火控系统基本构成解析

尽管火控系统的体系结构不尽一样，但它们的基本组成大致相同，其基本组成如图3-16所示，功能上由观测瞄分系统、炮控分系统、弹道计算机与传感器分系统、操纵控制分系统四个分系统组成。

（1）观测瞄分系统。观测瞄分系统使主战坦克在全天候的条件下，具有迅速捕捉目标、准确测距、精确瞄准的能力。由各种光学瞄准镜、夜视和夜瞄装置、激光测距仪、光学观察潜望镜及其他各种组合形式的光学仪器构成。

（2）炮控分系统。炮控分系统使火炮手在各种地形条件下，都能容易地操纵火炮，使瞄准角不受车体振动等因素的影响，主要由各类火炮稳定及控制装置组成。

图3-16　现代战车火控系统基本组成框图

A/D—模拟量至数字量变换器；D/A—数字量至模拟量变换器

（3）弹道计算机与传感器分系统。弹道计算机与传感器分系统作用是测定各种影响火炮射击精度的参数，并进行计算和自动修正，最大限度地发挥坦克火炮的威力，由火控计算机及目标角速度、火炮耳轴倾斜、炮口偏移等传感器组成。

（4）操纵控制分系统。操纵控制分系统是乘员对火控系统进行人—机联系的系统。通过它可以对火炮或瞄准线进行操纵控制，还可以由乘员根据具体的使用情况选定不同的工作方式，如战斗工作方式、自检工作方式、校炮工作方式等。每一种工作方式中，又可根据具体的情况，设置不同的初始工作状态。操纵控制系统实际上是人机接口，并不具备相对独立完整的功能。通常将其分解到相应的火控计算机及传感器分系统、观瞄分系统、炮控分系统中。

国产某型主战坦克装备的一种下反稳像式火控系统，可采用稳像、扰动（简易式）、人工三种工作方式，由观测瞄分系统、炮控分系统和计算机与传感器分系统组成。下面简单介绍观测瞄分系统下的炮长瞄准镜、激光测距仪、炮控分系统下的炮塔方向机，其他部件结构与原理请参阅本丛书其他书籍。

1.炮长瞄准镜

主瞄准镜是一种由光学、激光测距、夜视三部分组成的昼夜观测瞄一体式装置，常为多通道、稳定瞄准线式瞄准镜。光学部分常采用双倍率昼间通道和具有稳像与跟踪功能的电荷耦合器件、电视摄像机、高分辨率监视器等装置；测距部分现在均采用激光测距仪；夜视部分采用微光电视、微光夜视仪或性能更先进的热成像仪，提高了坦克全天候作战能力。在现代坦克最完备的火控系统中，车长和炮长各配备有性能优良的主瞄准镜。

国产某型主战坦克装备的炮长瞄准镜（图3-17）采用下反稳像式瞄准镜，视场、瞄准线独立稳定；同时还具备火炮位置、目标相对运动角速度、目标距离测量、自动和手动装表等功能。火控系统工作时，瞄准线独立稳定，火炮随瞄准线运动，并在火炮轴线与瞄准线之间形成需要的弹道补偿角。

图3-17　炮长瞄准镜

炮长瞄准镜由上反射镜、二倍望远镜组、陀螺仪、三倍望远镜组、角速度传感器、装表机构、左目镜等组成（图3-18）。夜视仪与一倍潜望镜共用一个接口，使用时需相互拆换。

图3-18　炮长瞄准镜结构图

1—盖；2—陀螺仪；3—二倍照明灯组；4—上棱镜组；5—二倍望远镜组；6—主机；7—水平装表机构；8—垂直装表机构；9—三倍望远镜组；10—二倍照明灯组；11—左目镜；12—激光接收镜组；13—放大器板；14—直角棱镜；15—激光器

瞄准镜的稳像工作是利用陀螺仪的定轴性和二倍望远镜组的反向光学角准直特性实现的。而跟踪工作是利用陀螺仪的进动性和二倍望远镜的反向光学角准直特性实现的。这里主要介绍陀螺仪的工作原理。

1）陀螺仪组件

陀螺仪组件用于稳定瞄准线和激光发射、接收光线，提供稳定的视场，为瞄准镜提供角度和角速度传感器，为炮长控制瞄准线提供控制手段。

陀螺仪组件包括度陀螺、等腰棱镜、瞄准电磁铁装置、小反光镜、光电转换角度传感器、锁定零位的闭锁电磁铁机构等。

瞄准镜内部的陀螺仪（图3-19）为三自由度陀螺仪，在其内环和外环轴的一端安装有瞄准电磁铁装置，另一端是固定的记忆小反光镜，反射从陀螺仪本体发射出的宽度仅为25μm的扁平光束照射到陀螺仪本体上的十位格林码盘，经过编码，在码盘后的十个硅光电池上形成十位二进制数。

（1）定轴性。陀螺仪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。

图3-19　陀螺部件图

1—校靶机构；2—等腰棱镜01-14；3—带座反光镜01-080；4—编码物镜组01-079；5—陀螺电动机；6—框01-252；7—压板01-87；8—聚光镜组及光码盘组01-073，01-075；9—接码器01-069；10—砷化镍发光二极管HG526；11—电磁铁01-070；12—插座；13—座01-251

图3-20　三自由度陀螺仪

1—外环；2—内环；3—转子（陀螺）；4—基座

图3-20所示为三自由度陀螺仪。三自由度陀螺由转子、内环、外环和基座组成。转子（陀螺）可绕其轴线Z-Z高速旋转。转子轴支撑在内环上。内环支撑在外环上，可绕轴线Y-Y转动。外环支撑在基座上，可绕X-X轴线转动。当基座向各方向转动时，高速转动陀螺的自转轴Z-Z能保持原来的方向不变，这种特性被称为定轴性。如果在基座上装一个刻度盘，在外环轴上固定一个指针，则当基座绕X-X轴线转动时，刻度盘随基座转动，而指针却保持不动，并在刻度盘上指示出基座转过的角度。

（2）进动性。陀螺仪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。

当陀螺转子高速转动时，如果在内环上作用一个绕Y-Y轴的力矩，内环并不绕Y-Y轴转动，而外环却绕X-X轴向某一方向转动；相反，如果在外环上作用一个绕X-X轴的力矩，外环也不绕X-X轴转动，而内环却绕Y-Y轴向某一方向转动。陀螺的这种特性叫进动性。

进动的快慢由作用力矩大小决定。力矩大，进动角速度就大；力矩小，进动角速度就小。作用力矩消失，进动立即停止，外环或内环就停止在最终的位置上，不再返回原位；作用力矩方向改变，进动方向也改变。

（3）陀螺仪的工作原理。当陀螺仪转子（即陀螺电机）高速转动时，其被稳定地指向惯性空间的某一点，使安装在陀螺仪转子轴一端的等腰棱镜同时被稳定，经过等腰棱镜的瞄准线也同样指向惯性空间的某一点，不受车辆振动、颠簸等各种外界因素的影响。棱镜的瞄准线也同样指向惯性空间的某一点，不受车辆的振动、颠簸等各种外界因素的影响。

以图3-21来介绍陀螺仪的工作原理。

图3-21　陀螺仪工作原理示意图

炮长利用操纵台陀螺仪外环的瞄准电磁铁给外环施加力矩，内环产生转动，使陀螺的转子轴产生方位的转动，带动其上等腰棱镜的方位转动，直到瞄准线瞄准目标时，炮长停止施力，内环转动停止，瞄准线对准了目标。同理，炮长通过内环的瞄准电磁铁对内环施加力矩，使外环转动，带动瞄准线做高低方向的转动，为炮长控制瞄准线提供了简单易行的方法。

瞄准状态：高低向跟踪瞄准时，上下转动操纵台，通过内环瞄准电磁铁给陀螺内环施加相应的力矩，此时，外环进动并带着固定在外环轴上的反光镜一起转动，被反光镜反射的扁平光束位置发生偏转。例如，当向仰角方向瞄准时，硅光电池产生的信号是757+e，反之为757-e，e为瞄准误差信号。误差信号经解码器板放大输出给计算机，经过数/模转换，输出一个电压信号给稳定器，使稳定器带动火炮转动，火炮通过连杆，带动瞄准镜镜体转动，也带着陀螺仪上码盘和硅光电池一起转动。当转动到反光镜反射的扁平光束照射到码盘757位置时，电压信号变为零，转动停止，此时火炮的位置恰好是要求的新的瞄准位置。当进行方位方向瞄准时，只要通过外环的瞄准电磁铁给陀螺仪外环轴施加力矩，让内环进动即可实现，其工作过程和上述相同。

稳定状态：稳定工作状态时，平时瞄准线和火炮轴平行，如果某种因素使火炮偏离了稳定位置，固定在瞄准镜陀螺仪底座上的码盘也随火炮偏转一个角度，由于陀螺仪的定轴特性，内、外环轴上固定的反光镜及反射的扁平光束方向没有变化，结果反射光束照射不到码盘上基准位置，产生一个误差信号，在其作用下通过火炮稳定器使火炮向原来位置转动，直至扁平光束又照射到格林码盘的基准位置，误差信号等于零，转动停止。而这时炮的位置就是原来的稳定位置。

2）炮长瞄准镜稳像和跟踪原理

稳像和跟踪光路原理示意图如图3-22和图3-23所示。等腰棱镜为可见光瞄准、激光发射、激光接收三条光路的公用棱镜；五角棱镜为该三条光路在方位向上的公用棱镜；直角棱镜则是激瞄合一的三条光路中，高低向的公用棱镜。因此，稳像和跟踪是激瞄整体同步系统。

稳像和跟踪工作原理的基础是陀螺定轴特性、进动特性与负二倍望远系统光学角随机反向准直补偿的有机结合和综合应用。应用陀螺的定轴特性与二倍望远系统的反向光学角准直特点实现了瞄准镜的稳像工作原理；应用陀螺的进动特性与二倍望远系统的反向光学角准直特点构成了瞄准镜的稳定跟踪工作原理。

图3-22　稳像光路原理示意图

图3-23　跟踪原理示意图(www.xing528.com)

（1）稳像工作原理。以高低向稳定工作为例说明稳像工作原理。由图3-22可见，因车体摆动而向后倾斜，瞄准镜的激瞄合一主光路受控于陀螺，陀螺的定轴特性使其在无外加力矩的情况下维持原状态不变，而位于等腰棱镜前的五角棱镜、二倍望远镜组、直角棱镜、三倍望远镜组均随车体摆动而向后倾一个α角。为了达到稳像的目的，其前提是目标像进入三倍望远系统的光路走向，应保持在三倍望远镜组没有随车体摆动时目标像进入三倍望远系统的光路走向，即沿三倍望远系统光轴的零入射角光路状态，以下简称为零光路状态。因此，按逆向光路分析系统的光路走向，解释稳像工作原理。

见图3-22，三倍望远系统的光轴随车体摆动而后倾一个-α角，沿光轴零光路状态的光束，由三倍望远系统的物镜射出，射入维持原状态的等腰棱镜。由等腰棱镜射出的光束以与沿三倍光轴零光路方向的入射光束成-2α角的光路走向射入直角棱镜后，又以与车体摆动而后倾α角的二倍望远系统实际光轴成α角的光路走向射入二倍目镜，经二倍望远系统负二倍准直，由二倍望远物镜射出的光束则以与后倾α角的二倍望远系统光轴成-α角的光路走向，射向五角棱镜，最终由五角棱镜射出的光束，因已取得-α角的随机无源自动补偿，沿摆动前的原水平方向射向目标，从而实现了独立稳定瞄准线的建立和达到了动态情况下视场稳定、稳像的目的。同理可证，在车体侧倾或综合倾斜情况下的稳像工作原理。

（2）稳定跟踪工作原理。在稳像情况下，跟踪目标是通过给陀螺的内（外）框架轴施加力矩来实现的。参见图3-23，以高低向跟踪为例，为使瞄准镜的独立稳定瞄准线在高低向稳定跟踪目标，必须给陀螺的外框架轴施加力矩，假如使等腰棱镜摆动一个α角，由此，沿三倍光轴零光路光束射入等腰棱镜后，出射光束将以2α角沿摆动方向射向直角棱镜，经直角棱镜的90°折射，出射光束又以与二倍望远系统光轴成-2α角方向射向二倍望远系统的目镜，经负二倍的准直后，光束又以与二倍望远系统成α角的光路走向射入五角棱镜，最终由五角棱镜射出的光束将以与原指向运动目标的独立稳定瞄准方向成α角的光路走向稳定跟踪住目标，达到了稳定跟踪目标的目的。同理可证，在方位向及综合情况下的稳定跟踪工作原理。

综合以上光学系统的逆向光路分析，瞄准镜的稳像跟踪工作原理是陀螺特性和负二倍随机无源自动光学准直补偿的综合结果。尽管用负二倍望远系统实现负二倍准直补偿的方法存在原理误差，但如果二倍的倍率控制得当，稳像和跟踪精度能完全满足火控系统的要求。二倍无源自动随机准直补偿的手段毋庸置疑是下反稳像的特点，它的采用可使稳像、跟踪系统结构紧凑，省略了二倍伺服机构和电路控制系统的复杂要求。

2.激光测距仪

1）激光测距原理

激光测距的基本原理如下：

式中　C——光速（3×108 m/s）。

测量一束激光从发出到返回的时间，通过式（3-1）就知道了目标的距离。

利用激光测量距离属于测时法范畴。根据测定传播时间方式的不同，可有相位法和脉冲法两种测量方法。

激光测距仪的工作原理如下。

当仪器电源接通后，按动激光测距仪按钮K时，复零电路使整机复零，同时触发激励源，使激光器发出脉冲激光，经发射光学系统的汇聚作用射向目标；同时，有一小部分发射激光经取样棱镜直接传给接收系统，作为计时的基准信号，称为主波信号脉冲。从目标反射回来的回波脉冲与主波信号脉冲汇聚后，射到光电管，变换为电信号，经放大整形后形成一定宽度和幅度的矩形脉冲。主波信号矩形脉冲使门控触发器置位，打开电子门，这时由时标振荡器产生的时标脉冲通过电子门进入计数器开始计数。当回波矩形脉冲到达门控触发器时又使它复位，关闭电子门，计数结束。距离的测量结果可由显示器直接显示出来。

2）激光测距仪的构造

国产某型激光测距仪由发射机、接收机、电源计数器盒和左目镜组成。除电源计数器盒之外均安装在瞄准境内。这里主要介绍发射机和接收机。

（1）发射机。发射机主要用于将产生的激光，经光学系统调整为发散角小于1 m rad的激光向目标发射。它由激光器组件和光学发射系统两部分组成。

激光器安装在瞄准镜下部的长方形壳体内（图3-24），由激光棒、脉冲氙灯、聚光腔、触发丝、光学谐振腔组成，可产生18 m j能量、1.06μm波长的激光。

光学发射系统用于滤、压缩激光发散角，经光路组件向目标发射激光。激光器光路由发射盒、四倍发射镜、等腰棱镜、直角棱镜、二倍望远镜、五角棱镜等组成，如图3-25所示。

图3-24　激光器构造

图3-25　激光器光路图

1—激光器；2—等腰棱镜；3—二倍望远镜；4—五角棱镜；5—直角棱镜；6—四倍发射镜；7—发射盒

（2）接收机。接收机用于接收目标反射回来的激光信号，对其进行品质处理和光电转换，将转换的电信号整形放大后输往计数器电路。它由光学接收系统和转换与整形放大电路组成。

光学接收系统光路如图3-26所示，其先对激光回波信号进行稳定和聚焦、调整接收轴，然后用光路中的滤光镜滤除掉1.06μm波长激光外的其他光波，提高光路系统的抗扰能力。

信号转换和整形放大电路作用是将激光信号转换为电信号，经整形放大后输出。

3.炮塔方向机

炮塔方向机用来转动炮塔赋予火炮和并列机枪的水平射向。

图3-26　光学接收系统光路

1—激光接收镜；2—等腰棱镜；3—二倍望远镜；4—直角棱镜；5—直角棱镜；6—三倍望远镜；7—光电雪崩管

方向机有电驱动和手驱动两种功能。在使用双向稳定器或电传动时，方向机由电机驱动，方向机可以各种速度调转炮塔，实现搜索目标和精确瞄准或稳定炮塔。在手动驱动的手柄端部装有并列机枪击发按钮，用以击发并列机枪。

1）炮塔方向机的构造

炮塔方向机由永磁式炮塔电机、电磁离合器、测速电机、保险离合器、行星排、手轮及蜗轮蜗杆机构、消除空回机构等部件组成（图3-27）。

（1）永磁式炮塔电机。永磁式炮塔电机用来提供电驱动炮塔回转的动力。

（2）电磁离合器。电磁离合器装在上箱体上部，炮塔电机齿轮上部的花键通过5片内齿摩擦片和6片外齿摩擦片与花键套连接，与电磁制动器组成电磁离合器。其作用是调整力矩。

电磁离合器借助行星传动机构，实现炮塔方向机手驱动和电驱动的转换。当突然断电时，电磁离合器会自锁。

（3）测速电机。测速电机装置连接方向机第一级被动齿轮，其转速与炮塔电机同步，能够检测炮塔电机的转速变化，并将信号反馈到系统中去，用来提高稳定器低速性能。

（4）保险离合器。保险离合器装在太阳齿轮轴上，目的是防止转动炮塔时阻力过大（如炮管碰到障碍物），而引起炮塔电机烧毁或使方向机机体损坏。当方向机负荷超过保险离合器的打滑力矩时，保险离合器打滑，而在正常情况下能可靠地传递力矩。

（5）行星排。行星排用来传递炮塔电机扭矩，以驱动炮塔旋转与电磁离合器配合，可以实现炮塔方向机手驱动和电驱动的转换。

（6）手轮及蜗轮蜗杆机构。手轮及蜗轮蜗杆机构实现方向机的手传动功能。手轮与蜗杆连成一体，随手轮转动，蜗杆带动蜗轮、齿圈转动。此时太阳轮固定，行星轮带动行星框架转动，进而带动炮塔转动。

（7）消除空回机构。消除空回机构由两个齿轮组成。上面的称拨动齿轮，与行星框架下端的花键连接。下面的称弹性齿轮，通过矩形扭力弹簧与拨动齿轮相连。在与炮塔齿圈相啮合时，弹性齿轮与拨动齿轮分别与炮塔齿圈的两侧齿面相接触，以消除齿侧间隙，减少方向机不同方向转动时的空回量，从而大大减少方向机的传动间隙对瞄准精度的影响。

电驱动与手驱动的转换是通过下箱体上的齿圈固定器来实现的。当固定器手柄转向下方位置时，固定器插入齿圈外圈的槽内锁紧齿圈，实现电传动；当固定器手柄转向上方时，固定器从齿圈外圈的槽中退出，解脱齿圈，实现手驱动旋转炮塔。

2）炮塔方向机的工作原理

当采用电驱动炮塔时，应先将固定器手柄转向下方，固定齿圈。电磁离合器通电，电磁离合器衔铁向上吸，摩擦片因压力消失而分离，使炮塔电机和齿轮转动，并通过两对齿轮带动太阳齿轮转动，行星排的行星框架带动拨动齿轮在炮塔齿圈上滚动，从而带动炮塔转动。

当采用手驱动炮塔时，应将固定器手柄转向上方，解脱齿圈，切断电磁离合器电源，电磁离合器衔铁在弹簧力作用下，压紧摩擦片，制动炮塔电机轴，从而制动了行星排的太阳齿轮。当用手柄转动手轮时，动力通过蜗杆、蜗轮、行星排齿圈传给行星框架，带动拨动齿轮在炮塔齿圈上滚动，使炮塔转动。