类车载炮的缺点是由于车载炮回转部分要进行大范围（180°）调炮，行军战斗、战斗行军转换时间较长，虽具有直射功能，但平射弹道高（超过两米），同时炮手只能站在车体上操炮，致使底盘晃动影响瞄准精度，导致射击精度，尤其是方向射击精度的下降，同时还会带来炮手射击时无遮挡、安全性差等不利因素。
国内外大量的车载炮工程实践表明，由于第一类车载炮总体结构方案形态能大幅提升车载炮的总体性能，但涉及的核心关键技术也*复杂，因此本书将基于第一类总体方案来讨论车载炮的总体设计。
（2）车炮共用和变拓扑结构的总体设计方法。底盘的行驶功能与火炮的发射功能是两种完全不同的工况条件。例如，高机动需要系统质量轻，且离地间隙高；高射击精度需要系统有足够大的稳定质量，且火线高要低；车炮在功能上存在结构性的矛盾。这就要求在车载炮总体设计阶段，根据车载炮的功能要求进行剖析分解。针对功能相融的结构体系，如车炮架结构等，采用车炮结构体系共用、性能优化的设计方法，实现体系的一体化设计，形成功能融合紧凑、性能优越的车载炮总体。针对功能不相融的结构体系，如越野机动性与射击稳定性等是一对结构性的矛盾，采用变拓扑结构设计，释放设计自由度，使车载炮在行驶和发射工况下具有不同的构型，实现车炮功能在时间和空间上的解耦设计，化解车炮在原理上出现的结构性矛盾。针对性能时变的结构体系，如输弹卡膛力和卡膛深度变化等，构建车载炮全寿命运用过程中输弹、卡膛动力学模型，实现卡膛深度的自适应控制；通过建立弹丸运动状态时变概率密度演化模型，获得全寿命周期稳定的射击精度，形成模型驱动、性能综合优化的设计方法。通过车炮共用和变拓扑结构的总体设计，变革车载炮“车+炮”的固有总体设计模式，释放车载炮总体设计的自由度。
（3）基于质量约束的轻质驾驶室抗冲击载荷设计。驾驶室通过悬置安置在前桥附近的车架大梁上，其质量大小对前桥载荷影响极大，为了提高车载炮的机动性和可靠性，前桥载荷又不能超过其许允载荷。驾驶室受三种冲击载荷的作用： 一是受弹丸飞离炮口引起的冲击波场的作用，冲击波强度与炮口压力、炮口制退器结构形式、距炮口的位置有关，还与冲击波与结构的相互作用有关，驾驶室抗冲击波设计会增加驾驶室的质量；二是防枪弹和榴弹碎片冲击动量的作用，为了乘员和设备的安全，驾驶室需要进行防弹设计，防弹设计会增加驾驶室的质量；三是防地雷和路边炸弹的冲击波作用，同样为了乘员和设备的安全，驾驶室底部也需要进行防冲击波设计，这种设计同样会增加驾驶室的质量。满足冲击载荷作用下驾驶室结构的刚强度设计需要增加质量，满足前桥*大允许极限载荷设计需要减少质量，完成相互矛盾工况条件下的设计目标是车载炮总体设计的技术难题。
（4）发射与行驶工况底盘载荷分离设计。军用卡车的轮桥承载在4吨/5吨/6.5吨级，而155毫米车载火炮的发射缓冲载荷在50吨级，远远超出6×6、8×8底盘的承载能力。履带/轮式装甲自行火炮的发射载荷直接通过其轮桥系统传递到地面，车载炮若亦采用此类设计模式，必然会导致底盘轮桥结构可靠性下降。若车载炮满足底盘承载设计要求，则其越野机动性是有保障的；若发射载荷不经轮桥系统传递，则底盘的越野可靠性也是有保障的。为此需要发展一种将发射与行驶两种工况下底盘轮桥系统免发射载荷作用的分离结构设计方法，在车载炮发射载荷传递到一体化车炮架时，通过旁路增加与任意地面工况自适应、可协调、直接传递地面上的液压载荷传递机构，确保发射载荷不影响车载炮的机动性和可靠性，从而实现系统整体与底盘分系统具有相同量级的机动性和可靠性。为了提高射击稳定性和行驶机动性，需要采用可升降、可闭锁的液压油气悬架设计，实现底盘高度的可升降；发射时将油气悬架置于低位、降低火力线高度，闭锁油气悬架，使系统簧下质量成为稳定质量，实现对射击稳定性、炮身角运动、射击前后系统姿态变位等的有效控制；机动和机动遇障时分别将油气悬架置于中位和高位，提高底盘离地间隙，实现越野的高机动性能。
（5）高射击稳定性和高射击精度的体系化设计。高机动车载炮需要系统重量轻，这与系统高射击稳定性和高射击精度是一对矛盾的设计目标。为此，首先需要创新火炮高射击精度设计方法，构建火炮发射从膛内到空中飞行全过程弹丸状态参数概率密度演化方程，建立弹丸状态参数在物理空间和概率空间之间的映射模型，结合外弹道理论辨识影响射击精度的弹丸炮口状态参数和本征参数，并获得满足射击密集度要求的参数误差（单因素和综合因素）的包络空间；基于弹炮耦合动力学方程，辨识影响弹丸炮口状态参数的火炮关键参数（包括弹丸初始状态参数），基于概率密度演化方程优化得到火炮关键参数名义值和误差包络空间，为火炮的高射击精度设计提供技术路径。其次需要创新控制弹丸膛内运动一致性的设计方法，通过采用高刚度、自协调、紧凑型输弹机来控制弹丸膛内运动初始条件的一致性，实现弹丸卡膛状态的一致性；为了控制弹带塑性大变形后出现翻边影响弹丸飞行空气动力特性，需要揭示输弹机安装位置对弹带塑性翻边的影响规律，探寻控制弹带保形一致性的输弹机安装位置的有效区间；为了控制弹丸前定心部与身管内膛间由于弹丸章动引起的碰撞，需要构建相应的实验验证系统，提
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