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炮术革命:二战快速战列舰的炮术 (一:火控雷达)

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发表于 2015-3-14 22:31:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 mathewwu 于 2016-4-3 12:46 编辑

《炮术革命:二战快速战列舰的炮术》(Fast Battleship Gunnery during WWII: A Gunnery Revolution)是海武大佬费谢尔和纠伦斯(Brad D. Fischer and W. J. Jurens)发表在2005年第2号《战舰国际期刊》(Warship International)的火控力作,附加大量注解及图表。为方便阅读,译稿将其与主文并做一块,并另加译者补充说明。下文中( )括弧为原注,【 】括弧为译注。

炮术革命:二战快速战列舰的炮术 (一:火控雷达)
炮术革命:二战快速战列舰的炮术 (二:炮术演练)
炮术革命:二战快速战列舰的炮术 (三:打靶案例)

感谢ssvcrtfi和gurkha网友提供的原始资料。


一:主炮火控雷达

1937年10月27日,在经过漫长的20年后,美国终于再度下水了一系列新型战列舰中的第一艘——北卡罗莱纳号。这批新舰【即北卡、南达、衣阿华三级】既保有不低于过往战列舰的火力与防护,又拥有超越过往战列舰的速度,所以被统称为“快速战列舰“。犹有过之的是它们更拥有最先进的主炮火控系统,内含同步信号传输、集成长基线测距仪(后来又集成火控雷达)的指挥仪、新式垂直稳定仪、以及可由动力遥控的主炮塔,当然最大的改变还是雷达的引进。类似的火控系统后来还推广到”慢速战列舰”上。

间战期间预算的拮据使得美海军的火控研发进展缓慢,不过其他列强也好不到哪里去。新的方向是从炮塔局部火控渐渐朝着指挥仪统一火控移动,在防空及副炮火控上这种趋势更为明显。举凡改进过的指挥仪和射程计算仪、高效的随动和击发装置、垂直稳定仪和发射延迟线圈等等,全部指向一个目的——减少平均弹着误差和散布范围。

1937年,海军兵器局(Bureau of Ordnance, BuOrd)采用Mk 38指挥仪作为这批27至33节极速“快速战列舰“的主炮感测设备。二战后火炮射击控制系统(Gun Fire Control System)改以指挥仪型号称呼,此系统遂被命名为Mk 38 GFCS。每艘新战列舰前后楼各配备1套主炮火控系统外加冗余设备(2套Mk 38系统除了可以彼此交联外,还可以交联Mk 37 GFCS副炮火控系统,使得主副炮系统可以相互控制。)每艘舰的标准火控系统表列装备为:
。2座Mk 38指挥仪(GUN DIRECTOR)【位于前后桅楼顶】
。2台Mk 8 Mod 9 或Mod 11射程计算仪(RANGEKEEPER)【位于内艙的绘图计算室】
。2台Mk 41或 Mk 43垂直稳定仪(STABLE VERTICAL)【与射程计算仪联结。另按教范,后射控站也有1台Mk 6辅助垂直稳定仪】
。1座Mk 40辅助指挥仪(Auxiliary Director)【位于装甲司令塔】
。3台Mk 3 辅助计算机(Auxiliary Computer)【位于主炮塔。另按教范,司令塔及后射控站也各有1台】
。2台Mk 1距离接收器(Range Receiver)或Type 3绘图仪(Graphic Plotter)【位于绘图计算室】
。2座主炮台信号交换机(Main Battery Switch Board)【位于绘图计算室】
。炮塔内多具瞄准镜(sight)、接收调节器(receiver regulator)、瞄准参数表盘(sight setter's indicator)和其他表盘。
。系统各部门之间多具同步传输、发送及指示表盘和交联通信设备。

整个系统的数据传输通过交流电自整角系统(selsyn)来完成,无论是自动联结(automatic follow-up)方式或追针随动(follow-the-pointer)方式都适用。某些数据如纵轴及横轴水平是从垂直稳定仪以机械连杆传输到射程计算仪的,而指挥仪、射程计算仪和垂直稳定仪之间的数据是共享的。系统交联的复杂性可参考下图FIGURE 1。

【图说:
。火控过程按阶段顺序是观测——计算——发射——再观测校射的循环。
。在观测阶段由图上方的指挥仪向图左中的射程计算仪提供观测旋回角、纵轴水平角、和距离变化率,向图右中的垂直稳定仪提供观测旋回角、连续纵轴水平角、和选定纵轴水平角,指挥仪顶上集成的光学测距仪和火控雷达天线则向射程计算仪提供观测距离。
。在计算阶段以手动向射程计算仪输入的数据,有弹种及初速、目标航向及航速、风偏及风速、当前距离、校射距离及方位、和生成目标方位。
。在全部过程中万一姿态跟踪马达失效时,可手动向垂直稳定仪输入目标方位角以及纵横轴水平角LEVEL & CROSSLEVEL,在发射阶段则可手动向垂直稳定仪输入选定以纵轴水平或横轴水平为基准的击发角度。
。在全部过程中图下的舰体陀螺罗盘和测程仪连续向射程计算仪和垂直稳定仪提供我舰航向航速及舰体水平垂直姿态。
。在全部过程中垂直稳定仪连续向射程计算仪提供射击平台的纵横轴水平角,向指挥仪提供纵轴水平角。
。在计算和发射阶段射程计算仪向指挥仪提供瞄准角及生成旋回角累差,向炮塔提供旋回及俯仰指令或瞄准高低角及瞄准方向转移角】。

在多数状况下,【目标】感测是由前楼顶的Mk 38指挥仪担当的,该阵位也简称为Spot I。指挥仪上集成1具26.5英尺( 8.07米)基线的Mk 48体視式测距仪、各1具Mk 69俯仰及旋回瞄准望远镜、1具Mk 56横轴水平测定望远镜、以及1具Mk 29观测潜望镜(装备资料来自NAVORD OP 810)。火控作业是先由装甲火控站内的火控官指定目标,然后指挥仪以自动或手动模式追瞄。手动模式是由俯仰手对准目标【吃水线】来控制【指挥仪的】高低、旋回手对准目标【舰中部】来控制【指挥仪的】方位、横轴水平手对准【与瞄准线成直角的】海平线来控制【指挥仪的】纵横轴水平。自动模式是由绘图计算室(plotting room, Plot)内的Mk 8射程计算仪通过动力遥控(remote power control, RPC)来控制指挥仪的方位旋回。

整体而言Mk 8射程计算仪是全火控系统内最重要的部件,这台冰箱大小的机械类比计算机吸纳指挥仪和其他感测仪器送来的数据,进行所有主要运算,最后解出火炮瞄准所需的指令。Mk 8由三人小组操作,通过电力接收来自指挥仪、垂直稳定仪、舰体陀螺罗盘(GYRO COMPASS)、以及测程仪(PITOMETER LOG)的数据。

Mk 8射程计算仪没有无中生有的本事,作业过程首先要由受命指挥仪根据指定方位找到目标,完成以上的光学瞄准后由测距仪以每分6次的频率取得距离数据,通过Mk 1距离接收器或直接传输至Mk 8本体的绘图仪。在自动模式下,俯仰手、旋回手、和横轴水平手仍然可以微调他们的瞄准镜分线对准瞄准点,这些修正量会连续反馈给计算室。回旋手的修正量在Mk 8上将记为方位变化率(bearing rate)的误差(火控符号jB),而绘图仪操作手可以比较观测距离(observed range)和生成距离(generated range)在绘图仪上的走势来计算距离变化率(range rate)的误差(火控符号jR)。

Mk 8射程计算仪的操作手采用一种叫做“变率控制“(rate control)的手法来追踪目标。方法是把目标航向及航速都定在”零”档,然后从发生的误差【通过指挥仪反馈的修正量】取得目标的方位变化率及距离变化率——不过这种手法只限于战列线上的呆板目标,对机动性较强的舰只就需要对Mk 8提供更多的数据来更新解算结果。

美海军在1930年代开始采用体視式测距仪,所有快速战列舰的II、III号主炮塔以及所有主副炮指挥仪上都配备有1具【另外在I号主炮塔上配备1具合像式测距仪进行夜间点光源测距。】它们除了观察目标,位置较高炮塔的测距仪有时也能提供不错的距离数据,不过【更新频率】通常跟不上目标航向航速的改变,在能见度差时更形同废物,30年代末雷达的出现解决了这些和其他的问题。海军于此时开始雷达实验,虽然第一部火控雷达FA(或称Mk 1)并不成功,但已显示出雷达有望解决先前火控上遭遇到的一些棘手的问题,其中较突出的便是目标距离,在过去是凭借光学测量的。二战期间,美国海军共为战列舰主炮提供过Mk 3、Mk 8、Mk 13这三种火控雷达。

Mk 3是头一种可以在功率、距离、和方位这三方面为火控解算提供较精确数据的雷达。下表一(Table 1)是Mk 3的可靠测距性能(所谓可靠观测距离是在极限探测距离的2/3以内及1:4杂讯比的条件下达到的)。栏位说明:左栏目标类别从上列至下列分别为大型舰(战列舰及航母)、中型舰(轻重巡)、小型舰(驱逐舰及布雷舰等)、水面潜艇、潜艇潜望镜、16英寸炮弹水柱、及6英寸炮弹水柱;中栏为天线放置高度75英尺,又下分无前置放大器(中左栏)及有前置放大器(中右栏);右栏为天线放置高度125英尺,同样下分无前置放大器(右左栏)及有前置放大器(右右栏)。【有前置放大器的可靠测距较远。下表距离单位为码,以下同】。

1941年引进的Mk 3由三大部构成,即主机部、指挥仪部、及天线部。主机部包括调制器、天线收发开关、发射机、及接收机,放置于火控塔楼下部,比指挥仪低好几层。指挥仪部位于指挥仪内或下一层,又称控制及显示部(Control & Indicator, C&I, 控显部),包括操作雷达的主要部件如旋回机、俯仰机(仅Mk 4有【为高平两用,主机具与Mk 3大部相同】)、及测距机。天线部放置于指挥仪顶部,包括波瓣切换机(lobe switcher)及天线本体。三大部总重4200磅。电力消耗2.2 kW, 115V, 60C,由主电机供电。

C&I控显部配置主显示屏和控制旋钮开关。Mk 3的测距部分为5英寸直径半圆屏的A型显示器(A Scope),一条水平信号上的垂直突起的回波代表目标,另有一个凹陷波形可以用来作为测量标记(见图FIGURE 2)。操作员将此标记对中回波突起就可测定目标距离。测方位角也使用A型显示器,只是目标回波会呈现两个突起,操作员调整指挥仪及天线的方位,当两个突起波形一般高时就代表目标方位角被测定了。当测距与测角同时完成时,这两个数据便通过口令传达给绘图计算室,在较新的设备中则改用自动传输器。

【图说:此为Mk 4雷达的控显部,A型显示器的显示屏是半圆形的。Mk 3的控显部与此相同。附图非原文】。


【图说:此为测距波形,左端为零点即自舰,雷达波向右端发射,长尖的回波即为目标(Target)及其他船舰,短钝的回波即为弹着水柱(Splash)】。

Mk 3能在无能见度时,如烟雾弥漫或无照明的夜暗,提供“聊胜于无(better than nothing)”的火控解算数据,且在几次所罗门群岛和新几内亚的夜战中表现亮眼。虽然Mk 3性能可被接受,但其缺点尤其是较差的距离和方位的分辨度仍然使它被换掉。Mk 3 Mod 0 & 2型使用12英尺(3.6米)宽【3英尺高】天线,波束5度或88密位,Mod 1 & 3型则使用6英尺( 1.8米)宽【6英尺高】天线,波束10度或175密位, Mod 2 & 3型就是在Mod 0 & 1上加装自动增益控制及前置放大器。多数战列舰都装备Mod 0 或 2,但仍有几艘装备较小的天线。在开启波瓣切换并调整成等高波形后,一位有经验的操作员可分别得到小于4密位(使用6英尺宽天线)及小于2密位(使用12英尺宽天线) 的方位精度。但终究原始波束分别为5度及10度,任何落入此雷达视角内的多个目标将很难分辨其方位,也就是在这群目标中要特意挑出一个来追踪几乎是不可能的。

【图说: 装在标准战列舰未改装的老式火控塔楼顶上的Mk 3 Mod 0 & 2型雷达天线】。

Mk 3以波长40cm(相当于调幅收音机的750mHz)和1639Hz的脉冲复频率工作,可得到+/-40码的距离精度,但距离分辩度低达+/-400码。同方位分辨度一样,在这距离范围内,任何其他目标将会和主目标的回波混在一起。这个较差的距离和方位分辨度就是它的致命伤,在屏幕上,前述的混合回波将会呈现出长400码宽88密位的回波讯号。由于多数弹着距离和方位【散布】样态都小于分辨度的范围,所以个别落弹水柱会彼此混合成一个不规则且小于船舰目标的回波,虽然多少可以作为校射的提示,但因无法定位平均弹着点(MPI),要做精准火控则还不够好。【延伸阅读:射弹散布与平均弹着 http://www.zhanliejian.com/thread-923-1-1.html

1942年9月,BB-58印第安纳号装备了美国海军第一具功能完整的火控雷达Mk 8型加入作战。Mk 8也是第一种具有B型显示器的火控雷达,使得操作员能以类似空中俯视的方式观察目标及其周边区域,这是Mk 3上传统的A型显示器所办不到的。Mk 8工作于当今导航用的S波段【15cm-7.5cm】,10cm波长(将近1.0gHz)以10Hz频率扫描29度区域,功率消耗4kW, 400V, 3P 60C,由主电机供电。

原始的Mk 8 Mod 0 & 1和Mk 3一样将大部分的机具安装在指挥仪内,而电源则位于下层的火控塔楼内。全套设备包括控制显示部、扫描切换盘、扫描位置显示器、电源控制器、旋回显示器和距离控显部,雷达发射机和天线装则在主炮指挥仪顶上。控制显示部的5英寸直径B型显示器起着追踪目标距离的作用,控制显示部也起着调整扫描及扫描模式、和调整增益及校准电子讯号的功能。【此段原文说Mk 3也有类似功能的显示器,疑为笔误,应是说Mk 3的控制显示部也有类似功能】。

【图说:此为Mk 8雷达的控制显示台,中间靠左的圆形暗色屏幕即为B型显示器。附图非原文】。

不同于Mk 8 Mod 1,较新的Mod 2则将控制显示部、距离控显部、和电源控制器从指挥仪移除改放到绘图计算室。Mod 2还加装了4具辅助显示器,使得距离控显部能将距离读数传输到远端阵位,其中包括射程计算仪。1944年初,Mod 2开始有能力半自动追踪目标,方式是使用射程计算仪生成的距离变化率(火控符号delta R)来保持雷达【意即指挥仪及其上的雷达天线】指向目标。改善的部分尚有让两组主炮火控设备之间【前后主炮指挥仪均有火控雷达】共享雷达数据,互为备份以防失能战损。

Mk 8也引进了高低速两档可变显示模式,以及主要、延伸、和精密三档扫描模式。主要模式显示全部天线可扫描的区域,意即水平角宽29度从0至60000码的范围,可侦知及测距在44000码内的多个目标;延伸模式以同样方式扫描较近的从0至20000码的范围;而精密模式是用来追踪及校射用的,在0至44000码范围内,以每2000码为一个区段进行高细节度的扫描(见图FIGURE 3)。

【图说:Mk 8的B显示器在高速精密模式下,跨十字中心线偏上一点的是目标回波,横向的距离线中分远近各1000码,比如最远的一发弹着回波占有100码距离。纵向的方位线中分左右各10度,方位标线每5度一条。比如目标上方的五发弹着回波与目标在同一条0度线上,表示射向对正没有偏差】。

精密扫描的目标区域放大功能最适于主炮火控,较准确的方位及距离显示能赋予操作员更清晰的【作战】形势(见图FIGURE 4)。不过即便精密扫描下的距离间隔已缩小,距离失真仍在所难免。这是因为固定的扫描范围角(非波束宽度角)为29度,当距离为20000码时,显示器上呈现的区域面宽约为11000码;而距离为40000码时,显示器上呈现的区域面宽约为22000码。如此一来,当操作员追踪一队以1000码编队间距通过雷达视界正前方的敌人战列群时,在显示器上于20000码时的编队间距将会是在40000码时的翻倍。

Mk 8对间距较大的目标或大集群的目标会有距离失真的问题,当这些目标以平行等距齐头并进的面对射击舰行驶时,在雷达幕上看起来,自舰与它们之间的距离会呈现远近先后,这也是因为Mk 8的扫瞄界广达29度的缘故。以20000码为例,面对天线正中(0度角)的目标距离会是整20000码,但偏离正中10度的目标在雷达上看来会是20300码,因讯号离正中目标会有三个光点的宽度,使得后者判读起来像是在正中那艘船的侧后方位置。这种现象在地理上是正确的,因为要射击偏离10度的目标真的是要比射击正中目标要加多300码,可是确实位置就被误导了。同样的在B型显示器上,毕直的岛屿海岸线会被扭曲为U形弧线。

Mk 8精准的原因在于它较窄的波束、较短的脉冲及波长、以及较快的扫描频率。1500Hz的脉冲复频产生约50码的脉冲寬度,使得设备能获得+/-15码外加总距离0.1%的测距精度【即10000码上的测距误差+/-25码】,以及在B型显示器上能有100码的距离分辨度。而Mk 8所具有的2度波束宽度,可以达到2密位的方位测角精度和2度即35密位的方位分辨度。

虽然Mk 8无论在测距、测向、以及显示器方面都比Mk 3有长足的进步,但1942年10月印第安纳号对Mk 8的初步测试报告还是认为测距部分“令人失望”。的确,就实际表现来说,Mk 8在测距和校射上对比Mk 3并没有长足的进步。这迫使海军兵器局把收发机的功率从 25kW提高一倍达到50kW,接收机的增益也提高了8分贝,理论上相当于性能提高8倍。新收发机命名为Mk 8 Mod 1,于1943年3月演示给海军当局,并安装于BB-61衣阿华号。

Mk 8 Mod 1没有辜负兵器局的期望,不仅改进了测距能力,在校射穿甲弹的水柱上更是表现亮眼。下表二(Table 2)为Mk 8 Mod 1 & 2的性能,资料来自OP 658,测试天线位于前指挥仪,高度125英尺。栏位说明:左一栏为目标类别,从上列至下列分别为陆地、战列舰、巡洋舰、航母、驱逐舰、及潜艇;左二栏为对此类目标的最大观测距离;左三栏为对此类目标可靠观测距离;左四栏为校射弹种,从上至下分别为5英寸通常弹、6英寸穿甲弹、8英寸穿甲弹、12英寸穿甲弹、16英寸高爆弹、及16英寸穿甲弹;左五栏为对此弹种的最大校射距离【即可被定位】;左六栏为对此弹种的可靠校射距离,后两栏对5英寸通常弹的校射距离已远超过火炮射程故没数据。* 号数据是原作者按6至9炮齐射弹着所估算的。又OP 658并未给出最大观测或校射距离,只报道16英寸炮弹曾在35000-36000码距离上被校射。

Mk 3和Mk 8 Mod 0可以在约当最大射程一半的20000码上,对16英寸穿甲弹的水柱做出可靠的距离校射,Mk 8 Mod 1则在测距和校射上比前两者进步33%-50%。然而,大气效应、操作技巧、保养及校正勤快与否,仍然高度左右着雷达的整体功效。在经过多次对可靠校射范围的测试之后,兵器局和部署舰队总结,Mk 8 Mod 1对16英寸穿甲弹水柱的最大可靠校射距离至少有30000码。

事实上兵器局对这个最大可靠校射距离过于保守,这是因为他们的海上测试距离只到30000码为止,他们收到舰队部的报告显示,发现精进技巧后的校射能力远不止这个距离。晚近的研究指出,至少有11份实弹射击报告显示校射距离超过30000码,有的出自战斗报告,有的出自《雷达月报》及《雷达信息重点》(Radar Monthly Report & Radar Information Notes),足可确认Mk 8 Mod 1及后续改型有此校射能力。几乎所有的案例都显示雷达可连续不断的追踪校射30000码以上的水柱,而在5个超过35000码的案例中,有4个能连续追踪校射(许多报告出自新舰的实弹演练或ACTH经验修正量测射)。

经检视,实弹演练的3炮齐射在校射的观测及修正上都相当困难。再者,相对短暂的演练时间更使得射程的变化只有一两千码。不过这些记录测试系统的文献却不能让作者估算出作战时【雷达】校射性能的概率,因为典型的战斗齐射应会是【远超过3炮齐射】更大的齐射。只要将齐射弹数从3弹提高到6弹,可靠校射距离就可增大15%, 1944年5月25日北卡罗来纳号对一次远距离实弹演练的评论便呈现了这个案例:

“所有校射均由Mk 8雷达在绘图计算室内完成。比起8炮齐射来,2炮及3炮齐射在雷达幕上【回波光点】较不明显。不过除了一次齐射外,所有其他齐射都能精准校射(取自1944年5月31日至7月30日北卡舰45倍径16英寸炮打靶演练报告)。”【怀疑此处的8炮为9炮之误】。

在此一场演练中,北卡共发射12轮:计1轮8炮齐射,2轮6炮齐射,其余都是2或3炮齐射,距离33000-31000码。第一轮齐射为32900码的8炮齐射,而没能校射的是第三轮的32095码2炮齐射,其他的齐射虽都能精准校射,但凡记录附注有对校射不够满意的都针对2或3炮齐射,而没有较大的6及8炮。舰队中其他舰只较早前已对此一现象有所体会。1943年10月23日年阿拉巴马号的雷达校射报告中说明了情况:

“从目前所执行的雷达校射来看,在正常情况下,装在前指挥仪上的Mk 8可以在任何射击距离上精准校射6炮或9炮齐射。后指挥仪上的Mk 8曾经受到【视距】限制,但基于改型后的精进能力,足以确信可以在30000码上很好的进行校射,报告特别强调后指挥仪上的Mk 8曾经很好的校射远到33600码。”

不过前面也提到,Mk 8并非时时刻刻都能很好的在此远距离进行校射,天气状况对此扮演一个重要的角色,尤其在相对湿度高的情况下。空气中的水分会衰减较弱的弹着水柱讯号,使得雷达无法在远距离外探知,甚至在近距离下某些弹着连前指挥仪(Spot I)都侦测不到。简称Spot II的后指挥仪因位置较低,其上的雷达会比Spot I丢失更多的弹着回波。当少见的极低高度的海【地】面波导(surface duct)出现时,情况则会反转,使得雷达讯号能比正常传播得更远。当此之时,位置较低的后Mk 8反而会因处于海面波导之中,而比位置高过波导的前指挥仪“看”得更远。

1943年12月初,在太平洋战列舰队指挥官(ComBatPac)李中将的率领下,5艘所属战列舰(4艘南达科他级和华盛顿号)进行了一次试射,以决定新进的Mk 8 Mod 1雷达的远距离校射能力。南达级4舰的前后指挥仪都有Mk 8 Mod 1,而华舰只有一具装在后指挥仪上的原型Mk 8 Mod 2。试射包括10轮齐射,其中4轮平均距离25600码,6轮平均距离32200码。

头4轮为3轮单炮射及1轮3炮齐射,射程在22000至29600码之间。16个可被前指挥仪Mk 8雷达校射的场合中【4轮齐射都可被4舰的前指挥仪所校射,4*4=16个】,共有5个因不见弹着【回波】而被校射官判定为“无法观测”(No Observation, N.O.)。反而5舰的后指挥仪上的Mk 8雷达在此一距离表现得比前指挥仪的还要好,【20个中】只有3个为“无法观测”。

后6轮试射为3轮单炮射及3轮3炮齐射,射程在30500至34300码之间。此一阶段24个可被4舰的前指挥仪Mk 8雷达校射的场合中,共有7个无法观测,其中4个是单炮射,3个发生在首轮的3炮齐射,在数据辨识困难的情况下,显然这轮齐射的3发弹着是紧密落水并相当接近目标,以至于融入目标回波光点而看不见了。不出所料的,后指挥仪的Mk 8雷达在较远的距离上校射表现较差,30个可被校射的场合中,有10个无法观测,首轮的3炮齐射,5座【后】雷达中有4座无法观测到,3轮单炮齐射中有5个校射没成功,还有一个观测失败是出现在第二轮的3炮齐射。

Mk 8改进过的校射性能决定了它存在的价值,并激励大家做出更多的改进。兵器局又使用从5英寸到16英寸的常备弹药实施多次试射【供Mk 8雷达校射】,以决定不同经验等级的雷达校射人员,可以精确地校射出距离(range)和方位(deflection)误差的能力。兵器局总结,虽然雷达在中到远射程上,对距离的校射要远超过光学,光学在对方位的校射上却始终胜过雷达。根据1947年兵器局发行的美国海军雷达资源手册Source Book of U.S. Naval Redar, B-11-39评鉴,Mk 8雷达校射距离的能力要比最好的光学校射人员高出10至12倍。这个评鉴未免过于乐观,据作者们研究的结果,在20000码的中射程段上,光学测距仪对距离校射的平均误差大约是雷达对距离校射误差的1.5至3.5倍。在更远射程段上双方的质量对比则不甚清楚,因为手头没有可资比较的报告。据1944年12月31日兵器局信息B.O.I. 4-44, 46记载,这些试射的距离校射误差介于40至90码,比一般齐射与齐射之间正常的弹道变异还要低。

比较兵器局的雷达校射试验和舰队实弹演练的表现可得出一致的结论,那就是雷达校射在任何时间和射程上,平均距离误差只有85码,虽然从分析上看来有轻微随距离减少的趋势,但可能只是一个统计上的个案。值得注意的是,当Mk 8雷达员在校射6弹至9弹的多弹齐射弹着时,误差会低到40码,改进达50%。在校射3弹齐射时,经常有1或2弹的水柱光点会与目标光点或距离标线混合而无法被分辨,使得校射员只能凭藉【可见的】单一水柱来判定距离,这自然使得误差增大。一艘阿拉斯加级巡洋舰(CB-1)特别强调问题如下:

“针对10个Mk 8 Mod 1雷达校射误差过大(约150码或更大)的案例分析显示,所有误差都来自某些水柱光点与目标光点或距离标线混合所致”(B.O.I. 4-44, 54)。

多弹齐射则很少发生这种问题,除非是出现近弹跨射或远弹跨射【近弹跨射的弹着大部分为不及目标的近弹,仅有很少数超越目标并离目标不远;远弹跨射则反之。】在此类情况下,【这少数接近目标的】近弹或远弹的光点会与目标光点或距离标线混合,失真的画面会使得校射员无法正确判定平均弹着点(MPI)。一般而言多弹齐射的校射误差没有3弹齐射那么大。

对方位校射的报道资料比较少,兵器局在1944年对Mk 8 Mod 1 & 2的测试中,虽然对5、6、12英寸火炮的方位校射做过较详尽的检验,但对16英寸炮的方位校射却做得很有限,后者主要的性能测试都集中于距离,而方位测试则寥寥可数。不过兵器局对5及6英寸炮弹所做的30个雷达方位校射显示,能稳定的精确的测得+/-2.1密位的平均误差。【由于5及6英寸弹着水柱比16英寸炮的要小得多,如果雷达对较小的水柱都有如此表现,可推论对16英寸弹着水柱的校射性能只高不低】。

虽然对12英寸炮的测试细节报道阙如,但它却是三者之中测试得最彻底的。一艘阿拉斯加级大巡曾发射超过50轮的12英寸主炮齐射,据悉雷达校射员们还都是菜鸟,他们对这50轮齐射中的43轮作出方位校射,观测结果86个,前Mk 8雷达校射员测得的平均误差是+/-1.2密位,后Mk 8雷达校射员测得的平均误差是+/-1.5密位。根据B.O.I. 4-44, 54的某个校射案例,相较于实际MPI误差的偏右0.2密位(标准差+/-2.1密位),前雷达校射员测得偏右0.4密位(标准差+/-1.8密位)的表现可谓优秀,而后雷达校射员测得偏右0.9密位(标准差+/-2.5密位)就稍过头了一点。作者们分析过61轮雷达方位校射,得出的平均误差是+/-1.9密位,能支持兵器局估计的+/-2密位。不过Mk 8雷达新手会测得低于标准的+/-5密位误差,许多战后的报告也指出此一现象,并归咎于1944年底至1945年初的大量人员调动。

第四种也是最后一种专为大口径火炮开发的火控雷达是Mk 13 Mod 0,在1945年初引进。工作于X波段的Mk 13较前辈们更简单、耐操、轻量、性能也更高。平行开发的Mk 8 Mod 3表现和前者类似,可安装于空间受限的舰只上。Mk 8 Mod 3修改旧型的部件以配合Mk 13的天线和发射机

Mk 13的设计考虑到维修与耐用性,主要控制部份像Mk 8 Mod 2一样移放到绘图计算室,操作员只需面对一座主控台,而整流及扩大机箱就在放在两旁。所有控制雷达的表盘旋钮开关都在主控台上,安排合理触手可及。显示单元则从控制部分离出来,六套分置不同舱室的雷达显示屏幕都可自行放大缩小画面(主扫描或精密扫描)。

3英寸(75mm)直径的阴极射线管显示屏虽然比Mk 8的要小,但更清晰也更明了。扫描模式只剩下主扫描及精密扫描两种,可调的主扫描段涵盖至80000码,而精密扫描可任意框选其中的2000至4000码的视野。其他改进包括在屏幕上画记点线,以标注每200码的远近距离和每50密位的左右方位。在正常精密扫描模式下,距离中分线也做成虚线以防止光点被遮盖(见图FIGURE 4)。

【图说:此为高速精密模式下Mk 13的B型显示器,其不同于Mk 8的地方是纵向方位标线已改成点线以提供距离参考,同时方位标示单位也从 “度”改成“密位”,更方便火控人员换算校射数据】。


【图说: 此为Mk 13雷达的控制显示台,上排最左端的小屏幕就是B型显示器。附图非原文】。

Mk 8的天线重2800磅,有42支塑料天线棒(14单元,每单元3支天线棒),以机械相位转移(phase shifter)方式转换各个单元的讯号延迟,虽然效果很好,但是过于复杂笨重。机械扫描的Mk 13和Mk 8 Mod 3天线外形像Mk 22测高雷达天线,相对较轻也较为简单,只有1000磅重,可以安装到无法安装早期型Mk 8天线的舰只上。它的波束宽只有0.9度(16密位),方位精度和分辨度都比老Mk 8高出一倍,但新天线的视野降到11.5度(200密位)。新天线还可以由操作员在两套发射机之间迅速切换,在作战期间万一有一套失效可以无缝接轨。

【图说:除去后机箱罩的Mk 8 Mod 0,1,2的阵列天线,前向42根棒子都会旋转,结构相当复杂。美军称之为MUSA阵列 (Multi-Unit-Steerable-Antenna array)。附图非原文】。


【图说: Mk 13的瓜皮形天线,作用时不断左右摇摆扫描,外罩的前掀盖平时收合如上方所示。附图非原文】。

Mk 8【应为Mk 8 Mod 3及Mk 13之误】工作波长3cm,脉冲复频率1800Hz,能获得+/-15码外加总距离0.1%的测距精度【即10000码上的测距误差+/-25码】,对水柱及船舰的侦测距离增大15%-25%,几乎可以在主炮的最大射程上精准校射单炮射的水柱。下表三(Table 3)取自B.O.I 2-44, pp.41,为Mk 8 Mod 3的校射距离,由达格林海军试验场测试,天线放置高度67英尺。栏位说明:左栏为所校射穿甲弹的英寸口径;中栏为对应的最大可靠校射距离,单位为码;右栏为最大弹着水柱高度,单位为英尺。


天气及敌舰并非雷达唯一的威胁,早期雷达经常因主炮射击的爆震波而失效。兵器局当时就组织问题调查,总结出三大原因:一是设计不良,二是位置摆放不良,三是底座防震不良(B.O.I. 4-42, 3-33)。第一个原因出自电子真空管灯丝和插座设计不良,无法承受船舰推进系统长期的低幅振动。第二个问题常出现在机箱安装在隔壁上,改进方式是把机箱吊挂在天花板上或锁紧在离隔壁稍远的地板上。第三个问题是底座防震的阻尼物质过硬,以及同轴电缆引线弯曲过度所致。

虽然兵器局在对抗主炮爆震上取得进展,但这个问题从未消失过,即使在1980年代衣阿华级回役时都还是受到关注。新设计虽然比老方法好不少,也较能承受炮口爆震,但在某个仰角和旋回角上,整体的炮口爆震压力任然会造成问题。最糟糕的莫过于前两座主炮塔打到最高仰角,同时又向舰尾旋回到底,前指挥仪上的雷达设备就遭罪了。同样当后主炮塔打到最高仰角并向舰首旋回到底时,后指挥仪的雷达也难保不受影响。当然以全装药发射穿甲弹会比以减装药发射高爆弹会产生更大的超压。

大家也许会在意我们的研究尚未报告Mk 8雷达在炮术演练中的失效状况,其实失效多半发生在以减装药发射高爆弹轰击陆地目标时,一般使用3炮齐射,这些短距离的陆轰任务通常不会像攻击海上目标那样,使用到较危险的仰角和旋回角,可是射击次数却很频繁。这些失效状况的出现多半无规律性,似乎持续长时间所累积的较低超压会比少数较高超压所带来的损害要大,也没有显示Mk 8 Mod 2有比前辈Mod 1更能承受火炮爆震,虽然前者已经把许多部件搬到【下艙】绘图计算室里去了。

也许对雷达耐用度最严格的测试莫过于1945年【7月】对日立市工业区的舰炮陆轰任务,当时共有8具Mk 8及2具Mk 13接受长时间的9炮齐射考验,其中密苏里号、威斯康辛号、北卡罗来纳号各有2具Mk 8,阿拉巴马号和衣阿华号各有1具Mk 13和一具Mk 8 Mod 2。每炮均以全装药发射高爆弹轰击平均30000码外的目标,全部发射数量不明,但3艘衣阿华级总共发射了697发,相当于77轮9炮齐射。结果全舰队只有1具雷达失效,虽然绝大部分火控雷达都过关了,但舰上的其他型式雷达并非都能很好的承受考验。此一细节可在Malcolm Muir所著“The Iowa Class Battleship”第63页以后找到。虽然这次陆轰没有用上全装药发穿甲弹,但远距离的高仰角射击也差可比拟舰队与舰队之间长时期的9炮齐射状况。

炮口爆震和弹药之间的确实关系有时看来违背常理,从附近舰体建筑反射回来的震波会不正常的聚集。使用较大的装药发射较轻的炮弹会导致燃烧不完全,甚至是延缓点火而使得初速增高或产生额外的压力脉冲。这些现象再加上其他因素的累积,也许可以解释为何雷达因爆震失效往往都发生在陆轰任务,而非在炮术演练或海上对战时。马萨诸塞号在卡萨布兰加一役的战斗报告中指出,常【全】装药引起的震动比靶弹的【减】装药要强得多,(早期型)Mk 3雷达通过了打靶的考验,但作战时就挂点了。华盛顿号和南达科他号的Mk 3在瓜达卡纳尔海战中能过关,这多半是因为距离近仰角低的缘故,另一种可能是它俩加入服役的时间较长,对爆震有较多的应对经验。

Mk 8的引进虽然没有完全消除火炮爆震对雷达的影响,但也创下了单具雷达在主炮作战中的失败率仅4.7%的记录,这个纪录是作者们从战斗报告、炮术报告、和雷达月报中搜集分析得出的,Mk 8在295次主炮射击中只失效14次,在161天的射击任务中只失效11次,其中2次是两具雷达都失效。将随机失效乘以两具雷达同时失效的或然率得出的失败率更只有0.22%。当然战斗损坏无疑是会大得多,所以太平洋战列舰队指挥官李中将就怕属下过度依赖雷达,在整个战争期间一直坚持要加强使用光学设备的训练。


(一:主炮火控雷达)已译毕,开放讨论。

预告下一帖(二:二战期间的炮术演练)。



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大校

论坛贵宾

五年服役纪念章

发表于 2015-3-27 23:47:24 | 显示全部楼层
吴老把这文章翻译出来真是有心了!
当年我看了这两期的文章后,彻底沦为雷达神教了
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 楼主| 发表于 2015-3-28 00:27:04 来自手机 | 显示全部楼层
ssvcrtfi79 发表于 2015-3-27 23:47
吴老把这文章翻译出来真是有心了!
当年我看了这两期的文章后,彻底沦为雷达神教了 ...

还要多谢你提供的资料。
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大校

论坛贵宾

五年服役纪念章

发表于 2015-3-28 09:56:41 来自手机 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2015-3-28 00:27
还要多谢你提供的资料。

吴老客气了
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列兵

二年服役纪念章

发表于 2015-3-28 22:20:24 | 显示全部楼层
ssvcrtfi79 发表于 2015-3-27 23:47
吴老把这文章翻译出来真是有心了!
当年我看了这两期的文章后,彻底沦为雷达神教了 ...

如果二战早期有得梅因这种船,雷达的刷新率应该还是不够吧
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 楼主| 发表于 2015-3-28 22:41:20 | 显示全部楼层
garlandmk1 发表于 2015-3-28 22:20
如果二战早期有得梅因这种船,雷达的刷新率应该还是不够吧

说说看你的理由。
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一等兵

三年服役纪念章

发表于 2015-3-30 18:53:03 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2015-3-28 22:41
说说看你的理由。

他的意思是德梅因射速是每分钟10发,也就是每分钟要进行10次弹道落点测距修正……雷达和火控忙不过来。
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 楼主| 发表于 2015-3-30 22:25:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2015-3-30 22:33 编辑
xf-108 发表于 2015-3-30 18:53
他的意思是德梅因射速是每分钟10发,也就是每分钟要进行10次弹道落点测距修正……雷达和火控忙不过来。 ...

我们来检视一下这个理由。

得梅因每分10次齐射表示每6秒会产生1次弹着水柱,Mk 8 Mode 3和Mk 13的天线每6秒能盯住11.5度宽的目标区域扫描几次呢?30次,也就是每秒扫描5次,我想更新频率应该足够了,毕竟是海上目标,移动不像飞机那么快,就算敌我双方都以30节对头冲刺,每秒钟相对移动位置也只有37码,而火炮最小修正单位一般为25-50码,校射官甚至不需要每群齐射都修正。

如果每群都修正,那么得梅因的Mk 8机械式火控计算机忙不忙得过来? 除非原始测量值是天差地远,那么校射就好比重新测算,大约会要忙10来秒。如果还算靠谱,那么修正只是连续计算中的微量插值,输入完就输出新参数,所以计算不是问题。

至于雷达每0.2秒一次的更新是不是每次都输入计算机?我要负责任的说,这我没有确切答案,因为如同开篇所介绍的,火控雷达只是Mk 38舰炮火控系统后来追加的测量设备,一开始(至少在1942年底以前)还是使用口头传令或借用光学设备的机电传讯方式(至少每6秒一次是没问题的)送达计算机的,后来才有自动讯号传输器,至于何时开始安装或是那一型开始有这个功能,传输频率能否达到0.2秒一次,这我目前还没查到原始资料,没法下结论。

不过如果只论弹着观测修正,由于那是人工观察B显示器读取误差报数,那就看校射官是不是有数莲花落的本事了。
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少尉

五年服役纪念章铜星勋章政道纪念章

发表于 2015-3-31 00:50:15 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2015-3-30 22:25
我们来检视一下这个理由。

得梅因每分10次齐射表示每6秒会产生1次弹着水柱,Mk 8 Mode 3和Mk 13的天线每6 ...

在彈如雨下的狀況時B顯上的螢光粉或許有被飽和的可能?
(殘影時間>彈著間隔,變成一大攤色塊)
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 楼主| 发表于 2015-3-31 12:42:20 | 显示全部楼层
a5mg4n 发表于 2015-3-31 00:50
在彈如雨下的狀況時B顯上的螢光粉或許有被飽和的可能?
(殘影時間>彈著間隔,變成一大攤色塊) ...

荧幕更新率赶不上扫描更新率的情况在阴极管发展的初期绝对是有可能的,1楼本文里就提到过Mk 8 Mode 0,1,2的5“直径B显,水平中分线就会”遮蔽“弹着光点,Mode 3和Mk 13的75mm(3”)B显虽小但改进这些问题。不过我看50年代初的训练影片,B显上的弹着光点残影退得很快,最多就1秒上下。残影不要说6秒,如果延长到3秒,5“/38高平炮的弹着就不必校射了(每分15-22发)。至于弹着光点过于集中以致无法分辨MPI的问题,同样出现在目视(通过望远镜)水柱的校射中。
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一等兵

三年服役纪念章

发表于 2015-3-31 22:26:44 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2015-3-30 22:25
我们来检视一下这个理由。

得梅因每分10次齐射表示每6秒会产生1次弹着水柱,Mk 8 Mode 3和Mk 13的天线每6 ...

多谢解答了。
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一等兵

一年服役纪念章

发表于 2015-4-13 10:11:09 | 显示全部楼层
除了英美,其它国家可否有类似技术
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 楼主| 发表于 2015-4-13 14:33:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2015-4-13 14:58 编辑
297130289 发表于 2015-4-13 10:11
除了英美,其它国家可否有类似技术

日德也有,按终战时的研究进度来看,德国舰载雷达技术上约落后英美两年,且研发及量产没有优先权,日本落后约3年,且基本无力量产。比如德国有距离方位精准度都够得上火控需求的陆用火控雷达,但天线太大上不了舰,天线改小了精准度又变差了。日本也有磁控管,功率小有效距离短,而且波瓣切换这种重要的测方位角技术的一直没过关。德国雷达的测距能符合火控水平,日本的勉强可供参考,但雷达测方位角都嫌不足,校射能力则始终没有。

所以尽管近年来有为德日舰载雷达翻案的技术考古文章,但都提不出正式配发到舰队而且形成战斗力量的证据。
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一等兵

一年服役纪念章

发表于 2015-4-13 15:34:15 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2015-4-13 14:33
日德也有,按终战时的研究进度来看,德国舰载雷达技术上约落后英美两年,且研发及量产没有优先权,日本落 ...

看来战列舰战斗力应该是火控第一火力第二,苏里高估计换成大和也是一样的结果
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列兵

一年服役纪念章

发表于 2015-4-13 18:42:55 | 显示全部楼层
老马哪天能不能讲讲前卫的火控台?我看书上说MK10是历史上第一台为了搭配火控雷达使用的火控台,而且也是第一台能预测目标机动位置的火控台,对么?
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 楼主| 发表于 2015-4-14 00:33:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2015-4-14 00:42 编辑
Musigny 发表于 2015-4-13 18:42
老马哪天能不能讲讲前卫的火控台?我看书上说MK10是历史上第一台为了搭配火控雷达使用的火控台,而且也是第 ...

对。

A.F.C.T.(海军部火控台)Mark X(X是罗马数字的10,这才是正确编号)的资料很有限,就前卫配备了一具,目前也没有操作手册或教范可考。

Mark X基本还是一具电力传讯与电机驱动机械的类比计算机,在1942年开始研发时就准备以274火控雷达作为感测工具,能快速的计算出目标移动矢量和敌我相对移动量的变化,不但能提供过去5海里目标移动的数据(通过自动绘图机纸上记录),还能预测未来动向(也是依赖作图机)。

个人推测Mark X原理构造并没有超出当时的机电计算机太多,能把过去的线性预测变成非线性的无非就是坐标取样数据够多且够快,也就是能把折线平滑化变成曲线。能实现计算数据快速更新的原因是274雷达的自动跟踪(auto-following)功能,不但能盯住目标而且还能连续传送数据给Mark X。

但Mark X没有人工智慧,预测未来目标可能的机动趋势还是要人来下决断。当火控官读取图上线段并下达指令后,要是目标不再按原有曲线或折线机动,出膛的炮弹是不会转弯的。
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列兵

一年服役纪念章

发表于 2015-4-14 09:44:19 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2015-4-14 00:33
对。

A.F.C.T.(海军部火控台)Mark X(X是罗马数字的10,这才是正确编号)的资料很有限,就前卫配备了一 ...

了解了。谢谢
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列兵

发表于 2016-4-9 13:14:29 | 显示全部楼层
请教mathewwu版主:
在使用火控雷达锁定远距离(e.g.,接近主/副火控雷达极限视距)的目标时,是否会出现因舰体结构阻挡而造成雷达盲区的现象?

另外,为了远距离时火控的可靠性,是否应将副火控雷达亦提升到接近主火控的高度呢
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 楼主| 发表于 2016-4-9 16:04:49 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2016-4-9 16:06 编辑
noldorin 发表于 2016-4-9 13:14
请教mathewwu版主:
在使用火控雷达锁定远距离(e.g.,接近主/副火控雷达极限视距)的目标时,是否会出现因 ...

美海军二战火控雷达和光学测距仪通常都集成在指挥仪(即方位盘瞄准镜)上一体旋回,指挥仪的视界就是它们的视界。

以南达级为例,在前后楼顶都各有一座主炮指挥仪(红圈),最高处的前主炮指挥仪因为可以360度全周旋回,通常状况下都是前主炮指挥仪担当主要目标任務,后主炮指挥仪仅作为后备,极少有分火接战第二个同等级目标的任務。

在主炮指挥仪之下各有一座高平两用副炮指挥仪(蓝圈),这都是在中轴线上的,除前主炮指挥仪外,其他较低处的三座主副炮指挥仪视界也都接近300度。由于舰体够大,副炮也多,原始设计意图建构四个对空及对海的火力通道,所以在烟囱两侧又各配置一座副炮指挥仪,专门对付左右舷的目标,以及和前后副炮指挥仪互补死角,这两座副炮指挥仪的视界自然不会超过180度,如果空中目标是舷侧飞越正上空,左右舷副炮指挥仪就要交接目标,这时就要看CIC的本事了。

至于你所说的副火控雷达,如果是指高平两用副炮指挥仪的,那么除了以海上主力决战为主的BB还是不会高过主炮指挥仪外,其余美军轻重巡的都是主副炮指挥仪高低位置对调,以发挥舰队防空为主。如果是指后部主炮指挥仪的雷达天线(含光学设备的指挥仪本体不能加高),那似乎的确可以考虑,因素不外乎加高天线支架结构的重量与重心,再来就是排烟对机具的危害,还有前后天线高度不能生波导干扰等等。至少北卡级的后向副炮指挥仪火控雷达天线,就因波导干扰问题架得比后上方主炮指挥仪的雷达天线还要高。



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列兵

发表于 2016-4-10 17:09:06 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2016-4-9 16:04
美海军二战火控雷达和光学测距仪通常都集成在指挥仪(即方位盘瞄准镜)上一体旋回,指挥仪的视界就是它们 ...

感谢版主详尽的答案~ 很多之前模糊的概念现在都明晰了,再次拜谢
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