坦克，從一戰(zhàn)以來，一直是各國陸軍的重要武器裝備。無論是在支援步兵還是反坦克作戰(zhàn)中，坦克都起到了至關(guān)重要的作用。然而，坦克的主要武器大多是一門主炮，如何讓這門主炮瞄得準(zhǔn)，打得準(zhǔn)，就成了一個工程學(xué)難題。從一戰(zhàn)開始，無數(shù)工程師絞勁腦汁的開發(fā)出了各種手段幫助坦克炮手瞄準(zhǔn)和設(shè)計(jì)，也創(chuàng)造了無數(shù)原始落后但又充滿奇思妙想的精彩設(shè)計(jì)。而火炮的穩(wěn)定，一直是坦克設(shè)計(jì)上數(shù)一數(shù)二的難點(diǎn)。

血肉苦弱

在索姆河戰(zhàn)役投入大量坦克協(xié)助步兵突破行動后，協(xié)約國很快發(fā)現(xiàn)了坦克存在的缺陷：傳動不可靠，故障率極高，視野盲區(qū)大，而且每次開炮都得停下。早期坦克火炮大多是直接利用陸軍野戰(zhàn)炮或者海軍火炮上車，觀瞄裝置都一切從簡，炮手的射擊方式更是向海軍看齊：自行把握船舶的搖晃節(jié)奏，進(jìn)行連續(xù)調(diào)整，在正對目標(biāo)時開炮。然而，泥濘的前線終究不是海軍的萬噸戰(zhàn)列艦，坑坑洼洼的沖鋒道路讓坦克無時無刻不在劇烈顛簸。相較于穩(wěn)定周期性搖擺的海軍艦艇，坦克面臨的搖晃幅度更大，完全沒有規(guī)律性，完全不可能使用海軍的瞄準(zhǔn)方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動中射擊。

(相關(guān)資料圖)

圖為法國雷諾FT-17坦克炮塔內(nèi)部，可以看到皮質(zhì)的肩墊（圖片來源：外網(wǎng)資料）

法國工程師對此心知肚明。想要讓坦克主炮別晃來晃去，首要難題是找準(zhǔn)水平。工程師們有各種各樣的方式幫助炮手調(diào)整火炮姿態(tài)，但是這一切的前提是知道水平面在哪，火炮要向哪個方向調(diào)整，才可以由機(jī)械介入穩(wěn)定。對于1910年代的科技來說，這是個無解難題，水平儀的精度和準(zhǔn)確度都令人不敢恭維，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)火炮穩(wěn)定器必然會釀成大禍。法國工程師們反其道而行之，走了另外一條截然不同的路線：人力穩(wěn)定。

雖然坦克面臨的泥濘崎嶇道路不能通過技術(shù)手段獲取水平面的參考位置，但是人體依然可以通過平衡感來了解大概的傾斜角度，并且對此做出適應(yīng)，這是人的本能。法國工程師創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出了獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的炮塔，又使用了小口徑火炮，還給炮手設(shè)計(jì)了一個肩墊：把火炮的俯仰直接交給炮手的肩膀控制：當(dāng)坦克進(jìn)入下坡，蹲著馬步的炮手會自然的蹲下，坦克的火炮就會大致指向水平方向；當(dāng)坦克進(jìn)入上坡，炮手又會自然的站起，坦克的火炮也會大致保持在水平方向上。即便炮手沒有做出正確的應(yīng)對，坦克主炮的俯仰調(diào)節(jié)也極為方便，就像使用步槍一樣可以很輕松的瞄準(zhǔn)。

圖為博物館中的雷諾FT-17坦克（圖片來源：外網(wǎng)資料）

法國設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)最終被整合在雷諾FT-17坦克上，炮塔水平方向使用了滾珠軸承，垂直方向設(shè)置一個肩墊直接搭在炮手肩膀上，火炮可以非常輕松的俯仰和水平轉(zhuǎn)向，甚至可以在坦克外用單手拖動炮塔回轉(zhuǎn)，必要情況下也可以通過鎖扣直接鎖死炮塔的俯仰角，方便運(yùn)輸且避免成員離開時炮塔轉(zhuǎn)動傷人。雷諾FT-17的設(shè)計(jì)非常成功，極大影響了戰(zhàn)間期當(dāng)時的坦克設(shè)計(jì)思路。英國的瑪?shù)贍柕虏奖箍恕⑷毡镜?9式坦克、97式坦克也都學(xué)習(xí)了雷諾FT-17的設(shè)計(jì)，通過人力實(shí)現(xiàn)簡單的俯仰角穩(wěn)定，一部分熟練的坦克兵可以在較為平穩(wěn)的道路上實(shí)現(xiàn)行進(jìn)間射擊。

靈光初現(xiàn)

雷諾FT-17的設(shè)計(jì)在當(dāng)時自然是開創(chuàng)性的，但是也存在致命缺點(diǎn)——火炮口徑。通過人力穩(wěn)定的火炮口徑不能過大，不然坦克兵費(fèi)盡全力也很難拉動。炮塔的正面裝甲厚度設(shè)計(jì)受到制約，限制了坦克的防護(hù)能力，也無法使用更加科學(xué)的多人炮塔和多人車組設(shè)計(jì)。在戰(zhàn)間期的輕型坦克中，人力穩(wěn)定相當(dāng)常見。但是一旦使用了45毫米或者更大口徑火炮，就很難通過人力操作和穩(wěn)定，所以中口徑火炮往往放棄穩(wěn)定，使用搖把來進(jìn)行炮塔控制。炮塔轉(zhuǎn)向速度非常緩慢，而且在停車停穩(wěn)后才能進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)和射擊，需要相當(dāng)長的時間。為了解決這個問題，美國陸軍在M3坦克定型之初就要求坦克擁有垂直穩(wěn)定器，可以在道路上進(jìn)行慢速行進(jìn)間射擊。

圖為美國二戰(zhàn)期間的火炮垂直穩(wěn)定器設(shè)計(jì)（刊登于1945年的雜志）

為了讓火炮操控裝置能找準(zhǔn)“水平面”，美國工程師給坦克安裝了一套轉(zhuǎn)速為12500-16000轉(zhuǎn)/分鐘的陀螺儀。由于旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀將會維持水平姿態(tài)，坦克的火炮也就有了一個進(jìn)行調(diào)整的基準(zhǔn)。通過機(jī)電設(shè)計(jì)，坦克可以“記住”當(dāng)前火炮指向相對于水平面的位置，并且在起伏路面根據(jù)車身角度變化驅(qū)動高低機(jī)調(diào)整火炮角度，保持坦克主炮在垂直方向上相對于水平面角度不變，從而實(shí)現(xiàn)垂直穩(wěn)定的效果。通過較高精度的陀螺儀，可以實(shí)現(xiàn)坦克主炮在垂直方向上的穩(wěn)定誤差小于正負(fù)0.33°，能基本滿足行進(jìn)間設(shè)計(jì)的需要。在千米立靶射擊測試中，M3坦克實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動中打靶70%命中率，是世界上第一輛有火炮垂直穩(wěn)定能力的坦克。

圖為M3中型坦克（圖片來源：外網(wǎng)資料）

M3坦克是一種作為技術(shù)驗(yàn)證車輛的過渡車型，雖然服役時間并不長，但車上搭載的很多技術(shù)有開創(chuàng)性意義。為75毫米火炮設(shè)計(jì)的火炮垂直穩(wěn)定器被用在了M4“謝爾曼”坦克上，最終成就了美軍的一代名車。蘇軍也在同期進(jìn)行了一些火炮穩(wěn)定器上的嘗試，但是在慘烈的東線裝甲戰(zhàn)中，一切不致命的需求都必須讓位于產(chǎn)能，最終只有美國援助的M3和M4坦克裝備有垂直穩(wěn)定器，受到了蘇軍戰(zhàn)士的好評。

在二戰(zhàn)結(jié)束后，美蘇雙方的矛盾最終演變成了冷戰(zhàn)，坦克的發(fā)展反而進(jìn)一步加速。二戰(zhàn)時期的技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)垂直穩(wěn)定，但是光有垂直穩(wěn)定還不夠。實(shí)現(xiàn)水平穩(wěn)定的難點(diǎn)卻不完全一樣。坦克經(jīng)常會進(jìn)行水平方向的轉(zhuǎn)向，一般情況下不需要過于關(guān)注停車射擊時的慣性搖晃，反而更側(cè)重于坦克轉(zhuǎn)向時不改變炮口指向。要實(shí)現(xiàn)水平穩(wěn)定，需要為車體和炮塔各設(shè)置一套陀螺儀系統(tǒng)，測量出精確的車體轉(zhuǎn)向量，讓水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制炮塔進(jìn)行對應(yīng)的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)在車體原地轉(zhuǎn)向的情況下，火炮指向絲毫不動的雙向穩(wěn)定。英國的工程師首先在百夫長主戰(zhàn)坦克上實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)計(jì)，蘇聯(lián)則緊隨其后，在1950年后鋪開到全部坦克上。反而最先研發(fā)出火炮穩(wěn)定器的美國，直到1960年代才開始為M60A3主戰(zhàn)坦克安裝雙向穩(wěn)定器。

圖為英國“百夫長”主戰(zhàn)坦克，是第一款裝備雙向穩(wěn)定器主戰(zhàn)坦克（圖片來源：外網(wǎng)資料）

坦克的火炮穩(wěn)定是二戰(zhàn)后工業(yè)技術(shù)最高點(diǎn)的結(jié)晶之一，從最早的垂直穩(wěn)定水平隨車體旋轉(zhuǎn)，到后來的雙向穩(wěn)定，全部依賴自動化控制的補(bǔ)償系統(tǒng)，精度要求極高。現(xiàn)代“炮管端酒杯”的主戰(zhàn)坦克更是在陀螺儀精度上實(shí)現(xiàn)了前所未有的水平。但是想要真正實(shí)現(xiàn)“一發(fā)入魂”，光有火炮穩(wěn)定器，還不夠。

作者簡介：黃天，媒體工作者，主要從事軍事、科普相關(guān)媒體工作，長期研究冷戰(zhàn)軍事科技發(fā)展歷程

出品：科普中國

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

作者：黃 天 （海東青科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)）

審核專家：劉曉峰（資深軍事科普作家）

策劃：金 赫