倍徑比:火炮炮管長與火炮口徑的比值
由於管狀火炮的彈頭在炮管內受到推進藥產生的氣體作用時間愈長,炮口初速愈高,能量愈大,彈道也較為平伸,對射程也有正面的影響。因此理論上炮管的長度愈長愈好。再比較兩門同口徑的火炮的威力時,倍徑的大小是一個很好的參考依據.倍徑愈大表示炮管愈長。
155mm毫米榴彈炮是陸軍進行火力壓制的必要火炮,威力大、精度高、機動較為靈活。155mm榴彈炮身管長度經歷過三次變化39倍,45倍,52倍。
提高射程的手段有兩種,一是提高火炮初速,二是減小彈丸阻力。但是為了戰備和簡化後勤的需要,通常很少改動彈丸。在彈丸阻力一定的情況下,提高射程就只能通過增加火炮初速來實現。內彈道學原理告訴我們,火炮射程和初速可以通過以下兩種手段得到提高:一是增大發射藥裝藥量,也就是增加彈丸發射時火藥能量;二是延長身管長度,也就是增加彈丸被火藥燃氣加速的時間。但是,火炮藥室容積(影響裝藥量的主要參數)和身管長度幷不是可以隨意選擇的。通常情況下,科研人員在設計一種火炮時,會首先根據預先制定的火炮性能指標所給出的口徑、彈重、初速等初始條件,選取適當的最大膛壓、藥室擴大系數和火藥品種,以此為起點計算出火炮所需要的裝藥量。裝藥量的增加可以通過增加火藥裝填密度或者增大藥室容積來實現。裝填密度和藥室容積都不是能無限制增大的,過高的裝填密度會影響發射藥燃燒的均一穩定性;而過大的藥室容積會導致火炮炮尾結構重量和體積超標,影響後坐及俯仰動作。一旦設計人員確定了合理的藥室容積,除非出現特殊情況,否則這個參數在火炮的整個發展和改進週期中都將固定不變。因為一旦藥室容積發生變化,就意味着整個彈藥系統結構都要重新設計,這是火炮設計人員所不能接受的。相對於藥室容積的變化,火炮身管長度發生改變對彈藥的影響很小。但是改變身管長度就會引起火炮外彈道特徵的變化,身管長度還受到材料和加工工藝水平等因素的限制。另外,身管長度過大也會導致火炮體積和戰鬥全重增加,進而影響火炮機動性能的發揮。
希臘陸軍裝備的M1A1型155榴彈炮(23倍身管口徑)
北約成立後強調武器系統的標準化,因此,多數北約國家向美國提出了軍援要求。美國將大批剩餘的M1重新命名為M114系列榴彈炮,用於對外軍事援助。其型號包括美製M114、M114A1/A2、比利時改進的M114/39、德國改進型M114、以及荷蘭利用39倍身管改裝的M114/39和M139型榴彈炮。作為北約師屬支援火炮,各國都對M114系列作了改進,如配備輔助推進系統,配用遠程彈種等。聯邦德國的改進幅度最大,換裝了39倍口徑身管和新型立鑿式炮閂,配用新的觀瞄系統和火控系統。然而,受到彈道性能的限制,該炮已經漸漸不能滿足現代戰爭的需要,60年代,各國開始研製新型155毫米榴彈炮。
1963年,北約制定了《第39號基本軍事要求草案》,決定共同發展一種自行火炮和牽引式火炮。次年,美國、英國和聯邦德國等主要北約國家對未來的火炮問題進行了討論,並對基本技術參數要求達成一致意見,即:普通彈射程為24千米,火箭增程彈為30千米。為保證火炮具有足夠的威力,決定將口徑定為155毫米。在討論中,三方還確定火炮內彈道(藥室容積、最大膛壓、膛線的數量、長度與纏度等)標準化的問題,並規定以美製:M549為標準火箭增程彈,並要求自行火炮與牽引式火炮之間儘可能通用。
1970年12月,新型火炮樣炮研製成功並定名為XMl98型155毫米牽引榴彈炮(x代表試驗型)。在經過近10年的各種測試後,1979年2月,該炮正式批量生產(正式名稱為M198型155毫米牽引榴彈炮)。其各部件由5家廠聯合生產-巖島兵工廠負責總裝及炮架和反後坐力裝置的生產,沃夫特利特兵工廠生產炮身,弗蘭克福兵工廠生產火控裝置、美國陸軍武器局、畢加丁尼兵工廠和哈里.戴蒙德實驗所負責彈藥的研製和生產。
M198在設計上很有特點,優先考慮輕量化問題。其身管長39倍口徑,採用傳統結構,由M199炮身、M45後坐裝置、瞄準裝置和M39炮架組成,上架、大架、底盤等均採用高強度鋁合金製造,因此戰鬥全重僅7.154噸。彈道性能與FH-70類似,採用高屈服鋼單層炮管,經液壓自緊工藝處理,但炮閂還是採用斷隔螺式,而不是像FH-70等歐洲火炮那樣採用立鑿式,因此射速明顯落後。
M198
在2003年的伊拉克戰爭期間,美軍第51機械化步兵師在炮擊巴士拉時,曾使用M198發射“銅斑蛇”激光制導炮彈,據美軍稱,命中率近乎100%。這種炮彈口徑155毫米,彈內配有激光追蹤器、陀螺儀、自動駕駛儀、控制系統、主翼和控制尾翼,可全天候使用。
由於機動性好、火力猛,該炮在2003年的伊拉克戰爭中很受美陸戰隊士兵的青睞,戰場上一旦遭到伊軍的抵抗,美步兵就會呼叫M198型榴彈炮進行火力支援,直到將伊軍的陣地完全炸平後,才繼續前進。
80年代初期,隨着美軍快速反應部隊和陸軍輕型部隊的組建,美國陸軍和海軍陸戰隊分別要求研製一種便於直升機吊運的重量輕、射程遠、精度高的155毫米牽引榴彈炮,以取代M198。 1997年3月,經過長達7年多的試驗和鑑定,美國陸軍和海軍陸戰隊終於一致選定UFH超輕型155毫米牽引榴彈炮(39倍口徑)作為兩軍的共同項目(美國稱為XM777)。M777採用了新穎的四角形大架,其優點是在減輕火炮重量的同時,確保了火炮射擊的穩定性。射擊時,炮輪成為火炮的支點,行軍時,兩隻細長的前置大架可以摺疊放在炮身兩側,兩隻短粗的後置大架可向前翻轉成直立狀態。這樣,M777既便於在複雜地域機動,又可用直升機吊運部署,目前,美國裝備的CH-53、UH-60等中、大型直升機均能吊運該炮。
39倍口徑比在現在的超輕型榴彈炮仍是一個重要參考指標。
西方60年代的“四國彈道協議”已經確定了在當時技術條件下,大口徑壓制火炮藥室容積和身管長度這兩個參數的最合理比值,以此確定的火炮初速和射程能夠達到當時制式壓制火炮的最佳內、外彈道性能。為了保證軍隊裝備的延續性、沿用原有加榴炮射表和彈藥體系,西方新研製長身管加榴炮藥室容積和身管長度的比例關係必須符合“四國彈道協議”中規定的才行。為了找到下一代陸軍壓制火炮最合理的內彈道參數指標,在確定新型155毫米加榴炮的藥室容積為23升之後,美、英、法、西德等國在70年代曾先後提出了身管長度從45倍口徑到58倍口徑不等的數種火炮內彈道設計方案。由於技術實現難度相對較小,再在加上天才的設計能力,布爾博士的45倍口徑火炮方案才在70年代末首先成熟起來,引起各國的關注。
吉拉德·布爾
布爾博士原本是加拿大政府的僱員,對現代增程火炮研究的貢獻堪稱首屈一指。布爾對於增程火炮的嶄新技術嘗試,包括延長炮管、發射藥採用翼狀外殼、為保護彈翼免於被炮膛巨大爆壓損壞而設計的特殊炮彈軟殼、安裝在炮彈上的火箭助推器等。由於布爾與他的太空研究公司的努力,榴彈炮的炮管才能由以往的30倍徑增長至39、45倍徑,乃今天的52倍徑,火炮射程由過去的20km提升為標準彈藥24~30km,使用增程彈藥時更達到40km之遠。
自上世紀80年代以來,為了提高火炮射程,世界上掀起了一場45倍口徑的革命。加拿大布爾博士率先推出了採用45倍口徑身管的GC45式155毫米加榴炮,發射遠程全膛榴彈的射程為30千米,發射遠程全膛底排彈的射程可達39千米,轟動一時。隨後,奧地利和南非採用這一技術分別研製出GHN45式和G5式155毫米加榴炮。
雖然CG-45最後沒有獲得美國陸軍採用(由於GC一45結構複雜,不符合北約技術要求),但其整體結構被日後許多其他榴彈炮模彷,與同一時期英、德、意三國合作研發的FH-70 155mm38倍徑榴彈炮的結構,並列為現代西方兩大155mm榴彈炮發展路線。FH-70採用一族新彈藥,提高了射程和殺傷力,瞄準裝置上有數字顯示器,可顯示連指揮所提供的高低和方向數據等,還自帶輔助動力裝置。
GC-45的炮架有兩對主輪,使用螺旋式炮閂,在分叉式牽引炮架上設有射擊台,此外也預留安裝輔助動力系統的空間。
泰國皇家海軍陸戰隊曾採購18套GC-45,是該炮的第一個客户,而以色列也使用這一榴彈炮,在1982年在貝卡山谷的戰鬥中有所表現。NORICUM公司對GC-45的設計加以改進,在1986年推出GHN-45榴彈炮。這一改進型擁有輔助動力系統,最大的用户是伊拉克,當時與伊拉克交戰的伊朗也有購買一定數量。
這一倍徑最出名還是PLZ45
該系統相當先進,並於1997年底接到科威特27輛的定單。PLZ45型155毫米自行榴彈炮為45倍口徑,系身管長度為45*155毫米,可發射北約制式彈藥。它射程遠,射速高,其上裝有慣性尋北儀、衞星定位接收器、激光測距儀、無線數字對話轉換器和全自動操縱瞄準系統等。良好的底盤設計改善了武器的機動性。火炮戰鬥反應異常迅速。
該炮的彈道性能與155毫米牽引火炮相同,動力裝置採用525馬力(386千瓦)風冷增壓柴油機。該炮戰鬥全重32噸,乘員5人,發射普通彈丸時,最大射程39公里,發射火箭增程彈時最大射程可達50千米,射速4-5發/分,身管壽命900發。射擊指揮車是全武器系統的核心,其性能先進,功能齊全。該車重13.8噸,採用320馬力(235千瓦)BF8L413F型發動機,可載4-6名乘員,最大公路行駛速度可達50千米/時,並可隨同坦克在田野中以35千米/小時速度行駛。
與西方當時大量裝備的採用39倍口徑身管的155毫米榴彈炮相比,PLZ45的射程要遠得多,發射低阻全膛底排彈的射程達40千米,發射中國研製的新型火箭增程底排彈的射程可達50千米。即使以現在的眼光看,PLZ-45的射程也是世界第一流的,絲毫不遜於多數採用52倍身管的155毫米自行火炮。
對比我國45倍155毫米加榴炮和西方45倍加榴炮可以發現,我國火炮的藥室只有22.9升左右,身管長與藥室的比值要大於西方45倍155毫米加榴炮,從而使我國45倍155毫米加榴炮在密集度指標上高於西方同型火炮。
進入九十年代後,世界上掀起了一股採用52倍口徑身管的155毫米火炮發展浪潮,被軍事專家們稱為"52倍口徑革命"。尤其是西方國家,幾乎是清一色的52倍口徑155毫米自行火炮。
在後來的深入研究中科研人員發現,相對於23.5升藥室容積,45倍口徑身管長度過小,偏離了“四國彈道協議”規定的比例。較短的身管就意味着較小炮膛工作容積,從而導致火炮發射藥相對燃燒結束位置過分接近炮口,必然會引起部分發射藥顆粒不能在膛內充分燃燒而是隨彈丸和火藥燃氣一起衝出炮口。在這種情況下,不僅發射藥能量不能得到充分利用,由於每次射擊時未燃完的發射藥量不可能完全一致,還會造成彈丸初速的較大分散。發射藥燃燒時不能在膛內充分膨脹做功還會產生強烈的炮口焰和較高的炮口壓力,對瞄準鏡等火炮上結構強度不高的設備和炮手造成嚴重損害,還為火炮後坐部分結構和炮口制退器的設計帶來很大困難。在源自布爾博士設計的幾乎所有45倍口徑身管155毫米加榴炮都不同程度地存在着這個問題。對於45倍口徑身管來説,火藥平均燃燒結束位置過於接近炮口帶來的一系列連鎖反應明顯增大了彈丸的起始擾動,再加上科研人員對剛剛出現的遠程全膛彈藥外彈道特性掌握不夠充分,彈體設計存在缺陷,所以80年代時各種45倍口徑身管壓制火炮在發射遠程全膛彈彈丸時的落點散佈精度始終不夠理想。總之,由布爾博士提出的45倍口徑身管新型壓制火炮設計方案雖然先進,卻是在考慮降低技術風險和維持火炮良好機動性等因素後的折中方案,而不是大藥室、長身管壓制火炮的最佳方案。
經過長時間醖釀,由英國提出的一個方案逐漸後來居上,其身管長度(52倍口徑)與藥室容積(23升)之比,與原來“四國彈道協議”原則十分接近,採用現有彈丸和裝藥以低膛壓發射,仍然保持原來的初速。因此,四國於1987年9月接受英國的52倍口徑身管、23升藥室容積和945米/秒初速,作為未來火炮的基本參數,形成重新修訂的新“四國彈道協議”——“北約共同彈道諒解備忘錄”(JMBOU)。執行這一新“協議”,就能確保北約國家未來的155毫米火炮系統具有相同彈道,發射普通彈射程30公里,發射增程彈射程為40公里。和布爾博士設計的45倍口徑火炮相比,新標準的155毫米火炮雖然最大射程僅提高1公里,但是內彈道總體設計更趨合理、彈丸落點散佈精度和身管壽命指標成倍提高、發展潛力更大。
當年美國雖然也是“北約彈道諒解備忘錄”的發起國之一,卻一直沒有研製自己的155毫米52倍口徑身管加榴炮,倒是一度搞出了54倍口徑身管的155毫米“十字軍戰士”火炮。究其原因,52倍身管和23.5升藥室幷不是一成不變的,由於各國使用的發射藥和彈藥不同也在微小的調整。
PLZ一45型155毫米自行加榴炮的距離密集度為1/270,而PZH一2000則達到了1/400。精度更高則是52倍口徑的另一優勢。
PZH一2000
其最大特點是一是機動性好。一般的自行PZH2000自行榴彈炮火炮最大時速30-70千米,最大行程可達到700千米,具有極好的越野能力,能協同坦克和機械化部隊高速機動,可執行防空,反坦克和遠、中、近程對地面目標攻擊等任務。
二是火力強大。使用數輛自行火炮便可迅速形成防空、反坦克和對地面攻擊的合理而有效的火力配備系統,可根據目標的不同,最大程度地發揚綜合性火力。
三是防護力強。採用成熟的豹-1主戰坦克改型底盤,重型火炮也具有優異的機動性能和防護性。總的來看,PzH2000155毫米自行榴彈炮主要基於豹式主戰坦克底盤加以改進,類似二戰時期的"獵豹"和"獵虎"坦克殲擊車開發方式。在戰爭中起到牽引式火炮無法起到的作用。
1996年初,德國開始正式採用第一批國產155毫米自行火炮。這種自行火炮被稱為自行裝甲榴彈炮PZH2000,它的155毫米炮彈、自動裝填結構、高級射擊控制裝置代表了火炮界最新的潮流。車體前方左部為發動機室,右部為駕駛室,車體後部為戰鬥室,並裝有巨型炮塔。這種佈局能夠獲得寬大的空間。乘員包括車長、炮手、兩名彈藥手以及駕駛員共5人。戰鬥重量為55噸。