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二战轴心国舰艇对海火控兵器

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发表于 2014-1-10 12:37:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 mathewwu 于 2015-5-16 23:01 编辑

二战轴心国舰艇对海火控兵器

写在前面:
1. 本篇文字基本对译自约翰坎博(John Campbell)《二战海军武器》(Naval Weapons of World War Two)火控部份,度量衡一律采用原书所列公制,若有疑问请参阅原书英制。
2. 因不清楚原书智财权情况,配图并非来自原书,图片说明亦为本人加注。
3. ( ) 括弧内附原文术语对照,/ 斜线前为英式命名法,/ 斜线后为美式命名法。[ ] 括弧内为本人注解。
4. 本系列计有二战英国舰艇对海火控兵器二战轴心国舰艇对海火控兵器以及二战美国及法苏舰艇对海火控兵器共3篇。
mathewwu, 2014/01/10


[鉴于一战德国在海战上的杰出表现,以及战后持续致力火控系统的发展,二战德国的舰炮炮术理应有不少独到之处,然而由于缺乏可靠资料,本书(以及坊间所见)有关德国火控的篇幅还是非常有限,尤其是炮术雷达部份更难有定论。同样情况也出现在旧日本海军,几乎所有重要及权威的资料均来自战后美军的技术调查即简称USNTMJ报告,本书也不例外,更多资料可参考拙译USNTMJ日本海軍对海火控系統大要。另外意大利的火控技术水平不低,只是实用表现不佳,雷达正式服役日期也有争论。]



——德国的低角度/对海 (low-angle/surface) 火控——

        1935型系统为俾斯麦级(Bismarck)、沙恩霍斯特级(Scharnhorst)和希佩尔级(Hipper)的主炮对海火控装置,也是15cm口径舰炮的对海火控装置。该系统的指挥仪组安装在前后舰桥顶以及前桅楼顶三处,每组都有一座转塔和几具指挥仪。转塔上配备有基线长10.5m(俾斯麦级和沙恩霍斯特级)或7m(希佩尔级)的光学测距仪。俾斯麦级和沙恩霍斯特级的全部主炮塔也配备有10.5m测距仪,而希佩尔级则只有高位的主炮塔有7m测距仪。

        光学测距仪的侧向[左右]水平(lateral plane)受控于称作A陀螺仪的自舰航向陀螺稳定,而纵向[上下]水平(level/roll) 则受控于称作D陀螺仪的局部陀螺稳定。多具[潜望镜式]指挥仪 [镜头] 位置稍低于测距仪转塔,每具都可独立旋转,但目标方位可通过随动[或称追针](follow-the-pointer,简称ftp)的机制统一各具的指向。每具指挥仪将炮术官、方位旋回手和高低俯仰手三者的望远镜集中装在一根柱筒内[类似潜艇的复合潜望镜],而每具指挥仪都可以指挥主炮或15cm舰炮。这种指挥仪的重量和占地都相对较小。

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[图说:下图为俾斯麦级的前桅楼顶转塔,正面的格栅物为FuMO 23雷达天线,两侧的臂管为10.5m立体视式测距仪。]

[德国的潜望镜式指挥仪只有物镜窗外露,从军舰外观上很难观察及拍摄得到,只有参考从此模型图。]

[下图是指挥所内部的潜望镜式指挥仪主结构部份,照片上可见前后两具指挥仪和3副双目瞄准镜。]

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        指挥仪输出数据是以自舰[坐标]系为准的目标方位角和俯仰角。指挥仪望远镜的侧向和垂直稳定马达则受控于远程动力控制(Remote Power Control,简称RPC)的闸流管,侧向水平大体受控于A陀螺仪,但精密调整的还是要靠指挥仪旋回手目视修正,而垂直面则可依据局部DE陀螺仪系统或中央计算室(Transmitting Station,简称TS)的目标角转换器来处理。目标角转换器主要使用于盲射场合,依据的是BC陀螺仪系统(感测舰体横摇和纵摇角)所生成的人工水平线(artificial horizon)。但是前述的TS的稳定系统往往不被使用,反而由指挥仪局部控制更受欢迎,因为前一系统的RPC所控制的时机短变化快,而局部DE陀螺仪所提供的人工水平线虽然有0.5°的误差,但其变化较慢,误差可以很容易的由指挥仪俯仰瞄准手来补偿。
      
        舰只的前后楼内都设有TS,配备有主炮和15cm舰炮(如果有的话)的计算机组。几何计算机(geometric computer)的输入参数有对应水平面的目标方位角、自舰航向、自舰航速、以及敌我距离。输出参数则包括目标航速、目标[长轴]相对于瞄准线的斜度、目标航向、以及取自各炮塔测距仪、各转塔测距仪或各雷达的平均测距距离。弹道计算机(ballistic computer)接收以上参数后计算距离变化率和横向变化率,同时也处理炮管磨耗、初速、弹丸自转、大气密度和风力等因素,输出以水平[坐标]系为基准的射向转移角和射程仰角。这些参数接着送达各射击指令单元(tansmission unit),战列舰一共有四个(前后TS内各有一个主炮和一个15cm舰炮的指令单元),希佩尔级只有两个,每一指令单元设有两具球面角度转换器。一具目标角转换器接收来自指挥仪的目标方位角和来自BC陀螺仪的舰体横摇和纵摇角,这些角度都是以自舰[坐标]系为基准的,然后馈入以水平系为基准(同几何计算机的基准)的目标方位角,和以人工水平线(artificial horizon)为基准对比自舰水平面的人工炮口高低角(artificial level angle)。另一具火炮射角转换器接收来自弹道计算机的以水平系为基准的射向旋回角和以人工水平线为基准的射程俯仰角,以及以自舰系为准的横摇角和纵摇角,然后输出以自舰系为基准的火炮射向旋回角和射程俯仰角。各火炮[前后位差]通过差分器将射束收敛成一点,[高低位差]也通过内置线路对纵轴水平角加以改正。

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[下图为俾斯麦号上的C/38式计算机。不同于英美火控台的表盘朝上,德国的为壁挂式表盘朝外配置。图上可见中排三个大圆指示盘,左盘是自舰航向,右盘是敌舰航向,中盘是射向。下部左右两个有视窗的大盖板,里面分别是记录目标距离和方位的作图仪。图左方的长方形电表箱是火炮控制及指示器。]

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        RPC只用于火炮射程俯仰,火炮射向则由人工随动(ftp)装置控制旋回马达赋予。如果RPC不克使用,火炮射程俯仰也会采用人工随动方式。如果舰体动摇过于激烈不便于人工随动,则将采用时间差补偿装置(Time Interval Compensation,简称TIC),在此情况下火炮的俯仰和旋回以任意速度动作,当动作通过预定的发射角度时,发射线路会自动击发。28cm和20.3cm口径火炮的俯仰和旋回都有TIC,但38cm口径火炮只有旋回动作有TIC。

        装备15cm火炮的巡洋舰和改装前的吕佐夫级(Luetzow)使用和1935型类似的1930型火控系统。另外还有类似的但较简单的指挥仪系统使用于驱逐舰火炮,以及大型舰的照明弹和白光或红外光探照灯系统。吕佐夫级的测距仪转塔配置同战列舰,但炮塔测距仪只有A炮塔有。15cm火炮巡洋舰则不设炮塔测距仪。

       三联装炮塔的中间一门炮在齐射时会比左右炮提前10-20毫秒以降低干扰,使用标准电磁阀的击发装置有较长的延迟,从电路接通到击锤撞击底火,延迟时间从38cm炮的200毫秒到12.7cm炮的80毫秒。

        德国海军是各国之中最早认识到雷达测距的好处的,1936年斯佩号(Graf Spee)就安装了全世界第一具海军雷达Seetakt型。战争爆发时斯佩号在前桅顶的测距仪转塔上装有一具FuMO 22型雷达,随同测距仪一体旋回,吕佐夫号、席尔号(Scheer)、沙恩霍斯特号、格奈赛瑙号(Gneisenau)、希佩尔号和布律雪号(Bluecher)也有同样安排。由于雷达型号命名法在二战期间有更改,此处以后期的命名为准。FuMO 22波长82cm,最大出力8kW,脉冲重复频率(PRF)500,脉冲5微秒。格栅形的6 x 2m天线分为上下部,下部用来发射,不过斯佩号1939年的照片显示天线尺寸仅为1.8 x 0.8m。此型雷达测得战列舰大小目标的距离是25000m,方位精度+/- 5°。此型雷达性能并不教人满意,机件容易受潮湿环境和开炮震动的影响,天线在高海况下也不可靠。FuMO 23也差不许多,但天线安装在较大的测距仪转塔上有助改善。俾斯麦号(Bismarck)和提尔比兹号(Tirpitz)的前后舰桥及前桅顶的测距仪转塔上都安装有FuMO 23雷达,欧根王子号(Prinz Eugen)一度也安装过,某些天线尺寸显然为4 x 2m。

        1940年后型号持续改进,接收天线分成两部分,方位精度大幅提升成+/- 0.25-0.3°。FuMO 27型有一具4 x 2m天线,装置与测距仪转塔结合,提尔比兹号、沙恩霍斯特号、格奈赛瑙号、席尔号和希佩尔号都安装了一或多座此型雷达,而吕佐夫号明显没换装。FuMO 26型的不同之处在拥有一具新设计的6.6 x 3.2m的水平极向天线,这种天线受海面波浪的影响较少,有较好的约300m的分辨度(resolution),最大出力仍同早先型号不变,距离精度和方位精度也还在早先型号的20000-25000m、+/- 70m和+/- 0.25°上。提尔比兹号和欧根王子号有安装单座的FuMO 26,其他舰只也可能安装过,但被误认为FuMO 27。1945年欧根王子号的FuMO 26型其最大出力被提高到60kW,脉冲改为4微秒,距离精度增进至+/- 50m。FuMO 34型的最大出力进一步被提高到125kW,使它拥有40000-50000m的测距能力,但一般认为此型并未正式上舰服役。虽然德国也计划开发较短波段的9cm和3cm的对海火控雷达,但并未有任何一具服役。轻巡、驱逐舰和大型鱼雷艇上的雷达是类似FuMO 22和FuMO 23的FuMO 21型,天线尺寸4 x 2m,像FuMO 24一样安装在脚座上,FuMO 25型的天线则安装在桅杆的台子上。FuMO 24和FuMO 25型类似FuMO 27型,FuMO 24天线尺寸6 x 2m,FuMO 27则兼有6 x 2m和4 x 2m两种。1943年起FuMO 25出现在大型舰只上,但其天线旋转不必受限于测距仪。FuMO 32和FuMO 33型就是最大出力提高到125kW 后的FuMO 24和FuMO 25型,不过是否上舰服役很令人怀疑。



——日本的低角度/对海 (low-angle/surface) 火控——

        日本二战的火控系统因雷达不给力而被打了大折扣。第一款能派上用场的雷达要到1942年初才完成,火控专用的雷达则始终未能研发成功,而10cm波长的22改45号电探至多只能算是搜索雷达兼做火控之用。 22改45号【5疑为S】功率只有2kW,对战列舰大小的目标的探测距离为25000m,据称最佳距离精度为+/- 100m,最佳方位精度为+/- 2-3°。舰只通常配备有数量充分的光学测距仪,最长[基线]尺寸为大和级主炮使用的15m,其它战列舰和战巡有使用10m的,也有同利根级重巡一样使用8m的,其余大型舰则使用6m测距仪。许多测距仪兼有立体视式和合致式双重构造。标准高角度[对空]测距仪为1.5m基线的立体视式。火控系统细部设计通常达不到同时期英美在役器材水平。

        交换机开关位置安排不当,当两座指挥仪间要进行任务交接时,所有使用中的炮塔、火炮、指挥仪、计算机表盘和单回路自整角器[随动表盘]都要旋回或俯仰到达特定角度才能进行线路切换,耗费至少1分钟。使用于稳定仪和[人工]水平仪上的陀螺仪的开发进度在列强中较为落后,且自整角传动系统还处于基本等级。多数伺服机构是仿制英美的设计,但配用在较新造的舰只上,由爱知计器制造的机电随动装置则是原创的。目标指示装置一般不发达,只有94式高射机[防空指挥仪]上的值得一提,那是由同步马达接收火控官所发出的信号,驱动瞄准手望远镜照明分划内的指针来指示目标。日本的火控系统要求瞄准手必须持续追瞄目标,他们没有使用TIC装置,而且在某些横摇状况下,大型火炮的旋回速度跟不上随动参数的要求。

        日本人偏好相当小的齐射散布,为防止炮塔内各火炮同时开火所引起的干扰,三联装46cm炮塔给予中间炮80毫秒的延迟发射,而联装的40cm和20.3cm炮塔则给予其中一门火炮40-60毫秒的延迟发射。此[98式降低散布装置]最先安装于大和级,后来也视状况普及于其他旧型舰只。全套装置实际分为两部份,一是装在主炮发令所(TS,中央计算室)内的“扳机时间限制器”,一是装在炮塔内的“击发时间分隔器”,都是通过马达旋转控制电磁阀开关来完成的。

        装在大和级上最先进的98式火控系统还包括方位盘(director,指挥仪)、射击盘(computer,计算机)和测的盘(日语拼音sokutekiban,无英语对应词,为一种计算目标航速航向的仪器)。98式方位盘有全周包覆,潜望式瞄准镜直立于转台上,俯仰则靠转动棱镜组,角度从+45°至-12°,可供火控官、俯仰手、旋回手和横动摇手同时使用。98式射击盘分为三部份,第一部份为敌我航速及方位变化率计算器,第二部份为风速、距离差、以及移转射向(deflection)计算器,第三部份为火炮位差(parallax)改正器、超越射角(tangent elevation) 计算器、距离及方位作图仪、以及传送射向和射角参数给炮位表盘的随动装置。

        98式测的盘是98式射击盘的附属设备,从方位盘接收数据解算出目标航速航向后传输给射击盘。本系统之操作极限为测算距离50000m射程41300m、射向左160mils[密位]右130mils、方位角移转度500mils、自速35kts[节]敌速40kts、风速每秒40m,并可补正地球自转之影响。

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[图说:下图为大和级的部份舰桥和桅顶塔楼复原模型。可旋转的塔楼分指挥和测距两层,上层的小园帽内置98式方位盘,下层左右伸开的两臂是15m基线测距仪,架在管臂上的长方格栅为21号电探天线。塔楼下围着一圈望远镜的露台是防空监视哨,露台下四周开窗的楼层是战斗舰桥,战斗舰桥左右舷各有两具白色的号筒是22号电探的指向天线组,一具管发射一具管接收。]

[下图为大和级主炮指挥所的立面图,潜望镜式的中柱机构即为98式方位盘,突出塔顶的是潜望镜物镜窗。虽然外物镜窗只朝一面,但内本体四面皆有双目镜,故可同时提供多位观瞄人员操作。从其结构看来似乎指挥所可独立于下层测距所自行旋转。]

[由于98式射击盘无实物存留,照片也未得见。下圖为USNTMJ根据调查口供简略绘出的98式射击盘立面及平面配置图,操作席共有11个,表盘20多个。]

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        其它战列舰、战巡和20.3cm炮巡洋舰使用94式方位盘和92式射击盘及测的盘。此系统不同于98式,是先由射击盘传递超越射角和移转射向角给方位盘,再加上方位盘对火炮位差和纵横动摇的改正后,才将射向和射角传输给炮位表盘供随动操炮。94式方位盘为二轴向式,有火控官、俯仰手、旋回手和横动摇手的瞄准望远镜,也有改正火炮位差和纵横动摇的仪器,操作极限为俯仰角+45°至-12°、横动摇角10°。92式射击盘的操作极限为测算距离40000m射程39800m、射向左160mils右130mils、自速30 kts敌速40 kts、目标航向左右各90°、距离变化率70 kts、风速每秒20m。92式测的盘则像方位盘一样的要瞄准目标观测,取样计算敌舰航速航向后传输给射击盘。

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[图说:下图为长门号主炮预备指挥所内的94式方位盘,注意左上方镜筒座上的瞄准镜已被拆下。此类早期英式方位盘安装在多面开窗的固定桅楼内部,方位盘自体旋回,视界不及后方。]

[下图为长门号主炮发令所内的92式射击盘,外板已拆除,可看见内部复杂的齿轮连杆等机械计算结构。上图和本图均为长门号在当作比基尼核爆试验品之前留下的最后纪录,看板上的BU.ORD.代表这些器材是由美海军兵器局负责处置,散乱景象显示里外都曾被彻底研究过。]

[下图为40cm主炮测的所内的92式测的盘,同样安装在多面开窗的桅楼内部,但楼层比主炮指挥所要低。]

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        在较新的舰只上指挥仪的纵横动摇数据是由主炮发令所的陀螺垂直稳定仪所提供的,火炮位差也由射击盘改正,而某些射击盘的机制只需要输入斜度仪式的目标角就可以求取敌舰航向航速。

        战列舰副炮和轻巡主炮使用简化的94式方位盘,没有火炮位差改正和火控官观察望远镜,纵横动摇改正数据由94式射击盘计入后,将射击参数直接传输至火炮而不经过方位盘。94式射击盘类似英国AFCC计算机,虽比AFCC多出了距离作图仪,但是半速率式设计(semi-tachymetric),操作极限为测算距离20000m射程15000m、射向左120mils右90mils、自速40 kts敌速40 kts。五十铃号改装12.7cm/40防空炮后使用94式改5或6型又称2式(1942年)的方位盘,2式方位盘也配用于某些12.7cm/50高平炮驱逐舰。另一些12.7cm/50高平炮驱逐舰则使用简化的94式方位盘搭配94式瞄头盘(日语拼音biodoban,也是一种火控计算机),94式瞄头盘属于速率式或测速式设计,操作极限为测算距离20000m射程19800m、距离变化率低射角80kts(作为粗略防空时300kts)、自速40kts敌速40kts。

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[下图为雪风号,舰桥顶上站姿舰员背后的方塔就是2式方位盘,塔后部横置的管状物为测距仪,桅杆中部两具号筒是22号电探天线。]

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        二战期间日本海军的炮术表现有非常好的也有非常差的,但这种情形在所有国家海军中都发生过,总的来说日本海军的对海射击并不比英美逊色。



——意大利的低角度/对海 (low-angle/surface) 火控——

        意大利的火控设备都出自Officine Galileo (OG)和San Gorgio (SG)两家之手,系统包括观瞄与计算。最新的测距仪在同一个外筒内并装立体视式和合致式测距系统,但两者的光学及测量机构是各自独立的。利托里奥级(Littorio)381mm口径主炮炮塔测距仪基线长12m[单管双重结构],但此级的桅楼测距仪和巡洋舰的大型测距仪的基线长度为7.2m,较新的7.2m测距仪附有可测量目标航向小角度变化的装置。

        第一具有效果(effective)的意大利制雷达为EC-3ter型,外号“猫头鹰”('Gufo’),于1942年9月首装于利托里奥号,1943年间另有11艘舰只安装此型雷达。1942年4月至1943年晚春共有7具德制雷达安装于意国舰只,多数为FuMO24/40G型。这些雷达的测距性能尚可,但以英美标准来看并非火控专用雷达。1927年一具可持续表示目标方位角的陀螺仪引进至特里亚斯特号(Trieste)上,同时间该舰也安装了第一具斜度仪(inclinometer),虽然效果并不理想,但后续舰只仍继续装备斜度仪。

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[下图为威尼斯大捷号(Vittorio Veneto, 维多里奥-维内托号)前桅楼上半部的三层主炮火控塔。最上层直径较小的是不能旋转的第一射击指挥所,内有由炮术长主管的指挥仪等设备,两侧的鼓包是校射站。直径较大的中下两层是可自转的测距塔,中层为主炮测距所,和楼层等高的两侧翼装有上下叠放的SG型7.2m立体视式和合致式测距仪各一具;下层为战术测距所,较小的侧翼内只配置一具7.2m测距仪,可辅助主炮测距所测距或独立搜索新的目标,注意在本层正面偏右舷处外挂有两个梯形格架,那是“猫头鹰” 雷达天线。紧接下层测距塔的桅柱结构内有由副炮术长主管的第二射击指挥所,可作为第一射击指挥所失能时的备援。]

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        意国海军的机电计算机显然有四种主型,另有一种鱼雷艇用的简化型。从一张SG厂的战列舰用计算机的照片上看来,该机并无大尺度作图仪。较新型的指挥仪瞄准镜已有稳像装置,但似乎效果不佳。利多里奥级的主指挥仪装在桅楼顶,有直通到舰体低层的装甲防护。对空射击已渐从弹幕布放进步到指挥仪火控,但机电计算机运算速度不敷防空要求。供近接防空使用的陀螺瞄准具或类似的指挥仪也没有。

        除了这些缺点外,数据传输也不够完美,随动(ftp)系统常被诟病。
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[图说:下图为威尼斯大捷号的主炮计算机实体照,现存威尼斯海军博物馆。正中大圆盘表示目标航向航速,左右两个有视窗的盖板里面是分别记录目标距离和方位的作图仪。]



(本篇完)

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上士

四年服役纪念章

发表于 2014-1-12 22:29:25 | 显示全部楼层
先顶马老,细细学习
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少校

六年服役纪念章大英帝国勋章海武魂TIME TRAVELER

发表于 2014-1-12 22:57:43 | 显示全部楼层
马老出品,必属精品!
到了春天 吧温暖寄托给风儿
夏天来了 就将大地万物润泽
伴着秋田 连同天空一起染成金黄
冬天正中 将皑皑白雪于世界
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少将

六年服役纪念章杰出服役十字勋章终身荣誉会员

发表于 2014-1-17 10:01:17 | 显示全部楼层
先学习一下日本部分
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