空降火箭炮武器系统轻量化研究

代波，王剑安，王惠方，岳嘉为，吴旭，李琳3

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.中央军委装备发展部装备技术合作局，北京 100000；3.西藏民族大学 外语学院，陕西 咸阳 712082)

轻量化是一个含义非常广泛的设计准则，其目的是减轻工业品的质量。传统上将轻量化分为：材料轻量化、形状轻量化、制造轻量化、设计轻量化、功能轻量化[1]。轻量化设计广泛应用于汽车、航空、航天及武器装备领域。受我国空运能力限制，我国空降兵装备一直面临火力打击能力弱、反应速度慢和地面机动性差的问题，严重影响其火力打击、快速部署和全域机动能力，制约了其保障国家安全、处理突发事件以及维护我海外利益的能力。为此，立足于我国现有空运能力，对空降火箭炮武器系统进行轻量化研究，为空降兵提供轻量化、体系化、多功能的武器装备将具有十分重要意义。

1 空降火箭炮发展现状

火箭炮作为一种常规火力压制武器，能提供大面积瞬时密集的火力压制，具有发射速度快、弹着覆盖面积大、火力猛、密度大、作战效能高、操作简单等特点[2]。现代火箭炮充分利用箱式发射、多功能火控和精确制导技术后，已发展成为集面打击、小幅员打击、点打击以及巡飞攻击于一体的全纵深多功能火力打击平台[3]。将现代火箭炮进行轻量化后，可满足空降兵多样化作战任务要求，故各军事大国日益重视空降火箭炮研制。如图1所示，世界典型空降火箭炮有美国M142火箭炮、俄罗斯BM-21V火箭炮，如图2所示为我国空降兵装备的63式107火箭炮。3种火箭炮的主要性能参数如表1所示。

表1 国内外空降火箭炮性能参数

表1数据表明我国空降兵装备的63式107火箭炮在火力打击能力、机动性、自动化和信息化等方面与美俄装备均存在明显差距，远不能满足未来空降部队一体化联合作战需要，急需换装新型空降火箭炮。鉴于我国有限的空运能力，轻量化是未来空降火箭炮首要解决的难题。故未来我军空降火箭炮研制，必须以满足一体化联合作战为目标，对空降火箭炮武器系统乃至空降兵火力打击体系进行轻量化研究，从空降火箭炮武器系统轻量化、武器装备总体方案轻量化和结构部件轻量化3个方面研究，实现空降火箭炮武器系统轻量化。

2 空降火箭炮武器系统轻量化

现代火箭炮武器系统是一个集侦察、指挥、打击、评估、维修、保障和训练为一体的多功能武器系统。空降火箭炮武器系统轻量化研究，需首先分析空降兵作战使命和任务，以确定空降兵需具备的火力打击能力，从而确定空降火箭炮武器系统在火力打击体系中的作用、组成及功能。空降火箭炮武器系统功能轻量化是最有效的轻量化方法，武器系统中某一装备的取舍，可影响武器系统几吨甚至几十吨的质量增减。通过功能集成、一体化设计、优化武器系统质量分配等方法，使武器系统简捷、精干、高效，在有限的空运能力下，发挥最大的作战效能。

2.1 空降兵及空降火箭炮武器系统作战使命和任务

空降兵部队作为一体化联合作战的重要力量，是以空中投送为主要战役机动方式的陆战力量中的精英，可以凭借伞降、机降或直升机降方式实施远程快速部署和垂直打击，迅速聚焦作战能量，主要执行占领、夺控、掩护、迟滞、维稳、维和等常规的作战任务[4]。空降兵作战使命和任务要求空降武器装备需具备良好的空投适应性和地面高机动性，火力打击能力多样、迅猛、持续、高效，独立作战能力强，勤务保障要求低。未来空降火箭炮武器系统可装备于空降兵旅属炮兵营，主要以营/连为基本单位遂行作战任务，由旅首长直接掌控，其主要作战任务是对本旅作战区域内的地面目标进行侦察，火力打击及评估，同时构建本旅战区内的防空网，为其提供空中保护；战时根据任务需要也可以连为单位配属空降合成营遂行作战任务。

2.2 未来空降火箭炮武器系统轻量化组成构想

现代火箭炮武器系统主要组成包括火箭炮、火箭弹、弹药装填车、指挥车、侦察车、测地车、电子检测维修车、机械维修车、气象雷达车、侦校雷达车和模拟训练器等多种装备组成，系统组成复杂，装备种类多，质量大，无法满足空降兵作战使用要求。故结合我军空运能力，运用功能轻量化方法，将火箭炮武器系统中装备功能相互融合，减少装备种类和数量，提高智能弹药的兼容发射能力，充分利用有限的空运能力来投送更多战斗装备和弹药。未来空降火箭炮武器系统将是一种多功能火箭炮武器系统，采用箱式发射、多功能火控、智能弹药和轻量化火力发射平台，可兼容发射陆军现役中小口径火箭弹，以及未来研制的制导火箭弹、巡飞弹、末敏弹、防空火箭弹和战术导弹等不同功能的弹药，具备中近程侦察、火力压制、精确打击、战场评估以及防空反导等多种能力。

火箭炮自带装填装置，具备自装填功能。火箭炮和箱式火箭弹各自单独空投，着陆后炮班解除火箭炮系留，驾驶火箭炮行驶至箱式火箭弹着陆点，解除箱式火箭弹系留，火箭炮自行完成箱式火箭弹装填后即可投入战斗，其余箱式火箭弹由综合保障车转运至下一个预设阵地或弹药补给点；空降火箭炮的弹药多为精确制导智能弹药，武器系统在达到同等作战能力下可减少弹药基数，从而减轻全系统质量[5]，提高持续作战能力，减小弹药补给压力。火箭炮具备自装填功能后，可以省去弹药装填车，从而减少整个火箭炮武器系统装备和人员数量，进一步减轻武器系统质量。

营/连指挥车配置对空目标搜索雷达和无人机显控终端，具备指挥、通信、对空搜索和无人机/巡飞弹的监控等功能；侦察车和测地车功能融合为侦察测地车，具备侦察、测地、无人机/巡飞弹监控、目标指示、引导以及应急指挥等功能。气象雷达车与侦校雷达车融合为多功能雷达车，具备空中目标搜索跟踪、气象探测、炮位侦察和校射等功能。机械维修车和电子检测维修车功能融合为综合保障车，具备故障检测、机械电子维修、油料补给、后勤供应及弹药拖运等功能。

经过上述功能轻量化设计后，未来空降火箭炮武器系统主要由火箭炮、营/连指挥车、侦察测地车、综合保障车、多功能雷达车和箱式火箭弹组成。武器系统装备种类由11种减少到6种，减少空降火箭炮武器系统中装备及人员组成，减轻武器系统质量。

2.3 优化空降兵火力打击体系

目前我国空降兵突击、压制和防空的主战武器装备有空降战车、107火箭炮、122榴弹炮、迫击炮、牵引高炮和便携式防空导弹等，其火力、机动性和防护能力均比陆军同类主战装备差，与美俄等空降兵装备也相差甚远。未来空降火箭炮武器系统的多种火力打击能力，可提高其在空降兵一体化联合作战体系中的贡献率，从而可优化整个空降兵火力打击体系配置。未来空降火箭炮武器系统可以替代107火箭炮、122榴弹炮和牵引高炮，完成中近程火力压制、精确打击和防空反导任务，从而可减少空降兵主战装备及保障装备种类和数量，减轻支援保障压力，减少集结准备时间，提高空降兵部队火力打击能力和快速反应能力。

3 空降火箭炮总体方案轻量化

空降火箭炮武器系统经过功能轻量化后，武器系统中主要武器装备的功能、性能和作战使用要求已经明确。武器装备总体方案轻量化，就是在装备总体方案论证时，在满足武器装备功能、性能和作战使用要求前提下，分析不同技术路径的优缺点，以确定质量轻且兼顾可靠性、工艺性、经济性的总体技术方案。总体技术方案轻量化决定了整个武器装备轻量化的成败，总体技术方案选择不合理，仅依靠零部件轻量化设计无法取得显著的轻量化效果。在空降火箭炮武器系统中火箭炮质量最大，故以空降型车载箱式火箭炮(以下简称火箭炮)为例进行总体方案轻量化研究。

3.1 火箭炮轻量化目标

空投载机和空投系统的性能，决定火箭炮的外廓尺寸、质量质心以及空投编组和装载计划。通过分析我国现役空投载机和空投系统的性能参数[6]，火箭炮如能满足投物-19空投系统使用要求，就可满足运-8C和伊尔-76空运要求。故火箭炮以满足运-8C空运、投物-19空投为目标，进行轻量化研究。火箭炮空投状态时(不带箱式火箭弹和炮班成员)，其外廓尺寸应控制在5 500 mm×2 400 mm×2 200 mm以内，空投状态质量应控制在5 500 kg以内，战斗全重应控制在7 500 kg以内。

3.2 火箭炮总体方案轻量化

火箭炮总体方案以空降型越野汽车底盘为运载体，采用箱式发射、多功能火控和自装填模式，可装载1个20管的箱式火箭弹遂行作战任务，主要由火力系统、火控电气系统和底盘系统组成。火箭炮总体方案轻量化就是对这3个分系统方案进行轻量化研究，获得最优的轻量化技术方案。

3.2.1 底盘系统方案轻量化

高 嵩(1989—)，男，黑龙江大庆人，助理研究员，硕士，研究方向为内河船型标准化、江海直达。E-mail: gaosong@wti.ac.cn

目前国内尚无7.5 t级空降型越野汽车底盘，性能接近的有猛士6×6越野汽车底盘和铁马4×4轮式装甲车，故空降型越野汽车底盘可采用猛士6×6或铁马4×4的成熟部件为基础，研发一款满足空降需求的空降型越野汽车底盘，底盘整备质量不大于4 000 kg，承载能力不小于3 500 kg，同时满足投物-19空投系统以及运-8C空投载机的空投要求。为实现底盘轻量化，同时具备高机动能力，底盘总体方案可采用4×4全时驱动，平头双人驾驶室；采用风冷增压中冷发动机，与水冷发动机相比，可省去冷却水箱、膨胀水箱和冷却液，可减轻保障压力，提高空投适应性和环境适应性，同时可减轻质量；变速箱与分动箱一体化设计，减少底盘纵向尺寸；配备油气独立悬架和中央充放气装置，行军时提高底盘越野能力，空投时油气悬架下降和轮胎放气，降低全炮高度，以满足空投高度要求。

3.2.2 火力系统方案轻量化

火力系统主要由摇架、装填装置、上架、下架、高低机、方向机和瞄准装置等组成，其中装填装置的技术方案直接影响整个火箭炮，乃至整个火箭炮武器系统的质量。世界典型箱式火箭炮根据装填模式可分为非自装填型和自装填型。如图3为巴西ASTROS火箭炮和我国11式火箭炮，两者均为非自装填型箱式火箭炮，作战时1门火箭炮须配备1辆弹药装填车，没有弹药装填车，火箭炮将无法持续作战。

目前自装填型箱式火箭炮有两种装填模式。一种模式是将装填装置和摇架一体化设计，在摇架顶端安装卷扬机构实现箱式火箭弹装填，采用这种装填模式有美国M270、M142火箭炮以及我国SR5火箭炮等，如图4所示。另一种模式是在底盘上直接安装一个液压起重机来吊装箱式火箭弹，采用这种装填模式有土耳其T-122火箭炮和我国WS-22火箭炮等，如图5所示。

吊机装填模式，吊机质量和体积均较大，装填过程中需人工校正位置，需3人配合手动完成装填，而一体化装填模式在装填过程除吊钩与箱式火箭弹挂接需要人工操作外，其余操作均可实现自动化，1人就可完成火箭炮装填操作，并且一体化装填模式的装填装置质量约为吊机质量的50%，故火箭炮采用一体化装填装置不但具有明显减重优势，而且可减少炮班成员数量，简化操作。

由于底盘系统油气悬架、装填装置均采用液压驱动，从轻量化考虑，火力系统采用液压缸式高低机，液压马达驱动的齿圈式方向机，由伺服阀控制液压缸和液压马达动作，实现火箭炮瞄准。与传统电机驱动的齿弧式高低机和齿圈式方向机相比，采用液压驱动的高低机和方向机，可以省去平衡机、手传动机构、缓冲机构和安全离合器等部件，不仅可减少火力系统组成、简化结构，还可降低火力系统高度，减轻火力系统质量。同时制定箱式火箭弹吊装、定位和锁紧等机械及电气接口标准，从结构方面使火箭炮具备发射多弹种能力。

火控电气系统由电气控制、发射控制、通信、导航和随动五大分系统组成。采用部件模块化、安装一体化和功能多样化的设计方案，减少系统电气箱体和电缆数量，以减轻系统质量。采用多功能火控技术，制定发射控制、供电和通信协议等标准，通过炮长终端控制火箭炮操瞄解算、上电、装定和发火等流程，从控制方面使火箭炮具备发射多弹种能力。多弹种兼容是整个空降火箭炮武器系统乃至空降兵火力打击体系功能轻量化的前提条件。通信和导航分系统多选用定型产品，其轻量化研究仅限于布置和安装支架的轻量化。

4 结构部件轻量化

结构部件轻量化主要方法有轻量化结构、轻质材料应用和轻量化成形3种方法。轻质材料是基础，轻量化结构是重要手段，轻量化成形则是前提条件。部件结构形式必须满足所用材料制造工艺水平要求，轻质材料以及轻量化成形技术的发展，也将促进轻量化结构进一步优化和完善。

4.1 轻质材料应用

在选择轻质材料时，主要考虑材料的比强度、比刚度和成形工艺。目前火箭炮制造材料主要以金属材料为主，同时用到橡胶、工程塑料、玻璃钢、玻璃等非金属材料。火箭炮常用的金属材料有：钢、铝合金、铜合金、钛合金和镁合金等，其主要性能参数[7-8]如表2所示。在比刚度方面，钛合金、镁合金、铝合金和钢的比刚度基本相同；在比强度方面，钛合金的比强度最高，高强度铝合金次之，镁合金略低于高强度铝合金，高强度钢的比强度与中等强度的铝合金相当，因此高强度钢也可作为轻质材料使用。在刚度设计准则场合，使用轻质材料减重效果不明显，材料成本、加工成本却比钢材高出数倍；在强度设计准则场合，使用高比强度轻质金属材料可以取得明显减重效果。根据统计，在航空航天领域，对于一定的减重目标，采用轻质材料减重的贡献大约为2/3，结构减重的贡献大约是1/3[7]。

表2 常用金属材料性能参数表

铝合金是目前武器装备使用最普遍的轻质材料，主要使用类别有防锈铝、硬铝、锻铝、超硬铝和铸造铝。防锈铝可用于火箭炮蒙皮及骨架零件，燃油箱及液压油箱、油管等制造，如5A06、3A21等；硬铝可用于火箭炮中等强度的零件和构件的制造，如2A11、2A12等；超硬铝可用于火箭炮摇架、上架、装填装置、储运发箱体和底盘轮辋等承力部件及高载荷零件设计制造，如7A04、7A05等；铸造铝合金可用于电气箱体，减速器壳体等零件，如ZL101A、ZL114A等。

镁合金是常用金属中最轻的金属，其强度高、比强度大、散热好、减振性能好、承受冲击载荷能力比铝合金强。目前使用最广泛是镁铝合金、镁锰合金和镁锌锆合金，主要用于航空、航天、电子及汽车行业。在火箭炮上，镁合金可用于各类壳体、支架、电气箱体和面板等零件制造，常用牌号有AZ91B、AS21和WE54-T6等。

钛合金是常用轻质金属中比强度最高的金属材料，具有良好的机械性能，同时耐蚀性好和耐热性高，广泛应用于航空航天领域，用于制造多种形状复杂、质轻、结构强度高的薄板类工件。随着钛合金冶炼技术发展和成本下降，使其在轻量化陆军武器装备、医疗和化工行业中应用逐渐增加。在火箭炮上，钛合金可用于装填装置、上架、锁箱机构和行军固定器等结构件制造。常用的钛合金牌号有TA7、TC3和TC4等。

火箭炮常用非金属材料的密度及应用[8]如表3所示，此外随着科学技术发展，碳纤维、芳纶、超分子量聚乙烯等轻质超高强度高分子复合材料的制造和成形技术逐渐成熟，成本逐渐降低，在空降武器装备上具有良好的应用前景，可进一步提升空降火箭炮的轻量化水平，其主要参数及应用[9]如表4所示。

表3 火箭炮常用非金属材料及应用

表4 常用轻质高分子复合材料参数及应用

4.2 轻量化结构

火箭炮总体方案明确后，根据总体下达的技术规格书，结构部件的技术方案、空间外形、安装结构和主要功能、性能也基本明确。由于火箭炮发射时对架体的作用力比相近口径身管武器小很多，故在部件设计以满足空投着陆冲击载荷为前提，同时满足总体要求其他功能性能要求，设计时应多采用空心变截面结构、薄壁高筋结构、整体结构、蜂窝网状结构、变厚度/变材料等轻量化结构。在部件初步方案确定后，建立部件有限元模型进行结构优化，以得到理想的轻量化结构。

结构优化措施主要有拓扑优化、尺寸优化、形状优化和形貌优化4种。拓扑优化是根据已知负载情况、约束条件和性能指标，在给定空间内以材料分布为优化对象，在设计空间中找到最佳的材料分布方案。尺寸优化以设计参数为对象进行优化，比如板厚，梁的截面宽、长和厚等；形状优化是对结构件外形或者孔洞形状进行优化，比如凸台过渡倒角的形状等；形貌优化是优化薄板的凸台分布，提高局部刚度，如压筋、翻边等。图6展示了尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化在设计减重孔时的不同表现。

拓扑优化比尺寸优化和形状优化具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是结构优化最具发展前景的一个方向[10]。结构优化时应首先进行拓扑优化，确定拓扑结构，然后在运用形状优化、形貌优化和尺寸优化进一步确定部件结构的最终参数。

4.3 轻量化成形

轻量化成形是指成形的轻质高强度材料零件不仅其几何形状接近零件最终形态及加工余量小，而且能直接成形出具有轻量化几何特征的结构形式[7]。随着轻质材料强度提高，其塑性不断降低，轻量化结构形式更复杂，使得轻质材料成形难度越来越大，传统的铸造、锻造、冲压、焊接、机加等成形方法难以满足其快速经济成形的需要，从而限制了轻质材料及轻量化结构的推广和应用。因此针对轻质高强度材料及复杂轻量化结构，需不断研发新的成形技术。目前较为成熟的轻量化成形技术有：内高压成形技术、充液拉伸成形技术、超塑成形技术、半多点模成形技术、高强度钢板热成形技术、等温锻造技术、半固态模锻技术、喷射成形技术[7]和3D打印技术[11]。结合火箭炮结构特点，上述轻量化成形技术在火箭炮可应用场合如表5所示。

表5 轻量化成形技术在火箭炮上应用

除上述轻量化成形技术外，产品零部件连接也应采用轻量化连接结构，如液力胀接、超塑成形/扩散连接(SPF/DB)、钛镍记忆合金管接头连接、TOX连接和激光焊接等。液力胀接应用于管材与板材的连接；超塑成形/扩散连接应用于多层(2～4层)整体蒙皮、壁板、框梁等复杂关键结构；TOX连接用于可塑性薄板的不可拆卸式冲压点连接技术，如驾驶室内饰板、骨架、蒙皮等；钛镍记忆合金管接头连接可应用于高压油管及气管的连接。与传统铆接结构和螺接结构相比，新型轻量化连接结构可大大减少产品零部件种类和数量，并大幅改善结构的受力状态，减轻部件质量,同时提高连接结构的可靠性。

5 结束语

通过对空降火箭炮武器系统组成功能轻量化，使空降火箭炮武器系统装备组成从11种精简到6种，减少空降火箭炮武器系统中装备及人员组成，减轻系统质量，优化空降兵火力打击体系武器装备配置。通过对火箭炮总体方案轻量化，结构部件材料、结构及成形轻量化，使火箭炮空投状态质量和外廓尺寸满足运-8C空运和投物-19空投的要求，满足未来空降兵一体化联合作战的使用要求。武器系统组成功能轻量化、武器装备总体方案轻量化和结构部件材料-结构-成形轻量化方法可为我军未来空降武器的研制提供参考和借鉴。随着科学技术的发展，新材料、新技术以及新工艺的出现，将进一步促进轻量化技术的持续发展，提升空降火箭炮武器系统的轻量化水平。