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日德兰纪念系列 - 火控炮术篇 - 第一章 - 舰炮射击的基础概念
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主要参考资料：
Fire Control Fundamentals, NAVPERS 91900
Naval Ordnance and Gunnery, NAVPERS 16116B
Naval Ordnance and Gunnery, Volume 2 - Fire Control, NAVPERS 10798A
一、海军火控所需克服的难题
火药这种物质，最初是由中国人发明的。而火炮这种武器，最初可能也同样是由中国人发明的，并在宋朝与金国、蒙古的战争中得到了运用，随后又在蒙古人的西征中传播到了中东、乃至于欧洲。至于将火炮用于海战的尝试，最早可能始于15世纪。
在随后的数百年内，随着火炮与弹药制造技术的发展，火炮的射程有了很大提升——然而在较远的距离上，火炮能不能准确命中预定目标，那就是另一回事了。为了解决这个问题，我们便需要借助火控这一手段。
那么对于舰炮火控来说，其所需要克服的难题有哪些呢？
首先，由于炮弹的飞行轨迹是呈抛物线的，因此为了让炮弹击中目标，必须掌握炮弹的飞行规律，并结合其飞行规律进行瞄准。
其次，舰炮是安装在舰船上的，而由于舰船是浮在水面上的，因此势必会受到水流的影响，而产生各种摇晃。这种摇晃会对舰炮射击造成影响，因此需要予以克服。
最后，军舰之间的对决，往往都是在动对动的环境下展开的——换句话说，当一艘军舰在射击的时候，该舰本身在运动，而目标军舰也同样在运动，这就意味着为了击中目标，火控官兵们就必须要预测出目标军舰未来的行动轨迹，并向其未来的位置开炮，才能让炮弹有机会击中目标。为了解决这个问题，人类发明了一系列的火控计算设备。
接下来，我们将会对这三个难题，进行一一解读。
二、弹道学问题
火炮发射时，炮弹首先会沿着炮膛向前运动，随后在离开炮膛之后，又会在空气中继续飞行。为了研究炮弹的运动规律及相关的伴生现象，人类创立了弹道学这一门学科。在弹道学得到了发展和完善之后，人类才得以从科学的角度，对火炮弹道问题形成了认知，从而为后续的火控计算提供了依据。
弹道学大致可分为内弹道学、外弹道学、以及终点弹道学这三个方面。其中，内弹道学与外弹道学这两门学科，是与火控问题息息相关的。而终点弹道学研究的则是炮弹对目标的毁伤效应，因此与火控问题关系不大。
内弹道学与外弹道学的分野
内弹道学（Interior Ballistics）研究的是炮弹在炮膛内的运动规律，外弹道学（Exterior Ballistics）研究的则是炮弹在炮膛外的运动规律。
内弹道学问题
为了将一个物体投射到远方，我们首先要赋予其一个初始的力。对于弹弓来说，这个初始的力是由皮筋的弹性提供的；对于弓箭来说，这个初始的力是由弓体和弓弦的弹性提供的；而对于火炮来说，这个初始的力是由发射药提供的。
初始的推动力
发射药对内弹道造成的影响
在19世纪中后期之前，所有的火炮都是采用黑火药作为发射药的。在无烟火药诞生后，后者迅速取代了前者，成为了各种火炮的发射药。无烟火药的配方有许多种，有些只含硝化纤维，另一些同时含有硝化纤维和硝化甘油，还有一些则在上述两种物质的基础上添加了其他的化学成分。
在所有会对内弹道造成影响的因素中，发射药起到的影响是最大的：
首先，发射药的重量越大、能量密度越高，其提供的总能量就越高，显然就能产生越大的推动力。
其次，发射药提供的能量，会因温度而产生变化，发射药温度越高，其燃烧时产生的能量越高，因此火炮初速就越高。
再者，发射药的燃烧速度和装填密度，也会对内弹道造成显著影响。
不同的燃烧速度，不同的膛压曲线
发射药的化学成分及物理结构，会对其燃烧速度造成影响。燃烧速度较快的发射药，会导致炮膛内的压力迅速上升，然而回落也较快；燃烧速度较慢的发射药，不会导致膛压快速上升，但是却能对炮膛产生持续的压力。因此，不同的发射药，会导致不同的膛压变化情况，进而对炮弹的初速产生影响。
不同的装填密度，不同的膛压曲线
装填密度，指的是发射药的重量与恰好能够填满药室容积的水的重量之比例。发射药的装填密度，同样会对火炮的初速造成影响——在其他条件相同的情况下，装填密度越高，产生的膛压也就越高。
身管损耗对内弹道造成的影响
除了发射药之外，另一个会对内弹道产生重大影响的因素，是身管损耗。火炮本身的磨损、烧蚀程度，会对炮弹初速造成影响，磨损、烧蚀程度越大，炮弹初速越低。
发射药对炮膛的烧蚀、以及炮弹对炮膛的磨损
新炮的膛线与旧炮的膛线对比（比例上有所夸张）
相比小口径火炮，大口径火炮更容易受到烧蚀和磨损的影响
其他能影响初速的因素
除了发射药和身管损耗之外，还有一些其他因素会对炮弹初速造成影响。
例如，为了保护火炮，士兵会对火炮进行保养，在其内膛抹上一层油。在首次开炮时，炮弹需要克服这些油带来的影响，因此其初速会比正常状态下低一些。
因炮膛抹油而导致的初速下降
外弹道学问题
当炮弹飞离炮口后，我们的研究主题就从内弹道学切换至外弹道学了。
无外力影响下的炮弹飞行轨迹
众所周知，根据牛顿第一定律：“运动中的物体，若不受外力或受到的合外力为零，则其速度的大小与方向都不会改变”。因此，在不受外力影响的情况下，炮弹会永远保持向前飞行的状态，直至其击中其他物体。
重力对炮弹产生的影响
然而我们还知道，牛顿还有一条同样有名的定律，叫做万有引力定律：“宇宙中每个质点都以一种力吸引其他各个质点。这种力与各质点的质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比”。由于这个缘故，在重力的影响下，炮弹的实际运动轨迹并非一直向前，而是会不断向下坠落。
重力影响下的炮弹飞行轨迹（真空环境）
空气阻力对炮弹产生的影响
除了重力之外，空气阻力也会对炮弹弹道产生影响。
空气阻力影响下的炮弹飞行轨迹
在空气阻力的影响下，炮弹飞行速度会持续降低，因而导致弹道越来越弯曲。
空气阻力对不同口径炮弹的影响
由于空气阻力是与弹径的平方成正比的，而炮弹克服空气阻力的能力却是与弹径的三次方成正比的（前提是弹型设计、弹重系数等其他条件相同），因此炮弹口径越大，也就越容易克服空气阻力，打出更远的最大射程。
重力与空气阻力的共同作用
初速与射程之间的关系
在真空环境下，当火炮的仰角恒定不变时，炮弹的初速越高，炮弹的射程也就越远。在空气环境下，随着炮弹初速增加，炮弹射程同样也会增加，但由于空气阻力的缘故，两者之间的关系会略有不同。
仰角与射程之间的关系
在真空环境下，当火炮的初速恒定不变时，在0-45度仰角范围内，炮弹的射程随着仰角的增加而增加；在45-90度仰角范围内，炮弹的射程随着仰角的增加而降低。在空气环境下，火炮仰角与炮弹射程之间也有类似的关系，但由于空气阻力的缘故，两者之间的关系会略有不同。
风对外弹道产生的影响
空气对炮弹造成的影响，不仅仅局限于阻力，还体现在风上。与炮弹飞行方向相同或相反的风叫做纵风（Range Wind），而与炮弹飞行方向相交的风叫做横风（Cross Wind）。纵风会导致炮弹落点变远或变近，横风会导致炮弹落点偏左或偏右。由于风的缘故导致的炮弹落点偏移情况，我们称之为风偏。
膛线带来的影响
无畏舰时代的火炮，几乎全都是线膛炮。当炮弹在炮膛内运动时，膛线会导致炮弹产生旋转，并且在飞出炮膛之后，这种旋转仍将继续保持下去，以起到稳定飞行弹道的作用。若是没有膛线的话，炮弹在飞行过程中将会发生摇晃，导致其飞行弹道不可控，进而加大火控难度。
炮弹进动
然而，由于膛线会导致炮弹发生旋转，而炮弹在飞行过程中本身还受到了重力和空气阻力的共同作用，因此在这三个因素的共同作用下，会导致炮弹发生进动。
进动导致的偏移
受到进动的影响，炮弹的飞行轨迹会发生偏移（Drift）。通常来说，火炮的膛线都是右旋的，因此炮弹轨迹也都会向右发生偏移。
影响外弹道的其他因素
重力、空气阻力、风、以及炮弹自旋导致的进动，是影响外弹道的四个最为关键的因素。除了这四个因素之外，还有一些其他因素，也会对外弹道造成影响。
空气密度变化对外弹道产生的影响
前面我们已经介绍过，空气阻力会对炮弹造成影响。由于空气密度并非是一成不变的，而是会随着高度增加而逐渐变得稀薄，因此对于远程火炮来说，空气密度变化所产生的影响，也是一个有必要考虑的因素。
地球自转对外弹道产生的影响
当本舰火炮与目标所处的纬度不同时，地球自转也会对炮弹外弹道造成影响。对于小口径火炮来说，这个影响可以忽略不计；对于大口径火炮来说，这个因素的影响会更明显一些。
弹道学与射表
为了提高火控水准，人们会每种型号的火炮的弹道学特性进行研究，从而编制出对应的射表。在第二章 - 射表与瞄准镜，我们会对一战时期的英国海军的射表进行详细介绍。
三、静对静射击问题
通过以上的介绍，我们对内弹道和外弹道已经有了大致的了解。那么内弹道、外弹道、以及火炮的瞄准之间，到底是一个怎样的关系呢？在最为简单的环境，即静对静射击的情况下，瞄准火炮时又需要考虑哪些因素呢？
火炮瞄准的基本方法
敌我之间的距离与方位
为了击中一个已知目标，首先我们需要了解自身与目标之间的关系——自身与目标之间的距离（Range）是多少？目标的方位（Bearing）又在何处？
火炮的俯仰角与旋回角
在了解了敌我之间的距离和方位之后，我们需要调整火炮的俯仰（Elavation）和旋回（Train）角度，使其能够正确地指向目标。
我们之前所述的所有会对内弹道和外弹道造成影响的因素，都可以通过调整火炮俯仰角和旋回角的方式来予以补偿。
举例来说，内弹道的所有问题，最终都归结到一个初速问题上。而初速问题对炮弹飞行轨迹的影响，最终都可以通过俯仰角的调整来解决。
至于外弹道中的重力、空气阻力、空气密度等因素，同样可以通过俯仰角的调整来解决。而进动导致的炮弹偏移，则可以通过旋回角的调整来解决。
瞄准镜
为了提高射击准确度，火炮通常都会配备瞄准镜。在简单环境下，只需要完成上述所说的火炮俯仰角和旋回角的调整，并将瞄准镜对准目标后，就可以进行静对静射击了。在第二章 - 射表与瞄准镜，我们会对一战时期的英国海军的瞄准镜进行详细介绍。在第六章 - 斯科特指挥仪中，我们会对英国海军的指挥仪（一种能与各门火炮联动的中央瞄准镜）进行详细介绍。
风对弹道的影响
相比于重力、空气阻力、空气密度等因素，风对弹道的影响，要来的更复杂一些。实际场景中遇到的风，很可能既不是单纯的纵风，也不是单纯的横风，而是斜刺里吹过来的风。
风的分解
为了便于火控解算，我们可以将斜刺里吹过来的风，分解为纵风和横风两个因素。
针对风偏的瞄准补偿
通过调整火炮的俯仰角，我们可以对纵风进行补偿；通过调整火炮的旋回角，我们可以对横风进行补偿。
影响火炮瞄准的其他因素
除了上述因素之外，还有一些客观因素，在火炮瞄准时必须予以考虑。
地球曲率问题
由于地球的形状大致接近于球型，因此地球表面并不是一个水平面，而是一个球面。在近距离射击的情况下，地球曲率的影响可以忽略不计，然而在远距离射击的情况下，我们就必须予以考量。
在远距离射击时，由于舰体本身所在的水平面，与本舰及目标之间的连线，并不在同一个面上，因此在瞄准火炮时，需要在俯仰角上予以补偿。
目标高低差异
有些时候，我们需要射击的目标并不在海平面上，而是会高出海平面一些。例如射击岸上目标时，就有可能遇到此类情况。
在这种情况下，舰体本身所在的水平面，与本舰及目标之间的连线，也不在同一个面上，因此在瞄准火炮时，也需要在俯仰角上予以补偿。
火炮与瞄准线之间的位置差异
在部分军舰上，火炮的瞄准是由每门火炮各自的瞄准镜来完成的；而在另一些军舰上，火炮的瞄准则是通过一具中央瞄准镜来完成的。对于后一种情况来说，由于瞄准线与火炮本身存在高度和前后位置的差异，因此在实际瞄准时，有必要通过调整火炮俯仰角和旋回角来进行补偿，从而让所有的炮弹都在目标舰处交汇。
火炮与瞄准线之间的差异 - 高度差异补偿
火炮与瞄准线之间的差异 - 前后位置补偿
火炮瞄准时需要考虑的因素
综上所述，在瞄准火炮时，我们需要考虑诸多的因素，并为之做出调整和补偿。
调整俯仰角时需要考虑的因素：
1、炮弹的初速。
2、瞄准线与火炮之间的高度差异（仅限于采用中央瞄准镜的情况下）。
3、地球曲率。
4、地球自转。
5、重力。
6、空气阻力（以及空气密度问题）。
7、纵风。
8、目标高低差异。
调整旋回角时需要考虑的因素：
1、地球自转。
2、横风。
3、进动导致的炮弹偏移。
4、瞄准线与火炮之间的前后位置差异（仅限于采用中央瞄准镜的情况下，下图中未标出）。
火炮散布
由于内弹道和外弹道环节中的诸多复杂因素，火炮在发射弹药时，不可能做到每一发炮弹的落点都完全一致——有些火炮比较准，有些火炮不那么准，但无论如何，其炮弹落点多少都会有一些偏差。对于这种炮弹落点上的偏差，我们称之为散布（Dispersion）。而具体的散布，又可以分为纵向散布和横向散布两方面。
火炮纵向散布
从俯视角度看火炮纵向与横向散布
火炮散布越小，意味着火炮本身的准确度越高。然而从火控角度出发，火炮散布并不是越小越好的，有些时候，当火控解算并不太准确的情况下，火炮散布较大，反而有助于提高炮弹命中目标的概率（即俗称的歪打正着）。
四、船体摇晃问题
架设在陆地上的火炮，是以大地作为依托的，而架设在军舰上的火炮，则是以舰体本身作为依托的。两者最明显的区别在于，大地是一个稳定的平台，而舰体则是浮在水面上的，会受到水流等外力的影响，因此舰体不是一个稳定的平台。
如果我们将舰体放置在三维坐标轴体系中，那么我们可以将其艏艉方向称之为纵向（X轴），将左右方向称之为横向（Y轴），将上下方向称之为垂直方向（Z轴）。
这些运动可分为两大体系：平移（Translation）和旋转（Rotation）。平移指的是沿着三个轴移动，旋转指的是绕着三个轴转动。
平移可细分为三种类型：
1、纵荡（Surge），指的是沿着X轴前后移动（表现为舰体前后平移）。
2、横荡（Sway），指的是沿着Y轴左右移动（表现为舰体左右平移）。
3、垂荡（Heave），指的是沿着Z轴上下移动（表现为舰体上下平移）。
旋转也可细分为三种类型：
1、横摇（Roll），指的是绕着X轴转动（表现为舰体左右摇晃）。
2、纵摇（Pitch），指的是绕着Y轴转动（表现为舰体前后摇晃）。
3、艏摇（Yaw），指的是绕着Z轴转动（表现为舰艏左右摆动）。
这六种不同的运动，我们称之为船体运动的六个自由度（Six degrees of freedom）。
船体运动的六个自由度
在这六种运动中，平移对火炮射击的影响不大，而旋转则会对火炮射击造成显著的影响。
横摇、纵摇、艏摇对舰炮射击带来的影响
注释：此图中画出了三维坐标轴，但是未画出艏摇及其影响，各位可以脑补一下。
解决方法
在第二章 - 射表与瞄准镜，我们会介绍，船体摇晃问题，当时的人们会采用等待横摇法或者连续瞄准法这样的瞄准手段、或者陀螺稳定瞄准镜这样的技术手段，来予以克服。
五、动对动射击问题
实际发生的海战，通常都是动对动环境下的交战，因此为了确保火炮能击中目标，我们还需要考虑本舰及敌舰持续运动，对于火控问题带来的影响。
按照一般的火控流程，首先需要通过目视观测或设备仪器探测，来获取目标的相关信息，随后将这些信息进行火控解算，最后输入火炮，开炮射击。这个过程，最少也需花费数秒时间，通常都需要花费十数秒、甚至数十秒时间。在这段时间内，敌我双方都在运动，因此会导致火控参数发生持续改变。在实际的火控流程中，这些问题是必须予以考虑的。
双方运动对火控的影响
在火控军官解算参数时，他所能得到的原始信息，是基于敌舰的当前位置（Present Position）得出的当前距离（Present Range）与当前方位（Present Bearing），而由于从开炮到炮弹击中目标这段时间内，目标仍然在持续运动，因此火控军官需要推算出敌舰的未来位置（Future Position），并向未来位置开炮。
为了估算敌舰的未来位置，火控军官必须要获得目标的航向（Course）与航速（Speed）信息，随后在这些信息的基础上，估算出敌舰的未来距离（Present Range）与未来方位（Present Bearing）。
敌舰的当前位置与未来位置
接下来需要考虑的问题，是本舰运动对火控解算带来的影响。由于本舰的航向与航速都是已知的，因此同样可以在这些信息的基础上，估算出本舰的未来位置。
由于敌我双方都在运动，且在双方不调整航速航向的前提下，这种运动是有规律可寻的，因此对于这个问题，我们可以将其理解为敌我双方的距离和方位的变化趋势，即双方的运动趋势。
敌我双方的运动趋势
敌舰运动趋势对火控参数的影响
当敌舰径直冲向本舰时，距离会迅速拉近（下图左侧）；反之，当敌舰径直远离本舰时，距离会迅速拉远；换句话说，当敌舰航向与敌我双方连线的夹角为0度或180度时，双方的距离变化趋势达到最大或最小。
当敌舰航向与本舰相反时，方位会迅速变化（下图中间）；反之，当敌舰航向与本舰相同时，方位会保持不变或变化较小；换句话说，当敌舰航向与敌我双方连线的夹角为90度或270度时，双方的方位变化趋势达到最大或最小。
在常见情况下，敌我双方的距离和方位都会持续变化（下图右侧）。
本舰运动趋势对火控参数的影响
当本舰径直冲向敌舰时，距离会迅速拉近（下图左侧）；反之，当本舰径直远离敌舰时，距离会迅速拉远；换句话说，当我舰航向与敌我双方连线的夹角为0度或180度时，双方的距离变化趋势达到最大或最小。
当本舰航向与敌舰相反时，方位会迅速变化（下图中间）；反之，当本舰航向与敌舰相同时，方位会保持不变或变化较小；换句话说，当我舰航向与敌我双方连线的夹角为90度或270度时，双方的方位变化趋势达到最大或最小。
在常见情况下，敌我双方的距离和方位都会持续变化（下图右侧）。
本舰运动对炮弹弹道的影响
当本舰运动时，除了会因自身位置变化导致火控参数发生变化之外，还会对炮弹弹道造成影响。
在运动中的军舰上开炮时，炮弹会受到军舰运动的影响，因而在其出膛之后，弹道轨迹会与静止状态下发射的炮弹有所不同。
从下图中可以看到，根据本舰运动状况的不同，会出现炮弹落点偏左、偏右、偏前、偏后的状况。
本舰运动对风的影响
在先前的内容中，我们已经介绍过，风会对炮弹的外弹道造成影响。而军舰的运动，则会对风造成影响。
当军舰运动时，会产生迎头风（Head Wind），在无风的环境下，迎头风的速度与本舰航速相同，方向相反。在有风的情况下，真风（True Wind，气象原因造成的风）与迎头风会形成一股合力，我们称其为相对风（Apparent Wind）。
与炮弹飞行方向相同或相反的相对风叫做相对纵风（Apparent Range Wind），而与炮弹飞行方向相交的相对风叫做相对横风（Apparent Cross Wind）。对于相对风造成的风偏问题，解决方法与普通的风偏是一样的。
真风、迎头风、相对风
相对风、相对纵风、相对横风
解决方法
在第三章 - 测距仪、变距率盘、火控参数计算、第七章 - 坡伦火控系统、第八章 - 德雷尔火控台中，我们会对英国海军针对动对动射击问题的解决方案，予以详细介绍。
六、总结
通过上述文字，我们对舰炮火控所需要解决的主要问题，如炮弹的飞行规律、舰体摇晃对舰炮射击造成的影响、敌我双方舰船持续移动造成的影响等，做出了概括性的解读。在接下来的篇章中，我们会结合英国海军的档案资料及后世学者的研究著作，对百年之前的舰炮火控技战术，做出更详细的解读。 | 
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