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详解美军M1系列坦克火力系统 为何一直沿用人工装填


时间:2018-12-07 17:00:29 来源:网络

纵观M1、M1A1(包括M1A2)坦克火力系统的技术特点,无不充满着“汉堡”式的美国味。整个火力系统就像一个大汉堡,火炮、火控等各个分系统都是分别研制,然后经过匹配安装,最终形成一套系统,这与美国M1A1坦克使用的LV-100动力系统的集成化研制思路大相径庭。

主要武器

M1坦克的主要武器,经过两次选型。第一次是M1坦克时期的105线膛炮,第二次是M1A1坦克上选用的120滑膛炮。

在M1坦克研制期间,主要武器选用了与M60坦克相同的M68型105毫米炮,这款炮实际上就是英国L7A1型线膛炮的美国版,由沃特福利特兵工厂生产。M68A1型炮身管长度为51倍口径,火炮寿命1000发。与它的基础型M68相比,增加了炮口的校炮装置和身管热护套。经过测算,在沙漠环境中,由于阳光照射和热胀冷缩的原因,火炮顶部朝阳而底部背阴,火炮身管不同位置的温差达到3.5℃,而就是这不到4℃的温差,能够使火炮在对1000米距离的目标进行射击时,俯仰误差达到1米。

M68A1型火炮的炮架和反后坐装置也做了适当的改进设计,改进后的火炮后座长度为305~330毫米。而炮身不仅减轻了重量,同时也提高了可靠性、简化了维修程序,过去需要16个小时完成的大修,改进后仅需要5个小时。

虽然M68A1型坦克炮已经优于同期北约国家广泛使用的L7A1型105线膛炮,但由于线膛炮设计理念落后、使用寿命短、弹药威力逐渐显现不足等原因,最终在M1A1坦克上,采用了德国莱茵金属公司设计的Rh120型滑膛炮。在装配以前,该炮也经过改进,比较明显的是炮尾零件数量从德国原型炮的192件减少至美国生产型的145件。以此形成美国量产版的M256型120毫米滑膛炮。

美国改进炮尾主要是为了减少加工复杂程度,从而尽量降低生产成本,而Rh120型滑膛炮作为一款成功的坦克主要武器,是继英国L7A1型炮之后,又一款被广泛应用于北约各国主战兵器的火力系统。

Rh120型滑膛炮加工时的主要技术特点是,身管采用高强度、高韧性电渣重熔钢,并采用身管自紧工艺制造,在身管寿命和射击精度方面达到了较高水平。经过测算,Rh120型滑膛炮设计的最大膛压是710兆帕,强大的膛压能极大提高火炮发射后的所谓身管自紧工艺。通俗地讲,由于火炮在发射时,火药会在身管内形成高温高压,这将影响坦克炮的射击精度和火炮身管的使用寿命。

于是就利用金属热胀冷缩的特点,在加工火炮身管时,将原有的一根炮管做成粗细不同的两根身管,然后在不同的温度下,将较细的身管装进较粗的身管当中,当两根身管恢复到常温状态时,外部身管将紧紧地包裹住内部身管,被称为“被管”,内部身管则被称为“内管”,冷却后的被管长期给内管一个向火炮中心的压力。在火炮发射时,火药的巨大膛压作用在火炮内管上,其中一部分膛压会被被管的压力抵消掉,以此减小内管承受的膛压,从而达到减少膛压对身管形状影响、提高射击精度的目的。

“巨型汉堡” —M1系列坦克的火力系统

发射弹药造成的强大压力势必造成内膛烧蚀的问题,所以Rh120型滑膛炮采用瑞士提供的内膛镀铬技术,解决身管寿命的问题。在各国基于Rh120型滑膛炮推出的量产型火炮中,虽然在内膛镀铬、身管加工等技术细节方面,各国根据自己的实际情况进行了改进,但药室结构都是严格按照标准图纸加工的,这就确保了在作战、补给时各国坦克采用弹药的一致性。在炮身设计方面,由于Rh120型滑膛炮结构的成熟性得到国际坦克界的普遍认同,就连俄罗斯在设计125毫米滑膛炮时,驻退机都借鉴了类似结构,由两个独立的、相互对称的驻退机组成。

基于Rh120型滑膛炮改进而来的M256型滑膛炮,身管为44倍口径,发射时炮口动能为10兆焦,比M1坦克采用的M68A1型线膛炮提高了60%。口径增大随之带来的膛压提高,使其发射的穿甲弹威力显著增强。据实战检验,在1991年的海湾战争中,一辆M1A1坦克发射出一枚穿甲弹,弹丸先穿过一堵防护砂墙后,随即从正面击穿一辆伊拉克军队的T-72坦克,最后弹丸从车后部钻出。如此强大的威力和攻击效果,足以令国际坦克界震惊。在M1A1坦克面前,任何苏制第二代主战坦克均处于“无险可守”的境地。

虽然M1A1坦克改进后的火炮,由于受到火药配方和镀铬工艺等方面的影响,身管寿命由1000发降至500发,但根据一辆车40发弹药计算,一根火炮足以支撑10个以上弹药基数的使用需求,而一辆车在经过10次较大规模的战斗后,也将进入维修和保养阶段,况且每次参加实战,可能还打不完一个基数的弹药。虽然火炮寿命降低了,火炮的生产成本也随之降低,但火炮寿命在实战当中仍是够用的,这样处理成本与装备使用寿命的关系,也体现着设计者的智慧。

装填方式的舍与得

今天我们看到的M1A2坦克,采用的是人工装填方式。与自动装填方式相比,人工装填的缺点是射速较慢、安全性差。但在实际使用中,不仅要考虑作战阶段的使用,还要考虑坦克在日常维护和保养阶段的需求。

在是否保留第4名成员,即装填手的问题上,美国陆军始终认为,4人车组不仅在坦克保养与维护时,能够减轻每一位车组乘员的工作量,还可以在作战时减少每一名成员需要处理的信息量,这对坦克率先发起攻击是有好处的。在是否使用自动装弹机的问题上,可以凸显出美苏两个系列坦克的不同设计思路。

从M1A1坦克开始,美国主战坦克强调的就是“一击命中、击中必毁”的攻击原则,所以在火控系统上下了很大功夫,而且穿甲弹弹丸质量也普遍高于其他国家。美军更多依靠坦克打出的第一发弹消灭敌人,因此对于射速的要求就排在火控性能之后。

使用人工装填方式的M1坦克,弹药选择方式却是自动化的

在工作时,装填手采取站立姿态,这在一定程度上增加了坦克的高度,如果采用16~18发的尾舱式自动装弹机,是最容易降低坦克高度的设计。但是在新的地面战场上,火控系统的进步和空中对地打击新手段的出现,又使得坦克之间并不太明显的高度差变得不那么重要。再加上当时计算机技术限制较多,装弹机可靠性问题始终得不到解决。所以,美国M1坦克在后来的改造与升级中,就没有继续坚持自动装弹机的方案,这就是我们今天看到的世界上最好的主战坦克继续采用人工装弹的原因。

与之相比,采用自动装弹机的苏式坦克正是由于火控系统处于劣势,所以急需通过提高射速来弥补首发命中率不足的特性。我们暂且称苏联坦克采用的自动装弹机为“俄罗斯轮盘”。

从理论上讲,由于M1坦克采用的120毫米火炮口径比苏联(俄罗斯)坦克普遍采用的125毫米火炮略小,所以M1坦克自动装弹机每一部机构总成的重量比“俄罗斯轮盘”装弹机要轻得多,而且经过叠加后,装弹机尺寸也小的多,再加上M1坦克本身炮塔较高,所以内部空间能够布置得开。但是美国M1A1坦克的设计者们却没有采用这种轮盘式结构的自动装弹机,而是自主研发了另一种形式的弹舱式装弹机。

早在20世纪80年代中期,美国曾经设计出适用于M1A1坦克的自动装弹机——类似左轮手枪的旋转式弹仓。它由两个方向对置、设计相仿的弹仓组成,每一个弹仓分为内外两层,内层装有6枚炮弹,外层装有12枚炮弹,两个弹仓共能储存弹药36发。由于采用这种类似蜂窝结构的集成,使得每发炮弹的弹筒之间并没有采用支撑板件,而是依靠自身结构相互之间形成了刚性可靠的支撑结构。装弹机被布置在炮塔尾部两侧,这部分空间原本的用途就是存放弹药,因此原先在炮塔尾舱顶部预留的两个泄压门设计也没有浪费,而且炮塔内采用隔舱化设计,两个弹药仓之间被一块实心装甲板隔开,这项设计最大的价值就是万一M1A1坦克装甲被击破,弹药室被引爆弹药的巨大能量能够顺着炮塔顶部的泄压门散出,而另一个弹药仓仍能继续使用。这对提高乘员的安全性和车辆的作战能力具有很高的使用价值。

与“俄罗斯轮盘”采用分装式弹药不同的是,两部弹仓被直接横置于炮塔内,这种设计最大限度地保留了炮弹的完整性。保留炮弹的完整性有多重要?这是提高坦克炮穿甲威力的一个有效途径。由于分装式弹药在装入炮膛内以后,装满推进药的主药筒与装有推进药、弹芯的副药筒之间存在一个很小的间隙,这个间隙在开火时,会消耗掉一定量火药爆炸时产生的能量,但分装式弹药却解决了如何在外形较为低矮的坦克车身内,布置较大口径火炮弹药的难题。如果125毫米火炮采用整装弹药的话,在车内是很难布置的。

虽然分装式弹药存在先天不足,但采用这种装填方式的坦克,能够适应更大口径火炮的装填需要。口径加大意味着炮弹药室容积加大,多出来的装药量又在一定程度上弥补了分装式弹药的不足。所以,既不能因为有主副药筒之间的间隙,就武断地否定分装式弹药的性能;又不能因为分装式弹药的优势和特点而一味地加大火炮口径。

M1A1坦克的自动装弹机搭配的是120毫米口径火炮的整装弹药。操作人员通过由传感器获得并传输到监视器上的数据掌握车内弹药情况,并通过遥控设备控制装弹机的运行。而在其他自动装弹机中,需要装填机先对弹药架中的弹药进行检索,再寻找所需要的弹药。选定弹药以后,通过大量电动和液压驱动装置,将弹药装进炮膛。顺应复杂的机械动作,大量采用电动和液压驱动部件,是美国坦克设计的一大特点。

M1A1坦克的“左轮手枪”式装弹机结构比“俄罗斯轮盘”要简单的多。虽然在计算机大行其道的今天,机械结构稍微复杂一点,对可靠性的影响不再那么大。但是在20世纪80年代中期,自动装弹机都是使用继电器控制,所以在自动装弹机的研制过程中,比设计和加工更难的是程序的编排。一套可靠的程序仅仅依靠周密的人工计算远远不够,还需要成千上万次的试验,发现在不同工况下可能出现的问题。最终将故障率控制在低于5‰。而在这个漫长的过程中,空装、卡弹都是家常便饭,修改程序的工作也是枯燥无味。当然,这种情况随着后来计算机的运用迎刃而解,但M1A1坦克在确定火力系统各个部件方案时,却没赶上计算机技术普及的春天。

启动状态下的M1坦克前视图

火控系统

M1坦克采用美国休斯公司研制的火控系统。在M1坦克研制之初,原本计划使用指挥仪式火控,但是根据总体部门给出的指标,火控系统的成本不得超过坦克总体成本的23%,而且火控系统的性能指标又不能下降。于是,设计部门就在火控系统的功能方面想了一些折中的办法。

根据国际三代坦克设计惯例,评判现代火控系统功能是否全面的标准有八大指标:一是昼、夜、测距三合一瞄准镜;二是YAG激光测距仪;三是热成像仪(夜间和肉眼可见度低的情况下使用);四是车长和炮长使用的双向独立稳定的瞄准镜;五是数字式火控计算机;六是多种弹道修正传感器;七是火炮双向稳定器;八是指挥仪式瞄准控制方式。

目前,以德国豹2坦克的火控系统最为完善,所以它也被很多国家作为火控系统的标杆。这八大指标所需技术已经基本被美、俄、英、日、法、意等国掌握,只是由于各国对坦克的设计理念不同,在一些细节上有所差异。比如,一般坦克的火控成本占全车成本的40%,而M1坦克为了降低成本,火控仅占全车成本的20%左右,这就使得车长没有配备瞄准镜,仅通过光学手段将炮长瞄准镜中的信息模拟传递给车长,而且炮长的指挥仪式瞄准镜也只能上下稳定,不具备方位向稳定功能。所以,战场上遇到了M1坦克时不要慌,只要保持加速度从炮口面前跑过即可,它根本反应不过来。

M1A1坦克是参与过实战的坦克当中,采用激光测距仪、热成像夜视仪等先进成果组合起来的综合火控的早期装备,并拥有击毁苏式坦克的傲人战绩。M1A1坦克采用的激光测距仪探测范围为200~7990米,当目标距离坦克2000米以上时,会存在10米以内的误差。由于有了计算机帮助识别目标,炮手主瞄准镜的显示器对超过攻击距离的目标显示方式也有所不同。由于当时的反坦克导弹攻击距离一般在5000米左右,但只有在4000米距离内才能对M1坦克构成威胁,所以M1坦克的精确观测临界点就设置在4000米。在观测4000米以内的目标时,观测结果会显示在炮手显示器上,并且炮手显示器与计算机联网,每一个目标的数据会实时输入计算机,帮助火炮调整姿态、修正弹道。当观测距离超过4000米时,目标数据仅以闪烁的数字显示在炮手主瞄准镜的距离显示器上。早在20世纪90年代初,美国对火控系统的可靠性就有极高的要求,M1A1坦克火控系统平均故障时间是1800小时,并且装有故障自检装置。

结 语

在坦克动力系统上,美国采用的思路是安装一个高集成化的动力包,主要原因是对于动力系统而言,在可靠性不降低的前提下,只要性能指标能满足需求,就不需要进行太大的改进和更换;当性能指标不足以满足需求时,只要一套新的动力方案替代即可。而对于火力系统而言,引进德国火炮,实行国产化,在技术要求上虽然较高,但可以在容易掌握和消化的部件上节省大量研发成本;火控系统坚持自主研发,是因为随着电子科技的进步,火控系统的部件要不断升级更换,如果单纯依靠进口容易受制于人。

美国M1系列主战坦克为我们全面演释了一套独具美国风格的第三代主战坦克研发的管理思路,他们没有集中力量去组织大规模的各项技术攻关,也不像有些国家分系统几乎全靠买,而是巧妙地借助外力,同时坚持关键部件的自主性。M1可谓坦克工业的成熟之作。(作者署名:军事文摘)

版权声明:本文刊载于《军事文摘》杂志2018年第4期,如需转载请务必注明“转自军事文摘微信号(mildig)”。

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