【科普中国军事科技】装甲车能用炮管端啤酒得益于什么技术？
来源：科普中国 时间：2023.05.25

坦克，从一战以来，一直是各国陆军的重要武器装备。无论是在支援步兵还是反坦克作战中，坦克都起到了至关重要的作用。然而，坦克的主要武器大多是一门主炮，如何让这门主炮瞄得准，打得准，就成了一个工程学难题。从一战开始，无数工程师绞劲脑汁的开发出了各种手段帮助坦克炮手瞄准和设计，也创造了无数原始落后但又充满奇思妙想的精彩设计。而火炮的稳定，一直是坦克设计上数一数二的难点。
血肉苦弱
在索姆河战役投入大量坦克协助步兵突破行动后，协约国很快发现了坦克存在的缺陷：传动不可靠，故障率极高，视野盲区大，而且每次开炮都得停下。早期坦克火炮大多是直接利用陆军野战炮或者海军火炮上车，观瞄装置都一切从简，炮手的射击方式更是向海军看齐：自行把握船舶的摇晃节奏，进行连续调整，在正对目标时开炮。然而，泥泞的前线终究不是海军的万吨战列舰，坑坑洼洼的冲锋道路让坦克无时无刻不在剧烈颠簸。相较于稳定周期性摇摆的海军舰艇，坦克面临的摇晃幅度更大，完全没有规律性，完全不可能使用海军的瞄准方式实现运动中射击。

图为法国雷诺FT-17坦克炮塔内部，可以看到皮质的肩垫（图片来源：外网资料）
法国工程师对此心知肚明。想要让坦克主炮别晃来晃去，首要难题是找准水平。工程师们有各种各样的方式帮助炮手调整火炮姿态，但是这一切的前提是知道水平面在哪，火炮要向哪个方向调整，才可以由机械介入稳定。对于1910年代的科技来说，这是个无解难题，水平仪的精度和准确度都令人不敢恭维，以此为基础设计火炮稳定器必然会酿成大祸。法国工程师们反其道而行之，走了另外一条截然不同的路线：人力稳定。
虽然坦克面临的泥泞崎岖道路不能通过技术手段获取水平面的参考位置，但是人体依然可以通过平衡感来了解大概的倾斜角度，并且对此做出适应，这是人的本能。法国工程师创造性地设计出了独立旋转的炮塔，又使用了小口径火炮，还给炮手设计了一个肩垫：把火炮的俯仰直接交给炮手的肩膀控制：当坦克进入下坡，蹲着马步的炮手会自然的蹲下，坦克的火炮就会大致指向水平方向；当坦克进入上坡，炮手又会自然的站起，坦克的火炮也会大致保持在水平方向上。即便炮手没有做出正确的应对，坦克主炮的俯仰调节也极为方便，就像使用步枪一样可以很轻松的瞄准。

图为博物馆中的雷诺FT-17坦克（图片来源：外网资料）
法国设计师的创造性设计最终被整合在雷诺FT-17坦克上，炮塔水平方向使用了滚珠轴承，垂直方向设置一个肩垫直接搭在炮手肩膀上，火炮可以非常轻松的俯仰和水平转向，甚至可以在坦克外用单手拖动炮塔回转，必要情况下也可以通过锁扣直接锁死炮塔的俯仰角，方便运输且避免成员离开时炮塔转动伤人。雷诺FT-17的设计非常成功，极大影响了战间期当时的坦克设计思路。英国的玛蒂尔德步兵坦克、日本的89式坦克、97式坦克也都学习了雷诺FT-17的设计，通过人力实现简单的俯仰角稳定，一部分熟练的坦克兵可以在较为平稳的道路上实现行进间射击。
灵光初现
雷诺FT-17的设计在当时自然是开创性的，但是也存在致命缺点——火炮口径。通过人力稳定的火炮口径不能过大，不然坦克兵费尽全力也很难拉动。炮塔的正面装甲厚度设计受到制约，限制了坦克的防护能力，也无法使用更加科学的多人炮塔和多人车组设计。在战间期的轻型坦克中，人力稳定相当常见。但是一旦使用了45毫米或者更大口径火炮，就很难通过人力操作和稳定，所以中口径火炮往往放弃稳定，使用摇把来进行炮塔控制。炮塔转向速度非常缓慢，而且在停车停稳后才能进行精确瞄准和射击，需要相当长的时间。为了解决这个问题，美国陆军在M3坦克定型之初就要求坦克拥有垂直稳定器，可以在道路上进行慢速行进间射击。

图为美国二战期间的火炮垂直稳定器设计（刊登于1945年的杂志）
为了让火炮操控装置能找准“水平面”，美国工程师给坦克安装了一套转速为12500-16000转/分钟的陀螺仪。由于旋转中的陀螺仪将会维持水平姿态，坦克的火炮也就有了一个进行调整的基准。通过机电设计，坦克可以“记住”当前火炮指向相对于水平面的位置，并且在起伏路面根据车身角度变化驱动高低机调整火炮角度，保持坦克主炮在垂直方向上相对于水平面角度不变，从而实现垂直稳定的效果。通过较高精度的陀螺仪，可以实现坦克主炮在垂直方向上的稳定误差小于正负0.33°，能基本满足行进间设计的需要。在千米立靶射击测试中，M3坦克实现了运动中打靶70%命中率，是世界上第一辆有火炮垂直稳定能力的坦克。

图为M3中型坦克（图片来源：外网资料）
M3坦克是一种作为技术验证车辆的过渡车型，虽然服役时间并不长，但车上搭载的很多技术有开创性意义。为75毫米火炮设计的火炮垂直稳定器被用在了M4“谢尔曼”坦克上，最终成就了美军的一代名车。苏军也在同期进行了一些火炮稳定器上的尝试，但是在惨烈的东线装甲战中，一切不致命的需求都必须让位于产能，最终只有美国援助的M3和M4坦克装备有垂直稳定器，受到了苏军战士的好评。
在二战结束后，美苏双方的矛盾最终演变成了冷战，坦克的发展反而进一步加速。二战时期的技术已经可以实现垂直稳定，但是光有垂直稳定还不够。实现水平稳定的难点却不完全一样。坦克经常会进行水平方向的转向，一般情况下不需要过于关注停车射击时的惯性摇晃，反而更侧重于坦克转向时不改变炮口指向。要实现水平稳定，需要为车体和炮塔各设置一套陀螺仪系统，测量出精确的车体转向量，让水平回转机构控制炮塔进行对应的补偿，从而实现在车体原地转向的情况下，火炮指向丝毫不动的双向稳定。英国的工程师首先在百夫长主战坦克上实现了这一设计，苏联则紧随其后，在1950年后铺开到全部坦克上。反而最先研发出火炮稳定器的美国，直到1960年代才开始为M60A3主战坦克安装双向稳定器。

图为英国“百夫长”主战坦克，是第一款装备双向稳定器主战坦克（图片来源：外网资料）
坦克的火炮稳定是二战后工业技术最高点的结晶之一，从最早的垂直稳定水平随车体旋转，到后来的双向稳定，全部依赖自动化控制的补偿系统，精度要求极高。现代“炮管端酒杯”的主战坦克更是在陀螺仪精度上实现了前所未有的水平。但是想要真正实现“一发入魂”，光有火炮稳定器，还不够。

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【科普中国军事科技】装甲车能用炮管端啤酒得益于什么技术？

来源：科普中国 时间：2023.05.25

坦克，从一战以来，一直是各国陆军的重要武器装备。无论是在支援步兵还是反坦克作战中，坦克都起到了至关重要的作用。然而，坦克的主要武器大多是一门主炮，如何让这门主炮瞄得准，打得准，就成了一个工程学难题。从一战开始，无数工程师绞劲脑汁的开发出了各种手段帮助坦克炮手瞄准和设计，也创造了无数原始落后但又充满奇思妙想的精彩设计。而火炮的稳定，一直是坦克设计上数一数二的难点。
血肉苦弱
在索姆河战役投入大量坦克协助步兵突破行动后，协约国很快发现了坦克存在的缺陷：传动不可靠，故障率极高，视野盲区大，而且每次开炮都得停下。早期坦克火炮大多是直接利用陆军野战炮或者海军火炮上车，观瞄装置都一切从简，炮手的射击方式更是向海军看齐：自行把握船舶的摇晃节奏，进行连续调整，在正对目标时开炮。然而，泥泞的前线终究不是海军的万吨战列舰，坑坑洼洼的冲锋道路让坦克无时无刻不在剧烈颠簸。相较于稳定周期性摇摆的海军舰艇，坦克面临的摇晃幅度更大，完全没有规律性，完全不可能使用海军的瞄准方式实现运动中射击。

图为法国雷诺FT-17坦克炮塔内部，可以看到皮质的肩垫（图片来源：外网资料）
法国工程师对此心知肚明。想要让坦克主炮别晃来晃去，首要难题是找准水平。工程师们有各种各样的方式帮助炮手调整火炮姿态，但是这一切的前提是知道水平面在哪，火炮要向哪个方向调整，才可以由机械介入稳定。对于1910年代的科技来说，这是个无解难题，水平仪的精度和准确度都令人不敢恭维，以此为基础设计火炮稳定器必然会酿成大祸。法国工程师们反其道而行之，走了另外一条截然不同的路线：人力稳定。
虽然坦克面临的泥泞崎岖道路不能通过技术手段获取水平面的参考位置，但是人体依然可以通过平衡感来了解大概的倾斜角度，并且对此做出适应，这是人的本能。法国工程师创造性地设计出了独立旋转的炮塔，又使用了小口径火炮，还给炮手设计了一个肩垫：把火炮的俯仰直接交给炮手的肩膀控制：当坦克进入下坡，蹲着马步的炮手会自然的蹲下，坦克的火炮就会大致指向水平方向；当坦克进入上坡，炮手又会自然的站起，坦克的火炮也会大致保持在水平方向上。即便炮手没有做出正确的应对，坦克主炮的俯仰调节也极为方便，就像使用步枪一样可以很轻松的瞄准。

图为博物馆中的雷诺FT-17坦克（图片来源：外网资料）
法国设计师的创造性设计最终被整合在雷诺FT-17坦克上，炮塔水平方向使用了滚珠轴承，垂直方向设置一个肩垫直接搭在炮手肩膀上，火炮可以非常轻松的俯仰和水平转向，甚至可以在坦克外用单手拖动炮塔回转，必要情况下也可以通过锁扣直接锁死炮塔的俯仰角，方便运输且避免成员离开时炮塔转动伤人。雷诺FT-17的设计非常成功，极大影响了战间期当时的坦克设计思路。英国的玛蒂尔德步兵坦克、日本的89式坦克、97式坦克也都学习了雷诺FT-17的设计，通过人力实现简单的俯仰角稳定，一部分熟练的坦克兵可以在较为平稳的道路上实现行进间射击。
灵光初现
雷诺FT-17的设计在当时自然是开创性的，但是也存在致命缺点——火炮口径。通过人力稳定的火炮口径不能过大，不然坦克兵费尽全力也很难拉动。炮塔的正面装甲厚度设计受到制约，限制了坦克的防护能力，也无法使用更加科学的多人炮塔和多人车组设计。在战间期的轻型坦克中，人力稳定相当常见。但是一旦使用了45毫米或者更大口径火炮，就很难通过人力操作和稳定，所以中口径火炮往往放弃稳定，使用摇把来进行炮塔控制。炮塔转向速度非常缓慢，而且在停车停稳后才能进行精确瞄准和射击，需要相当长的时间。为了解决这个问题，美国陆军在M3坦克定型之初就要求坦克拥有垂直稳定器，可以在道路上进行慢速行进间射击。

图为美国二战期间的火炮垂直稳定器设计（刊登于1945年的杂志）
为了让火炮操控装置能找准“水平面”，美国工程师给坦克安装了一套转速为12500-16000转/分钟的陀螺仪。由于旋转中的陀螺仪将会维持水平姿态，坦克的火炮也就有了一个进行调整的基准。通过机电设计，坦克可以“记住”当前火炮指向相对于水平面的位置，并且在起伏路面根据车身角度变化驱动高低机调整火炮角度，保持坦克主炮在垂直方向上相对于水平面角度不变，从而实现垂直稳定的效果。通过较高精度的陀螺仪，可以实现坦克主炮在垂直方向上的稳定误差小于正负0.33°，能基本满足行进间设计的需要。在千米立靶射击测试中，M3坦克实现了运动中打靶70%命中率，是世界上第一辆有火炮垂直稳定能力的坦克。

图为M3中型坦克（图片来源：外网资料）
M3坦克是一种作为技术验证车辆的过渡车型，虽然服役时间并不长，但车上搭载的很多技术有开创性意义。为75毫米火炮设计的火炮垂直稳定器被用在了M4“谢尔曼”坦克上，最终成就了美军的一代名车。苏军也在同期进行了一些火炮稳定器上的尝试，但是在惨烈的东线装甲战中，一切不致命的需求都必须让位于产能，最终只有美国援助的M3和M4坦克装备有垂直稳定器，受到了苏军战士的好评。
在二战结束后，美苏双方的矛盾最终演变成了冷战，坦克的发展反而进一步加速。二战时期的技术已经可以实现垂直稳定，但是光有垂直稳定还不够。实现水平稳定的难点却不完全一样。坦克经常会进行水平方向的转向，一般情况下不需要过于关注停车射击时的惯性摇晃，反而更侧重于坦克转向时不改变炮口指向。要实现水平稳定，需要为车体和炮塔各设置一套陀螺仪系统，测量出精确的车体转向量，让水平回转机构控制炮塔进行对应的补偿，从而实现在车体原地转向的情况下，火炮指向丝毫不动的双向稳定。英国的工程师首先在百夫长主战坦克上实现了这一设计，苏联则紧随其后，在1950年后铺开到全部坦克上。反而最先研发出火炮稳定器的美国，直到1960年代才开始为M60A3主战坦克安装双向稳定器。

图为英国“百夫长”主战坦克，是第一款装备双向稳定器主战坦克（图片来源：外网资料）
坦克的火炮稳定是二战后工业技术最高点的结晶之一，从最早的垂直稳定水平随车体旋转，到后来的双向稳定，全部依赖自动化控制的补偿系统，精度要求极高。现代“炮管端酒杯”的主战坦克更是在陀螺仪精度上实现了前所未有的水平。但是想要真正实现“一发入魂”，光有火炮稳定器，还不够。

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