本帖最后由 JeanBart 于 2023-5-28 14:23 编辑
九四式高射装置基本是战时日本海军服役的最优对空火控系统，它的全系统设计相对简单，基础功能完备，但实际技术水平不高，自动化程度较低。
九四式之前的九一式高射装置将射击盘（计算机）直接设置在高射机（指挥仪）上而没有舱内的火控中心，射击盘为了防腐蚀大量使用了铜合金材料，造成结构重量大且由于铜合金材质软易磨损影响了运算精度。这种合并设计增大了高射机的重量并造成空间拥挤，不利于其实现追踪目标的功能，仅有手动驱动更是加剧了这一问题。此外，九一式高射装置的测距仪延续了日本海军传统的测距仪独立布置模式，这导致在实战中测距仪和高射机可能并不指向同一目标而引起极大误差。九一式高射装置的这种设计基本相当于美国20年代末服役的Mk19指挥仪。
改进的九四式高射装置将射击盘移动至舰体内部的发令所（火控中心），将测距仪整合进高射机，并改用液压驱动，能更好地实现功能，总体上和其它国家对空火控系统一致。
高射机（指挥仪）
高射机主要功能是测量目标的相对位置参数和舰体的摇动参数，包括：
1.目标当前距离R
2.目标当前相对水平面俯仰角α
3.目标当前相对甲板俯仰角α - i
4.目标当前回旋角β + Cp
5.瞄准线纵向倾角i（Level）
6.瞄准线横向倾角i1（Cross-level）
USNTMJ O-30文件中绘制的九四式高射机内部设备
九四式高射机上配置的设备主要包括：
1.一套俯仰瞄准装置
2.一套回旋瞄准装置
3.一套瞄准线纵向倾角测定装置
4.一套瞄准线横向倾角测定装置
5.一台4.5米基线体视式测距仪
舰船的火控系统往往都是基于水平面建立数学模型求解火控参数，但舰上设备会跟随舰体摇动，因此必须要采取措施修正舰船摇动对观测参数的影响，另外舰体运动也会干扰瞄准手对目标的追踪，观测设备也有必要设置摇动稳定装置，九四式高射机的观测设备就采用了三轴稳定设计。
日本火控系统缺乏陀螺仪提供舰船相对参考水平面的运动，故高度依赖光学设备人工感测舰体的摇动，九四式高射装置也不例外。九四式高射机内配置的纵动摇手（Leveler）和横动摇手（Cross-leveler）负责操作手轮控制动摇瞄具追随海天线来提供舰船在瞄准线方向和垂直瞄准线方向相对水平面的倾斜角度，用来稳定高射机上俯仰瞄具、回旋瞄具的棱镜和测距仪的镜筒，动摇参数还被自动发送给射击盘用于修正舰炮的瞄准角度。人工追随海天线提供参考水平面对操作员的技术水平要求较高，也很容易产生偏差，在本舰剧烈机动而舰体不稳定的情况下，人工稳定非常难实现。战争中期有部分舰船安装了九四式改一型高射装置，此改型终于引入了陀螺仪来稳定瞄具和提供倾角参考。
高射机配套的测距仪采用间断测距模式，一名测距仪操作员操作测距仪测量，旁边一名追针随动操作员操作传输设备手动同步距离参数，并通过按压按钮不定时地触发射击盘距离绘图仪绘制距离点。
USNTMJ O-30文件中绘制的九四式高射射击盘显示设备和参数手轮
九四式高射装置教科书中绘制的九四式高射射击盘显示设备和参数手轮
射击盘（计算机）
九四式高射装置的射击盘采用极坐标系计算，并且是完全速率式（Tachymetric）的系统。目标相对本舰的距离变化率、方位角变化率和俯仰角变化率这3个参数作为输入参数进入射击盘完成计算，射击盘中没有合成式（Synthetic）系统的模拟运动以及积分更新运动状态的部分，因此结构上要更为简单。
射击盘的几个关键输入参数如下：
1.目标当前距离R，由高射机传来，同步电机或手动输入
2.目标距离变化率dR/dt，手动输入
3.飞行时间T，手动输入
4.目标当前俯仰角α，由高射机传来，同步电机或手动输入
5.目标当前回旋角β+Cp，由高射机传来，同步电机或手动输入
6.本舰航向Cp，手动随动陀螺罗经的复示设备
7.瞄准线纵向倾角i，由高射机传来，同步电机或手动输入
8.瞄准线横向倾角i1，由高射机传来，同步电机或手动输入
9.俯仰提前量σ
10.方位提前量δ
USNTMJ O-30文件中绘制的九四式高射射击盘内部计算组件和参数传输示意图
在火控问题中，已知量只有R、β+Cp、Cp、i、i1，测量可得dR/dt，但飞行时间T、俯仰提前量σ和方位提前量δ都是未知的，这三个位置参数反而应当是要通过计算求解的。
要求得提前量需要先求得目标未来位置，要求得目标未来位置则需要根据目标的三个变化率参数乘以炮弹飞行时间计算，而要求得炮弹飞行时间则需要知道提前量参数和目标未来位置。可以看到三个应求未知量在求解过程中相互影响相互依赖，求解这个提前量问题实际就是要求解三个未知数的方程组。
为了求解这种方程组，通常的火控计算机设置了复杂的计算组件来进行自动的迭代逼近求解。日本九四式高射装置的射击盘则采用了手动输入参数、人工比对迭代的方法，计算机内部基于输入参数计算火控基础方程对应的函数值，通过人工调整输入参数使输出值归零获得方程的根。
九四式高射装置教科书中的距离绘图说明
九四式高射装置的射击盘上集成了一套绘图和测量设备用于绘制测距仪发送的斜距曲线以及确定距离变化率和炮弹飞行时间，此设备和英国高射火控系统（HACS）的绘图设备非常相似，测量设备用于量取绘制距离曲线斜率以及射击距离，只不过日本设备采用光学投影窄光带方式而非英国实体游标。日本射击盘绘图投影光带的末端对应英国火控台的目标未来距离游标，光带末端的横轴位置等于目标的未来距离（日本称射距离）。
操作员通过转动距离变化率手轮来改变窄光带的倾角以测定距离曲线斜率即距离变化率，他通过另一个射距离手轮来输入飞行时间，此飞行时间将引起指示未来位置的窄光带末端相对绘图笔纵向移动，因此日本海军也将这一手轮称为射距离手轮——尽管实际输入参数是飞行时间。引信距离凸轮收到未来目标仰角和飞行时间这两个参数后输出射距离参数，使光带末端横向移动。
操作员同时操作上述两个手轮使窄光带连接距离曲线的末端且保持和曲线斜率相同，此时即向射击盘输入了正确的目标距离变化率参数以及飞行时间参数。这一过程和英国高射火控系统（HACS）的绘图设备相似，相当于人工调整参数完成美国Mk 1火控计算机的自动迭代过程，只不过英日火控计算机相关的联动组件和输入输出参数稍有不同。
九四式高射射击盘实现距离变化率和炮弹飞行时间输入的绘图机构原理说明
在九四式射击盘的计算中，目标的俯仰角和方位角变化率是极其重要的输入参数，但在其输入参数表中并没有这两项，射击盘实际上是依靠内部组件来将俯仰角和回旋角输入自动转化成变化率参数。
根据高射机发来的参数，射击盘通过伺服机构或人工操作随动手轮持续输入不断变化的目标方位角和俯仰角参数（已经过动摇修正和坐标转化），对应的连杆根据参数的变化速度旋转，其转速即为对应的目标方位角和俯仰角变化率，方位和俯仰角度参数作为积分器转盘的输入即可将角度变化率乘至相关计算参数中。
九四式高射射击盘内用于将俯仰角参数转化为俯仰角变化率并乘入算式中的积分器
在初始启动时，俯仰和方位提前量输入在0位置，射击盘内部的相关参数转轴参数为0，则引信距离凸轮以当前俯仰角为参考输出射距离，对应的飞行时间输入参数被代入俯仰和方位提前量计算组件中求解得到提前量输入为0时的生成提前量参数和输入值之差，此参数分别显示在俯仰和方位提前量平衡表盘上。根据显示的参数偏差，操作员转动平衡手轮，向射击盘输入提前量角度。随着参数的输入，求解器生成的偏差参数变化，反映在平衡表盘则是随着手轮输入值的增加偏差值不断降低，最终平衡表盘示数归0，此时操作员输入的提前量参数即为正确值，得到了火控解，此过程相当于人工实现的迭代求根。
射击盘的提前量参数最后将传输至一个球面解算设备，基于高射机发来的瞄准线纵向和横向倾角参数修正舰炮的俯仰角和回旋角，最终传输至炮位的随动指针复示器，由炮手人工完成随动瞄准。
九四式高射装置教科书中的射击线动摇修正机构示意图
总结
九四式高射装置采用的速率式解算模式无需像合成式系统反复修正模拟的敌我运动，这简化了火控作业，相对来说加快了获得火控解的速度。射击盘采用的计算模型和公式并不限定目标的运动状态，无论是爬升还是俯冲的目标都可应对，目标改变航向和航速也不会影响计算，且并没有增加多少系统复杂度，相比英法采用平飞假定的合成式高射火控有一定优势。采用速率式系统和人工迭代求根的设计也大大简化了高射机的内部机械结构，对于精密设备生产能力弱的日本来说有利于提高产量。
但此种速率式火控高度依赖观测设备对目标的精确跟踪，如果俯仰瞄准手、回旋瞄准手、纵动摇手和横动摇手任意一人没能保持准确瞄准，输入计算机的俯仰角和回旋角都会产生偏差，基于两角度参数输入的变化率也会偏差，进而导致计算失准，这加剧了缺乏陀螺仪稳定带来的不利影响。由于距离变化率往往本身也在不断变化（距离绘图为曲线，斜率一直在变化），简单的绘图观测很难获得准确的距离变化率，基于此得到的火控精度并不高。
另外，速率式的射击盘并不模拟目标运动，火控系统完全依赖对目标的持续追踪来生成火控解，一旦目标被云层或烟雾遮蔽导致光学设备无法继续追踪，火控系统就无法继续解算参数。
九四式的射击盘基本公式为了简化运算实际上也对一些参数做了近似处理，这种近似误差会随距离增加而增大。
日本火控自动化水平较低，九四式高射装置依赖人工操作手轮随动或输入诸多参数，例如本舰航速修正和视差修正，炮弹飞行时间、俯仰提前量和方位提前量等参数也依赖人工比对平衡表盘输入而并非真正的自动解算。在作业过程中，人工读数输入不可避免会存在人为误差和滞后问题，进而影响火控解算精度。对人工操作的依赖也带来了火控人员数量多、对各操作员技术水平和配合协作要求高的短板（九四式高射装置的射击盘需要多达9名操作员且数名操作员必须持续作业）。
许多文献引用了USNTMJ O-30中 “The system as a whole is similar to and can be compared with the U.S. Mark 37 System.” 这句话，实际上只是说明九四式在设备组成和布置上类似Mk 37而已，其技术水平与性能和高度自动化的Mk 37系统还有非常大的差距。
参考资料
US Naval Technical Mission to Japan, Japanese Anti-Aircraft Fire Control (Report O-30)
九四式高射装置教科书
Naval Anti-aircraft Guns and Gunnery, Norman Friedman
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发表于 2023-5-27 22:25
楼主
发表于 2023-5-29 21:22
