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为什么武器不会无限长大?武器装备中的“木桶效应”

2020-10-12 21:23 作者:冰封之龙  | 我要投稿

我们常说,一个人最强的一点能够决定他的上限,但是同样他最弱的一点会决定它的下限,这就是“木桶效应”。武器也是一样,有的武器上限很高,但下限同样很低;有的武器没什么上限,但是下限很足;有的就比较适中。那么,你们知道什么因素是限制一款武器实力的“木桶效应”呢?

陆军装备:

1、火药装备极限威力限制了当代火器的进一步发展

当前步枪技术受到推进剂技术和人体承受能力的限制,已经难以击穿NJ IV级防弹衣
受制于推进剂技术限制,目前120/125坦克炮实力已经挖掘殆尽

自从二十世纪全面进入“火器时代”以来,火器替代了受制于人体极限的冷兵器成为了陆战武器绝对的主宰者,而其中最为重要的就是后膛身管武器。经过一百年的高速发展,如今的步枪、火炮无论是威力、精度和射程都比100年前有了革命性的提高,但是我们也要看到,由于身管武器是利用推进剂的化学能在身管内推送弹丸的原理,在发射药最大能量密度、炮管最大允许膛压和人体/载具能够承受的后坐力的三者限制下,传统身管武器的性能已经近乎被压榨殆尽,但是由于近30年以来复合材料装甲的蓬勃发展,传统的步枪已经越来越难以洞穿美标IV级重型(中国六级)重型装甲,而大威力的12.7机枪弹又因为枪体过重,后坐力过大而难以成为单兵武器;坦克炮也是一样,虽然通过延长穿甲体使得目前M829A4为代表的现代穿甲弹具备了700mm以上穿甲深度,但是由于120/125mm火炮受制于推进剂燃速,最大初速无法突破2000m/s的限制(而且考虑到内弹道稳定性不应当超过1800m/s),因此实际上目前120/125的最大动能被限制在13-14MJ,无法进一步提升,而更大口径的130/140炮也因为车体增重幅度较大(弹药本体加大、炮塔容积增多而且可能因为弹药过重而必须使用装弹机),而导致本来就已经达到70吨的欧洲第三代坦克进一步加重,有可能会导致无法通过大部分路面。因此,当今陆军装备更新换代缓慢的根本原因之一,就是因为当今的身管火炮/火器逼近理论极限了。

海军:当代雷达系统极限导致导弹战舰无法无限放大

055的电子系统可谓是当代配置最顶尖的
虽然尺寸足足是旁边英国45的3倍以上,但现实中基洛夫级的火力通道却只和后者齐平

我们都知道,在没有航空兵或者卫星数据的支持下,军舰最为重要的“耳目”就是雷达系统。只有雷达系统准确地锁定了敌人,导弹才能够得以发射出去。但是,由于地球曲率的影响,现实中舰载雷达的探测能力相当有限。

雷达盲区示意图

根据计算,使用微波频道的雷达(直线传播)在高度为30米的军舰桅杆上,对于海平面目标探测距离约为20公里;当进行对空搜索时,它对于位于6000米高巡航段飞行的飞机探测距离为270公里,再远一些就低于地平线了。

为了探测到更远的目标,苏联/俄罗斯利用短波信号可以沿着电离层反射的原理设计了“音乐台”雷达系统,中国仿制为366雷达。这种雷达可以接受目标反射回的短波信号并标记对方位置,在最理想的气候下(湿度,风速和海浪高度都符合),可以探测到300-400公里的海平面目标,但是在一般的海况条件下,有效探测距离仅有60-100公里。所以,在没有航空兵或者卫星的探测下,水面战舰最远的探测距离也就是400公里了,如果算上舰载直升机的侦察半径,那么理论上能够探测到500公里。所以我们会发现,一般大部分的反舰导弹射程在120-180公里,少数如鹰击-18,美国反舰战斧,标准6,舰载LRASM能达到500公里,这就是一般战舰的极限探测距离。而再远一些的P-500/700导弹,就必须依赖航空兵和卫星的侦察信号了。


除了雷达波的特性以外,雷达本体的特性也导致它无法无限制的放大。

早期的346雷达,根据2015年一篇已经移民加拿大的前研发人员的回忆,1995年中国论证346雷达时仅有硅半导体制造的TR单元,因此3456片TR只能产生340KW的发射功率,所以使用风冷系统,外观体现为弧形雷达罩
346A雷达,换装了更新的TR系统,数据格式也改为数字信号,性能更加强大,功率更强,采用平面液冷结构
055的346B雷达功率进一步加大,为此055配备了6台1000千瓦的燃气轮机发电机

从中华神盾的发展历史看,随着我国技术的提高,346雷达系统也在20年内经历了突飞猛进的发展,从最早的模拟信号硅半导体的346雷达,到如今5055上单面功率接近1000千瓦的346B雷达,仅仅电功率就提升了3倍以上,热功率也会大大增加。但是不要忘记,随着发热量的大幅提高,冷却系统(通常是铜制冷却管)的重量也会越来越大,而且开机运转时的燃油消耗也会大幅提高,根据美国伯克级驱逐舰的使用记录,在不开SPY-1雷达时续航力约为4200海里,但是雷达24小时开机下就会导致续航力锐减到2000海里左右。所以大家会发现,052D型驱逐舰保留了仅有30千瓦的517H雷达作为日常值班雷达,001辽宁舰,002山东舰保留了054A的250千瓦382A雷达作为值班雷达,055未知,但也应该拥有值班雷达系统。

因此,军舰的雷达系统受制于物理特性、雷达发热、雷达功率原因无法无限放大,同时因为雷达系统之间的电磁兼容和计算机处理能力的限制,雷达的火力通道不能无限制增加,因此就算是把基洛夫级巡洋舰安上055的电子系统,也无法让它具备同时齐射100枚防空导弹的效果,所以各国海军基本上都没有兴趣新建15000吨以上的大型导弹战舰。

空军:动力和结构材料限制了飞机“天马行空”的能力

主要结构由不锈钢构成的MIG25是唯一突破双3性能的战斗机,同时也是F-22之前唯一可以在2马赫下做出6G机动的飞机,但是由于过于倾斜超音速性能,导致低速机动性很差
由于迁就海军上舰需求,F-35飞机显得比较短粗,虽然保证了亚音速机动性不亚于F-16,但是超音速性能相当不足,极速甚至低于F-18C战斗机,是现役少数难以飞到2马赫的战斗机

飞机设计是最需要平衡的。飞机的升力主要来自于机身和机翼的流体外形和发动机的动力系统,同时由于“音障”的存在,飞机在亚音速段面临的气流和超音速段面临的气流环境完全不同,所以很难设计出同时兼顾亚音速和超音速性能的战机。在历史上,曾经有过变后掠翼技术、双三角翼技术、大边条技术试图权衡亚音速性能和超音速性能,但是目前来看还是难以找到让亚音速、跨音速、超音速三者全部满足的设计,因此当前设计飞机只能尽可能满足最常用的跨音速(0.9-1.2马赫)段的机动性(苏27除外,因为结构强度不够,存在跨音速陷阱,因此苏27必须在低于0.9的低速下才能全面发挥机动性优势)。不过,由于第三代飞机和美国F35过于考虑跨音速段飞行,导致在2马赫上机动性大幅下降,反而失去了拦截图22M3、图160等高速轰炸机的能力,因此美国不得不重新生产适合2马赫以上拦截的F-15X弥补国内截击机的不足。

火箭军:

核弹小型化、运载工具的尺度限制决定了一个核武器国家的水平上限

核导弹部队是安理会五大常任理事国的大国基石。核导弹顾名思义,由核弹头和导弹两个系统构成,因此它们的上限便由二者最弱的部分决定。

中国60年代设计的东风4导弹,因为当时核弹小型化水平较低,同时缺乏固体燃料技术,所以只能设计为大型液体单弹头远程导弹
DF-41全车整备重量已经达到了150吨以上,即使空车也不低于110吨(俄罗斯白杨导弹发射车MAZ-79221空车120吨),为此长安街地下必须增加钢制支撑才可以满足大阅兵需求

对于一个能研发出核武器的国家来说,第一个门槛就是核弹头小型化。二战美国的“胖子”核弹头高达4.8吨,就算是现代能够发射这么巨大的弹体的运载火箭也不多见。因此第一个拦路虎就是核弹头的小型化。由于核弹头从外太空返回地球时要承受巨大的气动加热,因此弹体首先要解决耐热性;同时,为了适配导弹头锥整流罩的形状,导弹弹头也必须要设计成尖锥状,因此对于弹头的结构布置提出了极高的要求。对于美国核弹头的发展历史可以参考这篇文章。


核弹头小型化和两弹结合成功后,下一个问题就是运载火箭的开发。液体燃料火箭由于推力可控,燃料比冲高,比较适合发射大载荷的物体,因此一直以来重型洲际导弹都是液体燃料导弹。但是液体燃料导弹由于燃料密度低,因此通常尺寸较大,除了苏联为了核潜艇开发的R-29RMU2导弹在保证10000公里射程和1吨投放能力情况下缩减到了40吨,15米长的尺度外,绝大部分中俄现役的液体燃料都在150吨以上(中国东风5约180-200吨,俄罗斯R-36M,RS-28萨尔马特约220吨),仅燃料运输卡车就得二十多辆,导致这种导弹只能够在发射井内固定部署。而机动式洲际导弹则受制于核潜艇外壳尺寸、陆地运载车的通过性的限制也无法做的很大,导致性能比起液态燃料导弹存在不同程度的下降。

094潜艇设计用来发射巨浪2型,不过从报道看,2019年后列装的巨浪3型也可以改装到094上发射

结语

武器设计是一个多方面均衡的过程,正如经济学的规模经济规律一样,武器在突破了“最佳尺度”后,其性能的增长幅度并不会和它的体积增长成正比,甚至会产生“规模不经济”效果,即尺寸变大反而导致整体性能的下降。因此,现实中制造武器绝不是军备竞赛时拍脑袋的“互相比体积大”,而是要根据一个国家战略、技术和经济的水平精确的进行计量和生产。

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