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二战美国及法苏舰艇对海火控兵器

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发表于 2014-2-7 18:37:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 mathewwu 于 2016-5-31 21:17 编辑

二战美国及法苏舰艇对海火控兵器

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。
mathewwu, 2014/02/07



——美国的低角度/对海 (low-angle/surface) 火控——

[本书成于1980年代初,美国海军的二战型驱逐舰才退役不久,一些大型舰如依阿华级也还在备役中,解密的火控设备资料尤其是计算机和稳定仪的部份并不完整,故其细节本篇均未能充分提供,译者将于配图中添加。]



        限于篇幅,本书对美国海军的火控系统仅能择要叙述。美国战列舰的主炮火控循着一条不同的路数演化,不像英国把重点放在指挥仪,他们比较强调作图室(plotting room,简称Plot)又称中央计算室(‘central’,即英国的TS),也有人说两次大战后的英国火控观念都向美国靠拢。在较新的美国战列舰上,中央计算室内的机电式射程解算仪(range-keeper, 又称computer,即英国人的火控台)通过远程动力控制(Remote Power Control,简称RPC)驱动指挥仪,用解算出来的目标方位角转动指挥仪望远镜持续追瞄敌舰。如果解算角度不够准确,指挥仪操作员可手工转动镜头角度将改正值回传给射程解算仪。以同样的方式,中央计算室内的陀螺垂直稳定仪(stable vertical)也对指挥仪提供人工模拟的水平线(artificial horizon),以标定瞄准线的纵横轴向水平(roll & cross-roll/level & cross-level),而偏差同样可以由指挥仪操作员用手工调整并回传。马里兰级(Maryland)最先采用垂直稳定仪,帮助原有的目视法[以望远镜目视瞄准地表水平线]标定纵横轴向水平,但初期效果不佳,以后经过大幅改进,最终从辅助地位转变成主要设备。
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[图说:上图为密苏里号的中央计算室,左前2人操作的为Mk 8射程解算仪,右后3人操作的为Mk 48陆轰坐标计算机,其余为Mk 41垂直稳定仪操作手、发射手、以及火控官话务员等,右面墙为火控讯号交换机。美军二战火控设备自动化程度较高,人员配置相对较少。照片时间为1950年9月,估计是对联军实施火力支援。]

[此为当代军舰博物馆内的中央计算室,右为Mk 8射程解算仪,左为Mk 41垂直稳定仪,二者在地板处以连杆结合。主炮击发时机由垂直稳定仪控制,击发指令由左侧3支黄铜枪把上的扳机下达,左边1支管警告铃,中间1支管自动发射,右边1支管分齐射。这套计算机组配备自波特兰级(Portland)以降的所有轻巡以上大舰,之前的大舰改造时也有机会安装。]
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        在雷达还没发展起来之前,舰只依赖炮塔测距仪测量敌我距离。1940年体视式取代合像式成为光学测距仪器,三联装406mm口径主炮塔上的测距仪[II, III号炮塔的Mk 52体视式,I号炮塔衣阿华级的Mk 53和北卡南达级的Mk 47合致式]长约13.5m。由于高海象上浪会严重影响观测,位在舰体前后高处的Mk 38指挥仪顶上另配备各一具8m长的测距仪。
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[图说:此后视图为依阿华级、南达级、北卡级和阿拉斯加级配备的Mk 38主炮指挥仪,在前后楼各有1座。图上操作员战位自左至右前排为俯仰瞄准手(管高低角度)、横动摇测定手(管炮耳横轴水平)、旋回瞄准手(管水平方位),后排为弹着校射官、光学测距手、雷达测距手。六角形指挥仪本体左右外展的是Mk 48测距仪的臂管,顶上架高的长方筒是Mk 8雷达的14 x 3 MUSA式阵列天线机械箱。]
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         美国海军一向重视精确校正弹着,所以在司令塔顶上还配备有一具校射望远镜(实际就是4.5m长的[Mk 9]体视式测距仪),后来被校射雷达所取代。司令塔的火控官也可以使用校射镜或校射雷达观察目前交战目标以外的其他目标。这里要指出,在整个二战期间,校射飞机都还保留在舰上,主要作为陆轰(bombardment,对岸火力支援)和其他间接射击时使用。
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[图说:此图为三级新BB装甲司令塔上层火控站的Mk 40辅助指挥仪,2人面对面操作的是主瞄准镜,两旁面向前方的是纵动摇测定手,面向侧方的是横动摇测定手。司令塔顶上为Mk 27辅助火控雷达天线。]
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        在较新的舰只上,所有的炮塔都经由RPC系统接受中央计算室的遥控,通过伺服装置以可变速率控制俯仰及旋回的液压马达。这套系统可使垂直稳定仪[控制炮塔对目标]实施连续瞄准,只有在极高海况时除外,但也仍然可以在剧烈摇摆中实施选定角瞄准。与英国人的习惯相当不同的是,美国海军很少利用指挥仪同时发射所有主炮,而经常使用独立射击方式,以至于同一轮齐射中很少有两发炮弹是同一瞬间出膛的。三联装406mm口径主炮塔的俯仰及旋回瞄准镜是伸出炮房左右边墙的平放潜望镜式,这种形式也见于阿肯色号 [怀俄明级],但其间从纽约级到马里兰级的潜望镜式主炮塔瞄准镜都设置于炮眼下方。
       上段叙述大体适用于北卡罗来纳级(North Carolina)、南达科塔级(South Dakota)和依阿华级(Iowa),但老战列舰只要有机会也都将据此现代化,特别是西弗吉尼亚号(West Virginia)、加利福尼亚号(California)和田纳西号(Tennessee),它们都改装了Mk 34指挥仪和炮塔RPC设备,这些设备原来是打算给几艘152mm炮巡洋舰使用的,后来这些舰只改建成独立级(Independence)航空母舰,设备就经过适当修改给重型舰炮使用。还没改装RPC的舰只则仍然使用仪表随动(follow-the-pointer,简称ftp)操炮,传输数据的自整角器(selsyn,一种机电同步装置,又称synchros)最早安装在马里兰级上。

        1941年末Mk 3对海火控雷达引进到战列舰上,天线尺寸3.66 x 0.91m,工作波长40cm,脉冲1.5微秒脉冲重复频率(PRF)1640,出力15-20kW,波束6°x 30°。此型雷达已采用波束切换技术,精度为距离37m和方位2 mils,分辨度(resolution)分别为370m和10°,最大测距能力约37000m,可在18500m距离上测定406mm炮弹的溅落水柱。

        Mk 3的后继者是10cm波长的Mk 8。Mk 8雷达天线尺寸3.1 x 1.0m,内有42支复合天线棒进行相位切换扫描,最初出力15-20kW,以后增至20–30kW,脉冲0.4微秒PRF 1500。 波束2°x 3°,精度为5m和2 mils,可在37000m距离上稳定测得战列舰大小的目标[距离及方位]。此型雷达于1942年底至43年间引进,后来许多都改良成Mk 8 Mod 3型,具有和Mk 13接近的性能。最后一型的Mk 13雷达工作波长3cm,采用2.44 x 0.61m的瓜皮瓣形抛物天线,置于天线罩内不停直轴摆动进行扫描,出力50kW,脉冲0.3微秒 PRF 1800,波束0.9°x 3.5°,测距能力和精度同Mk 8。

        Mk 27是一种备援火控雷达,安装在司令塔顶,有时也安装在主炮塔顶部,波长10cm,出力50kW,波束8°x 8°,分辨度为146m和6.5°。
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[图说:有关二战美军舰载雷达、指挥仪、测距仪的各种配置图请参考
以下为Mk 13雷达的控制面板,注意左上角的B型显示器(B-Scope)直径只有小小的76mm
[B型显示器有距离(直轴)、方位(横轴)二维的直观表达能力,使得雷达快速标定弹着水柱成为可能,再加上厘米波雷达的精确方位精度,从而使Mk 8和Mk 13拥有完全的盲射能力,在校射的方便性上连当时英国的274型都赶不上。]
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        改进过的火控系统所带来的好处,在最后一场战列舰交锋即苏利高海峡之战已能体现出来。这场夜战在约18300m距离上进行,拥有Mk 8火控雷达和RPC操炮的西弗吉尼亚号、加利福尼亚号和田纳西号三舰作战起来没有什么困难,设备较旧的三舰如马里兰号只能靠西弗吉尼亚号的弹着水柱标定距离射击,密西西比号(Mississippi)只打了一个齐射,而宾西法尼亚号(Pennsylvania)根本一弹未发。
        
        较新的巡洋舰上所配备的火控系统与战列舰的基本类似,从奥古斯塔级(Augusta)开始就在底舱设置了中央计算室,从威契塔号(Wichita)、海伦纳号(Helena)和圣路易号(St. Louis)开始配备Mk 34型指挥仪,往回上朔至作战存活的奥古斯塔级为止的老舰也都改装了Mk 34型,不过考虑到重量和稳性因素,新奥尔良级(New Orleans)仍然保留使用老式的[Mk 31型] 指挥仪。彭萨可拉号(Pensacola)后来换装了原为单用途127mm炮驱逐舰[波特级Porter等]配备的Mk 35型指挥仪,而阿拉斯加级(Alaska)则使用战列舰式的Mk 38型指挥仪。未赶上二战的德梅因级(Des Moine)则配备高平双用途的Mk 54型指挥仪。巡洋舰主炮塔配备9m测距仪,新造舰都有RPC,老舰只要时机许可也都能加装,往回可上朔到彭萨可拉号,不过盐湖城号(Salt Lake City)没来得及加装。彭萨可拉级、奥古斯塔级和波特兰级的瞄准镜还是从炮房正面的窗口瞄准,其后的新造舰都采用伸出两边墙的平放潜望镜式。巡洋舰也采用和战列舰一样的Mk 3、Mk 8、和Mk 13主炮火控雷达。
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[图说;Mk 34为多数二战巡洋舰和老BB所使用的主炮指挥仪,改型甚多,外观差异主要在测距仪或校射镜的长度。此前视图显示的是最终设备,顶上Mk 13火控雷达的流线形外罩内有抛物天线,其下园管为6m基线Mk 45测距仪。圆柱形本体内设6-7名操作员,图中只能见到前方的3人,图左面朝右坐的是横动摇测定手,图右1-2人是瞄准参数设定手。本体后方另有弹着校射官、光学测距手、俯仰及旋回瞄准手的战位,下层还有1名话务员。]
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[译注:不像英德日等海军大国的战列舰仍多使用单用途的150cm级副炮对海,二战美国巡洋舰以上战舰大多数已使用高平双用途化的127mm口径副炮。为维持本篇的主题,以下译文仅选译副炮对海火控部份。]

        美国海军的127mm舰炮火控系统大都是线速率式(tachymetric/linear rate)的高平双用途型。为127mm/25炮开发的Mk 19型指挥仪于1928年上舰,至1939年仍然服役于奥克拉荷马号(Oklahoma)、宾西法尼亚号、加利福尼亚号、马里兰号、莱克辛顿号(Lexington)、彭萨可拉号和奥古斯塔级舰,某些老巡洋舰直到1943年还在使用。Mk 19型指挥仪依靠人力转动,原先的测距仪是分离式的,1940年在底盘上加装。本型虽有多次大改,但都不算成功,最终也有外加防护罩。配备给新墨西哥级(New Mexico)和前5艘新奥尔良级的Mk 28型指挥仪[和Mk 19型一样]也是结合瞄准镜、测距仪、稳定器(stable element,一种较小的陀螺垂直稳定仪)和计算机为一体,安放在人力驱动的脚座上。由于它过于笨重,即使不装雷达都不易以手动旋回,随后被由动力驱动的Mk 33型指挥仪取代,控制25和38倍径的127mm舰炮。
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[图说:此为去除防护罩的后期型Mk 19指挥仪,已加装Mk 1动力底盘及4.6m的Mk 42测距仪。因观瞄计算一体的指挥仪操作起来就像一座没有炮管的火炮在瞄准,所以有人称之为“模拟炮 - dummy gun”,后续的Mk 28/33也属于此类设计。]
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        Mk 33型最初是开顶的,后来加装了顶棚和雷达,导致平衡不佳,此后这种一体式的指挥仪很难再进一步发展下去,于是1936年开始研发的Mk 37型指挥仪便将稳定器和计算机分离出来安放到底舱去。Mk 37型在1939年入役,很快就配备到新造的主力舰只和从西姆斯级(Sims)开始的驱逐舰上去,但老驱逐舰的换装必须要能在底舱腾出空间来而比较困难。

        Mk 37型由7人操作,外形像一座小炮塔坐落在高架的转盘上,内部有一具4.6m的测距仪,并在设计之初就准备安装雷达。它虽然被称作是三轴式的,但实际三轴向作用只限于瞄准镜的棱镜组,瞄准镜本体是固定在指挥仪上的。在战时此型指挥仪加装了大方向瞄准具,让指挥仪主官能快速追踪目标,以方便旋回和俯仰瞄准手接续作业。
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[图说:Mk 37指挥仪在顶上开有2个人孔,方形的是弹着校射官的观测位,圆形内装大方向瞄准具,下方2个窗盖内是俯仰及旋回瞄准手的望远镜。由于Mk 37为高平两用,故Mk 42测距仪和Mk 4雷达天线的指向不仅要大角度高低俯仰,还需要左右摆动维持横轴水平,所以图中可见测距仪伸出口的防水软罩和天线横轴的调节拉杆,这些动作都有赖Mk 6陀螺稳定器的RPC控制。]
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        [MK 1型]机电式计算机性能足以应付二战大多数战况,能全自动追踪距离变化率而没有延迟。在开发过程中,指挥仪和计算机之间的闭环回路设计曾因伺服线路发生过问题,但到了二战结束时所有系统都装上了RPC。Mk 37被认为是二战最好的高平炮火控系统,连英国人都承认比同时代他们自己的系统要好得多。
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[图说:下图为北卡号军舰博物馆陈列的MK 1型机电式计算机和MK 6型稳定器(左后边有3支黄铜击发枪把的铁箱)。更多有关视频及简介请参考http://www.zhanliejian.com/thread-1208-1-1.html
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        为127mm/38高平炮配置的第一种火控雷达是Mk 4型,安装在Mk 37和Mk 33型指挥仪上,第一具入役时间是1941年9月。它的波长40cm,1.83 x 1.83m的天线是把Mk 3型雷达天线从中切成两半然后上下相叠而成,波束6°x 6°,并使用波束切换技术。Mk 4型可标定27000m外的大型舰只,但没有盲射能力,精度为37m及4 mils, 分辨度为370m和10°

        1944年间大多数Mk 37型指挥仪上的Mk 4型雷达被Mk 12和并装的Mk 22型雷达所取代。不同于Mk 4,Mk 12型使用33cm波长,具有自动追踪距离和自动测算距离变化率的能力,天线尺寸和Mk 4差不多,波束10°x 10°。它的出力达到100-110kW,脉冲0.5微秒PRF 480。对海测距能力37000m,精度为18m及3 mils, 分辨度为270m和7°。[Mk 22型测高雷达留待对空火控篇再介绍。]



[以下为美军二战轻巡以上大舰的几种火控法流程图]

[此流程为主要控制法(primary fire control),由中央计算室主控全局。图左的射程解算仪接收图上指挥仪(含瞄准镜、测距仪、及火控雷达天线)提供的敌舰距离方位、接收图右垂直稳定仪提供的自舰纵横动摇、接收图右舰体陀螺仪(SHIP’S GYRO)提供的自舰航向、接收图右测程仪(PITOMETER LOG)提供的自舰航速、以及接收其他来源的数据,综合预测出敌舰移动坐标并化作瞄准及射击指令,将瞄准指令传输给指挥仪复核,将射击指令传输给图下炮塔备便,如瞄准指令复核有误则反馈给解算仪拟合改正,如无误则待命发射。稳定仪同时也提供瞄准镜及雷达天线在观测时的稳定数据。]

[此流程为主炮火控的次要及辅助控制法(secondary/auxiliary fire control),由火控站(位于司令塔或前后楼)主控全局,为中央计算室战损或通讯失效时所采用。图上指挥仪作用和其余流程与主要控制法相同,火控站的辅助计算机(图左)和稳定器(图右)功能同中央计算室的解算仪和稳定仪,只是精度较次,自动化程度较低。又前部火控站无稳定器,要靠人工测定补正动摇。次要及辅助控制法的差异只在于前者的指令仍然通过主炮台讯号交换机传达给指挥仪,再从指挥仪传达给炮塔,后者则使用直通讯号传达给指挥仪及使用电话传达给炮塔。]

[此流程为主炮火控的局部控制法(local fire control),由各炮塔主控全局,为中央计算室及火控站均战损或通讯失效时所采用。图中更低档的小型辅助计算机接收图上测距仪和炮塔潜望镜提供的敌舰距离和方位,预测出敌舰移动坐标并化作瞄准指令,将瞄准指令口头传输给图中上的瞄准镜设定器设定瞄准参数。通过液压动力,俯仰瞄准手摇动手轮以水平分划瞄准敌舰水线,旋回瞄准手亦摇动手轮以垂直分划瞄准敌舰中部,并持续瞄准待命射击。如果各炮塔之间的线路能连通,还可通过图中下的多炮塔旋回指示器(MTTI)指向同一目标。]

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 楼主| 发表于 2014-2-7 18:39:11 | 显示全部楼层
(法苏部份图片后补)

——法国的低角度/对海 (low-angle/surface) 火控——

除了二战后期部份舰只安装了英美雷达外,法国舰艇只有少数安装了原始的搜索雷达,火控雷达则完全没有。主炮火控系统的测距仪通常是二重式合为一体的,所以利希留级(Richelieu)两座主炮塔和一座主炮指挥仪塔楼上各有两具13.5m体视式测距仪。指挥仪塔楼上的测距仪还附有一具可测量目标航向少量变化的体视式系统。除了基线长为12m外,敦刻尔克级(Dunkerque)的主测距仪配置和利希留级大同小异。两舰后主炮指挥仪的测距仪均为两具8m体视式,但利希留级多了一具测量目标航向的仪器。8m测距仪也配置于利希留级的的152.4mm副炮塔和副炮指挥仪、以及老式战列舰和新式巡洋舰上。敦刻尔克级的副炮塔和副炮指挥仪则配用6m测距仪。
法舰的精密稳定设备如指挥仪陀螺瞄准镜、纵轴和横轴水平修正仪、以及火控台或计算机等的信息并不清楚。利希留和敦刻尔克两级的主火控计算室位于主装甲甲板下,后部计算室则连同测绘设备(conjugateur graphique )由两层装甲保护。
配备138.6mm/50 M1929型火炮的空想级(Fantasque)是法国第一级采用中央火控和追针随动装置的驱逐舰。虽有信息指出法国有拥有多型RPC炮架,不过据德国方面的看法,使用的满意度存疑。敦刻尔克级的主炮配备Sautter-Harle-Blondel厂的RPC旋回系统,主炮指挥仪和主炮塔的方位旋回动作是同步的,方式是通过一套列氏(Leonard) 直流电控线路,由指挥仪手动控制器发出和其旋回速率大致成比例的电流,传导到炮塔旋回机构内,作用于发电机的磁场绕组,使得电枢的电流也大致和指挥仪的旋回速率相当。这种方式并不能提供精确的同步旋回角度,所以必须由另一名操作员通过另一套列氏系统手动改正同步误差。
主炮俯仰采取类似的遥控法,同一方式也应用于130mm火炮,但德国方面对其实效同样存疑。福熙号巡洋舰的炮塔RPC只限于旋回,电动马达通过詹尼氏(Janney) 装置,根据指挥仪手动控制旋回速度来驱动恒速液压泵和液压马达,并不采用加速控制。德国方面认为这套系统比敦刻尔克级的系统要好。



——苏俄的低角度/对海 (low-angle/surface) 火控——

[本篇成书时尚在冷战期间,加以一战末期的混乱局面,当时外界能了解到的从沙俄到二战的俄国海军技术发展是极其稀少的。]

俄国人的火控技术并不被公认有特别优秀之处,不过外间缺乏对其细部的了解。其最大的测距仪基线为8m,根据德国方面的资料,甘古特级(Gangut)的前后主炮指挥仪使用合像式测距仪,而每座主炮塔上各有一具体视式测距仪,长度全都是8m。基洛夫级(Kirov)巡洋舰的前楼顶有三具[上下叠放]测距仪,其中一具据信是测量目标航向小角度变化用的,从测距仪的形式可看出此级舰受到意大利人的影响。
雷达设备全来自英美对其的援助,不过在战争结束前已仿制并配发出一些285型[英式]雷达。
弗罗西洛夫号上安装有一套德国的三轴向防空指挥仪,据称基洛夫号上也有一套,德国人也提供了其他火控设备。就成书时所知,俄国舰只并没有安装RPC。

(本篇完)
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 楼主| 发表于 2014-4-28 20:12:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2014-4-28 20:17 编辑

法苏部份图片后补,这事我全忘了,今天给补上:
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[图说:此为利希留号战后1946年8月的照片,可看出雷达设备是大杂烩,有英制的284、285和281B,以及美制的SF、SG和SA-2(主桅顶海搜用,未显示)。置于主炮指挥仪之上的前部152mm副炮(也可称为一级副炮或二等火炮)指挥仪,原本同敦刻尔克级一样,有对空与对海2座上下相叠,1943年大修时拆除顶层合并为1座。后部有2座副炮指挥仪,烟囱前上的那座有285火控雷达天线,测距仪基线6m,烟囱后下的那座没有雷达,也不清楚是否改装高平两用火控功能。在美加装的多座四联40mm机炮应配备有Mk 51指挥仪,但体积小在图中不能清楚辨认,同样20mm也应有Mk 14陀螺瞄准具。两舷的100mm高炮(也可称为二级副炮或三等火炮)指挥仪附装4m基线测距仪,司令塔前方的舰桥顶还有1具4m基线高炮测距仪和2具3m基线航海测距仪。]


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[图说:夏伯阳级(Chapayev)共青团号(Komsomolets)1960年前后照片。夏伯阳级的KDP主炮指挥系统沿袭基洛夫级的设计,采用同一指挥仪上背负多具测距仪,以及潜望式的中央瞄准镜。1950年初完工时主炮火控已改用Molniya-ATs系统较新的型号,新的TsAS系列计算机有陀螺仪提供瞄准线和射击线的稳定参数,能获得较多的射击时机,系统也具有追踪参考点以在行进间连续岸轰的能力。高平两用副炮的火控系统,从其球形指挥仪的外观就看得出是来自德国的三轴式设计。]


(本篇完)

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