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日德兰纪念系列 - 火控炮术篇 - 第七章 - 坡伦火控系统
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主要参考资料：
The Dreadnought Project
Fire Control for British Dreadnoughts: Choices in Technology and Supply，作者John Brooks
Dreadnought Gunnery and the Battle of Jutland: The Question of Fire Control，作者John Brooks
The Pollen Papers（Publications of the Navy Records Society, Vol. 124），编辑Jon Tetsuro Sumida
In Defence of Naval Supremacy: Finance, Technology, and British Naval Policy, 1889-1914，作者Jon Tetsuro Sumida
一、坡伦火控系统简介
所谓的坡伦火控系统，指的是由亚瑟·坡伦（Arthur Joseph Hungerford Pollen）为首的一批人员发明和改进，并由坡伦创办的阿尔戈（Argo）公司推出的一种正式名称叫做Argo Aim Corrector的火控系统。
坡伦本人既非海军军人，也非军官世家出身，亦没有在军火制造商供职。这样一个与海军毫无瓜葛的人，为什么会想到要研制舰炮火控系统呢？为了说清楚来龙去脉，我们不妨先来了解一下这个故事的起源。
1900年2月时，坡伦前往马耳他探亲，恰好遇到了他的一个亲戚，古迪纳夫（William Goodenough），即后来在日德兰海战时于贝蒂麾下担任第2轻巡洋舰中队指挥官的那位海军军官。在后者的邀请下，坡伦观摩了印度女皇号战列舰（装备13.5英寸及6英寸火炮）与狄多号防护巡洋舰（装备6英寸及4.7英寸火炮）的射击训练。在训练中，这两艘军舰的射击距离只有1,500码。然而就在当天早晨，坡伦从泰晤士报上读到了一篇新闻，说在布尔战争中，架设在陆地上的海军4.7英寸火炮，能够有效射击5英里（8,800码）外的目标。两者相比，舰炮的射击距离实在是远逊于陆炮。
有了这样一番经历后，坡伦萌发了研制舰炮火控设备的念头。当时坡伦在一家叫做Linotype & Machinery的公司担任总经理（坡伦娶了这家公司老板的独生女儿），而这家公司是生产印刷设备的，其员工中不乏具备机械设备设计能力的人才（例如Harold Isherwood），因此坡伦便与他的下属们一起，开始不务正业地研制起了火控设备。除此之外，著名物理学家开尔文爵士也是该公司的董事会成员，他在解决火控问题的思路上给了坡伦很大帮助。
坡伦的第一个重要设想，是针对测距仪的。当时海军所采用的测距仪，是Barr & Stroud公司生产的4.5英尺基线测距仪。由于其基线长度较短，因此在远距离上的测距精度并不理想。而坡伦则设想了一种以舰体本身作为测距基线的双人式测距仪——两名操作员分别位于舰体上两个相隔甚远的区域，各自操作一具光学设备对准目标，随后通过电气线路，将参数传递至统一的计算设备进行解算。坡伦宣称，他的这种双人式测距仪能够对20,000码外的目标进行精确测距。
坡伦的第二个重要设想，是将测距仪所观察到的敌舰距离和方位数据记录下来，将其绘制为航线图，并利用直尺和量角器等工具对航线图进行测绘，随后通过数学计算将其折算为必要的火控参数。
坡伦的第三个重要设想，则是一套用于火控参数计算的机械设备。在输入相关火控信息后，这套设备便能持续输出敌舰的距离和方位参数，并将其折算为火炮瞄准参数。
在完成了设计构思和部分试制工作后，坡伦开始向海军部宣传起了他的产品。在1906-1913年间，海军部多次测试了坡伦的产品，而后者也在历次测试中汲取了许多经验教训，并对其设备进行了大幅改良、甚至是重新设计。
第一轮试验，安排在朱庇特号战列舰上，从1905年11月持续至1906年1月。当时坡伦的计算设备尚未完成，因此只测试了他的测距设备和绘图设备。测试的结果只能用失败来形容，其双人式测距仪暴露出了很多问题和缺陷。与此同时，传统的合像式测距仪的性能则有了进一步的精进——Barr & Stroud公司于同年推出了9英尺基线的测距仪，其在远距离上的测距精度明显优于先前的4.5英尺基线的产品。在这样的背景下，坡伦不得不接受暂时采用Barr & Stroud公司的测距仪产品作为替代品。后来，由于双人式测距设备一直未能开发成功，因此传统的合像式测距仪便成为了坡伦火控系统中的火控参数获取设备。
第二轮试验，安排在阿里阿德涅号防护巡洋舰上，从1907年12月持续至1908年1月。当时坡伦已经在Barr & Stroud公司的9英尺基线测距仪的基础上，为其设计了一套带有陀螺稳定功能的测距仪底座，并将这两者组成了一套测距设备。在测试中，坡伦的测距设备达到了海军部的要求，然而坡伦的计算设备依然没有完成，因此依旧没有从整套系统的角度证明其价值。
第三轮试验，安排在纳塔尔号装甲巡洋舰上，发生于1909年至1910年间。这轮试验中，坡伦的测距设备继续受到好评，并最终于1910年时获得了海军的采购订单。然而对于坡伦的绘图设备，负责监督试验的海军军官（Frederick Ogilvy）则提出了批评——他指出，坡伦的绘图设备无法在军舰转向时继续绘图，因此是存在缺陷的。在这次试验之后，坡伦对其绘图设备做出了大幅度的改进。至于坡伦的计算设备，则要到1910年时才发展出第一个实用型号，总算是赶上了这次测试的尾巴，但其结果也并不太如人意，因而坡伦后来又对其计算机进行了多番改进。
第四轮试验，安排在俄里翁号战列舰上，发生于1912年。此时坡伦的计算设备已经发展到了第4个型号，即Mark IV型坡伦计算机。在这轮试验开展前，皇家海军已经购买了6具Mark IV型坡伦计算机，不过在试验之后，他们并没有继续追加订单。至于坡伦的绘图设备，皇家海军则依旧没有兴趣。
在1913年之后，由于种种复杂的原因，皇家海军断绝了与坡伦之间的业务来往。尽管如此，坡伦依然没有停止开发工作，并分别拿出了其绘图设备和计算设备的最终型号——Mark IV型绘图仪和Mark V型计算机。此后，坡伦开始向外国海军兜售他的产品，但由于战争紧接着于1914年爆发，中断了一切潜在的商机，因而坡伦的外销生意也并不太成功。
坡伦火控系统的发展简史，大致便是如此了，接下来，让我们进入火控设备的具体介绍环节。
二、坡伦测距仪
如前所述，所谓的坡伦测距仪，是由Barr & Stroud公司的9英尺基线测距仪与带有陀螺稳定功能的测距仪底座共同构成的。
可能会有读者想问，为什么要用陀螺稳定的底座呢？那是由于军舰在航行时会持续受到横摇、纵摇、艏摇等因素的影响，因此其操作人员需要对测距仪的俯仰角和旋回角进行持续调整，以抵消这些因素的影响。对于这个问题，Barr & Stroud公司的解决方案是将操作人员扩充至两人，设置专门负责测距仪旋回的人员来克服艏摇带来的影响，从而保证测距人员能够专心测距。而坡伦则通过为测距仪配备带有陀螺稳定功能的底座，来克服艏摇带来的影响。
除此之外，坡伦测距仪的旋回操作是可以通过外部动力驱动的，且其旋转速度是可调节的，因此在陀螺稳定底座和动力旋转机构的加持下，坡伦测距仪还能够持续并准确的追踪目标方位的变化情况。
坡伦测距仪的图纸
坡伦测距仪的正面3D视图
本图片源自http://www.dreadnoughtproject.org，3D模型由Rob Brassington绘制，中文注释是本人添加的。
坡伦测距仪的背面3D视图
本图片源自http://www.dreadnoughtproject.org，3D模型由Rob Brassington绘制，中文注释是本人添加的。
在操作坡伦测距仪时，首先需通过快速旋回调整手轮，对测距仪的指向方向进行大致调整，随后便可使用动力旋回调整手柄，对目标进行追踪。当测距仪正对目标后，便可使用测距旋钮对测距景象进行调节，设法将目镜中的上下两个景象合二为一。合像成功后，操作人员便可踩下位于右脚踏板上的信息发送键，此时得到的距离和方位读数，便会通过信息发送设备，传递至火控计算通讯室。
坡伦测距仪的安装情况
英国海军总共采购了45具坡伦测距仪，并将其装备到了主力舰上。有些坡伦测距仪是安装在火控桅楼上的，另一些坡伦测距仪则是安装在火控塔上的。
无畏号的火控桅楼
这张照片中的军舰是无畏号，其火控桅楼内安装了一具坡伦测距仪，而三脚桅顶端则安装有一具斯科特指挥仪。
无畏号的火控桅楼的3D视图
本图片源自http://www.dreadnoughtproject.org，3D模型由Rob Brassington绘制，中文注释是本人添加的。
大胆号的火控桅楼与火控塔
这张照片中的军舰是大胆号，其火控塔内安装了一具坡伦测距仪，而三脚桅顶端则安装有一具斯科特指挥仪。
三、坡伦绘图仪
所谓的坡伦绘图仪，是一种能将敌我双方的距离和方位参数，转化为双方航线图的一种绘图设备。
坡伦绘图仪所输出的这种航线图，真实地反映了双方的航线，因此被称之为真实航线图（true-course plot），通过这种绘图，可以解算出火控所需的参数。
基于真实航线图的火控参数解算（示意图）
首先，基于敌我双方过去和现在的距离及相对方位，可以解算出距离变化率（range rate）和方位变化率（bearing rate），并进而推算出未来的距离和相对方位。
其次，在绘制出的航线图的基础上，可以通过测绘计算的方式，得出敌舰的航向和航速信息。
坡伦绘图仪的结构
下面我们将以坡伦绘图仪的终极版本，即Mark IV型坡伦绘图仪为例，对其结构和功能进行介绍。
坡伦绘图仪的图纸
Mark IV型坡伦绘图仪的整体3D视图
本图片源自http://www.dreadnoughtproject.org，3D模型由Rob Brassington绘制，中文注释是本人添加的。
Mark IV型坡伦绘图仪的细节3D视图
本图片源自http://www.dreadnoughtproject.org，3D模型由Rob Brassington绘制，中文注释是本人添加的。
Mark IV型坡伦绘图仪上共有两支绘图笔，靠近绘图桌边缘的那支不可移动，用于绘制本舰航线，而位于绘图桌中央的那支则可以沿着其上方的支架横向移动，用于绘制敌舰航线。在敌舰航线绘图笔的下方，还设有一组转轴，转轴和绘图笔上都设有滑轮，能够夹住绘图纸。这组转轴能够带动绘图纸沿着转轴滑动、或围绕着转轴旋转。
坡伦绘图仪的安装情况
英国海军对坡伦绘图仪并不满意，但俄里翁号战列舰上的那具为了开展试验而安装的坡伦绘图仪，在试验结束后似乎得到了保留。
四、坡伦计算机
坡伦计算机是整套坡伦火控系统的核心设备。下面我们将以英国海军所购买的Mark IV型坡伦计算机为例，对其结构和功能进行介绍。
Mark IV型坡伦计算机的实物照片
Mark IV型坡伦计算机的整体图纸
图中绘出了坡伦计算机，以及与其相连的5套位于主炮塔上的火控信息接收设备。
Mark IV型坡伦计算机的细节图纸
此为坡伦计算机上的显示面板。
Mark IV型坡伦计算机的3D视图
本图片源自http://www.dreadnoughtproject.org，3D模型由Rob Brassington绘制，中文注释是本人添加的。
计算机正面下方总共有三个手柄和一个按键，其中中间和右侧的那两个手柄，分别用于输入和调整坡伦测距仪给出的距离和方位读数。而左侧的那个手柄则用于输入和调整距离修正值（spotting correction，视线距离与射击距离之间的差值），每次输入完距离修正值后，需要通过那个按键，将当前输入的距离修正值清零，以便后续输入新的距离修正值。
计算机顶部则设有一个巨大的面板，上面设有多个参数显示表盘及相关调整旋钮。
面板右侧，设有一大一小两个表盘。大表盘是一个类似于变距率盘的设备。小表盘的功能不明。操作者在类似于变距率盘的设备上设定完本舰航速、目标航速、目标航向这三个参数，并通过手柄输入完目标方位（即视线方向）后，计算机便会自动解算出沿着视线方向上的速度（speed-along）和垂直于视线方向上的速度（speed-across）。沿着视线方向上的速度，就等同于距离变化率（range rate），而将垂直于视线方向的速度除以敌我双方之间的距离后（同样由坡伦计算机负责解算），便能得到方位变化率（bearing rate）。
面板中间的两个小表盘，显示的便是计算机给出的距离变化率（rate of range）和方位变化率（rate of bearing）。在必要时，操作员也可以通过方位变化率旋钮和距离变化率旋钮，对这两个参数进行人工调整。
面板左侧，设有一大一小两个表盘。大表盘显示的是计算机距离与射击距离。小表盘显示的则是距离修正值。通过手柄输入的视线距离（测距仪距离），会结合计算机给出的距离变化率，输出为实时更新的视线距离（计算机距离）。而计算机距离与射击距离之间的差异，则是由通过手柄输入的距离修正值决定的。
至于通过手柄输入的目标方位，也会结合计算机给出的方位变化率，输出为实时更新的目标方位，但我目前无法确定计算机输出的目标方位到底显示在哪个表盘上。
面板左下角的开关，是用于设置军舰航行状态的，当军舰直行时，需将开关拨至直行（steady）状态，而当军舰转向时，需将开关拨至转向（turning）状态。在本舰航向保持不变时，该计算机能够对目标方位变化问题进行自动解算，然而当本舰航向发生变化时，该计算机的目标方位解算功能失效，需要操作员扭动直行/转向切换键，随后对目标方位参数进行手动调整。
与维克斯距离钟类似，坡伦计算机的核心机构，同样也是积分器（Integrator）。坡伦计算机所使用的积分器，是其团队自行研制的，堪称是当时最优秀的设计。在Mark IV型坡伦计算机上，总共设有四个积分器，分别用来处理各类火控参数。
坡伦计算机得出的火控参数，会通过计算机右侧的跟随指针式（follow-the-pointer）火控信息发送设备，传输至各火炮/炮塔。其中，射击距离发送设备与一具射击距离复读设备相连，其上设有红黑两根指针，红色指针用来显示计算机当前输出的射击距离，而黑色指针则用来显示当前传输给火炮/炮塔的射击距离。当这两根指针的指向不匹配时，可以通过复读设备指针调整手柄对其进行校正。
坡伦计算机的安装情况
英国海军总共采购了6具Mark IV型坡伦计算机，并将其装备到了俄里翁号、乔治五世号、埃阿斯号、百夫长号、大胆号战列舰，以及玛丽王后号战列巡洋舰上。其中，俄里翁号上的坡伦计算机，是与坡伦绘图仪搭配使用的，而其余五舰上的坡伦计算机，则是与德雷尔“时间-距离”及“时间-方位”绘图装置搭配使用的（详见第八章 - 德雷尔火控台）。
五、总结
对于坡伦火控系统，目前仍旧有许多未解之谜等待考证。以下是我的一些个人观点，希望能与各位同好探讨。
对于坡伦测距仪的评论
坡伦测距仪无疑是一件优秀的设备，在操作时不会受到军舰艏摇的影响，还能测量目标方位参数。
对于坡伦绘图仪的评论
我个人不太看好坡伦绘图仪，认为其并没有很大的价值，原因如下：
对绘图仪输出的航线图进行测绘后，确实能够计算出敌舰的航向航速信息。问题在于，航线图的基础是测距仪得到的距离和方位数据，在样本量较小的情况下，绘制出的航线图是不够准确的，而能够支持画出准确航线图的样本量，又不是在短时间内能够获得的，因此准确的航向航速信息，是不可能在发现目标后立刻获取的。然而，我们还可以通过目测，对敌舰的航向航速进行大致估测，这种方法的准确度尽管不如航线图测绘，但速度却要快得多。
对于坡伦计算机的评论
对于坡伦计算机，我认为可以从正反两方面对其进行评价。
首先，Mark IV型坡伦计算机的功能，实际上相当于变距率盘/维克斯距离钟体系的高度进化版。其面板右侧的大表盘的功能与变距率盘类似，而面板左侧的大表盘的功能则与维克斯距离钟类似。至于距离变化率显示盘、方位变化率显示盘，以及距离修正值显示盘，则是坡伦系统的精进之处。在变距率盘与维克斯距离钟的组合上，有大量的工作需要手动完成——通过人眼从变距率盘上读出参数，手动将参数输入维克斯距离钟，等等。而在该计算机上，这些工作大都被自动化的设备完成了，需要手动输入和调整的参数大大减少。换而言之，Mark IV型坡伦计算机的优点，在于自动化程度较高。
坡伦系统与变距率盘/维克斯距离钟体系的对比
我个人认为，变距率盘/维克斯距离钟体系，存在两个主要问题：
1）没有准确的敌舰航向航速数据来源，因此变距率计算的准确性并不太高。
2）需要手动操作和调整的环节太多，可能出现人因误差的环节太多。
坡伦计算机从很大程度上解决了手动操作导致的人因误差，但对于敌舰航向航速信息，坡伦绘图仪虽然能够通过测绘得出，但速度太慢。换句话说，坡伦火控系统并未完全解决变距率盘/维克斯距离钟体系的不足之处。 | 
发表于 2017-9-20 15:58
楼主
发表于 2017-9-20 21:12
发表于 2017-9-20 22:34
