坦克，從一戰以來，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中，坦克都起到了至關重要的作用。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，打得準，就成了一個工程學難題。從一戰開始，無數工程師絞勁腦汁的開發出了各種手段幫助坦克炮手瞄準和設計，也創造了無數原始落后但又充滿奇思妙想的精彩設計。而火炮的穩定，一直是坦克設計上數一數二的難點。
血肉苦弱
在索姆河戰役投入大量坦克協助步兵突破行動后，協約國很快發現了坦克存在的缺陷：傳動不可靠，故障率極高，視野盲區大，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奏，進行連續調整，在正對目標時開炮。然而，泥濘的前線終究不是海軍的萬噸戰列艦，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，完全沒有規律性，完全不可能使用海軍的瞄準方式實現運動中射擊。

圖為法國雷諾FT-17坦克炮塔內部，可以看到皮質的肩墊（圖片來源：外網資料）
法國工程師對此心知肚明。想要讓坦克主炮別晃來晃去，首要難題是找準水平。工程師們有各種各樣的方式幫助炮手調整火炮姿態，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整，才可以由機械介入穩定。對于1910年代的科技來說，這是個無解難題，水平儀的精度和準確度都令人不敢恭維，以此為基礎設計火炮穩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：人力穩定。
雖然坦克面臨的泥濘崎嶇道路不能通過技術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，這是人的本能。法國工程師創造性地設計出了獨立旋轉的炮塔，又使用了小口徑火炮，還給炮手設計了一個肩墊：把火炮的俯仰直接交給炮手的肩膀控制：當坦克進入下坡，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；當坦克進入上坡，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對，坦克主炮的俯仰調節也極為方便，就像使用步槍一樣可以很輕松的瞄準。

圖為博物館中的雷諾FT-17坦克（圖片來源：外網資料）
法國設計師的創造性設計最終被整合在雷諾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向，甚至可以在坦克外用單手拖動炮塔回轉，必要情況下也可以通過鎖扣直接鎖死炮塔的俯仰角，方便運輸且避免成員離開時炮塔轉動傷人。雷諾FT-17的設計非常成功，極大影響了戰間期當時的坦克設計思路。英國的瑪蒂爾德步兵坦克、日本的89式坦克、97式坦克也都學習了雷諾FT-17的設計，通過人力實現簡單的俯仰角穩定，一部分熟練的坦克兵可以在較為平穩的道路上實現行進間射擊。
靈光初現
雷諾FT-17的設計在當時自然是開創性的，但是也存在致命缺點——火炮口徑。通過人力穩定的火炮口徑不能過大，不然坦克兵費盡全力也很難拉動。炮塔的正面裝甲厚度設計受到制約，限制了坦克的防護能力，也無法使用更加科學的多人炮塔和多人車組設計。在戰間期的輕型坦克中，人力穩定相當常見。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定，所以中口徑火炮往往放棄穩定，使用搖把來進行炮塔控制。炮塔轉向速度非常緩慢，而且在停車停穩后才能進行精確瞄準和射擊，需要相當長的時間。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定器，可以在道路上進行慢速行進間射擊。

圖為美國二戰期間的火炮垂直穩定器設計（刊登于1945年的雜志）
為了讓火炮操控裝置能找準“水平面”，美國工程師給坦克安裝了一套轉速為12500-16000轉/分鐘的陀螺儀。由于旋轉中的陀螺儀將會維持水平姿態，坦克的火炮也就有了一個進行調整的基準。通過機電設計，坦克可以“記住”當前火炮指向相對于水平面的位置，并且在起伏路面根據車身角度變化驅動高低機調整火炮角度，保持坦克主炮在垂直方向上相對于水平面角度不變，從而實現垂直穩定的效果。通過較高精度的陀螺儀，可以實現坦克主炮在垂直方向上的穩定誤差小于正負0.33°，能基本滿足行進間設計的需要。在千米立靶射擊測試中，M3坦克實現了運動中打靶70%命中率，是世界上第一輛有火炮垂直穩定能力的坦克。

圖為M3中型坦克（圖片來源：外網資料）
M3坦克是一種作為技術驗證車輛的過渡車型，雖然服役時間并不長，但車上搭載的很多技術有開創性意義。為75毫米火炮設計的火炮垂直穩定器被用在了M4“謝爾曼”坦克上，最終成就了美軍的一代名車。蘇軍也在同期進行了一些火炮穩定器上的嘗試，但是在慘烈的東線裝甲戰中，一切不致命的需求都必須讓位于產能，最終只有美國援助的M3和M4坦克裝備有垂直穩定器，受到了蘇軍戰士的好評。
在二戰結束后，美蘇雙方的矛盾最終演變成了冷戰，坦克的發展反而進一步加速。二戰時期的技術已經可以實現垂直穩定，但是光有垂直穩定還不夠。實現水平穩定的難點卻不完全一樣。坦克經常會進行水平方向的轉向，一般情況下不需要過于關注停車射擊時的慣性搖晃，反而更側重于坦克轉向時不改變炮口指向。要實現水平穩定，需要為車體和炮塔各設置一套陀螺儀系統，測量出精確的車體轉向量，讓水平回轉機構控制炮塔進行對應的補償，從而實現在車體原地轉向的情況下，火炮指向絲毫不動的雙向穩定。英國的工程師首先在百夫長主戰坦克上實現了這一設計，蘇聯則緊隨其后，在1950年后鋪開到全部坦克上。反而最先研發出火炮穩定器的美國，直到1960年代才開始為M60A3主戰坦克安裝雙向穩定器。

圖為英國“百夫長”主戰坦克，是第一款裝備雙向穩定器主戰坦克（圖片來源：外網資料）
坦克的火炮穩定是二戰后工業技術最高點的結晶之一，從最早的垂直穩定水平隨車體旋轉，到后來的雙向穩定，全部依賴自動化控制的補償系統，精度要求極高?，F代“炮管端酒杯”的主戰坦克更是在陀螺儀精度上實現了前所未有的水平。但是想要真正實現“一發入魂”，光有火炮穩定器，還不夠。

作者簡介：黃天，媒體工作者，主要從事軍事、科普相關媒體工作，長期研究冷戰軍事科技發展歷程

出品：科普中國

監制：光明網科普事業部

作者：黃 天 （海東青科創團隊）

審核專家：劉曉峰（資深軍事科普作家）

策劃：金 赫

來源: 科普中國軍事科技

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