代波，王劍安，王惠方，岳嘉為，吳旭，李琳3

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099；2.中央軍委裝備發(fā)展部裝備技術(shù)合作局，北京 100000；3.西藏民族大學(xué) 外語(yǔ)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712082)

輕量化是一個(gè)含義非常廣泛的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其目的是減輕工業(yè)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)上將輕量化分為：材料輕量化、形狀輕量化、制造輕量化、設(shè)計(jì)輕量化、功能輕量化[1]。輕量化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、航天及武器裝備領(lǐng)域。受我國(guó)空運(yùn)能力限制，我國(guó)空降兵裝備一直面臨火力打擊能力弱、反應(yīng)速度慢和地面機(jī)動(dòng)性差的問(wèn)題，嚴(yán)重影響其火力打擊、快速部署和全域機(jī)動(dòng)能力，制約了其保障國(guó)家安全、處理突發(fā)事件以及維護(hù)我海外利益的能力。為此，立足于我國(guó)現(xiàn)有空運(yùn)能力，對(duì)空降火箭炮武器系統(tǒng)進(jìn)行輕量化研究，為空降兵提供輕量化、體系化、多功能的武器裝備將具有十分重要意義。

1 空降火箭炮發(fā)展現(xiàn)狀

火箭炮作為一種常規(guī)火力壓制武器，能提供大面積瞬時(shí)密集的火力壓制，具有發(fā)射速度快、彈著覆蓋面積大、火力猛、密度大、作戰(zhàn)效能高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[2]?，F(xiàn)代火箭炮充分利用箱式發(fā)射、多功能火控和精確制導(dǎo)技術(shù)后，已發(fā)展成為集面打擊、小幅員打擊、點(diǎn)打擊以及巡飛攻擊于一體的全縱深多功能火力打擊平臺(tái)[3]。將現(xiàn)代火箭炮進(jìn)行輕量化后，可滿(mǎn)足空降兵多樣化作戰(zhàn)任務(wù)要求，故各軍事大國(guó)日益重視空降火箭炮研制。如圖1所示，世界典型空降火箭炮有美國(guó)M142火箭炮、俄羅斯BM-21V火箭炮，如圖2所示為我國(guó)空降兵裝備的63式107火箭炮。3種火箭炮的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外空降火箭炮性能參數(shù)

表1數(shù)據(jù)表明我國(guó)空降兵裝備的63式107火箭炮在火力打擊能力、機(jī)動(dòng)性、自動(dòng)化和信息化等方面與美俄裝備均存在明顯差距，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足未來(lái)空降部隊(duì)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)需要，急需換裝新型空降火箭炮。鑒于我國(guó)有限的空運(yùn)能力，輕量化是未來(lái)空降火箭炮首要解決的難題。故未來(lái)我軍空降火箭炮研制，必須以滿(mǎn)足一體化聯(lián)合作戰(zhàn)為目標(biāo)，對(duì)空降火箭炮武器系統(tǒng)乃至空降兵火力打擊體系進(jìn)行輕量化研究，從空降火箭炮武器系統(tǒng)輕量化、武器裝備總體方案輕量化和結(jié)構(gòu)部件輕量化3個(gè)方面研究，實(shí)現(xiàn)空降火箭炮武器系統(tǒng)輕量化。

2 空降火箭炮武器系統(tǒng)輕量化

現(xiàn)代火箭炮武器系統(tǒng)是一個(gè)集偵察、指揮、打擊、評(píng)估、維修、保障和訓(xùn)練為一體的多功能武器系統(tǒng)?？战祷鸺谖淦飨到y(tǒng)輕量化研究，需首先分析空降兵作戰(zhàn)使命和任務(wù)，以確定空降兵需具備的火力打擊能力，從而確定空降火箭炮武器系統(tǒng)在火力打擊體系中的作用、組成及功能?？战祷鸺谖淦飨到y(tǒng)功能輕量化是最有效的輕量化方法，武器系統(tǒng)中某一裝備的取舍，可影響武器系統(tǒng)幾噸甚至幾十噸的質(zhì)量增減。通過(guò)功能集成、一體化設(shè)計(jì)、優(yōu)化武器系統(tǒng)質(zhì)量分配等方法，使武器系統(tǒng)簡(jiǎn)捷、精干、高效，在有限的空運(yùn)能力下，發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能。

2.1 空降兵及空降火箭炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使命和任務(wù)

空降兵部隊(duì)作為一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的重要力量，是以空中投送為主要戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)方式的陸戰(zhàn)力量中的精英，可以憑借傘降、機(jī)降或直升機(jī)降方式實(shí)施遠(yuǎn)程快速部署和垂直打擊，迅速聚焦作戰(zhàn)能量，主要執(zhí)行占領(lǐng)、奪控、掩護(hù)、遲滯、維穩(wěn)、維和等常規(guī)的作戰(zhàn)任務(wù)[4]?？战当鲬?zhàn)使命和任務(wù)要求空降武器裝備需具備良好的空投適應(yīng)性和地面高機(jī)動(dòng)性，火力打擊能力多樣、迅猛、持續(xù)、高效，獨(dú)立作戰(zhàn)能力強(qiáng)，勤務(wù)保障要求低。未來(lái)空降火箭炮武器系統(tǒng)可裝備于空降兵旅屬炮兵營(yíng)，主要以營(yíng)/連為基本單位遂行作戰(zhàn)任務(wù)，由旅首長(zhǎng)直接掌控，其主要作戰(zhàn)任務(wù)是對(duì)本旅作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的地面目標(biāo)進(jìn)行偵察，火力打擊及評(píng)估，同時(shí)構(gòu)建本旅戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的防空網(wǎng)，為其提供空中保護(hù)；戰(zhàn)時(shí)根據(jù)任務(wù)需要也可以連為單位配屬空降合成營(yíng)遂行作戰(zhàn)任務(wù)。

2.2 未來(lái)空降火箭炮武器系統(tǒng)輕量化組成構(gòu)想

現(xiàn)代火箭炮武器系統(tǒng)主要組成包括火箭炮、火箭彈、彈藥裝填車(chē)、指揮車(chē)、偵察車(chē)、測(cè)地車(chē)、電子檢測(cè)維修車(chē)、機(jī)械維修車(chē)、氣象雷達(dá)車(chē)、偵校雷達(dá)車(chē)和模擬訓(xùn)練器等多種裝備組成，系統(tǒng)組成復(fù)雜，裝備種類(lèi)多，質(zhì)量大，無(wú)法滿(mǎn)足空降兵作戰(zhàn)使用要求。故結(jié)合我軍空運(yùn)能力，運(yùn)用功能輕量化方法，將火箭炮武器系統(tǒng)中裝備功能相互融合，減少裝備種類(lèi)和數(shù)量，提高智能彈藥的兼容發(fā)射能力，充分利用有限的空運(yùn)能力來(lái)投送更多戰(zhàn)斗裝備和彈藥。未來(lái)空降火箭炮武器系統(tǒng)將是一種多功能火箭炮武器系統(tǒng)，采用箱式發(fā)射、多功能火控、智能彈藥和輕量化火力發(fā)射平臺(tái)，可兼容發(fā)射陸軍現(xiàn)役中小口徑火箭彈，以及未來(lái)研制的制導(dǎo)火箭彈、巡飛彈、末敏彈、防空火箭彈和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等不同功能的彈藥，具備中近程偵察、火力壓制、精確打擊、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估以及防空反導(dǎo)等多種能力。

火箭炮自帶裝填裝置，具備自裝填功能?；鸺诤拖涫交鸺龔椄髯詥为?dú)空投，著陸后炮班解除火箭炮系留，駕駛火箭炮行駛至箱式火箭彈著陸點(diǎn)，解除箱式火箭彈系留，火箭炮自行完成箱式火箭彈裝填后即可投入戰(zhàn)斗，其余箱式火箭彈由綜合保障車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至下一個(gè)預(yù)設(shè)陣地或彈藥補(bǔ)給點(diǎn)；空降火箭炮的彈藥多為精確制導(dǎo)智能彈藥，武器系統(tǒng)在達(dá)到同等作戰(zhàn)能力下可減少?gòu)椝幓鶖?shù)，從而減輕全系統(tǒng)質(zhì)量[5]，提高持續(xù)作戰(zhàn)能力，減小彈藥補(bǔ)給壓力?；鸺诰邆渥匝b填功能后，可以省去彈藥裝填車(chē)，從而減少整個(gè)火箭炮武器系統(tǒng)裝備和人員數(shù)量，進(jìn)一步減輕武器系統(tǒng)質(zhì)量。

營(yíng)/連指揮車(chē)配置對(duì)空目標(biāo)搜索雷達(dá)和無(wú)人機(jī)顯控終端，具備指揮、通信、對(duì)空搜索和無(wú)人機(jī)/巡飛彈的監(jiān)控等功能；偵察車(chē)和測(cè)地車(chē)功能融合為偵察測(cè)地車(chē)，具備偵察、測(cè)地、無(wú)人機(jī)/巡飛彈監(jiān)控、目標(biāo)指示、引導(dǎo)以及應(yīng)急指揮等功能。氣象雷達(dá)車(chē)與偵校雷達(dá)車(chē)融合為多功能雷達(dá)車(chē)，具備空中目標(biāo)搜索跟蹤、氣象探測(cè)、炮位偵察和校射等功能。機(jī)械維修車(chē)和電子檢測(cè)維修車(chē)功能融合為綜合保障車(chē)，具備故障檢測(cè)、機(jī)械電子維修、油料補(bǔ)給、后勤供應(yīng)及彈藥拖運(yùn)等功能。

經(jīng)過(guò)上述功能輕量化設(shè)計(jì)后，未來(lái)空降火箭炮武器系統(tǒng)主要由火箭炮、營(yíng)/連指揮車(chē)、偵察測(cè)地車(chē)、綜合保障車(chē)、多功能雷達(dá)車(chē)和箱式火箭彈組成。武器系統(tǒng)裝備種類(lèi)由11種減少到6種，減少空降火箭炮武器系統(tǒng)中裝備及人員組成，減輕武器系統(tǒng)質(zhì)量。

2.3 優(yōu)化空降兵火力打擊體系

目前我國(guó)空降兵突擊、壓制和防空的主戰(zhàn)武器裝備有空降戰(zhàn)車(chē)、107火箭炮、122榴彈炮、迫擊炮、牽引高炮和便攜式防空導(dǎo)彈等，其火力、機(jī)動(dòng)性和防護(hù)能力均比陸軍同類(lèi)主戰(zhàn)裝備差，與美俄等空降兵裝備也相差甚遠(yuǎn)。未來(lái)空降火箭炮武器系統(tǒng)的多種火力打擊能力，可提高其在空降兵一體化聯(lián)合作戰(zhàn)體系中的貢獻(xiàn)率，從而可優(yōu)化整個(gè)空降兵火力打擊體系配置。未來(lái)空降火箭炮武器系統(tǒng)可以替代107火箭炮、122榴彈炮和牽引高炮，完成中近程火力壓制、精確打擊和防空反導(dǎo)任務(wù)，從而可減少空降兵主戰(zhàn)裝備及保障裝備種類(lèi)和數(shù)量，減輕支援保障壓力，減少集結(jié)準(zhǔn)備時(shí)間，提高空降兵部隊(duì)火力打擊能力和快速反應(yīng)能力。

3 空降火箭炮總體方案輕量化

空降火箭炮武器系統(tǒng)經(jīng)過(guò)功能輕量化后，武器系統(tǒng)中主要武器裝備的功能、性能和作戰(zhàn)使用要求已經(jīng)明確。武器裝備總體方案輕量化，就是在裝備總體方案論證時(shí)，在滿(mǎn)足武器裝備功能、性能和作戰(zhàn)使用要求前提下，分析不同技術(shù)路徑的優(yōu)缺點(diǎn)，以確定質(zhì)量輕且兼顧可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性的總體技術(shù)方案。總體技術(shù)方案輕量化決定了整個(gè)武器裝備輕量化的成敗，總體技術(shù)方案選擇不合理，僅依靠零部件輕量化設(shè)計(jì)無(wú)法取得顯著的輕量化效果。在空降火箭炮武器系統(tǒng)中火箭炮質(zhì)量最大，故以空降型車(chē)載箱式火箭炮(以下簡(jiǎn)稱(chēng)火箭炮)為例進(jìn)行總體方案輕量化研究。

3.1 火箭炮輕量化目標(biāo)

空投載機(jī)和空投系統(tǒng)的性能，決定火箭炮的外廓尺寸、質(zhì)量質(zhì)心以及空投編組和裝載計(jì)劃。通過(guò)分析我國(guó)現(xiàn)役空投載機(jī)和空投系統(tǒng)的性能參數(shù)[6]，火箭炮如能滿(mǎn)足投物-19空投系統(tǒng)使用要求，就可滿(mǎn)足運(yùn)-8C和伊爾-76空運(yùn)要求。故火箭炮以滿(mǎn)足運(yùn)-8C空運(yùn)、投物-19空投為目標(biāo)，進(jìn)行輕量化研究?；鸺诳胀稜顟B(tài)時(shí)(不帶箱式火箭彈和炮班成員)，其外廓尺寸應(yīng)控制在5 500 mm×2 400 mm×2 200 mm以?xún)?nèi)，空投狀態(tài)質(zhì)量應(yīng)控制在5 500 kg以?xún)?nèi)，戰(zhàn)斗全重應(yīng)控制在7 500 kg以?xún)?nèi)。

3.2 火箭炮總體方案輕量化

火箭炮總體方案以空降型越野汽車(chē)底盤(pán)為運(yùn)載體，采用箱式發(fā)射、多功能火控和自裝填模式，可裝載1個(gè)20管的箱式火箭彈遂行作戰(zhàn)任務(wù)，主要由火力系統(tǒng)、火控電氣系統(tǒng)和底盤(pán)系統(tǒng)組成。火箭炮總體方案輕量化就是對(duì)這3個(gè)分系統(tǒng)方案進(jìn)行輕量化研究，獲得最優(yōu)的輕量化技術(shù)方案。

3.2.1 底盤(pán)系統(tǒng)方案輕量化

高 嵩(1989—)，男，黑龍江大慶人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)閮?nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化、江海直達(dá)。E-mail: gaosong@wti.ac.cn

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)7.5 t級(jí)空降型越野汽車(chē)底盤(pán)，性能接近的有猛士6×6越野汽車(chē)底盤(pán)和鐵馬4×4輪式裝甲車(chē)，故空降型越野汽車(chē)底盤(pán)可采用猛士6×6或鐵馬4×4的成熟部件為基礎(chǔ)，研發(fā)一款滿(mǎn)足空降需求的空降型越野汽車(chē)底盤(pán)，底盤(pán)整備質(zhì)量不大于4 000 kg，承載能力不小于3 500 kg，同時(shí)滿(mǎn)足投物-19空投系統(tǒng)以及運(yùn)-8C空投載機(jī)的空投要求。為實(shí)現(xiàn)底盤(pán)輕量化，同時(shí)具備高機(jī)動(dòng)能力，底盤(pán)總體方案可采用4×4全時(shí)驅(qū)動(dòng)，平頭雙人駕駛室；采用風(fēng)冷增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)，與水冷發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可省去冷卻水箱、膨脹水箱和冷卻液，可減輕保障壓力，提高空投適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)可減輕質(zhì)量；變速箱與分動(dòng)箱一體化設(shè)計(jì)，減少底盤(pán)縱向尺寸；配備油氣獨(dú)立懸架和中央充放氣裝置，行軍時(shí)提高底盤(pán)越野能力，空投時(shí)油氣懸架下降和輪胎放氣，降低全炮高度，以滿(mǎn)足空投高度要求。

3.2.2 火力系統(tǒng)方案輕量化

火力系統(tǒng)主要由搖架、裝填裝置、上架、下架、高低機(jī)、方向機(jī)和瞄準(zhǔn)裝置等組成，其中裝填裝置的技術(shù)方案直接影響整個(gè)火箭炮，乃至整個(gè)火箭炮武器系統(tǒng)的質(zhì)量。世界典型箱式火箭炮根據(jù)裝填模式可分為非自裝填型和自裝填型。如圖3為巴西ASTROS火箭炮和我國(guó)11式火箭炮，兩者均為非自裝填型箱式火箭炮，作戰(zhàn)時(shí)1門(mén)火箭炮須配備1輛彈藥裝填車(chē)，沒(méi)有彈藥裝填車(chē)，火箭炮將無(wú)法持續(xù)作戰(zhàn)。

目前自裝填型箱式火箭炮有兩種裝填模式。一種模式是將裝填裝置和搖架一體化設(shè)計(jì)，在搖架頂端安裝卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)箱式火箭彈裝填，采用這種裝填模式有美國(guó)M270、M142火箭炮以及我國(guó)SR5火箭炮等，如圖4所示。另一種模式是在底盤(pán)上直接安裝一個(gè)液壓起重機(jī)來(lái)吊裝箱式火箭彈，采用這種裝填模式有土耳其T-122火箭炮和我國(guó)WS-22火箭炮等，如圖5所示。

吊機(jī)裝填模式，吊機(jī)質(zhì)量和體積均較大，裝填過(guò)程中需人工校正位置，需3人配合手動(dòng)完成裝填，而一體化裝填模式在裝填過(guò)程除吊鉤與箱式火箭彈掛接需要人工操作外，其余操作均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，1人就可完成火箭炮裝填操作，并且一體化裝填模式的裝填裝置質(zhì)量約為吊機(jī)質(zhì)量的50%，故火箭炮采用一體化裝填裝置不但具有明顯減重優(yōu)勢(shì)，而且可減少炮班成員數(shù)量，簡(jiǎn)化操作。

由于底盤(pán)系統(tǒng)油氣懸架、裝填裝置均采用液壓驅(qū)動(dòng)，從輕量化考慮，火力系統(tǒng)采用液壓缸式高低機(jī)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的齒圈式方向機(jī)，由伺服閥控制液壓缸和液壓馬達(dá)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)火箭炮瞄準(zhǔn)。與傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒弧式高低機(jī)和齒圈式方向機(jī)相比，采用液壓驅(qū)動(dòng)的高低機(jī)和方向機(jī)，可以省去平衡機(jī)、手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)和安全離合器等部件，不僅可減少火力系統(tǒng)組成、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，還可降低火力系統(tǒng)高度，減輕火力系統(tǒng)質(zhì)量。同時(shí)制定箱式火箭彈吊裝、定位和鎖緊等機(jī)械及電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，從結(jié)構(gòu)方面使火箭炮具備發(fā)射多彈種能力。

火控電氣系統(tǒng)由電氣控制、發(fā)射控制、通信、導(dǎo)航和隨動(dòng)五大分系統(tǒng)組成。采用部件模塊化、安裝一體化和功能多樣化的設(shè)計(jì)方案，減少系統(tǒng)電氣箱體和電纜數(shù)量，以減輕系統(tǒng)質(zhì)量。采用多功能火控技術(shù)，制定發(fā)射控制、供電和通信協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)炮長(zhǎng)終端控制火箭炮操瞄解算、上電、裝定和發(fā)火等流程，從控制方面使火箭炮具備發(fā)射多彈種能力。多彈種兼容是整個(gè)空降火箭炮武器系統(tǒng)乃至空降兵火力打擊體系功能輕量化的前提條件。通信和導(dǎo)航分系統(tǒng)多選用定型產(chǎn)品，其輕量化研究?jī)H限于布置和安裝支架的輕量化。

4 結(jié)構(gòu)部件輕量化

結(jié)構(gòu)部件輕量化主要方法有輕量化結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)材料應(yīng)用和輕量化成形3種方法。輕質(zhì)材料是基礎(chǔ)，輕量化結(jié)構(gòu)是重要手段，輕量化成形則是前提條件。部件結(jié)構(gòu)形式必須滿(mǎn)足所用材料制造工藝水平要求，輕質(zhì)材料以及輕量化成形技術(shù)的發(fā)展，也將促進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

4.1 輕質(zhì)材料應(yīng)用

在選擇輕質(zhì)材料時(shí)，主要考慮材料的比強(qiáng)度、比剛度和成形工藝。目前火箭炮制造材料主要以金屬材料為主，同時(shí)用到橡膠、工程塑料、玻璃鋼、玻璃等非金屬材料。火箭炮常用的金屬材料有：鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金和鎂合金等，其主要性能參數(shù)[7-8]如表2所示。在比剛度方面，鈦合金、鎂合金、鋁合金和鋼的比剛度基本相同；在比強(qiáng)度方面，鈦合金的比強(qiáng)度最高，高強(qiáng)度鋁合金次之，鎂合金略低于高強(qiáng)度鋁合金，高強(qiáng)度鋼的比強(qiáng)度與中等強(qiáng)度的鋁合金相當(dāng)，因此高強(qiáng)度鋼也可作為輕質(zhì)材料使用。在剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則場(chǎng)合，使用輕質(zhì)材料減重效果不明顯，材料成本、加工成本卻比鋼材高出數(shù)倍；在強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則場(chǎng)合，使用高比強(qiáng)度輕質(zhì)金屬材料可以取得明顯減重效果。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于一定的減重目標(biāo)，采用輕質(zhì)材料減重的貢獻(xiàn)大約為2/3，結(jié)構(gòu)減重的貢獻(xiàn)大約是1/3[7]。

表2 常用金屬材料性能參數(shù)表

鋁合金是目前武器裝備使用最普遍的輕質(zhì)材料，主要使用類(lèi)別有防銹鋁、硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和鑄造鋁。防銹鋁可用于火箭炮蒙皮及骨架零件，燃油箱及液壓油箱、油管等制造，如5A06、3A21等；硬鋁可用于火箭炮中等強(qiáng)度的零件和構(gòu)件的制造，如2A11、2A12等；超硬鋁可用于火箭炮搖架、上架、裝填裝置、儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱體和底盤(pán)輪輞等承力部件及高載荷零件設(shè)計(jì)制造，如7A04、7A05等；鑄造鋁合金可用于電氣箱體，減速器殼體等零件，如ZL101A、ZL114A等。

鎂合金是常用金屬中最輕的金屬，其強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、散熱好、減振性能好、承受沖擊載荷能力比鋁合金強(qiáng)。目前使用最廣泛是鎂鋁合金、鎂錳合金和鎂鋅鋯合金，主要用于航空、航天、電子及汽車(chē)行業(yè)。在火箭炮上，鎂合金可用于各類(lèi)殼體、支架、電氣箱體和面板等零件制造，常用牌號(hào)有AZ91B、AS21和WE54-T6等。

鈦合金是常用輕質(zhì)金屬中比強(qiáng)度最高的金屬材料，具有良好的機(jī)械性能，同時(shí)耐蝕性好和耐熱性高，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，用于制造多種形狀復(fù)雜、質(zhì)輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的薄板類(lèi)工件。隨著鈦合金冶煉技術(shù)發(fā)展和成本下降，使其在輕量化陸軍武器裝備、醫(yī)療和化工行業(yè)中應(yīng)用逐漸增加。在火箭炮上，鈦合金可用于裝填裝置、上架、鎖箱機(jī)構(gòu)和行軍固定器等結(jié)構(gòu)件制造。常用的鈦合金牌號(hào)有TA7、TC3和TC4等。

火箭炮常用非金屬材料的密度及應(yīng)用[8]如表3所示，此外隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，碳纖維、芳綸、超分子量聚乙烯等輕質(zhì)超高強(qiáng)度高分子復(fù)合材料的制造和成形技術(shù)逐漸成熟，成本逐漸降低，在空降武器裝備上具有良好的應(yīng)用前景，可進(jìn)一步提升空降火箭炮的輕量化水平，其主要參數(shù)及應(yīng)用[9]如表4所示。

表3 火箭炮常用非金屬材料及應(yīng)用

表4 常用輕質(zhì)高分子復(fù)合材料參數(shù)及應(yīng)用

4.2 輕量化結(jié)構(gòu)

火箭炮總體方案明確后，根據(jù)總體下達(dá)的技術(shù)規(guī)格書(shū)，結(jié)構(gòu)部件的技術(shù)方案、空間外形、安裝結(jié)構(gòu)和主要功能、性能也基本明確。由于火箭炮發(fā)射時(shí)對(duì)架體的作用力比相近口徑身管武器小很多，故在部件設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足空投著陸沖擊載荷為前提，同時(shí)滿(mǎn)足總體要求其他功能性能要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多采用空心變截面結(jié)構(gòu)、薄壁高筋結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)、蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、變厚度/變材料等輕量化結(jié)構(gòu)。在部件初步方案確定后，建立部件有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以得到理想的輕量化結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施主要有拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化4種。拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)已知負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定空間內(nèi)以材料分布為優(yōu)化對(duì)象，在設(shè)計(jì)空間中找到最佳的材料分布方案。尺寸優(yōu)化以設(shè)計(jì)參數(shù)為對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化，比如板厚，梁的截面寬、長(zhǎng)和厚等；形狀優(yōu)化是對(duì)結(jié)構(gòu)件外形或者孔洞形狀進(jìn)行優(yōu)化，比如凸臺(tái)過(guò)渡倒角的形狀等；形貌優(yōu)化是優(yōu)化薄板的凸臺(tái)分布，提高局部剛度，如壓筋、翻邊等。圖6展示了尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化在設(shè)計(jì)減重孔時(shí)的不同表現(xiàn)。

拓?fù)鋬?yōu)化比尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化具有更多的設(shè)計(jì)自由度，能夠獲得更大的設(shè)計(jì)空間，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化最具發(fā)展前景的一個(gè)方向[10]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后在運(yùn)用形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和尺寸優(yōu)化進(jìn)一步確定部件結(jié)構(gòu)的最終參數(shù)。

4.3 輕量化成形

輕量化成形是指成形的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料零件不僅其幾何形狀接近零件最終形態(tài)及加工余量小，而且能直接成形出具有輕量化幾何特征的結(jié)構(gòu)形式[7]。隨著輕質(zhì)材料強(qiáng)度提高，其塑性不斷降低，輕量化結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜，使得輕質(zhì)材料成形難度越來(lái)越大，傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、沖壓、焊接、機(jī)加等成形方法難以滿(mǎn)足其快速經(jīng)濟(jì)成形的需要，從而限制了輕質(zhì)材料及輕量化結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用。因此針對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)度材料及復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)，需不斷研發(fā)新的成形技術(shù)。目前較為成熟的輕量化成形技術(shù)有：內(nèi)高壓成形技術(shù)、充液拉伸成形技術(shù)、超塑成形技術(shù)、半多點(diǎn)模成形技術(shù)、高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)、等溫鍛造技術(shù)、半固態(tài)模鍛技術(shù)、噴射成形技術(shù)[7]和3D打印技術(shù)[11]。結(jié)合火箭炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，上述輕量化成形技術(shù)在火箭炮可應(yīng)用場(chǎng)合如表5所示。

表5 輕量化成形技術(shù)在火箭炮上應(yīng)用

除上述輕量化成形技術(shù)外，產(chǎn)品零部件連接也應(yīng)采用輕量化連接結(jié)構(gòu)，如液力脹接、超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)、鈦鎳記憶合金管接頭連接、TOX連接和激光焊接等。液力脹接應(yīng)用于管材與板材的連接；超塑成形/擴(kuò)散連接應(yīng)用于多層(2～4層)整體蒙皮、壁板、框梁等復(fù)雜關(guān)鍵結(jié)構(gòu)；TOX連接用于可塑性薄板的不可拆卸式?jīng)_壓點(diǎn)連接技術(shù)，如駕駛室內(nèi)飾板、骨架、蒙皮等；鈦鎳記憶合金管接頭連接可應(yīng)用于高壓油管及氣管的連接。與傳統(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)和螺接結(jié)構(gòu)相比，新型輕量化連接結(jié)構(gòu)可大大減少產(chǎn)品零部件種類(lèi)和數(shù)量，并大幅改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，減輕部件質(zhì)量,同時(shí)提高連接結(jié)構(gòu)的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)空降火箭炮武器系統(tǒng)組成功能輕量化，使空降火箭炮武器系統(tǒng)裝備組成從11種精簡(jiǎn)到6種，減少空降火箭炮武器系統(tǒng)中裝備及人員組成，減輕系統(tǒng)質(zhì)量，優(yōu)化空降兵火力打擊體系武器裝備配置。通過(guò)對(duì)火箭炮總體方案輕量化，結(jié)構(gòu)部件材料、結(jié)構(gòu)及成形輕量化，使火箭炮空投狀態(tài)質(zhì)量和外廓尺寸滿(mǎn)足運(yùn)-8C空運(yùn)和投物-19空投的要求，滿(mǎn)足未來(lái)空降兵一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的使用要求。武器系統(tǒng)組成功能輕量化、武器裝備總體方案輕量化和結(jié)構(gòu)部件材料-結(jié)構(gòu)-成形輕量化方法可為我軍未來(lái)空降武器的研制提供參考和借鑒。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新技術(shù)以及新工藝的出現(xiàn)，將進(jìn)一步促進(jìn)輕量化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，提升空降火箭炮武器系統(tǒng)的輕量化水平。