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美国陆军战车现代化战略——战车平台的设计「1」

从冷战时期到西南亚地区战争,美国陆军战车平台的战场性能反映了对复杂的战车折衷设计的理解和应用。“艾布拉姆斯”坦克和“布雷德利”战车在其最初装备之后历经30多年,依然是美国陆军首要的作战平台,证明其具备很强的适应性。期间,这些作战系统被进行多次适应性改进,成功地适应了20世纪70年代车辆最初设计时并未预见到的任务和环境。相比之下,美国陆军曾经启动的预定换代计划如ASM(装甲系统现代化)、FCS(未来战斗系统)和GCV(地面战车)均未取得成功。被取消的原因有两个:一是在这些新系统研制期间的作战环境和财政环境;二是车辆的设计方法。


通晓战车设计的复杂性有助于制定未来计划的要求和战略,以及提高未来计划的成功率。就战车设计而言,作战概念驱动系统要求,系统要求驱动各种系统设计参数和性能特性的定位,而系统设计参数和性能特性又驱动战车系统的总体费用和复杂性。成功的设计需要在各种竞争性参数之间取得均衡,最后,最终的系统必须支持作战概念及其既定的设计用途。

作战概念与作战环境的匹配

作战概念的明晰战车设计的首要要求。战车角色(作战车辆、步兵输送车、保障车辆)及其使用环境,将确定系统要求和设计参数的优先次序。作战概念与作战环境失配,会造成一些计划的重大失误

M1“艾布拉姆斯”坦克被设计用来在欧洲西北部平原上击毁俄罗斯装甲战车。它在均衡尺寸和空中可部署性的同时,按优先序排列防护、火力和战术机动性作战概念与要求优先次序之间的紧密匹配,促成了一个极其有效的设计。相比之下,“布雷德利”战车的设计挑战是需要均衡诸多要求(搭载步兵、车内作战、两栖能力像侦察车那样小/轻/快、击毁重型装甲以支持纵深进攻作战),结果是:“布雷德利”虽然是一种成功的车辆,但受限于需要满足所有要求的设计折衷作战概念与作战环境之间的失配是ASM(装甲系统现代化)计划失败的一个因素,ASM计划试图通过BLOCK Ⅲ坦克、“十字军骑士”自行火炮系统和未来步兵战车来组成下一代“冷战”系统。这个努力发生在苏联的威胁促使美国提高其对抗能力的时期。而FCS(未来战斗系统)计划被取消的原因则是没有准备好应对在9.11事件后战略环境出现的非对称威胁。

作战概念驱动系统要求

作战概念驱动系统要求,这包括人员配置、防护水平、火力大小、必要的机动性、易于部署等。这些要求优先序的排列以及这些要求之间的均衡,是车辆成功设计与否的关键。作战概念与系统要求之间的失配能够产生负面二次效应。一些设计参数,例如尺寸和重量,衍源于所需要的能力,但也可能是设计约束;例如,如果系统有限制允许尺寸和重量的空运要求或铁路运输要求。

系统要求(防护、杀伤力、机动性、可部署性)的优先序排列,将驱动设计。但是,一些参数的重要性明显高于其他参数,与要求的优先序排列无关。装甲下空间(人员和部件受保护的空间)在什么防护水平是战车设计中最重要的设计驱动因素。人员数量(乘员和载员),以及机动性部件和其他装甲下任务装置,将确定初始的车辆防护。人员的防护水平要求,源于在使用环境下所需面对的威胁,而且决定围绕这部分空间所应用的设计。因为完全可靠的主动防护系统还没有装备,而且也不能防御所有威胁,因此,防护驱动确定车辆初始重量的被动装甲重量。

车辆的折衷设计

人员防护空间需要进行折衷设计例如,免受车底攻击的伤害“支持”车底最大可能地远离威胁的重型车辆,以在爆炸冲击波影响车内人员之前消散尽可能多的能量。这需要内部空间使人员和座椅可在车辆发生爆炸时移动,而不会撞到车辆顶部或因为底板变形而造成人员受伤。车底防护需要较大的人员空间和较高的车底距地高,从而车辆外廓较大,而这使车辆尺寸较大,易于被直射火力击中。

免遭直射攻击需要车辆外廓较小,以免遭探测、攻击、命中,这需要车底距地高较低。但是,如果车辆被击中,则需要较多的装甲,通过使入射威胁偏转或失效来避免乘员舱被击穿,而这驱动较大、较重的装甲。使用主动防护来降低车辆重量会提高车辆对车底攻击的易损性

装甲下人员空间和最终车辆的重量级别,对照系统的机动性要求,驱动有关动力传动系统和悬挂系统的决定,例如轮式还是履带式、发动机和传动装置规格等。战车需要大的接地面积来减小接地压力,以利于车辆在软土和湿土地上的机动;在较重车辆上,这支持履带式系统。但是,较大的接地面积会加大车辆在高速公路运动的难度。具有较小接地面积的轮式系统,对远距离、高速、战役级的机动,往往更为有效。转向半径、过垂直墙高、越壕宽的要求,通常有利于履带式系统,但取决于最终的车辆设计;轮式系统在适当均衡的情况下,也能实现较小的转向半径或较高的越障能力。如果越野、软土地域机动性的话,目前的技术侧重20~30吨以上的车辆采用履带式。

动力传动系统设置在战车的装甲之下,以避免因为系统受损而造成车辆丧失机动性。这意味着装甲下装甲必须扩展到将动力传动系统包含在内,从而提高车辆的尺寸和重量。为了将车辆尺寸保持在最小,战车动力传动系统寻求实现高功率密度。这意味着商用发动机和传动装置不是好的解决方案。军用战车采用的是定制的、体积小的、昂贵的动力传动系统。

配备动力传动系统后,战车即具备一定的机动性。而后,为车辆增加其他装备,如武器、探测器、通信和态势感知配件。火力系统需要支承武器系统和减小后坐的结构,还需要得到一定水平的防护。武器及其配套部件所需要的弹药空间和防护水平计入车辆装甲下空间的空间和重量要求,从而使尺寸和重量增加。尺寸和重量的增加会提高动力和悬挂要求。实现杀伤力的探测器不仅需要一些装甲防护空间,而且需要足够的电力来确保探测器的工作。网络和通信设备、态势感知系统和显示器、CBRN(化学、生物、辐射、核)防护系统及其他所需子系统也都有加入车辆装甲下空间的空间和重量要求,而且会有工作电力的需求

电气系统产生热量,从而提高车辆的冷却负荷。冷却系统不佳将降低作战性能,而且会因为增大热信号特征而提高车辆的易损性。子系统工作所需电力和冷却子系统所需电力,均来自车辆电源。高的用电负荷需要生成更多的电力,从而需要更高的车辆功率。而这种功率需求又需要更多的空间来供尺寸更大的动力传动系统及其冷却系统使用。不同的动力传动系统方案,如混合动力驱动系统,能够在某些条件下生成更多的电力。车辆的总电力生成需求包括车辆的机动性要求、其他电气系统的需求以及用来运行冷却系统降低相关热量输出所需能量的总和。提高功率效率和热效率或降低基本电力需求,能够降低总电力的需求。

炮塔形式的设计体现明显的尺寸和重量折衷。有3种基本的炮塔形式:有人炮塔,炮塔乘员随武器系统一起转动;无人炮塔,遥控操纵,为武器保持一定的装甲防护水平,人员可从车辆内进行检修或操作;遥控武器站,通常是未防护而且不可从车内操纵。有人炮塔对车辆结构设计和防护要求较高,而且“消耗”防护空间,从而会增大车辆的尺寸和重量。但是,有人炮塔便于乘员观察和操纵武器系统。与有人炮塔相比,无人炮塔具有降低重量和系统集成的优点,而且通常能够省却一些防护,但从车内进行检修和操作的难度加大。 遥控武器站通常“牺牲”武器系统的防护,而且通常需要一名操纵人员从外面为武器再装填或进行检修。因为没有乘员需要防护,遥控武器站具有最小的结构和重量影响。

2024-03-22

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