火控系统基本原理与工作机制

下面简单介绍火控系统的基本工作原理。

1.简易式坦克火控系统

简易式坦克火控系统瞄准控制方式仍属于扰动式。如某坦克所采用的光点投射式火控系统，就属于典型的扰动式火控系统。

光点投射式火控系统为改装现有坦克而设计。其主要着眼于在最常出现的交战距离内，有效地提高己方坦克在停止间对静止或运动目标射击的首发命中率，并尽量缩短射击反应时间。它只对影响射击精度的目标距离、目标水平方向运动速度、火炮耳轴倾斜角度等进行自动修正，而药温、气温、横风、身管磨损等修正量由人工装定。

1）系统组成

光点投射式火控系统主要由火控计算机、测瞄合一的炮长瞄准镜、电源计数器、炮长微光瞄准镜、火炮耳轴倾斜传感器和水平角速度传感器等部件组成，并连接火炮双向稳定器。图3-9所示为光点投射式火控系统组成。

图3-9　光点投射式火控系统组成

（1）火控计算机。它接收电源计数器送来的激光距离数据、自动传感器送来的火炮耳轴倾斜角度和目标运动速度数据，以及由火控计算机面板输入的弹种和各种环境参数，经过处理后计算出射击诸元并分两路输出。一路经过D/A变换后通过放大电路控制瞄准镜中瞄准光点的位置，实现装定表尺；另一路通过调炮盒控制垂直和方向稳定器实现自动调炮。

（2）测瞄合一的炮长瞄准镜。炮长瞄准镜供炮长白天观察、瞄准和实施测距使用。

（3）电源计数器。电源计数器提供瞄准镜头部激光器的氙灯电源、放大器电源；提供激光测距所需的各种逻辑控制信号；并将测得的距离数据分别送至火控计算机和炮长瞄准镜显示器。

（4）炮长微光瞄准镜。其用于炮长夜间观察战场和目标。

（5）火炮耳轴倾斜传感器。其能自动测量火炮耳轴倾斜角度，并将测量值以电压形式输送到火控计算机。

（6）水平角速度传感器。其用于测量炮塔转动的角速度和方向。

（7）调炮控制器。它接收火控计算机送来的调炮信号，输出电流到垂直和水平驱动装置，控制火炮和炮塔使其转到预定的角度和方向。

2）系统工作过程

图3-10所示为光点投射式简易火控系统原理框图。

图3-10　光点投射式火控系统原理框图

射击前，先接通系统电源开关，在火控计算机面板上装定横风、药温、气温、身管磨损等修正量。

射击时，炮长根据车长的口令捕获目标，并根据目标性质在控制面板上选择弹种。

当炮长用瞄准镜分划中心对准目标并按下激光发射按钮时，计算机将由采样程序转为跟踪程序，它记下跟踪目标时炮塔在水平方向转过的角度及跟踪时间。当跟踪完毕，激光按钮被松开时，发射激光并测出距离。此后，计算机按照选定的弹种求解火炮高低瞄准角和方位修正量，并将计算结果变换成模拟量分别送至光点驱动电路和火炮高低及水平驱动装置，使瞄准镜中一个作为射击瞄准标记的光环出现在与要求的修正量相应的位置；此后，在小于1.5 s的时间内，火炮也被高低及水平驱动装置调转到与修正量大致相同的位置。其后，炮长只要微调火炮，使瞄准光环对准目标中心，即可进行射击。

下一次射击时，计算机按上述过程重新工作。

坦克安装光点投射式火控系统后，使用脱壳穿甲弹对2.3 m×2.3 m的标准靶在准战斗条件下射击，首发命中率为50%的射击距离，对固定目标为2 000 m，对运动目标为1 800 m。射击固定目标时，反应时间小于5 s；射击运动目标时，反应时间小于10 s。

2.上反稳像式火控系统

上反稳像式火控系统放弃了瞄准线与火炮轴线之间的偏差角的四连杆机构机械同步测量方式，而采用了先进的电同步测量方式。在上反射镜俯仰轴上安装有一个角度传感器，测量瞄准线与炮塔某参照物之间的偏差角；在火炮耳轴上也安装有一个角度传感器，测量火炮轴线与炮塔某参照物之间的偏差角。通过对以上两个角度差的综合，即可实时解算出瞄准线与火炮轴线的偏差角。

上反稳像式火控系统中，在上反射镜的方向轴和俯仰轴上，分别安装了小型稳定系统，实现瞄准线的独立稳定。当车体颠簸带动瞄准镜镜体随炮塔摆动时，视场中的目标会向与炮塔运动相反的方向运动。这时，瞄准镜中的陀螺仪会测量出镜体摆动的角度，然后控制上反射镜向相反的方向摆动该角度的一半，使目标成像后依然位于视场中原来的位置，达到稳像的目的。

上反稳像式火控系统实现稳像，主要是依靠双轴陀螺稳定平台的定轴性和进动性及1/2转动机构实现。陀螺稳定平台的定轴性是指当陀螺仪转子高速自转动时，转子轴在惯性空间中保持一个固定的方向不变；陀螺稳定平台的进动性是指当陀螺仪转子高速自转动时，给内环加力，内环不动，而外环进动；给外环加力时，外环不动，而内环进动。(www.xing528.com)

下面介绍上反稳像式火控系统的结构和工作原理。

1）上反稳像式火控系统结构

（1）双轴陀螺稳定平台。双轴陀螺稳定平台是上反稳像式火控系统中的关键部件。陀螺稳定装置有许多类型，每种类型都可组成双轴陀螺稳定平台。下面以由两套力平衡式单轴空间稳定平台构成的双轴平台为例进行分析（图3-11）。

外框架轴垂直安装于瞄准镜机座中，上反射镜安装在外框架内且平行于坦克火炮耳轴，上反射镜通过1/2机构由内框架的转轴带动。内框架上安装着由两个浮子式积分陀螺组成的双轴稳定平台。水平液浮积分陀螺用于感受外框架相对瞄准镜机座的转动，垂直液浮积分陀螺用于感受绕内框架相对外框架的转动。在每个积分陀螺的内部都安装有角度转换器和力矩电机。在内框架轴上安装有垂直卸荷力矩电机，在外框架轴上安装有水平卸荷力矩电机。

（2）1/2机构。上反稳像式火控系统，在稳定工作状态，要求瞄准镜镜体随同车体振动时，视场应该稳定，为此要求上反射镜做相应转动。按照光学原理，上反射镜转动的角度应为镜体转动角度的一半（图3-12）。这样就能保证出射光线与目镜轴线摆动相同的角度，炮手从目镜观察的景象将稳定不动；在瞄准工作状态，要求火炮与瞄准线同步转动。例如，当上反射镜向仰角方向转动ε/2时，瞄准线和火炮向仰角方向转动角ε（图3-13）。

图3-11　双轴陀螺稳定平台结构示意图

1—上反射镜；2—垂直卸荷力矩电动机；3—1/2机构；4—双轴陀螺稳定平台（内框架）；5—水平液浮积分陀螺；6—水平卸荷力矩电机；7—外框架；8—垂直液浮积分陀螺

图3-12　稳定工作状态示意图

图3-13　瞄准工作状态示意图

上反射镜转动ε/2角的任务由1/2机构完成。图3-14所示为1/2机构原理图。图中，曲柄安装在俯仰轴（即内框架轴）上，摆杆与上反射镜一体，带动上反射镜轴转动。

图3-14　1/2机构原理图

1—镜轴；2—俯仰轴；3—曲柄；4—转轴；5—摆杆；6—上反射镜

2）上反稳像式火控系统工作原理

图3-15　上反稳像式火控系统工作原理结构示意图

图3-15是将双轴陀螺稳定平台用于上反稳像式火控系统的工作原理结构示意图。水平解算器和水平卸荷电机的定子与炮塔刚性连接，而转子安装在外框架的轴上；垂直解算器（上反射镜解算器）和垂直卸荷电机的定子与外框架刚性连接，而转子安装在内框架的轴上；两个液浮积分陀螺的壳体与内框架轴刚性连接；每个积分陀螺内部，力矩电机和角度转换器的定子与壳体刚性连接，而转子安装在积分陀螺的输出轴上。水平液浮积分陀螺的输入是绕外框架轴的角速度。下面分析该系统的稳像工作方式。

当火控系统工作于稳像工作方式时，应将工作方式选择开关扳到“稳像”位置。

（1）瞄准工作状态。在稳像工作方式下，当系统处于瞄准工作状态，要求炮手通过操纵台驱动上反射镜（瞄准线）转动到要求的角度，并使火炮轴线高精度随动于瞄准线。

在水平方向，当炮手向左转动操纵台在水平方向瞄准时，通过水平放大、校正环节1，将向水平液浮积分陀螺力矩电机输入一定电压，在力矩电机作用下，水平积分陀螺将绕其输出轴转动，水平角度传感器测得转角βε，输出电压为uε，经过水平放大、校正环节2，驱动水平卸荷力矩电机，使外框架轴带动内框架向逆时针方向转动；内框架转动使水平积分陀螺产生陀螺力矩，在稳定状态时，与水平力矩电机产生的力矩相平衡。操纵台转角越大，水平力矩电机加在水平积分陀螺架轴上的力矩越大，外框架转动速度就越快。外框架转动带动内框架、上反射镜连同水平解算器转子一起转动。当操纵台返回原位后，外框架立即停止转动，假设解算器转子转动了Δη角度。此时，由于水平解算器转子偏离了定子的中立位置，遂产生误差信号。该信号加到炮塔驱动系统，驱动炮塔向左转动，直到炮塔向左也转动Δη角度，使转子又恢复到定子中立位置时停止。

在垂直方向，当炮手向仰角方向转动操纵台手柄时，通过垂直放大、校正环节1，向垂直力矩电机输入一定电压，在力矩电机作用下，垂直积分陀螺绕其输出轴转动，垂直角度传感器测得转角βε，输出电压uε，该电压经过垂直放大、校正环节2，驱动垂直卸荷力矩电机，使内框架轴带着上反射镜连同上反射镜解算器转子一起转动；内框架转动使垂直液浮陀螺产生陀螺力矩，与垂直力矩电机产生的力矩相平衡。操纵台转角越大，垂直力矩电机加在垂直液浮陀螺框架轴上的力矩越大，内框架转动速度就越快。当操纵台返回原位后，内框架立即停止转动。假设内框架连同上反射镜解算器转子转动到εs角度（瞄准线亦转动到εs角度），若此时火炮角度为εg，上反射镜解算器将以瞄准线的角度和火炮目前角度εg的差值ζ作为误差信号，控制火炮驱动系统，使火炮向减小ζ的方向即向仰角方向转动，直到火炮角度εg=εs，使误差信号ζ为零时停止。显然，此时火炮轴线将与瞄准线角度一致。

（2）稳定工作状态。在稳像工作方式下，当系统处于稳定工作状态时，要求稳定平台能隔离坦克振动对炮手观瞄的影响，以达到稳像目的，同时要求炮塔和火炮有一定的稳定精度。

在水平方向，假设由于车体振动使炮塔向左偏转，在外框架轴承摩擦力矩的作用下，外框架将带着内框架产生相应转动，从而引起水平积分陀螺绕它自身的输出轴进动，水平角度转换器测得转角βη并输出电压uη，通过水平放大、校正环节2作用到水平卸荷电机上，使卸荷电机产生一个与外框架轴承摩擦力矩方向相反、大小几乎相等的平衡力矩，抵消摩擦力矩的影响，从而使外框架（连同上反射镜）几乎保持原位不动。与此同时，水平解算器定子和转子间产生失调角，发出稳定信号给炮塔驱动系统，使炮塔向右转动，直至恢复到原来位置。

在垂直方向，当车体俯仰振动，如向仰角方向振动ε角度时，陀螺外框架将随之转动ε角度。在内框架轴承摩擦力矩作用下，内框架将转动，从而引起垂直液浮积分陀螺绕它自身的输出轴进动，垂直角度转换器测得转角βε，并输出电压uε，通过垂直放大、校正环节2作用到垂直卸荷电机，使卸荷电机产生一个与内框架轴承摩擦力矩方向相反、大小几乎相等的平衡力矩，抵消内框架轴承摩擦力矩的影响，使内框架（陀螺稳定平台）几乎保持原位不动，而上反射镜在1/2机构作用下，将向仰角方向摆动ε/2角度，从而保证了视场稳定。与此同时，如果在火炮耳轴摩擦力矩作用下，火炮向仰角方向偏转了一定角度，则炮解算器将向上反射镜解算器输出一火炮角度信号，上反射镜解算器产生失调角信号ζ，该信号加到火炮驱动系统，使火炮向下转动，直至使ζ信号减小到零，火炮恢复到原来位置为止。