乘车战斗系统加装桅杆式瞄准装置的设计论工程设计与系统战斗力提高的关系

张强 赵战龙 张晨然

摘 要：针对当前反恐怖作战特点和城市作战的需要在战斗车辆上加装桅杆式瞄准装置，提高乘车战斗系统的观察能力和作战力量。桅杆式的观瞄系统的原理主要是结合保罗II式棱镜转像望远系统和 “上反”稳像式系统的原理设计的，设计的光路集合了两种光路的优点，主要体现在结构简单、光路清晰、稳定视场大，能得到较大的潜望高度等优点。乘车战斗系统加装桅杆式瞄准装置，可增强战斗车辆的观察能力，进而加强打击和防护能力。

关键词：工程设计；系统；战斗力

中图分类号：E9 文献标志码：A 文章编号：1673-291X（2014）04-0211-04

引言

在信息化条件下，随着社会进步和科学技术的发展，特别是高新技术迅猛发展并在军事领域广泛应用，提高战斗车辆的作战能力尤为重要。城市作战的残酷性，使强者与弱者的力量趋于平衡，模糊了进攻方和防守方的实力差距。在最近十几年的几次局部战争和维和行动中，“陆战之王”在城市巷战中屡屡失利，损兵折将，虎威渐失。巷战是战斗车辆和主战坦克的“坟墓”这种说法一时之间沸沸扬扬，铺天盖地。这些新情况和新需求引起了各国战斗车辆设计者的高度关注。城区巷战中，主战坦克之所以处处受挫、威风不再的原因是多方面的。对坦克城区作战重视不够、训练不足，战术指挥失误、协同配合不力等等都是影响因素，然而更为重要和根本的原因在于坦克自身的结构设计。适合平原地带集群对抗、高速突击作战的主战坦克，在城镇街巷这一特殊的作战环境下“英雄无用武之地”也是情有可原的。从这个角度来看，坦克经过组件升级和城市化作战改造后，能够满足和适应城市巷战要求应是顺理成章的事。坦克真的没用了吗？答案正好相反！坦克在城市战里不是没有用处，而是非常有用！

虽然坦克在城市战中很有用，但是随着技术的进步，特别是单兵武器的进步，城市巷战变得更复杂艰巨，这都对参与巷战的“陆战之王”提出了更高的要求。城市作战的频繁对单兵单车的作战提出了更高的要求，尤其是面对复杂的环境，反恐怖作战部队在乘车战斗过程中对战斗车辆周围的盲区不能实施有效的观察和打击；特别是在巷战中，由于盲区过大不便及时发现敌人，造成重大的损失。如何提高战斗车辆的打击范围，缩小战车周围的盲区，减少人员和车辆的损失，直接影响作战的成败，进而关系到乘车战斗系统保障能力的提高。

战场上由于乘车战斗系统的盲区导致损失战例很多，特别是伊拉克战争，多国战斗车辆被武装人员潜近盲区，利用乘车战斗系统的这一弱点，屡屡遭到袭击。目前，一些国家已经开始研究，特别是德国的“豹”2 维和行动车和以色列“梅卡瓦”4型主战坦克都被成为“巷战之王”，其原因是都在车体四周安装摄像机能够有效提高车组在闭窗行驶情况下对周围环境的观察能力。因此，为了适应城市作战的需求，给乘车战斗系统加装桅杆式瞄准装置，提高战车的作战需要对军队目前尤为重要。

一、加装桅杆式瞄准装置的作用

一是面对城市作战，在乘车战斗过程中对战斗车辆周围的盲区不能实施有效的观察和打击；特别是在巷战中，由于盲区过大不能即时发现敌人，甚至造成重大的损失。加装桅杆式瞄准装置可以增大战斗车辆的观察能力，车长通过1∶1的观察镜（潜望镜）可很好地解决全周观察问题，为城市作战提供战斗力；二是加装桅杆式瞄准装置可以使车长在发现敌人时，充分利用低洼地和山坡背面的地形，常常由车长一人在不熟悉的地形中进行观察，车辆的其余部分处于隐蔽状态；这样可以提高战斗车辆的安全性，并且及时发现敌方目标。

乘车战斗系统主要为传统型的观瞄装置，在城市作战中还无法与国外先进的战斗车辆相比，乘车战斗系统周围的盲区太大，不能很好的和车辆周围的机械化步兵协同作战，在山地、丘陵地带不能最大限度的观察目标。面临上述现状，加强乘车战斗系统的观察能力势在必行，这样不仅提高了战斗车辆的作战能力，也可以更加适应未来城市作战的需求。

德国“城市豹”是在“豹”2A5型主战坦克的基础上改进而来，“豹2 ”维和行动车被称为“城市豹”的主要原因是其通信和感知能力，为了让车组人员更好地观察四周的环境和情况，一是在坦克车体后部安装步兵电话能够有效地增强伴随步兵与坦克车组之间的沟通能力，提高坦克在城市作战中的协同作战能力。二是在车体四周安装摄像机能够有效提高车组在闭窗行驶情况下对周围环境的观察能力，减少了坦克四周的盲区，而“城市豹”的缺陷是摄像机系统目前似乎只有车长和驾驶员能使用，并且摄像机发现目标之后火力系统不能很快实施打击。

美国 M1A2 TUSK的所有升级均采用现有成熟技术，用于在舱盖关闭时可昼夜操作的遙控武器站（仅用于M1A2）、供装填手使用的M240机枪热瞄具、保护坦克侧裙板的反应装甲板、机枪手防盾、坦克乘员—步兵通信电话、保护坦克后部动力舱的格栅装甲、供车长使用的机枪热瞄具（仅用于M1A1）等，以提高坦克在城区战场上的生存力和战斗力。

二、常见观瞄系统

（一）上反稳像系统的原理

“上反”稳像式系统，在稳定工作状态，要求瞄准镜镜体随同车体振动时，视场应该稳定，为此要求上反射镜作相应转动。按照光学原理，上反射镜转动的角度应为镜体转动角度的一半。例如，当车体向俯角方向转动а时，上反射镜应向俯角方向转动а/2（如图1所示）。如此，能保证出射光线与目镜轴线摆动相同的角度，炮手从目镜观察的景象将稳定不动。在瞄准工作状态，要求火炮与瞄准线同步转动。例如，当上反射镜向仰角方向转动а/2时，瞄准线和火炮向仰角方向转动角а。上反射镜转动а/2角的任务由二分之一机构完成。

（二）下反稳像系统的原理

下反射稳像系统的结构形式：120度三反射面等腰棱镜固定在陀螺仪内环转子轴的位置；陀螺仪工作时，等腰棱镜被三自由度陀螺仪独立稳定，稳像瞄准镜的其他光学元件固定在镜体上，镜体通过平行连杆机构与火炮连接。等腰棱镜被陀螺仪独立稳定，车体不动时，三倍镜组光轴、直角棱镜横轴及五角棱镜的出射轴（瞄准轴）与陀螺仪Z轴平行，二倍镜组光轴与陀螺仪Z轴垂直，其他光学元件随车体上坡后仰а角。三倍望远镜组光轴相对Z轴向下偏а角，经等腰棱镜后，以相对Z轴向上偏а角射向直角棱镜，由于直角棱镜向后偏а角，由直角棱镜射向二倍镜组的光线与Z轴成90°+2а角，此时二倍镜组的光轴与Z轴成90°+а角，由于负二倍镜组的补偿作用，经二倍镜组后射出的光轴与Z轴成：（90°+а）+（-а）=90°由于五角棱镜始终保持入射光轴与出射光轴成90°，所以，只要等腰棱镜被陀螺仪稳定不动，观察者所看到的图像就是稳定不动的。

（三）上反稳像系统与下反稳像系统的比较

“下反”稳像式火控系统，用一个双自由度陀螺直接稳定瞄准镜中120°棱镜，结构及原理简单。但这种火控系统光路设计由缺陷，仅在瞄准线和炮身轴线夹角<3°时系统精度高，>3°时精度下降；更重要是，这种火控系统功能扩展受到限制，在已有的产品中，夜视及热像光路不能通过120°棱镜，在这些工作方式下，炮长瞄准不能“稳像”，只能“稳线”。再者，瞄准镜和火炮同步转动采用四连杆传动方案，一方面连杆活动占空间大，另一方面坦克行进时镜体相对炮塔前后摆动，当地形起伏大、坦克行驶速度高时，不利于射手瞄准。与“下反”火控系统相比，“上反”火控系统有着明显的优点。它光路结构简捷，只需稳定上反射镜；瞄准镜的镜体不摆动；稳定视场大，坦克在起伏较大的路面或越过弹坑时瞄准镜视场不会发黑。

（四）光电桅杆系统

光电桅杆系统主要用于潜艇上。1976年，美国科尔摩根公司正式提出最初的光电桅杆原理供海军评审。美、英、法三国海军在新型核动力潜艇上淘汰了传统的穿透式潜望镜，都将配备光电桅杆。这标志着潜艇光电桅杆技术已经达到相当成熟和可靠的水平。光电桅杆和常规潜望镜的最大差别在于，光电桅杆是“非穿透桅杆”。它由光电桅杆观察头、非穿透桅杆和艇内操控台三部分组成。美国“弗吉尼亚”级潜艇上的光电桅杆系统是AN/BVS-1成像系统，它除了现有潜望镜系统的功能外，还能提供电子情报收集、监视和目标打击等功能。但由于技术复杂、价格昂贵等原因，目前只有少数潜艇使用了一根光电桅杆，例如俄罗斯“德尔塔Ⅲ”和“德尔塔Ⅳ”级导弹核潜艇装备有一根“砖雨”光电桅杆。只有美国“弗吉尼亚”级攻击核潜艇使用了两根光电桅杆。

三、桅杆式瞄准装置原理图

（一）桅杆式瞄准装置的光学系统

桅杆式瞄准装置的光路图（如图3所示）。主要由上反五棱镜、望远镜组、棱镜组、分划板、三倍望远镜组等五大部分组成。

上反五角棱镜的两个反射面夹角45°，用以保证入射光线和出射光线夹角保持90°。上反五角棱镜的入射面和出射面均镀双波段增透膜；在450～650毫微米波长范围内，镀膜表面的平均反射率小于1%最大反射率小于1.5%，表面散射损失小于0.5%；对1.06微米膜层表面的反射率小于0.5%，表面散射损失小于0.2%，激光破坏阀值大于150MW/cm2 。五角棱镜的两平行端面涂黑色消光漆。望远镜组主要由一个二倍望远镜组和三个透镜组组成。棱镜组是由二块直角棱镜和一个五角棱镜构成，直角棱镜3为单反射直角棱镜，且五角棱镜与直角棱镜3主截面平行。三倍望远镜组的功用它和二倍望遠镜组一起构成6倍望远镜，三倍物镜组（包括分光镜）和二倍望远镜组以及其他透镜一起构成桅杆式光学系统。为稳像观瞄系统提供三角分划瞄准线。分光镜为镀透反膜的平板玻璃。它的主要作用是透射可见光。

桅杆式瞄准装置是潜望式双目仪器，整个光学系统由头部反射镜总成中陀螺仪、反射五棱镜、反射镜驱动机构、前窗、下窗，镜管中的棱镜组、防护玻璃、物镜组、目镜组和分划板组成。陀螺仪、反射五棱镜和棱镜组（进入光路时）构成1倍观察系统。陀螺仪、反射五棱镜、物镜组和目镜组构成6倍潜望镜式双目望远系统。物镜组和目镜组构成简单望远系统。上反射五棱镜和棱镜组构成“保罗II式”转像系统。物镜组将目标辐射图像成像在分划板刻线面上形成倒立实像。棱镜转像系统将物镜组形成的倒立实像转成正立实像。分划板设置在棱镜转像系统之后的目镜组的焦面上，分划板的刻线正立放置，通过双目双路光学系统观察视场中的景物目标时，既可看到视场中的景物目标图像又可看到分划图像。桅杆式上部瞄准装置主要由上反射镜、四个镜筒、前窗、下窗、驱动机构、升降机构等组成。在镜筒内底部固定着透镜组和聚光镜，在最下方的镜筒低部固定着二倍望远镜组和一个聚光镜。桅杆式瞄准装置通过升降机构的控制使桅杆可以自动升降，在此过程中光路保持不变，并且随着炮塔的转动桅杆也随之转动，确保了在360°范围内观察目标。

（二）安装桅杆式瞄准装置应注意的问题

1.安装好瞄准镜后去观察图像，却发现自己看到的东西像质平平，甚至恒星都不能聚成一个点，这个时候先别怀疑自己的眼睛问题，而问题很有可能出在镜片装配上。镜片的装配对光轴精确度影响很大，光轴又对成像效果带来决定性的影响。如果对光轴重新调整，望远镜将会展现出完全不同的景象。

2.由于反射镜的成像有个特点，在光轴上成像很完美，没有像差，但离开光轴就会有明显的彗差。在光轴上，使用一般视场的目镜，视场中心的星点是很亮的，实际上视场边缘的像差也不易察觉。而如果在光轴以外，整个视场中的星点可能都不实，而且离光轴越远这一现象越严重。那怎样才能调好光轴了？当反射镜的光学系统中的两个光轴：主镜（物镜）光轴和目镜光轴都通过副镜上的同一点，且被副镜反射后二者完全重合，也就是成了一条光轴，则光轴调好。

3.桅杆式瞄准装置安装位置。桅杆式瞄准装置安装在指挥塔外面的前部，并和指挥塔一起转动。它用四个六角螺栓固定在指挥塔上。这样可以确保它使车长在战斗情况下，处于密闭炮塔内能在360°范围内观察整个战场并捕捉目标。

四、桅杆式瞄准装置

桅杆式瞄准装置的外部主要由观察头和四个壳体连接而成。观察头主要由上反射五棱镜、前窗、下窗等组成，采用上反的稳像原理使五棱镜在观察目标时始终保持稳定，在观察头侧面的两块金属板对观察头起到保护的作用，观察头前窗的大小是长12.5cm，宽6.5cm的矩形，在其下方通过直径11cm圆柱通过螺纹与壳体连接在一起。桅杆主要由四个镜筒组成，四个镜筒从下到上外直径依次为18cm、16cm、14cm、12cm。镜筒的长度：从战斗车辆顶部算起，桅杆式瞄准装置曝漏在外面的高度为42cm，最上方的高度为52cm，最下方的高度为62cm（其中豹；曝漏在外面的是40cm，20cm在车内与内部观瞄系统连接），上反镜组的装置高为23cm，因此，外部的总高度为180cm。在加装桅杆式瞄准装置的头部也可以加装一个摄像头，利用摄像头可以旋转和上下浮动的特性，在近距离观察目标时可以更大范围的减少目标的盲区。

结论

战争的特点决定了桅杆式瞄准装置的重要作用。很多国家都开始了这项研究，通过对比分析说明对乘车战斗系统加装桅杆式瞄准装置是可行的，对同类外军装置进行比较。加装桅杆式瞄准装置其主要体现在两个方面：一是面对城市作战时，使用桅杆式瞄准装置可以减少战斗车辆的“盲区”不仅提高了战斗车辆的作战能力，而且减少了人员和装备的损失。二是加装桅杆式瞄准装置可以使车长在发现敌人时，充分利用低洼地和山坡背面的地形，便于车长在不熟悉的地形中进行观察，车辆的其余部分处于隐蔽状态，可以提高乘车战斗系统的安全性，及时发现敌方目标和摧毁。针对望远系统的优缺点进行分析并设计桅杆式的观瞄系统：

1.瞄准装置可以与联合陆军主动防御系统一起构成强有力的自卫系统，对目标实施快速有效的打击。

2.利用陀螺仪稳定五棱镜，可以在行进中观察到稳定的图像。

3.相对与光电桅杆系统、采用摄像头观察目标造价便宜。

4.可以判定敌方目标的方向和距离。利用其望远系统更好地观察目标。

参考文献：

[1] 韩兆福.装甲装备概论（中）：第2版[D].北京：装甲兵工程学院，2007.

[2] 韩兆福.96坦克观瞄系统原理及应用[D].北京：装甲兵工程学院，2003.

[3] 韩兆福.坦克观瞄仪器[D].北京：装甲兵工程学院，1997.

[4] 国外坦克杂志，2010，（9）.

[责任编辑 安世友]