二战英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， 除火炮口径外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，说明亦为本人自行加注。
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, 2013/12/01
——火控兵器的发展——
对付水陆目标英国人的系统大体还是不错的，最难搞定的则是对舰首尾向射击时炮耳横轴水平(cross-roll/cross-level) 因舰体摇摆角度过大所产生的问题。对空射击部分，战前已经采用一种非速率式(non-tachymetric/non-relative, linear rate)的系统，此系统一般只有由熟手在对付慢速飞机时有效，而速率式(tachymetric/relative,angular rate)的系统則没有令人满意的进展。大幅改进性能的[防空]系统已在开发中，但都没来得及赶上作战。1946年3月炮术部门分析现有服役中及建造中舰艇的[防空]炮术效率，将其与最新且可在1948年度进行改装的火炮设备加以比较，假设以10为满级分，那么前卫号(Vanguard)得6.5分，乔治五世级(KGV)2-3分，8英寸炮巡洋舰1-2分，6英寸炮巡洋舰1-3分，5.25英寸炮巡洋舰1-2.5分，前期C级及前期战役级(Battle)驱逐舰5分，后期战役级及大胆级(Daring)驱逐舰8分，前期驱逐舰1-2分。前卫号的5.25英寸炮及后期战役级的4.5英寸炮使用美制Mk 37高平两用指挥仪，而大胆级则使用英制Mk IV指挥仪配Flyplane型高炮仪。
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[图说：本图为毛里求斯号(Mauritius)轻巡，但其炮术配置已足以代表上至战列舰的规格。黄色区块按外观大小依次为6英寸主炮、4英寸高平副炮、及2磅砰砰型防空机炮。红色区块为供应上方炮位的双层弹药库，一般上层为弹药作业室和弹丸库，下层为发射火药库，砰砰炮弹药库位在前主炮火药库之后。绿色区块为火控设备及舱室，从图右往左依次是前舰桥前端的弹幕指挥仪、前舰桥顶上的主炮对海指挥仪、前舰桥左右两侧各两座防空指挥仪（右舷图示稍大的是副炮指挥仪，较小的是砰砰炮指挥仪，左舷也有对称的配置）、前舰桥底舱的双层计算室（上层为副炮用，下层为主炮用即中央计算室）、后舰桥顶上的副炮对海/防空两用指挥仪、后舰桥底舱的副炮计算室、以及后背负X炮塔顶上的后主炮群分火指挥系统（使用较低档的海军部火控计器A.F.C.C.计算机，作为分火射击和主炮对海火控的备份，没有安装此一备份的则使用后舰桥的副炮指挥仪作为后援）。蓝色区块为雷达系统，包括位于前后桅顶的搜索雷达天线、个别指挥仪顶上的主副炮和砰砰炮火控雷达天线、以及指挥仪下方内舱的雷达机房和控制室。]
[此为对应上方配置图的同级舰尼日利亚号(Nigeria)前向实体照，可辨识前舰桥上方的DCT主炮对海指挥仪控制塔和顶上284M火控雷达的长槽形天线，以及前舰桥两侧各一的HA副炮防空指挥仪和顶上285火控雷达的鱼骨形天线。前者位于转塔下部的光学测距仪不甚明显，而后两者转塔中部外伸的管状光学测距仪则相当突出。]
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——低角度/对海 (low-angle/surface) 火控——
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[图说：这里显示对海火控（英国人简称LA低角度火控）流程，粗节线表示雷达和电力通信路径，细点线表示电话通信路径。目标由对海瞭望哨或对海预警雷达(RADAR W.S.)获取后传送到舰桥内部的作战室(OPERATION ROOM)作研判，备战令下达后指挥仪组员进入舰桥顶上的指挥仪控制塔(DCT, 其设备和组员配置参照下节"DCT内部配置图")，启动指挥仪的光学和对海炮术雷达(RADAR G.S.)设备，按作战室给出的粗略方位距离，针对指定目标同步展开精密测距测向作业。测距测向连同目标移动等主要数据随即下传到底舱的中央计算室(TRANSMITTING STATION)，连同我舰坐标及其他次要数据一齐输入海军部火控台(A.F.C.T.)加以计算，求取相对移动量及预测弹道轨迹，经验证无误后，生成火炮射击指令传输到炮塔进行开火。中央计算室组员从左到右为交换机操作员、射向操作员、计算室主官、计算机操作员、距离操作员、校射作图员、以及两名雷达操作员。炮塔组员从左到右为瞄准具设定手、旋回瞄准手、话务手、装填手、炮塔主官、炮闩操作手、以及俯仰瞄准手。]
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主力舰的主炮应具有最完备的火控系统，但是巴勒姆号(Barham)，马来亚号(Malaya)，5艘君权级(Royal Sovereign)，却敌号(Repulse)及胡德号(Hood)却几乎没有改装新式的指挥仪(director)及火控台 (fire-control table/rangekeeper)。 这些舰只设置在三脚前桅高处的主指挥仪重约2.44t，只有轻薄的天棚并且靠手动旋回。反而位在低处的司令塔(Conning Tower, 简称CT)顶端的次指挥仪，装甲护罩最厚处有15cm，重达31t，则使用液压动力独立转动瞄准装置。上述舰只的指挥仪瞄准镜与火炮瞄准镜一样是与火炮仰角及射向相锁的[扰动式瞄准系统]，这是不必要且会影响瞄准线的调整。纳尔逊号与罗德尼号已作了改进，指挥仪瞄准镜不会受到火炮仰角及射向的扰动，同时炮术控制塔与指挥仪合并成指挥仪控制塔(Director-Control Tower, 简称DCT)。这些DCT重24.4t，由电动机及液压驱动，同后来的DCT一样有每秒9度的旋回能力。 它们有50-25mm的钢板防护，位于舰桥顶及主桅后。 此外在CT顶部还有一座指挥仪塔(Director Tower, 简称DT)， 装甲护罩最厚处有13cm，与DCT一样重且具有动力旋回。纳尔逊号的DT在1944-45年移除。
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[图说：DCT式指挥仪控制塔核心设备是左方镜头朝向窗外的，有陀螺稳像的H型指挥仪瞄准镜组，二战英式指挥仪除瞄准镜组、传输仪表和击发扳机等基础装置外，还较一战时增加横动摇测定镜和火控官战位。又光学测距仪和火控雷达天线也定置于DCT塔底或塔顶一体指向旋转，这是DCT和老式的DT在外观和功能上最大的不同。指挥仪内部的战位说明文字从上到下分别为话务手、弹着校射官、控制塔主官、旋回瞄准手（管水平方位）、击发扳机装置、变化率观测官（管敌我移动量）、俯仰瞄准手（管高低角度）、横动摇测定手（管炮耳横轴水平）。此型DCT为驱逐舰用，人员设备相对简单。]
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蔑战号(Warspite)，声望号(Renown)，果敢号(Valiant)及伊丽莎白女王号(QE)的DCT装在舰桥顶，老式的装甲DT则改置于后部建筑上。这种DCT重14.7t。
乔治五世级的前DCT装在舰桥顶, 后部建筑上则有装甲DCT。前后DCT带上274雷达天线的总重量分别是18.3t及41.7t。后DCT装甲厚75mm，3.66m直径的座圈防护墙厚50mm。
前卫号的前后DCT与上述大同小异。它的装甲厚50mm，全重33.6t，旋回速度每秒10度，两座DCT的旋回部都装有RP 40型远程动力控制(Remote Power Control, 简称RPC)接受火控计算机指令[RP 40只针对指挥仪，不提供火炮的RPC]。不像局部动力控制是靠人手操作速度决定快慢，RPC是由电力控制液压系统决定输出量。4艘尚存的乔治五世级在最后一次战时整备都在前DCT上加装了RP 40，但豪号(Howe)的进度未超过换装动力定量局部控制。
指挥仪系统上最重要的特性就是自稳陀螺瞄准镜。乔治五世级及前卫号上P型瞄准镜的上部结构，包括俯仰手与旋回手的双筒望远镜都是自稳的，而纳尔逊级及重建的15英寸炮舰只有光学系统的棱镜组是自稳的。早期瞄准镜上的陀螺直接控制射击装置，而P型瞄准镜的陀螺则控制一具强力油压马达的中继阀，这使得P型的陀螺能免受进动扭矩引起的一些外在影响。同时EM(M)装置（见下节说明）改进对水平线基准的获取能力，可免除瞄准镜因倾斜改变稳定面要作出的调整，且自动调整标线可以使指挥仪操作手专心瞄准开炮。X7夜视型双筒望远镜的光学特性也因从16个折射面降到6个而大为改进。
尽管如此，无能见度的盲射(blind fire)条件仍然限制在正负30度的垂直摇摆(roll/level)范围内，而且大幅或快速改变航向仍然会使陀螺受到相当程度的影响。二战期间并未开发出消除此类误差的装置，不过可通过操舵补偿装置抵消大部。为使在重度摇摆中随动瞄准动作不致落后，动力设备有速度补偿机制来保持各位面的稳定。
在EM(M)装置中陀螺是由内部水银开关激励电磁线圈来保持铅直姿态。战争期间加装的操舵补偿装置是在转向时切断水银开关的电流来限制陀螺的动作。操舵补偿装置可微调使之不要针对首摇(yaw)情况干扰陀螺本有的反应。当约克公爵号(Duke of York)对沙恩霍斯特号(Scharnhorst)作战时遭遇到较恒定的4度首摇，她的中央计算室(Transmitting Station, 简称TS/plotting room, 简称Plot)就采取了在首摇将要反转时才开火的规则。
针对按钮击发到炮弹出膛之间，瞄准和弹道所可能受到摇摆的影响，系统安装了一种时间差补偿装置(Time Interval Compensation, 简称TIC)，这是由陀螺量取两时点间炮管纵轴摇摆角度的差异，化作时间差来作补偿，其差异在78-168毫秒之间。击发机构将在瞄准仰角和参数随动仪表没有角度差时才完成动作，击发时机可由TIC或指挥仪参数手轮预先设定。为了避免齐射炮弹出膛气流相互干扰，凡是相邻炮口中轴间距在14倍径以下的，其中一门将延迟15毫秒发射。
P型瞄准镜的俯仰范围在+65至-20度间。它既有放大倍数的瞄准镜，也有开放式的准星，后者可使用于寻找目标与近距离防空弹幕，此外还有一具瞄向后方的潜望镜，以备在前方无能见度的盲射时可以从后方取得水平线基准。在战列舰所曾经遭遇过的最大摇摆幅度下，其由陀螺稳定的望远镜十字分划误差都小于+/-2弧分。
当使用视觉瞄准水面目标时，指挥仪瞄准手将目标置于稳定下的十字分划内，用旋钮改正微小的陀螺差距。瞄准手也可以旋转俯仰手轮以随动摇摆幅度，这样便不必迁就摇摆周期而可以在任何预测的角度开火击发。预测击发点由TIC及其接收装置自动完成，当击发线路设定在“陀螺Gyro”位置，瞄准手扣下击发扳机后，参数随动仪表的准直仪根据预测击发的归零标线在通过十字分划时自动击发火炮。如果在击发前参数手轮有移动，火炮随动参数会产生误差，瞄准手也会对旋回手发出警告。
如果TIC不能作用，那就要操作俯仰手轮上下移动稳定过的瞄准线对准目标来代替TIC预测自动击发点，如果舰体的摇摆幅度不足以保障这种程序完成，那么就要将击发线路设定在“指挥仪Director”位置，由指挥仪瞄准手人工击发。
如果陀螺稳定设备失效了，同样要将击发线路设定在“指挥仪Director”位置，瞄准手要操作手轮将水平分划（此时准直仪标线与水平分划相锁）对准目标，并且迁就摇摆周期人工预测击发点，在分划即将要通过目标时人工击发。
在盲射水面目标时，瞄准镜经由陀螺稳定并设定指挥仪至水平线的倾角,瞄准仰角可以由瞄准手或旋回手任何一人调整，如果指挥仪的RP 40动力控制不作用，指挥仪旋回手可以自行调整射向，在盲射时则由TS的雷达旋回手调整射向。在安装RP 40系统之前，如要在TS内使用雷达或火控台调整盲射的射向，则必须通过随动于DCT的参数仪表调整，或者直接交由DCT的雷达调整。
在前卫号上，炮耳横轴水平是由指挥仪陀螺瞄准镜和TS火炮水准面转换仪决定的。乔治五世级和一些老舰则使用另一系统，在DCT上有一具测定横轴水平的潜望镜，内置一面可旋转的射镜，当对准水平线时可在镜头分划中量取横轴水平的角度。由于横轴水平对高仰角射击影响很大，所以在处理射程时会联结一套凸轮来改正这个误差。对乔治五世级的14寸炮来说，在+/-10度的横轴摇摆下，经过改正可保障5940m至32280m几乎无误差，而再往下到1190m往上到32920m的误差也很微小。
用没有经验的横动摇手来测量横轴水平可能会是一场灾难。水平线必须很平顺的连续的追瞄，如果在发射前作出较大而令炮塔无法及时跟上的改正将导致严重的误差。在高海况下最好是不用这套横轴水平测定设备，而直接由指挥仪瞄准手设法在舰体回复平直时击发。
原先装设在乔治五世级和更老的舰只上，用以测量目标航向的斜度仪(inclinometer)后来都撤下不用了。
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[图说：S.F. 13型潜望镜式斜度仪。从图下方加红底线的扇形表盘数据说明可知斜度仪是依据三角学原理，以1.由测距仪所测得的敌我距离(RANGE)、2.识别图上登载的敌舰全长(BASE LENGTH)、以及3.本仪器所测得的敌舰艏艉两点夹角(DEGREES)这三项条件来求取敌舰的航向。]
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1941年起光学测距仪逐渐被炮术雷达取代，但仍继续作为第二配备。英国人偏好重合式测距仪，基线最长的是乔治五世级四联装炮塔上的12.8m以及纳尔逊号与罗德尼号三联装炮塔上的12.5m。DT或DCT上的测距仪基线长度从4.57m到9.14m。
炮术雷达对可见目标是最佳的测量距离和其变化率的工具，对不可见目标除了以上功能外还能有效决定目标方位。炮术雷达还能够测量齐射弹着的距离，但不足以标定其方位。炮术雷达最初使用'L'(50cm)段波长，原型在1940年6月置于纳尔逊号上测试，后来的量产型号为284，首装于乔治五世号的DCT上，具有24个偶极的长槽形天线分为发射和接收两部份，长度6.4m[原文为21ft(19.2m)，换算错误已按英制改正]。至1942年初，不计早先战沉的皇家橡树号(Royal Oak)和巴勒姆号，所有战列舰和战巡都已安装了这些雷达。除了胡德号是将天线安装在桅头的DT上，其他舰只都安装在前DCT或前DT上，又某些天线长度只有3.81m[原文为12ft 6in(11.4m)，换算错误已按英制改正]。与俾斯麦号(Bismarck)交战中，乔治五世号的284雷达在工作正常时可在22950m上测准距离和在12440m上修正弹着距离。
1941-42年间284经过大幅改良成为284M，加大功率降低脉冲长度，使用波束切换增进方位精度，以及将收发天线整合成一体[参见上文尼日利亚号照片]。在与沙恩霍斯特号交战时，约克公爵号的284M能够在31090m上测准距离，在23590m上标定方位，在19660m上修正弹着距离[但还不能修正弹着方位]。
1942-43年间开发，使用'S'(10cm)段波长的274型炮术雷达进步更大，能在31090m上修正齐射弹着距离，这已经远超过所有以往英国重型舰炮的精确火控范围限制——27430m，相当于炮弹飞行50秒的时间。有水平稳定装置的天线是上下双“cheese 干酪边”形，开口4.27m，上层接收天线有波束切换功能。战争末期安装在安森号(Anson)和约克公爵号还有前卫号的前后DCT上，乔治五世号和豪号只有前DCT换了274，后面的还是较早的50cm波长炮控雷达[即284系]。更早的战列舰只有纳尔逊号换了274。
274型炮术雷达可以指示弹着方位，前卫号完工时又安装了可以进行平面式回波观测的930型弹着修正雷达[具有类似美制Mk 8 和Mk 13所使用的平面坐标显示器]。930工作波段是'X'(3cm)。这家伙又巨大又笨重，貌似只造了这一具，后来被加拿大人开发的'K'(1.5cm)波段的931型所取代。皇家海军大约接收了12具931，据说效果不错，但缺乏使用细节。在情况合适时931可以测定目标倾角，不过下雨会对'K'波段造成问题。931天线附属在前DCT的274天线下方随之水平稳定。以下是低角度对海炮控雷达的明细列表——置顶的粗体字是型号，左行的规格项目从上到下分别是——频率（兆赫兹）、最大功率（千瓦）、脉冲（微秒）、距离和误差（码）、距离和误差（米）、水平波束（弧度）、方位精度（弧分）：
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[图说：下图为胡德号出战时桅头背负的284主炮火控雷达天线，左为模型图右为实体照。传送与接收两座天线分别位于指挥仪上下一体旋转，注意胡德的下天线只有上天线的一半大小和12个偶极，而同时参战的乔治五世级是上下等长的一对标准24个偶极天线。]
[下图为某舰前DCT上的274雷达天线，英美称这种月牙状的天线形式叫做“cheese 干酪边”，274天线由上下两个“干酪边”叠成，上面的管接收下面的管发射。284M和274都采用了波束切换技术，故在方位精度上已大幅超前284，直逼指挥仪光学旋回瞄准镜即方位盘的水平。此图应摄于战后，注意DCT左下方原为测距仪臂管伸出处已被方形铁箱包覆，推测内部测距仪已拆除。]
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方位角由舰只的陀螺罗盘提供，但除非舰体处于摇摆正中，否则还是要测量水平线的变动面。这个问题在海军部陀螺传输单元(Admiralty Gyro Transmission Unit, 简称AGTU)问世后得以解决，通过AGTU，火控系统内的各个从动陀螺可由主陀螺罗盘取得监控信号并进行必要的改正。迄今所知，战列舰中只有前卫号安装了AGTU。
其他进行测算的火控参数包括风速风向、非标准气温气压下的弹道、炮膛磨损、发射药温度、不同炮弹的弹道系数变异、以及射弹偏流（drift；偏流有时要按纬度改正）。此外要改正的还有指挥仪和炮塔转盘的水平倾斜(tilt)、多座火炮和多座指挥仪在舰上相互位置的高低视差(dip/parallex)及前后视差(displacement/parallex)，针对这三项都需要改正射击仰角以确保射程一致，而前后视差还涉及射击方向的改正以使得不同炮位的火炮射束最终集中在一点。
如同在一战结束后所预期的，TS内的火控台在二战期间的重要性要远大于指挥仪。火控台负责射击基本参数和微调参数计算的设备是由凸轮、传动齿轮、齿条、转轮和摩擦驱动装置所构成的机械式计算机，它能将测得的敌舰动态数据解算出射程（即仰角elevation）和射向（即提前角或移转角deflection），显示在火控台的仪表、计数器和作图仪上，并将参数传送给火炮据以射击，以保障齐射弹群能落入目标水域。火控台早期由马达驱动，后期的设计则改用液力或气动，紧急时也可手动。未改造的15英寸炮舰只使用不同改型的德雷尔Mk 4*火控台(Dreyer FCT Mk IV*)，胡德号则使用德雷尔Mk V。更新更好的机械设计是海军部火控台(Admiralty Fire-Control Table, 简称AFCT )，纳尔逊号与罗德尼号装备的是AFCT Mk I，四艘改造过的15英寸炮舰只配发Mk VII，乔治五世级的AFCT是Mk IX，而前卫号则是Mk X[MK X是AFCT系列的最后型号，不仅是史上第一具以配合炮术雷达运用为目的而设计的火控系统，也是第一具可以预测目标机动位置的计算机，在此之前的计算机都只能预测直线运动。不过时不我与，历史没有给它表现的机会]。Mk I到X之间的其他型号则大多是配备给巡洋舰使用的。早先使用光学测距仪测距打点作图原是火控台的基本构成，在炮术雷达出现后逐渐被取代，只作为雷达失效后的备件。炮术雷达概由人工操作读取目标回波显示在萤屏上的距离刻度，要到前卫号才具有自动追踪能力。其他性质雷达也可在测距萤屏上显示。
计算机可从炮术雷达不断取得敌我距离，连同弹着修正、敌我航速、风速以及非标准弹道等参数解算出火炮射程，再由平面凸轮或类似装置换算成象限仰角。AFCT会随着时间推移连续生成射程的解算值，这个过程开始于最初的测距值[光学或雷达测距]，整合进从敌我航向航速推算出来的距离变化率而生成解算距离(clock range)，而根据解算距离发射后加计弹着观测值就成为真实距离(true range)，一旦雷达测距失效，这个距离就是最可靠的几何距离。经由比对雷达距离(radar range)、解算距离和真实距离，就可以反推航向航速等的估测是否准确并加以改正。射向的改正则反应在方位的提前角度上。
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[图说：下图为典型的海军部火控台示意图。从盘面来看，红线右边的部份是处理各种方位相关数据，比如横向变化率(speed across)、敌我航向、敌我相对方位、风向风速、火炮射向、弹着方位偏差等。红线和蓝线中间的部份是处理各种距离相关数据，比如距离变化率(range rate)、敌我距离、敌我航速、气压温度、火炮射程、弹着距离偏差等。蓝线和绿线中间的部份是测距仪记录器，以墨笔在卷筒纸上记录对目标连续测距的时间、距离、和必要注记。绿线左边的部份是作图仪，针对距离变化率和弹着做记录，比较预测值和实测值之间的差距，据以拟合修正数据。]
[下方的实物照是轻巡贝尔法斯特号(Belfast)军舰博物馆TS内的AFCT，和示意图大同小异，战列舰上的要比这复杂些。]
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[未完待续]
发表于 2013-12-4 13:51
楼主
发表于 2013-12-4 17:59
发表于 2013-12-8 05:57
想起翻译SK4里面英国的那些雷达，一票的2XX。