1 前言

    各類地面武器裝備在戰斗部署過程中，需要采用火車、船舶、汽車、飛機甚至采用直升機運輸，各類運輸工具對地面武器裝備的體積與重量均有明確的限制，所以地面武器裝備的輕量化對其運輸與吊裝均有十分重要的意義。對于沒有鐵路、公路、港口、機場等交通設施的山區，地面武器裝備最快捷的部署方式就是采用直升機吊運，由于直升機的單次吊運能力十分有限，所以對于山區作戰使用的地面武器裝備如火炮等的輕量化意義十分重大，甚至可能直接影響到戰爭的勝負。地面武器裝備輕量化就是在滿足戰斗威力和安全性的前提下，解決軍方對火炮體積和重量的要求，提高裝備的機動性能，并取得良好的作戰使用效果。地面武器裝備的輕量化是提高其機動性的主要措施之一，機動性能的提升可顯著提升裝備部署運輸的能力與運輸方式的適配性，可提升武器裝備快速部署戰場與打擊敵人，同時在完成打擊后裝備迅速轉移陣地提升自身戰場生存能力[1,2]。

    為了使用未來戰爭對地面武器裝備機動靈活性的要求，各軍事強國都在積極開展地面武器裝備輕量化的研究工作。

    地面武器裝備的輕量化解決技術途徑包括：優化結構設計、優化制造工藝與選用高性能輕質材料等技術途徑。優化結構設計包括采用更加合理的布局和構件外形、優化斷面形狀、選擇更加合理的受力結構等，如火炮武器加裝合理的炮口制退器，減輕炮座配重等。優化制造工藝包括采用性能優異的變形件+ 合理的焊接工藝+ 先進的熱處理工藝等替代以往的性能較低、笨重的整體鑄造件等實現結構減重。選用高性能輕質材料包括在技術指標與經濟指標許可的前提下，選用鋁合金、鈦合金、復合材料等替代傳統的鋼材，實現結構減重，下面就典型地面武器裝備輕量化設計過程中使用輕質高強鈦合金材料進行綜述[3]。

    2 鈦合金在典型地面武器裝備中的應用

    2.1 鈦合金材料在牽引火炮中的應用

    為了適應未來戰爭的需要，火炮武器系統的發展朝著不斷提高機動性能、作戰威力、精確打擊能力以及自身防護與生存能力的方向發展。傳統意義上，火炮武器系統作戰威力的提升需要以犧牲機動性為前提，即裝備作戰威力的提升通常需要通過增加裝備體積與重量而實現，體積與重量的增加必然會降低裝備的快速機動作戰能力。所以，在滿足火炮武器系統一定作戰威力的前提下，盡可能減輕裝備重量提升其機動能力是目前火炮武器系統發展的主要方向與研究熱點。

    冷戰后，美軍積極調整全球軍事戰略，用“兵力投送”替代了過去的“前沿部署”，即發生戰爭時，采用空運為主的戰略機動方式快速部署部隊，十分重視發展輕型師部隊的快速部署能力和作戰能力，并將“快速部署能力”列為“未來戰斗系統”的主要特點之一，要求火炮武器“個頭要小、火力要猛”，所以性能更好、重量更輕的火炮武器裝備是美軍21 世紀發展與裝備的重點武器裝備。基于實戰的需求，火炮輕量化問題早已為各軍事強國所重視與發展，在炮體結構選材時，適當考慮采用輕質高強結構材料是實現火炮輕量化的必由之路。鈦合金具有密度小、強度高、耐腐蝕性能好等優點，是非常理想的輕質高強結構材料，可替代密度高的結構鋼應用于火炮系統的制造，以實現火炮系統的輕量化設計要求。

    M198 牽引式155mm 口徑火炮是美國陸軍和海軍陸戰隊的主要支援火炮，由于炮重超過7t，導致其機動性能不夠理想。在上世紀80 年代，根據美軍第82 空降師、第101 空中突擊師和輕步兵師的要求，提出發展一種重量不超過4082kg（以滿足“黑鷹”直升機的吊運）、性能優于M198 的榴彈炮，這一計劃同時得到美國海軍的積極支持。在此背景下，美國與英國的軍工部門決定聯合研制一種機動性能良好的155mm 口徑的輕型榴彈炮，英國的維克斯造船與工程有限公司（后并入英國BAE 宇航系統公司）于1989 年研制出了首門155mm 口徑UFH（Ultra-lightweight Field Howitzer，“超輕型野戰榴彈炮”）樣炮，1994 年該炮初步設計定型，后期交付部隊進行工程檢驗與改進工作。1997 年美國陸軍和海軍陸戰隊選定該炮作為未來主要支援火炮裝備以取代老舊沉重的M198 牽引式火炮，工程發展性UFH 正式命名為XM777 聯合輕型155mm 榴彈炮，經過5 年的工程制造與試驗改進，2002 年11 月美軍方與英國BAE 系統公司正式簽訂小批量供貨合同，2004 年美軍開始對該火炮批產型號M777式155mm 口徑輕型牽引榴彈炮進行作戰試驗和評估。

    M777 式155mm 口徑輕型牽引榴彈炮是世界上第一種在結構設計與制造中大量使用輕質鈦合金材料的火炮系統，從而使得該炮的重量較傳統的野戰火炮大幅度減輕，M777 全炮總重僅為3745kg，是目前世界上最輕的155mm 口徑野戰榴彈炮。同時M777 榴彈炮結構輪廓低、易于裝載吊運與機動部署。美軍作戰環境試驗表明，M777 榴彈炮戰斗行動時的操作性比M198 系列火炮更靈便，M777 牽引榴彈炮以50km/h 越野牽引速度運動時，在接到己方火力支援要求的2min 內，便可對目標實施精確打擊，隨后僅用2min 的時間便可迅速更換作戰陣地或繼續轉入繼續運動狀態，具有很強的戰場打擊能力與生存能力。該炮遠距離空運可采用C-130、C-17 等運輸機，近距離部署可采用UH-60I/H“ 黑鷹”直升機、MV-22“魚鷹”傾旋翼機吊運。地面機動時，近距離可使用“悍馬”

    車牽引，遠距離機動時20t 級的卡車便可拖行，M777 榴彈炮當之無愧是當今大口徑輕型牽引式火炮的典范之作。

    鈦合金材料的大量使用是M777 榴彈炮實現結構減重的關鍵技術之一，該炮的大架、射擊坐盤、搖架、鞍型安裝部、駐鋤、車輪輪轂等關鍵承力部件均用鈦合金材料制造。

    據報道，M777 榴彈炮制造過程中共使用了960kg 的鈦合金材料，占到全炮結構總重的25.63%。雖然鈦合金的價格比較昂貴，但是研制單位在對各種金屬復合材料、非金屬復合材料、鈦合金材料等進行對比試驗后，認為鈦合金材料的技術成熟度高、剛性好、耐腐蝕性優異，最終決定大量使用鈦合金材料制造M777 榴彈炮主要承力結構部件。英國BAE系統公司研制的M777 式155mm 口徑榴彈炮的鈦合金零部件主要由美國的RMI 公司生產提供，RMI 的母公司RTI 國際有限公司曾稱，2003 年至2010 年總共要生產出821 門M777 榴彈炮，其中美國軍隊將得686 門、意大利軍隊70 門、英國軍隊65 門，2016 年美國《防務新聞》報道，印度獲批采購145 門M777 超強榴彈炮，用于裝備部署在中印、中巴邊界附近的山地師。

    2014 年的珠海航展上，我國研制的AH-4 型155mm 口徑超輕型榴彈炮作為空降兵裝備進行了公開靜態展出，具宣傳AH-4 型155mm 口徑超輕型榴彈炮的總重量也在4t 左右。目前世界上傳統的155mm 口徑的榴彈炮重量大都在7 至8 t 之間，能夠達到4t 左右的一個是M777 榴彈炮、一個就是我國的AH-4 型榴彈炮。展出實物與公開資料表明，AH-4 型輕型榴彈炮結構設計思路類似美軍M777 式榴彈炮，同樣采用H 型整體炮架與四腳大架設計，大架在行軍過程中可向上折疊，前部的兩個助鋤能夠在兩側折疊，以在運輸過程中縮小跑的外形尺寸；炮口裝有炮口制退器，以有效降低射擊過程中的反作用力。

    與M777 榴彈炮一樣，為了實現結構減重，AH-4 型榴彈炮設計過程中同樣采用了一定數量的輕質高強的鈦合金材料與鋁合金材料制造承力部件，如搖架、上架均由鈦合金焊接（鑄造）成型。在結構設計與制造工藝方面，設計師創造性地提出鑄焊混合的搖架結構，圓滿解決了搖架剛強度與重量和工藝性的矛盾，在國內首次突破了鈦合金用于制造大口徑火炮架體的技術瓶頸，取得了關鍵性的研究成果，鈦合金材料約占全炮重量的20%。AH-4 型榴彈炮同樣具有重量輕、結構緊湊等優點，可采用直升機吊運部署，具有很好的戰術機動性能，對增強山地部隊和快反部隊的火力支援能力大有裨益。

    2.2 鈦合金材料在自行火炮中的應用

    大口徑自行火炮是國內外地面部隊主力壓制武器系統，目前主流的第三代大口徑自行火炮主要有155mm 口徑的德國PZH2000、英國的AS-90、俄羅斯的2S19M1、中國的PLA-05、韓國的K-9 等，這些主力的自行式火炮具有遠射程、高射速、大威力等突出優勢，但是這些自行火炮均存在結構重量過大的缺點，目前這些履帶式自行火炮的全重基本都在40t 以上，如美國上世紀90 年代研制的“十字軍戰士”

    自行火炮的全重達到了60t。過大的結構重量嚴重影響自行火炮的遠距離投送和戰場機動能力。美國國際預測公司武器組在《自行火炮系統市場》分析報告中提出，未來自行火炮的發展趨勢是輕量化、高機動性方向。

    為了解決第三代自行式火炮結構過重、不利于戰略投送與戰場機動的缺點，各國都在積極研制開發第四代自行火炮系統。一是采用新型的汽車式底盤取代傳統的履帶式底盤實現結構減重，如英國BAE 系統公司正在以M777 輕型榴彈炮為基礎，開發機動性能與現代化程度更高的車載自行式榴彈炮，即將M777 輕型榴彈炮安裝到輕型卡車的底盤上，形成“輕型機動式火炮系統”，該“輕型機動式火炮系統”全重在12t 至13t，可使用C-130、C-17 等運輸機進行戰略投送，也可分解為卡車和火炮兩部，采用直升機快速吊運部署。

    二是采用新型的設計理念與輕質結構材料實現結構減重，具體的技術方案有采用鈦合金材料被管的輕質復合身管、采用高效能的鈦合金材料炮口制退器等，通過減輕火炮起落部分質量并降低后坐力的方式實現火炮減重。這些設計思想已經在美國“非瞄準線火炮”、俄羅斯“聯盟”火炮上進行了部分驗證。以炮口制退器為例，傳統的為鑄鋼件，由于重量大使得炮管發生重力彎曲變形，影響到火炮的射擊角度與穩定性。采用鈦合金材料制造炮口制退器可較傳統的鋼質材料減重30% 至40%，由于炮口制退器重量的減輕可明顯降低炮管的重力變形撓度，提高火炮的射擊精度，同時對應的炮座配重也可大幅度減輕。另外，美國陸軍在“十字軍戰士”自行火炮研制項目中，采用Ti-6Al-4V 鈦合金材料制造榴彈炮的炮座，重量較鋼制材料減輕31%。

    2.3 鈦合金材料在裝甲車輛中的應用

    隨著反裝甲武器的快速發展，各類穿甲能力優異的火炮武器不斷推出，對裝甲車輛的防護能力提出了越來越高的要求，即戰車的裝甲厚度和重量不斷增加，有數據顯示裝甲戰車的重量在十余年的時間內增加了15% 至20%，整車重量的不斷增加嚴重影響其機動能力。以美國的M1A1 艾布拉姆斯坦克為例，該坦克裝備有120mm 口徑的滑膛炮，因其出類拔萃的超常性能（火力與防護能力）揚威于世，但是也是世界上最重的坦克之一，巨大的重量使其在松軟的沙漠上遠不能像在硬地上馳騁自如，降低了戰術性能。

    針對裝甲車輛的減重問題，為了提高車輛的機動性以及裝甲的抗彈能力，美國水城兵工廠曾對鈦合金的抗彈性能進行了系統的研究，試驗表明鈦合金材料防彈性能和標準的鋼裝甲相當，其抗破片性能較鋼裝甲優異，在防彈性能相同的條件下，鈦裝甲較鋼裝甲可減重25%。由此可見，采用鈦合金替代鋼質材料制造裝甲車輛防護裝甲及其它部件是實現車輛減重的有效途徑之一。所以，后期美國針對M1A1 艾布拉姆斯坦克減重問題開展了大量的以鈦代鋼的研究和現役裝備的工程改造工作，第一階段生產和鑒定了兩組鈦合金部件，每組七件：回轉炮塔、生化武器對抗系統護蓋、發動機頂蓋、炮塔樞軸架、指揮艙蓋、炮手主瞄準具罩、熱成像觀察儀罩等，可實現減重475kg，見表1。

    美國也針對M2“布萊德雷”戰車上開展了大量鈦合金部件的應用研究工作，M2 戰車的指揮艙蓋原本采用變形鋁合金制造，后來美國陸軍改用變形Ti-6Al-4V 鈦合金制造，每個指揮艙蓋實現減重35%，同時大大提高其防彈能力。海軍兩棲裝甲車輛在渡海搶灘過程中，需要在海水中涉水快速行駛登陸作戰，一是要求戰車的車體外部表面及內部構件具有良好的抗海水腐蝕性能，以滿足日常高批次訓練及保養，二是要求車體盡可能的輕量化，以實現高速高機動渡海搶灘作戰要求。美國海軍陸戰隊積極尋求和論證的先進兩棲突擊車輕量化設計制造方案之一，就是采用輕質高強的鈦合金材料替代傳統的鋼質材料制造車輛的負重輪、平衡臂、負重齒輪箱等部件。俄羅斯也在裝甲車輛的輕量化方面積極開展以鈦代鋼的工程化研究工作，如52t 級別的T-80 主戰坦克中使用BT6、BT1-0 等鈦合金材料制造其發動機外殼門、炮塔回轉支架等，較傳統的鋼質材料減重40% 以上。

    高機動性、輕量化、高防御能力以及高可靠性是未來裝甲車輛發展的必然方向，為了提高作戰部隊的機動能力，其裝甲車輛就需要實現輕量化。鈦合金材料比強度、抗彈能力、耐腐蝕能力等均優于軋制均質裝甲鋼，是裝甲車輛制造中具有發展前途的金屬結構材料。將鈦合金材料用于兩棲戰車結制造，不但能夠減輕裝備重量、增加裝備機動性，同時能夠有效防止結構腐蝕。

    2.4 鈦合金材料在彈藥中的應用

    美軍為了精確打擊能力，以MK-80 系列常規炸彈為基礎，發展出了精確制導的聯合攻擊武器（JDAM），即GBU-39、GBU-38、GBU-32、GBU-31 等系列精確制導彈藥。

    具報道，美國聯合攻擊武器（JDAM） 系列中的GBU-38、GBU-32、GBU-31 彈藥的主承力結構件采用了10% 至20% 的鈦合金材料，主要部件包括戰斗部支撐座、彈翼接頭、掛架、艙體對接框等，所采用的鈦合金牌號是Timet 公司研制開發的一種低成本鈦合金Timetal LCB 合金，使用狀態為固溶+ 時效態，其屈服強度在900MPa 以上，較傳統的鋼質結構件實現減重40% 左右。

    末端敏感彈藥是一種能夠在彈道末段探測出目標并實施攻擊的精確打擊彈藥，具有作戰距離遠、命中概率高、毀傷效果好、效費比高和發射后不管等優點，一般采用大口徑火炮發射，主要用于攻擊裝甲車輛的頂端等薄弱部位。我國某型號的炮射末端敏感彈藥研制過程中，由于受到空間小、過載高的服役工況要求，其上的關鍵部件要求其材質屈服強度不能小于1140MPa，研制初期采用D6BA 高強度鋼材制造該部件，后期發現由于重量過重不能滿足全彈質心和轉動慣性等設計要求。經過計算，確定該部件在強度指標不變的情況下需要減重40% 才能滿足設計要求，最終采用Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe 高強高韌鈦合金材料取代最初的D6BA 高強度鋼制造該部件，使得部件單重由原來的0.37kg降低到0.22kg，滿足了工程需求。

    2.5 鈦合金材料在單兵武器中的應用

    M107 步槍是在美海軍陸戰隊大量使用的12.7mm 口徑狙擊步槍，有效精確射程可達2000m，但是由于屬于大口徑步槍其重量較大，為了減輕重量降低單兵作戰的負荷，巴雷特公司發展出了M107A1 改進型狙擊步槍，采用鈦合金材質的制退器和槍管實現減重約1.8kg。同樣，由美國巴雷特公司研發生產的M82 重型阻擊步槍，為了進一步實現減重，也在改進型的M82A1LW 中包括槍口制退器在內部一些小部件由鋼材改為鈦合金材料。我國采用純鈦和Ti-451鈦合金材料制造的噴火器，較傳統的鋼件重量減輕3kg，大幅度降低了士兵的攜帶負荷，提高了單兵行軍機動能力。采用TA7 鈦合金制造的防彈衣薄裝甲也較鋼質裝甲重量減輕，降低了士兵的穿戴負荷、提高士兵作戰的敏捷度。

    3 地面武器裝備應用鈦合金面臨的問題與解決途徑

    鈦合金具有高的比強度、優異的耐腐蝕性能以及良好的抗彈性能等一系列突出優點，使其在火炮、裝甲車輛等地面武器裝備方面具有廣泛的應用潛力，受到世界軍事工業發達國家的關注與典型應用。但是，鈦合金材料的成本至少是傳統火炮、裝甲車輛制造用鋼材的兩倍以上，如結構大量采用鈦合金材料的M777 輕型榴彈炮的單價是傳統M198 榴彈炮的1.5 倍；美國陸軍“十字軍戰士”自行火炮研制項目采用鈦合金材料制造其榴彈炮座后實現減重31%，但是成本增加了14% ；俄羅斯在T-80 主戰塔克中使用的鈦合金材料代替鋼材以滿足減重要求，但是由于鈦合金成本高，僅在其發動機外殼、炮塔回轉支架等典型防護單元局部使鈦合金材料。可以看出，鈦合金材料成本過高是限制其在地面武器裝備中廣泛應用的最主要原因。

    武器裝備結構材料選用的一般原則：一是高性能，即各項性能指標適應使用環境工況；二是工藝性，即在材料各項性能滿足零件設計要求的前提下，其加工工藝性（鍛壓、焊接、熱處理等工藝性能）應滿足零件加工制造成型要求；三是經濟性，一種材料的大面積工程應用，不僅要靠它的性能和質量，還要看它經濟性及性價比。從上述內容可以看出，從鈦合金材料自身的性能來考慮，是一種非常理想的地面武器裝備結構用金屬材料。但是，要想在裝備數量眾多的地面武器裝備中大量使用鈦合金材料，必須要想方設法降低其綜合成本，以獲取最大程度的性價比。

    3.1 鈦合金材料合金化的低成本途徑

    美國在低成本軍用鈦合金方面開展了大量研究和工程應用工作，如Timet 公司以低廉的Al-Fe 中間合金取代較貴的Al-Mo 中間合金開發出了Timetal 62S 低成本鈦合金，在同等的性能水平下成本較Ti-6Al-4V 降低15% 至20%。RMI 公司增加了Ti-6Al-4V 鈦合金的氧含量制造出了性能高的鈦合金材料，在成本不變的情況下提高了材料的強度與抗彈性能。另外日本及我國也在積極開展低成本鈦合金的研制開發工作，同樣是采用低成本的Fe 元素取代價格較貴的Mo、V 元素進行合金化。

    3.2 鈦合金零部件成型工藝選擇的低成本途徑

    美國針對鈦合金零部件加工成型工藝的低成本化開展了一系列工作，依據具體的地面武器裝備零部件制造要求，從鈦合金的熔煉、鑄造、焊接等成型工藝方面進行了工程應用研究。如采用電子束冷床爐一次熔煉取代傳統的真空自耗二次或三次熔煉以降低熔煉制造成本；采用熔模精密鑄造成型技術取代鍛造成型+ 機械加工成型工藝，以提高原材料的利用率而降低制造成本。有報道稱，M777 榴彈炮原設計的鈦合金結構小零件數量時973 件，后采用整體鑄造成型工藝后，其數量減少到419 件，其焊接點由原2458 處減少至483 處，改成整體精鑄件后因為零件數量的減少，取消了大量繁瑣的裝配工作從而提高了工作效率、降低了生產成本。同時，材料的有效利用率也增加不少，進一步降低了制造成本，采用整體鑄造成型技術制造的鈦合金牽引架可降低成本47%。

    3.3 鈦合金材料加工制造成本的發展方向

    從鈦合金材料的特性來看，非常適用于地面武器裝備對高機動性能、耐環境腐蝕性能等的要求。過去將鈦列入稀有金屬的范疇，主要是其冶煉困難、造成材料成本過高，同時由于其熔煉、鍛造、軋制、焊接等熱加工技術復雜，以及缺乏系統全面的概念認識及相應的技術標準、手冊等技術文件體系支撐，制約了其在地面武器裝備中的大面積推廣應用。其實鈦在地殼中的豐度很高（豐度在地殼所有元素中排名第九，占質量的0.16%），近年來隨著其冶煉技術和熱加工技術的大幅度進步，鈦的價格已經大幅度下降，鈦合金目前已經具備地面武器裝備的經濟性（資源多、工藝逐件成熟、生產成本逐年降低，海綿鈦從最早的不低于20 萬元/ 噸降低到現在的5 萬元/ 噸左右）的要求。近幾十年隨著航空航天用鈦工作的開展，鈦合金的熔煉鑄造工藝性、鍛造工藝性、焊接工藝性能、熱處理工藝性、表面處理工藝性以及切削加工性等工藝技術成熟度越來越高，具備裝備制造對其工藝性的要求。

    隨著鈦原材料冶煉技術與合金加工技術的日趨成熟，鈦合金材料的加工制造成本向總體降低的方向發展，其在輕量化地面武器裝備中應用的性價比優勢較其它材料也日趨明顯。

    4 結論

    鈦合金材料出現于二十世紀中葉，因其具有高的比強度、優異的耐腐蝕性以及無磁性等優點，一經出現就在航空航天等對重量要求敏感的領域獲得了廣泛應用。經過幾十年的設計開發與工程應用研究等工作，我國航空航天領域鈦合金材料的研究與工程應用工作已經達到世界先進水平，與美國、俄羅斯等并駕齊驅。但是在火炮、裝甲車輛等地面武器裝備方面，鈦合金材料的研究與工程應用水平與美國還存在很大差距。目前，我國還沒有形成地面武器裝備制造用鈦合金材料體系，針對地面武器裝備的鈦合金材料標準、設計規范、實驗數據等較為匱乏。

    建議裝備主管部門組織進行頂層設計，借鑒美國的做法，將裝備減重與腐蝕防護在設計時引入，在設計階段就要充分考慮裝備服役環境的特殊性，在成本可接受的前提下更多選擇一些輕質、耐腐蝕的鈦合金材料。同時，統籌建立地面武器裝備鈦合金材料體系并形成系統的標準規范和數據庫，推進鈦合金材料在地面武器裝備中的大范圍應用，以其提升我國地面武器裝備整體戰術性能和服役壽命指標！

    參考文獻

    [1] 《世界火炮手冊》編輯部編。 世界火炮手冊[M]. 北京： 兵器工業出版社，1991.

    [2] 張相炎。 新概念火炮技術[M]. 北京： 北京理工大學出版社，2014.

    [3] 張相炎， 鄭建國， 楊軍榮。 火炮設計理論[M]. 北京： 北京理工大學出版社，2005.

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責任編輯：王元

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