2.3.2 装甲车辆与火炮武器的匹配性设计
（1）车炮匹配性概念
高技术条件下的战争是高技术武器系统之间整体性能的对抗，无论是对于大型的战略性作战系统还是对战术性武器系统都是如此。车载火炮系统是由武器系统及其载体组成的综合系统，为了适应高技术战场上车载火炮系统之间激烈对抗的需要，必须从系统工程角度出发，采用系统集成的方法，使各组成部分的功能和结构相互兼容。装甲车辆与武器系统匹配性技术研究就属于系统集成范畴，它是寻求车载火炮系统各个分系统的最优匹配，使整个系统的综合性能达到最佳。
未来战争中，坦克依然是地面战场的主要突击力量。目前，许多国家第三代主战坦克的研制已经完成，第四代主战坦克将在第三代主战坦克的基础上装载更合适的大威力火炮。另外，为了提高快速反应和应急机动作战能力，研制超轻型轮式装甲战车、二代轻型坦克和大威力轻量化自行火炮将成为未来装甲装备发展的重点。这些装备在追求轻量化的同时都力求保持相当强的火力威力。
随着坦克炮威力的增加或相对增加，后坐力也相应增加，使坦克炮射击对车体稳定性、射击精度、车体刚强度、座圈强度以及乘员生理等引起的后效问题被广泛关注。这些后效作用是进行坦克及自行火炮等装甲装备总体设计或改造时不可回避的问题，它直接关系到底盘与火力系统的构造形式。火炮威力不断增加，后坐力也不断增加，由此引出的后效问题越来越严重，也使装甲底盘与火炮的匹配性问题变得日益重要。
车载火炮系统的典型代表是坦克，目前，国内外装甲车辆与武器系统匹配性技术的研究还比较欠缺，没有形成系统的理论，相关的技术参数也较少。
炮车比，即火炮后坐阻力与车辆质量的比值，作为描述装甲车辆和武器系统匹配特性的为数不多的参数指标之一长期受到关注。苏联在20世纪60年代从射击稳定性出发，提出炮车比不得大于0.8；20世纪80年代又从直瞄射击的立靶精度出发，提出炮车比允许达到1.4甚至1.5。德国曾把重约13.8kN的105mm火炮装在重约147kN的轻型车上进行射击试验，证明炮车比为1.7还是可行的。统计表明，各国定型坦克的炮车比一般在1.6以下，但对炮车比的极限值各国观点不一。国内装甲兵工程学院曾推导了求取炮车比极限值的理论公式，并首次得出炮车比一般不应大于1.71的结论。但对于总体要求技术相当复杂的车载火炮系统而言，仅仅有炮车比这一装甲车辆与武器系统匹配性指标是远远不够的。
从目前装甲车辆发展趋势来看，高膛压（超）低后坐力坦克炮与轻型装甲车辆结合使用是装甲战车武器技术发展的必由之路，这种趋势在极大程度上体现了坦克武器系统和机动系统的完美结合。长期以来，正是由于缺乏系统的装甲车辆与武器系统匹配性评价体系和相应的分析软件，使高膛压（超）低后坐力坦克炮在轻型装甲车辆上的应用和发展速度缓慢，对“小车装大炮”尤其是轻型和超轻型坦克及突击战车的发展产生了很大制约。
研究装甲车辆与武器系统的匹配性问题，其核心技术是以火炮发射动力学为理论基础，建立包括装甲车辆和武器系统的全系统参数化动力学模型，运用优化理论，建立多目标函数，确定车载火炮系统的最佳总体方案。
车载火炮系统是一种多学科综合性系统，涉及技术领域宽广，它包括车辆系统、武器系统和火控系统，其中车辆系统主要由车体及内部安装的动力装置、传动装置、操纵装置以及外部安装的行走装置等组成；武器系统主要由火炮、炮弹和自动装弹机等组成；火控系统主要由观瞄和测距仪、火炮操纵台和稳定器、弹道计算机和传感器等装置组成。
狭义上讲，匹配问题实际上是以匹配性最佳为目标，以底盘和火炮结构参数为设计变量，以参数化动力学模型为伴随条件的优化问题。
广义上讲，装甲车辆与武器系统匹配性是指车载火炮系统中的车辆、武器和火控三大分系统在参数（指标）及机械和电气等方面的协调统一，使车载武器综合系统的总体性能达到最优，而不是片面强调单一性能，割裂各个性能之间的辩证关系，损伤车载火炮系统的全局。从优化理论角度出发，这是一个多目标函数的系统综合与优化问题。
（2）炮车匹配技术
炮车匹配技术是指使车载武器系统的火力部分与装甲底盘合理组合，使系统达到最佳性能指标的总体技术的统称，它包括根据装甲底盘合理选择大威力火炮和根据火炮合理选择轻量化底盘两方面技术。研究炮车匹配技术可解决底盘与火力系统的匹配性问题，尤其是轻型装甲底盘装载大威力火炮的可行性问题，为火炮与底盘的相互选择提供科学依据。
随着车载武器系统，特别是装甲装备的发展，炮车的匹配性问题越来越突出，由于底盘与火力系统匹配性问题没有得到系统解决，故轮式装甲战车、轻型坦克和大威力轻量化自行火炮的发展受到很大制约。因此，炮车匹配技术是关系到装甲装备发展与改造急待解决并带有普遍性的总体理论问题和技术关键，并成为制约装甲装备总体水平的瓶颈技术和通用性技术。解决炮车匹配技术可为装甲装备总体方案论证提供科学依据，为优化炮车的总体参数与总体结构布局提供理论依据和技术途径，并为装甲装备实现“一种平台，多种负载”和“一种负载，适应多种平台”的总体设计思想提供重要的技术支撑。
炮车匹配技术的主要研究内容包括：
①武器射击的效应研究：研究系统在武器射击载荷作用下的各种响应问题，包括武器射击对底盘稳定性的效应研究、武器射击对底盘强度和刚度的效应研究、武器射击对射击精度的影响研究、武器射击对乘员生理的影响研究。
②装甲底盘与武器系统匹配性评价指标体系研究：以车载武器系统设计和论证为基础建立炮、车匹配性的评价指标体系。
③装甲底盘与武器系统连接结构的优化研究：采用优化原理对底盘部分与火力部分的连接部件进行优化设计。
④匹配性综合分析试验系统研究：研究并研制用于炮车匹配性试验检测的综合分析试验系统。
首先以时变思想建立炮车一体化的发射动力学模型，建立衡量炮车匹配性的评价指标，然后选一实际的装甲装备为工程对象，进行底盘与火力系统的匹配性分析、计算和试验。通过理论—实践—理论—实践的道路，不断完善理论，密切结合工程实际，最后落实到解决底盘与火力系统匹配性问题的若干新概念、计算方法、试验方法和软件系统上。研究的技术途径是把底盘与火力系统处理为由多个刚体和弹性体组成的多体时变系统，以多体动力学理论为基础，建立多体时变底盘与火力系统一体化发射动力学模型，并在此基础上研究武器发射的各种后效作用。以装甲装备设计和论证为基础提出衡量炮车匹配性的评价指标，进而研制炮车匹配性分析软件和连接结构优化软件。最后，以轻型轮式装甲战车和轻型坦克为工程对象，进行理论建模、计算机仿真分析计算和物理试验研究，提出改进其炮、车匹配性的连接结构新方案。
匹配性综合分析试验系统包括炮车性能匹配物理试验系统、炮车性能匹配计算机分析系统、炮车结构匹配分析试验系统三个分系统。各分系统的功能分别如下：
①炮车性能匹配物理试验系统：该系统用于火炮和底盘的性能匹配试验。主要由加载系统、检测系统、数据处理分析系统、火炮试验台和底盘试验台组成。
②炮车性能匹配计算机分析系统：分别建立底盘和火炮的参数化动力学模型，进行计算机炮车性能匹配性仿真试验。该系统以结构动力学、弹道学、弹塑性理论、有限元理论、数理统计、图论、模态分析、机械振动、机械系统优化、计算方法、射击理论、拓扑论、计算机图形学、计算机理论和火炮发射动力学等为理论基础，建立车载武器发射过程的动力学模型和射击精度模型，并在此基础上根据匹配性评价指标体系对车载武器进行匹配性分析。该系统不仅可用于车载武器总体方案论证和设计阶段分析其炮、车匹配性，还可为不同总体方案和总体结构的最佳匹配提供技术途径。
③炮车结构匹配虚拟分析试验系统：利用虚拟现实技术对炮车结构进行干涉性分析，如自动装弹机空间布置虚拟试验、各种机构动作可靠性虚拟试验、火炮后坐虚拟试验等。火炮发射时的特点是撞击多、速度高。若结构设计不合理，则会使撞击消耗能量过大，零件强度得不到保证。以往对这一问题主要是通过样机加工后进行实弹射击试验来解决，显然既费时又费力。利用虚拟现实技术中的仿真建模、图形技术、可视化计算等，对炮、车上发生撞击的虚拟构件，根据其运动特性和物理特性（如运动速度、质量、材料特性等）计算出物体的运动轨迹和变形，显示出撞击变形的三维图形，以检验与分析炮、车结构匹配性。
（3）炮车匹配性设计
1）顶置火炮总体设计
应用此项技术的坦克中火炮与乘员战斗室隔开，安装在旋转炮架、基座或低矮炮塔顶上，底盘结构紧凑，乘员均安置在车体内。这种技术的优点是火炮不受座圈和炮塔的限制，后坐长度可以增加，降低了后坐力，从而可以在不增加坦克全重的情况下，配置较大口径的火炮，有利于提高火力性能；减轻了全车的质量，便于机动；降低了车的总高度，炮塔正面投影面积进一步缩小，坦克被发现和击中的概率降低，在隐蔽体后射击时，外露部分更小，被击中可能性更小；乘员降到车体内，车内需要着重防护的空间很小，可得到集中加强；由于乘员位置低，可能前置的动力传动装置、顶置的火炮、两侧叶子板上的装置等，都有可能成为除装甲外对乘员的额外补充防护体，乘员生存能力可以显著提高；可以实现弹药舱与乘员舱的隔舱化，降低了坦克在被击中的情况下乘员的伤亡概率；火控、观瞄、装弹等均实现了自动化遥控操作，乘员体力消耗降低，战斗持续时间可以更长。
这种总体技术着眼于提高坦克总体性能，它使坦克的火力性能和机动性能能够有机结合、协调发展。但是，这种技术也有一定的缺点：由于全部乘员都降至车体内，限制了车长的环视观察和最高点观察；武器后半部的防护性较差；主要武器和弹药从战斗室中移出，应急操作（主要指弹药装填）以及主要武器和辅助武器必要的故障排除比较困难；由于技术含量增大，使战斗车辆维护保养和后勤保障压力增大。
2）低后坐力技术
这种技术是通过某些特殊的设计，将榴弹炮的某些特点与坦克炮的原理相结合，即在坦克炮上使用高效率炮口制退器、增大后坐行程量和采用新型反后坐装置等，使现役大口径、高性能坦克炮的后坐力在不影响原有战术性能的情况下大幅度下降到15~20t级；使轻型装甲战车能够安装并能稳定和精确发射；使轻型装甲车辆具备目前只有主战坦克才具备的火力。它具有“三高”的特点，即高性能、高膛压和高精度；“二全”，即具备现役主战坦克炮的全部性能并能发射现役坦克炮的全部弹药；“一低”，即后坐力大幅度降低，能够安装在15~20t级，甚至更轻型的轮式或履带式装甲车辆上使用。这一技术不仅增强了未来战争中反坦克作战的火力、有效性和机动性，而且具有可观的经济效益，并能为目前大量使用的各类装甲车辆效益利用和改造提供广阔的前景。很明显，这种技术能使坦克的火力、机动性和经济性完美结合。
目前，许多国家开展了低后坐力技术研究。德国莱茵金属公司发展装在15t级MowagShark8×8轮式装甲战车上的Rh105-11SLR型105mm超低后坐力的坦克炮；英国皇家兵工厂研制装在美国CadillacGage20t级Commando Stingray轻型坦克或V-6006×6轮式战车上的L-7A3型105mm低后坐力坦克炮；美国Teledyne公司研究19t级装甲火炮系统采用的美国M68Al型105mm坦克炮的低后坐力改装型火炮；意大利和法国等国为各自20t级轻型战车研制和改装性能与L7和M68型坦克炮完全相同的105mm低后坐力型坦克炮。此项技术虽然发展前景很大，但是还有很多技术难关需要攻克。
3）自动装填技术
装甲车辆自动装弹机是一种机电结合的机器人设备，是目前各国装甲车辆重点发展的部件之一。它一般置于装甲车辆的炮塔底部或尾部，其作用是代替装填手的工作，按所需的弹种将炮弹从弹舱中取出并装填入膛，有的装弹机还担负着将药筒抛出车外的任务。装弹机一般由选弹、提弹、送弹等几大部分组成，有的还有抛壳装置。选弹部分的主要功能是从弹舱内自动选出所需弹种；提弹部分的功能是将弹送到待装填入膛的位置；送弹部分的功能是将炮闩打开，将炮弹装填入膛并关闩；抛壳部分的功能是将退出来的药筒抛出车外。
采用自动装弹机相对人工装填有很大的技术优势，它可以提高射速、增加可靠性、装填大口径火炮、降低车高、缩小外部尺寸、提高车辆的机动性、减小乘员数量。采用自动装填后，既能增强坦克火力，又能减轻坦克质量，减少暴露面积从而增强机动性和防护性，是解决装甲车辆与武器系统匹配性的有效措施之一。
但是自动装填系统的可靠性、可维修性以及3人乘员所带来的一系列其他问题还没有最终完好地解决，需要进一步的深入研究。
4）发射动力学及其仿真技术
发射动力学是以分析动力学、结构动力学、振动与模态分析、多体动力学、弹性力学和塑性力学、土壤动力学、有限元法、微分方程、计算方法和计算机原理等理论为基础，研究车载火炮系统发射时火炮、车体的运动和受力的一门新学科。国内外把发射动力学分为有限元法和多体动力学两种。经试验验证的、正确的车载火炮系统动力学模型，是车载火炮系统总体设计、结构参数优化、可靠性设计、火炮CAD、车载火炮系统动力学仿真、火炮零部件的强度和刚度设计的理论基础，也可为火炮弹道设计计算提供动态干扰参量，为研究车载火炮系统评价体系提供数据，同时也是研究车载火炮系统匹配性的理论基础。
此项技术是设计过程中应用计算机实现的全数字仿真，包括全系统射击精度仿真、射击动力学仿真和单体的全数字仿真。通过对车载武器的全系统仿真，进一步检验系统总体方案的合理性，同时根据战术技术要求对系统提出精度分配的建议，探索各个系统之间的内在规律，找出各个分系统中的参数在整个车载火炮系统中的权重，改变某些关键参数使匹配性得到提高。
5）CAD技术
车载火炮系统CAD技术的任务大体可划分为以下几部分：
①车载火炮系统结构总体CAD技术研究。
②车载火炮系统总体设计专家系统。
③车载火炮系统工程CAD技术研究与推广。
④车载火炮系统CAD基础库的研究，含数据库、材料库、图形库和模型库等。
应用车载火炮系统CAD技术能够实现总体结构设计（提供车载火炮系统结构的大的分系统选型，进而进行整个系统的设计）、车载火炮系统各分系统的结构设计及对结构总体进行评估的功能，进而提高车载火炮系统匹配性。
另外，优化技术、系统集成技术和效能分析等都可以作为提高匹配性的技术手段。