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[原创]日机大杀器Mk14瞄准具工作原理简介

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六年服役纪念章功勋勋章钻石金双剑金橡叶铁十字勋章行政立法委骑士团勋章政道纪念章旗手终身荣誉会员

发表于 2012-3-28 13:31:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 mathewwu 于 2012-4-9 15:11 编辑

根据美海军官方发布的《二战防空作战纪要》,40mm及20mm机炮共击落了六成的敌机(1360架),而这两种机炮所依赖的瞄准具就是麻省理工教授Draper博士团队在战时紧急开发出来的Mk14自动提前角瞄准具。这Mk14只有一个鞋盒大小,可以装在像20mm这种轻型防空炮上,所以昵称“博士的鞋盒“,接着海军又以它为核心开发出可以遥控多座轻重防空火炮的Mk51指挥仪。下面就是Mk14的后及前视图,图上可以看见它背面的方形瞄准镜窗,图下是前方的圆形物镜:


射击移动种目标的最大问题是,除非弹丸飞行的速度比目标快上千百倍,否则弹丸到达瞄准原点时目标已经离开原点一段距离了。古人用弓箭射飞鸟就知道要瞄准鸟头前方,箭射到飞鸟行进的高度时才不会错失。这个瞄准鸟头前方的动作就是射击提前角或前置角的概念。本来弓箭手眼到心到手到三下配合就可以玩得转的技巧,为什么到了飞机与高炮的时代就表现不好了?那是因为飞鸟通常维持水平飞行,但是飞机对地或海面目标攻击却常采用俯冲姿态,也就是水平与垂直同时移动。又炮弹虽然飞得比箭要快,但火炮射程愈来愈远加上飞机速度愈来愈快,这个提前量的移动角度与幅度也愈来愈大。下图红黑线的夹角就是射击提前角:


最早的防空武器采用的是像蛛网状的同心圆式准星,占孔通过圆心的连线是炮口射击线,射手则凭经验把目标放在同心圆的某个外圈来决定射击的提前角:
  

这就是安装同心圆式准星的20mm厄利孔机炮:


到了二战时,射击提前角的变化已经大到无法单靠人的眼脑手测算及反应的地步,这时物理与机械的天才就上场了。他们在瞄准具内放置了靠压缩空气驱动的两个陀螺仪,一个管水平一个管垂直。当瞄准具位置归零(也就是炮口打平射界对中)时启动陀螺仪,两个陀螺分别维持水平及垂直方向恒速转动。此时如果上下左右移动瞄准具(也就是炮口)对准移动中的目标,内置的两个陀螺会随着瞄准具的移动产生进动现象(进动precession,基本物理学名词,请自行百科。)测量这两个进动量就可得到相应的水平及垂直提前角。炮口移动得越快,进动量越大,也代表提前角越大。那时没什么微电子技术,基本就是用机械感测,感测之后也不用输出到什么复杂的机械式计算机,而是通过杠杆各驱动一面有转轴的平面透镜,对应水平提前角的旋回镜;与对应垂直提前角的俯仰镜。Mk14的内部构造如下图所示:


炮手是透过装有这两面镜子的瞄准窗追踪瞄准敌机的。但是两面透镜再怎么随着提前角旋转自身的镜面角度,炮手是无法凭自然光目视判读镜面反映出来的提前角的,这时天才的巧思又上场了。他们在瞄准具内装了一个分划投影灯管,把一个分划光环先投影到旋回镜上再反射到俯仰镜上,当两面镜子随提前角转动时,这个光环便会在镜窗内上下左右移动,炮手只要推动装有这种瞄准具的火炮或指挥仪,把敌机影像套进照准光环内就可开火:


下面两张图显示火炮及瞄准具的俯仰旋回位置归零时,两面反射镜面角度都是45度,投影光环位于镜窗正中,与炮口方向一致:


   
下面两张图显示,敌机向下移动,炮手推动炮口向下移动追瞄敌机,这时俯仰镜面开始旋转,反映提前角的光环则移向镜窗上方。由于炮口指向永远位在镜窗正中,所以把敌机套进上移的光环就等于向敌机下降的前方照准开火:



同理炮口向上移光环则向下移:



下面两张图显示敌机向右移动,炮手推动炮口向右移动追瞄敌机,这时旋回镜面开始旋转,反映提前角的光环则移向镜窗左方。由于炮口指向永远位在镜窗正中,所以把敌机套进左移的光环就等于向敌机右飞的前方照准开火:
  

同理炮口向左移光环则向右移:



瞄准具上还有距离设定旋钮,但由于本近防系统采用接近直线的火炮弹道,在设计有效射程内弹道曲率变化不大,再加上主要火控变化因素的提前角已被掌握,距离准确性相对不那么重要。通常由炮手根据机型在光环内的大小来粗略测距,再简单以高中低三段调整炮口俯仰值,如连续追瞄射击中来不及调整也可凭借弹尾弋光来修正测距误差。下图从上到下分别为零式、99舰爆与一式陆攻位于3000码上时在光环内的大小:


陀螺仪动力部分的设计也很优秀,采用压缩空气驱动不仅启动快转速稳,省去复杂的微型电动马达与重量,也避开马达断电及电压不稳的问题。下图就是陀螺仪内靠空气喷吹外缘扇叶片致动的转子,与小孩儿玩的纸风车使用同样的转动原理:


Mk14从1942年开始直接安装在20mm机炮上取代原有的同心圆式瞄准具:


Mk14瞄准具也安装在Mk51单人手操机炮指挥仪上同时遥控多座多种防空炮台对付同一目标。下图是1942服役,控制40mm炮击落最多日机的Mk51指挥仪,顶上就是Mk14瞄准具:

50年代国府海军操作美制舰艇上的Mk51指挥仪:


1943年服役的Mk52加装了Mk26测距雷达取代目视测距,Mk14瞄准具则被更先进的Mk15取代。Mk15除了可接收雷达测距连续修正弹道之外,还可修正风力及本舰位移带来的误差。而雷达信号不但可直接显现在镜窗内,必要时更可遮蔽影像直接用雷达光点在镜窗内对中来照准:

1945年服役的Mk57换装更先进的Mk34雷达测距及追踪系统,具有全天候作战能力。作为轻防空武器的指挥仪,为求不占空间及精简物资,仍然是单人手操形式:


1945年服役的Mk63,仍然是单人操作,但Mk34火控雷达天线已改装在炮座上。二战后Mk63主要配合双3“快炮防空,下图Mk63的瞄准具是更新的Mk29:


Mk51这一系列下来的陀螺瞄准具单人指挥仪堪称是现代轻型火炮光电火控系统的鼻祖,1967年生产用来搭配“简化点防御导弹系统(BPDMS)“发射海麻雀对空导弹的M115指挥仪,还是使用Mk51的单人手操式台座与Mk29瞄准具,为海麻雀提供发射提前角及修正参数,与二战时期的设计概念基本没有改变。同样为了精简系统,雷达天线还是架在台座上由射手一体推动照准。注意为平衡前方巨大的照明雷达天线重量,长长的配平杆一直延伸到射手身后:


本篇完。


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中将

六年服役纪念章荣誉勋章元老荣誉纪念章行政立法委终身荣誉会员

发表于 2012-3-28 21:49:33 | 显示全部楼层
测量这两个进动量就可得到相应的水平及垂直提前角。
=================================

能否理解为需要炮口跟随目标一段时间,以炮口的相对运动角速度获得目标的提前角?
「置酒上方,烽火未熄,望风樯战舰,在烟霭间,慨然尽醉。」
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 楼主| 发表于 2012-3-28 23:37:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2012-3-28 23:54 编辑
L'Soleil 发表于 2012-3-28 21:49
能否理解为需要炮口跟随目标一段时间,以炮口的相对运动角速度获得目标的提前角?


不需要。当陀螺仪开始稳定旋转后,任何移动炮口(及瞄准具)的动作都会使陀螺产生进动,也就立即带动杠杆联动镜面移动光环。对付近距离大角度高速度的目标,如果有时间差就拖慢反应了(这里当然多少会有一些,好像是从停顿到取得角度会有2度的阻尼,但也就是一瞬间的事吧,只要不停下瞄准具移动或反向移动,阻尼迟滞就不会再发生。)
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上士

五年服役纪念章

发表于 2012-3-29 09:28:30 | 显示全部楼层
没调节光圈测距的功能的话对于航向和炮口指向夹角很大的飞机命中率就斯巴达了吧.......
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 楼主| 发表于 2012-3-29 12:32:28 | 显示全部楼层
ACUMV 发表于 2012-3-29 09:28
没调节光圈测距的功能的话对于航向和炮口指向夹角很大的飞机命中率就斯巴达了吧.......
...

Mk14就是因为没有高阶测距才能做到只有一个鞋盒大小,若是像下图Mk63系统那样加上雷达测距,虽然甲板上还是个衣柜大小,舱下就可要多出个电子套间了:



不过Mk14出世时飞机时速还不高,目视测距不够准还可以依靠实战时的弋光弹修正,斯巴达一点不打紧,并竟美国的工业能量一年生产十万只“鞋盒“还可以,一年要生产十万套雷达那就悲剧了。

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上士

五年服役纪念章

发表于 2012-3-29 16:12:48 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2012-3-29 12:32
Mk14就是因为没有高阶测距才能做到只有一个鞋盒大小,若是像下图Mk63系统那样加上雷达测距,虽然甲板上还 ...

仔细看后发现还是有调节测距的,另有一名测距员。不过功能上MK14要比飞机用的MK18简单点,具体使用方式也多少不同...
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 楼主| 发表于 2012-3-29 17:20:51 | 显示全部楼层
我一直奇怪开发Mk-14陀螺火炮瞄准具的Draper博士为何没有开发诺顿陀螺轰炸瞄准具的诺顿有名。

我错了,是我孤陋寡闻。Draper博士被人们记住的是为美国国家航天局开发阿波羅計畫登月艇与指挥艇的AGC惯性导航电脑(集成电路),4个鞋盒大小。英文危机说美国人当他是“惯性导航之父“,看来他真把陀螺仪玩透了。
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中士

发表于 2012-3-29 21:29:48 | 显示全部楼层
好东西...学习了!

另外我想保存这个帖子到硬盘....为什么再打开的时候没有图了?!
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 楼主| 发表于 2012-3-29 23:28:12 | 显示全部楼层
c47 发表于 2012-3-29 21:29
好东西...学习了!

另外我想保存这个帖子到硬盘....为什么再打开的时候没有图了?! ...

抱歉帮不上忙。你试试粘贴。
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一等兵

四年服役纪念章

发表于 2012-4-3 10:29:28 | 显示全部楼层
顶楼的倒数第三张图片看上去是在马萨诸塞号上照的啊。我去的时候同一角度似乎已经没有看到那个瞄准仪了。
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 楼主| 发表于 2012-4-3 11:09:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2015-10-11 23:13 编辑
Shinichi 发表于 2012-4-3 10:29
顶楼的倒数第三张图片看上去是在马萨诸塞号上照的啊。我去的时候同一角度似乎已经没有看到那个瞄准仪了。 ...

希望是送去保修了。貌似是硕果仅存的了,莫说实物,连Mk57的照片都很难找到。这张的Mk34雷达盘状天线还有个外盖,更是少见。


P.S. Mk 57是是霍普金斯大学T团队开发的,也属于陀螺感应提前角的单人手操机炮指挥仪。楼上的图只是舱面设备部分,下舱还有雷达主机和机械计算机。
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二等兵

五年服役纪念章

发表于 2012-4-13 11:24:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 xsuny马甲 于 2012-4-13 11:29 编辑
mathewwu 发表于 2012-3-29 12:32
Mk14就是因为没有高阶测距才能做到只有一个鞋盒大小,若是像下图Mk63系统那样加上雷达测距,虽然甲板上还 ...


科普好文

请问LZ,主贴的最后一张图 这玩意原理是双目的吗
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六年服役纪念章功勋勋章钻石金双剑金橡叶铁十字勋章行政立法委骑士团勋章政道纪念章旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2012-4-13 11:52:20 | 显示全部楼层
xsuny马甲 发表于 2012-4-13 11:24
科普好文

请问LZ,主贴的最后一张图 这玩意原理是双目的吗

单双均可,眼睛不必贴上视窗,像战斗机HUD平视显示光学瞄准器的投影显示方式,只是Mk14靠电池的投影灯光度有限,反射镜做得小而且要加上外罩遮光。
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六年服役纪念章功勋勋章钻石金双剑金橡叶铁十字勋章行政立法委骑士团勋章政道纪念章旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2012-4-13 11:55:26 | 显示全部楼层
xsuny马甲 发表于 2012-4-13 11:24
科普好文

请问LZ,主贴的最后一张图 这玩意原理是双目的吗


抱歉,你问的是1楼最后一张图的Mk29瞄准镜,那是单眼的。
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列兵

三年服役纪念章

发表于 2013-3-8 13:27:09 | 显示全部楼层
满世界寻找,终于看到楼主好文,谢谢
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二等兵

三年服役纪念章

发表于 2013-3-15 15:02:27 | 显示全部楼层
mk14的原理不是说美国一直列为机密,到现在都没有解密么?这个找了好久了。
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六年服役纪念章功勋勋章钻石金双剑金橡叶铁十字勋章行政立法委骑士团勋章政道纪念章旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2013-3-15 17:29:49 | 显示全部楼层
不败之类 发表于 2013-3-15 15:02
mk14的原理不是说美国一直列为机密,到现在都没有解密么?这个找了好久了。 ...

网上有OP1040操作手册。
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一等兵

三年服役纪念章

发表于 2013-3-29 00:25:43 | 显示全部楼层
信息量对新手来说却是很大。
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禁止访问

三年服役纪念章

发表于 2013-3-29 10:01:26 | 显示全部楼层
长姿势了,谢谢LZ。MK63对舰载攻击机多少发命中一次?
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六年服役纪念章功勋勋章钻石金双剑金橡叶铁十字勋章行政立法委骑士团勋章政道纪念章旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2013-3-29 15:50:20 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2015-8-31 15:45 编辑
史大白乎 发表于 2013-3-29 10:01
长姿势了,谢谢LZ。MK63对舰载攻击机多少发命中一次?

没有见过纪录,但NAVAL WEAPONS OF WWII说比MK51高出几倍,应该是实验数据。(据老佛爷Naval Anti-aircraft Guns and Gunnery, MK63的日间作战效率是MK51的4倍,夜间两者差不多。)
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