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Mk 37火控系统设计和原理浅介

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上士

三年服役纪念章海军及海军陆战队勋章

发表于 2023-6-20 17:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 JeanBart 于 2023-6-21 11:14 编辑

美国海军在二战前夕服役的Mk 37火控系统是二战时最为优秀的对空火控系统。它系统设计精密,数据传输和计算高度自动化,自动反馈修正功能强大。这款火控系统在战时也经历了高烈度防空作战的考验,证明了其设计与性能的优越,是美军取得战争胜利的重要技术基础。

Mk 37火控系统主要组成部分包括Mk 37指挥仪(Director)、Mk 6垂直稳定仪(Stable Vertical)、Mk 1火控计算机(Computer)等设备。
Mk 37火控系统各组件之间的火控参数流向

Mk 37指挥仪

指挥仪的功能

Mk 37指挥仪安装在舰体上层建筑结构上,是一个配置了观测设备的全封闭转塔结构,主要功能是提供观测参数给火控计算机确定敌我相对位置,即测量3个目标相对位置参数:

        1.指挥仪回旋角B’r,指挥仪座圈正向相对于舰体正向的顺时针转角;

        2.指挥仪俯仰角Eb,指挥仪瞄准线(LOS)和舰体甲板平面在竖直平面内的夹角,相当于目标在水平面坐标系的俯仰角E加上瞄准线方向的舰体纵向倾角L;

        3.目标当前距离R,指挥仪和目标沿瞄准线(LOS)的距离。

上述三个参数在火控系统中相当重要,它们既是计算机初始设置参数,又是校核计算机生成目标位置准确度的参考。

指挥仪的次要功能是作为火控系统的主要控制位置。在全自动模式下,整套火控系统都由指挥仪控制。在发挥指挥控制功能时,指挥仪需要向火控计算机提供以下信息:

        1.初始时刻估测的目标相对水平航向角A、估测的目标水平航速Sh和估测的目标爬升率dH;

        2.提供弹着修正参数Rj、Vj、Dj;

        3.提供火控计算机的速率控制修正参数——操作员通过手动修正瞄具或雷达设备保持对目标的瞄准,即可自动完成修正参数的传输。
未安装火控雷达的Mk 37指挥仪内部设备和人员配置
安装了火控雷达的后期Mk 37指挥仪内部设备和人员配置

Mk 37指挥仪上安装的设备包括:

        1.三套(后期改进型号为两套)横轴稳定的望远瞄准镜,分别是俯仰瞄准镜、回旋瞄准镜和控制官观察镜(后期改进型号取消了控制官观察镜);

        2.一套回转瞄具(Slewing sight);

        3.一台横轴稳定的15英尺基线体视式测距仪;

        4.可能安装一套火控雷达设备。

指挥仪的操作人员包括:

        1.一名控制官(Control officer),负责指挥整个指挥仪乃至整套火控系统,他使用回转瞄具瞄准目标并超控指挥仪快速回转指向目标,同时还负责给出估计的目标运动参数、给出俯仰角和回旋提前量观测修正(Spot),有时也能使用击发扳机控制射击;

        2.一名俯仰瞄准手(Pointer),负责通过俯仰瞄准镜或雷达显示设备控制瞄具和雷达天线瞄准目标;

        3.一名回旋瞄准手(Trainer),负责通过回旋瞄准镜或雷达显示设备控制整个指挥仪回旋瞄准目标;

        4.一名测距仪操作手(Rangefinder operator),负责操作测距仪测距,在对空射击时提供距离观测修正(Range spot),对海射击时提供距离和方位观测修正(Deflection spot);

        5.一名测距仪通话员(Rangefinder talker),未安装雷达的型号中才会配置此人,负责在测距仪读数同步传输设备失效时用电话向其他火控位置报告测距仪的读数,亦可接替测距仪操作员操作测距仪;

        6.一名照明官(Illumination officer),当指挥仪中分配有此人时,他负责指挥探照灯照射和照明弹射击,昼间亦可作为控制官的通话员或接替指挥仪中任意人员。

        7.一名通话员(Talker),将来自其它火控位置的信息报告给控制官。

        8.一名雷达操作员(Radar operator),在安装有雷达时取代测距仪通话员,负责操作火控雷达的控制台。

Mk 37指挥仪的横轴稳定瞄具

指挥仪的设备运作和人员操作

为改善对空中目标的持续跟踪瞄准,Mk 37指挥仪采用了三轴稳定设计,不过此三轴稳定并非德式的整体三稳,而是瞄具瞄准线和指挥仪回旋角稳定。

Mk 37指挥仪瞄准手的瞄具依靠在瞄具目镜处设置一套棱镜设备来偏转光路,整个镜筒呈直线水平对齐指挥仪指向,稳定设备只需使镜筒沿轴向转动就能保持瞄具横轴水平稳定。

指挥仪上的测距仪和火控雷达均安装在纵轴基座上,可以相对指挥仪横向摇摆保持稳定。
Mk 37指挥仪的横轴稳定示意图

指挥仪的稳定依赖于垂直稳定仪发来的数据信号和火控计算机发来的控制信号。垂直稳定仪向指挥仪传输瞄准线横向倾角,由指挥仪上的接收-校准器(Receiver-regulator)输出控制信号保持瞄具、测距仪和雷达天线横轴稳定在水平状态。

指挥仪的回旋和瞄具的俯仰并非由陀螺仪直接控制稳定,而是依赖于火控计算机的的计算和遥控。Mk 37火控系统的Mk 1火控计算机基于设定的敌我相对运动以及垂直稳定仪提供的舰体摇动参数,实时生成保持指挥仪设备追踪目标应有的回旋角速度和俯仰角速度并发送给指挥仪的控制设备,指挥仪回旋和瞄具的俯仰在计算机的自动控制下保持稳定跟踪目标而不受舰体摇动影响,如果准星偏离目标,则表示火控计算机设置的目标运动参数有误,瞄准手按下速率控制按钮并手动修正保持瞄准,就能将实际瞄准角度传输至计算机处,实际角度和计算机生成角度的偏差将用于修正计算机中的目标运动参数。

在不使用计算机自动控制时,指挥仪实际上只能借助陀螺仪实现横轴稳定,不具备自动的纵向倾角和回旋稳定,也没有其它替代性的人工稳定措施。

指挥仪内没有设计用于在垂直稳定仪失效时人工测定舰船倾斜的设备,因此也就没有专门的纵向倾角瞄准手(Leveler)和横向倾角瞄准手(Cross-leveler)。如果陀螺仪的横轴稳定失效则测距仪和雷达的横轴都需要归零然后在无稳定状态下工作。

Mk 37火控系统不采用常规火控的间断测距绘图模式,而是保持体视式测距仪连续追踪目标并持续传输距离数据到计算机的复示表盘,或是直接使用火控雷达实现更精确的连续距离追踪。测距仪安装有一套控制棱镜组的伺服电机,控制组件接收火控计算机生成的当前距离参数并调整测距仪的设定距离。若测距仪视角中的游标偏离目标,则表示计算机设定的目标运动参数有误,测距手将按下速率控制按钮并手动调整测距仪的旋钮保持准确测距,测距仪测定距离和火控计算机生成距离的偏差将用于修正计算机中的目标运动参数。

火控雷达的测距作业和测距仪类似,在对准目标并启动计算机控制模式后,火控雷达的显示屏根据火控计算机生成的距离参数调整距离门保持目标在显示屏中央,如有偏移则操作员按下速率控制按钮并手动修正。

指挥仪的运作首先从搜索目标开始,指挥仪控制官根据目视或目标指示设备提供的目标方位角使用回转瞄具控制指挥仪快速对准目标大致方位,之后通过光学观测给出估计的目标爬升率dH、目标相对水平航向A和目标水平航速Sh。俯仰瞄准手和回旋瞄准手转动手轮使用光学瞄具或雷达显示设备搜索目标并瞄准,自动向火控计算机的复示设备传输指挥仪俯仰角Eb和指挥仪回旋角B'r。俯仰瞄具将自动控制测距仪和雷达天线俯仰,使二者对准目标。对准目标后,测距仪和雷达操作员调整距离参数,使测距仪游标和目标位于同一距离或使目标光点位于雷达显示屏中央,目标距离R将会自动传输至火控计算机的复示设备。指挥仪操作员捕获目标后将保持追踪,直到火控计算机开始基于设定参数生成数据。

在自动控制模式下,计算机接管指挥仪的控制,使用生成参数驱动指挥仪回旋、瞄具和雷达俯仰以及测距仪和雷达的距离跟踪。自动模式下使用指挥仪速率控制时,若瞄具、测距仪或雷达偏离目标,则相应的操作员按下速率控制按钮并手动修正维持瞄准,计算机生成参数和观测参数表盘将产生偏差,此偏差作为输入数据通过速率控制组件自动修正计算机设定的目标运动参数。如果安装的是战后服役的、具有自动追踪功能的Mk25火控雷达,则俯仰角、回旋角和距离的速率控制完全由雷达自动完成,操作员无需手动操作。不采用指挥仪速率控制时,操作员仍手动修正参数,但不使用速率控制按钮,速率控制由计算机的操作员根据复示设备的显示参数操作旋钮调节来实现。

Mk 6垂直稳定仪

Mk 6垂直稳定仪是Mk 37火控系统中的一套关键设备,它位于绘图室且紧邻火控计算机,核心组件是一台用于测量舰船摇动的陀螺仪。指挥仪瞄准目标后,垂直稳定仪将接收指挥仪回旋角B’r和本舰航向Co数据得到当前的瞄准方向,将陀螺仪持续感测的舰体摇动角度为分解为瞄准线方向的纵向倾角L和横向倾角Zd以及横向倾角函数Zd/30(用于修正横倾引起的俯仰角变化),指挥仪和火控计算机接收这些实时的数据用于实时稳定观测设备、修正计算机的输入输出参数,并通过伺服遥控系统实现舰炮的连续稳定瞄准。

垂直稳定仪的另一功能是依靠陀螺仪感测摇动来控制舰炮实现定角射击,使舰炮在理想的角度击发从而避免舰体摇动干扰。使用此功能时,陀螺仪不再持续输出感测的摇动数据,而是通过机械结构在舰体摇动角度等于设定角度时自动闭合击发电路,操作员只需持续按住击发扳机,垂直稳定仪将自动控制舰炮在合适时机击发。

对空射击时垂直稳定仪必须设置在连续瞄准模式,对海射击时则可以选择在固定纵向或横向倾角射击。


Mk 6垂直稳定仪


Mk 1火控计算机

高平两用的Mk 1火控计算机是火控系统的核心设备,它负责求解出舰炮的提前量参数。为了实现这一功能,Mk 1火控计算机设计了复杂的计算组件,主要的计算模块可以分为模拟敌我运动和计算瞄准参数两大组成部分。
Mk 1火控计算机

Mk 1火控计算机采用了synthetic火控方式,在计算机中建立了模拟的敌我运动,基于这一模拟运动求解出计算提前量所需的目标方位角、俯仰角和距离变化率。计算机采用目标水平航向Ct、水平航速Sh和爬升率dH三个参数表示目标的三维运动,敌我相对位置参数包括目标方位角Br、俯仰角E和当前距离cR,本舰运动参数包括本舰航向Co和本舰航速So。计算机的计算假定目标保持航向航速不变。由于采用了真实的三维运动模拟,Mk 1型火控计算机能够应对包括俯冲和爬升在内的所有目标运动情况。当目标俯仰角和爬升率设置在0时即可用作对舰火控。

Mk 1火控计算机具有极高的自动化水平,其操作人员仅需要1名监督军官和4名操作员,即便加上2名垂直稳定仪操作员,总人数也不过7人,在全自动火控模式下,火控计算机完成初参数设定后就可完全由指挥仪控制,甚至无需操作员干预。
Mk 1火控计算机和Mk 6垂直稳定仪的操作人员

火控计算机输入参数  
垂直稳定仪机械输入参数
L
瞄准线纵向倾角(Level)
Zd
瞄准线横向倾角(Cross-level)
L+Zd/30
瞄准线纵向倾角+横向倾角函数
指挥仪电传输入参数
R
观测当前距离(Observed present range)
Eb
指挥仪俯仰角(Director elevation)
B’r
指挥仪回旋角(Director train)
Rj
距离观测修正(Range spot)
Vj
俯仰提前量修正(Elevation spot)
Dj
回旋提前量修正(Deflection spot)
-
速率控制信号
指挥仪电话通报手动输入参数
Sh
目标水平航速(Horizontal target speed)
dH
目标爬升率(Rate of climb)
A
目标相对水平航向角(Target angle)
陀螺罗经和测速设备电传输入参数
Co
本舰航向(Own-ship course)
So
本舰航速(Own-ship speed)
绘图室手动输入参数
Sw
真风速(True wind speed)
Bw
真风向(True direction true wind)
I.V.
初速(Initial velocity)
Tg
延迟时间(Dead time)
Dip
水面目标俯角(Dip angle)
火控计算机输出参数
电传输出给炮座的参数
B’gr
舰炮回旋角(Gun train order),包括自动控制信号和复示设备信号
E’g
舰炮俯仰角(Gun elevation order),包括自动控制信号和复示设备信号
Ph
回旋角视差修正参数(Train parallax correction)
Pv
俯仰角视差修正参数(Elevation parallax correction)
Vs
视线垂直提前量(Sight angle)
Ds
视线水平提前量(Sight deflection)
F
引信设定参数(Fuze order)
电传输出给指挥仪的参数
∆cR
距离增量
∆cEb+Zd/30
指挥仪俯仰角增量,包括自动控制信号和复示设备信号
∆cE+L+Zd/30
指挥仪俯仰角增量,包括自动控制信号和复示设备信号
∆cB’r
指挥仪回旋角增量,包括自动控制信号和复示设备信号
机械输出给垂直稳定仪的参数
B’r
指挥仪回旋角(Director train)

Mk 1火控计算机的敌我相对运动建模
基于模拟的敌我运动求解出目标相对于本舰的3个互相垂直的线速率是模拟运动部分的主要功能



运动模拟部分


Mk 1火控计算机的运动模拟是其求解火控参数的基础。运动模拟部分的基本数学模型非常简单,已知本舰和目标基于水平面坐标系的运动方向和运动速度以及敌我两舰的相对位置,则敌我双方的运动矢量可以直接向沿瞄准线和垂直瞄准线的三个方向分解,双方运动矢量在目标位置叠加后,即得到了目标相对本舰运动的三个线速度,分别是沿着瞄准线的距离变化率dR,垂直瞄准线水平方向的线速度RdBs以及垂直瞄准线俯仰方向的线速度RdE。基于上述三个线速度矢量可以积分更新敌我的相对方位,也就能不断地实时模拟敌我运动,而弹道计算组件则能根据这三个参数预测出目标的未来方位,即炮弹的理论炸点。

运动模拟部分输入参数
测得的本舰运动参数
Co
本舰航向
So
本舰航速
估计的目标运动参数
Sh
目标水平航速
dH
目标爬升率
Ct
目标水平航向
测得的目标相对位置参数
R
观测目标当前距离
E
目标俯仰角
B'r
指挥仪回旋角
垂直稳定仪参数
jB’r
指挥仪回旋角甲板倾斜修正
L+Zd/30
瞄准线纵向倾角+横向倾角函数
速率控制参数
jdR
距离速率控制
jE
俯仰角速率控制
jBr
回旋角速率控制
运动模拟部分输出参数
输出给瞄准参数计算部分的参数
dR
距离变化率
RdE
俯仰方向线速度
RdBs
回旋方向线速度
cR
生成当前距离
E
目标俯仰角
输出给指挥仪的参数
∆cR
距离增量
∆cEb+Zd/30
指挥仪俯仰角增量
∆cB’r
指挥仪回旋角增量
甲板倾角影响下观测角度参数与真实角度参数的修正关系

Mk 1火控计算机的敌我相对运动模型是建立在水平面坐标系上的,故输入参数必须为基于水平面坐标系的量,但指挥仪所测得的指挥仪俯仰角Eb和指挥仪回旋角B'r都是基于本舰甲板平面坐标系的、指挥仪军官估计的目标相对航向角A则是基于瞄准线方向的,因此需要经过修正转化后才能供计算机精确计算。

火控计算机的数据接收端有一个甲板倾角修正组件(Deck tilt group),从垂直稳定仪接收瞄准线纵向倾角L和横向倾角Zd以及指挥仪回旋角B'r,换算后输出指挥仪回旋角的甲板倾斜修正参数jB'r,此参数和指挥仪回旋角B'r叠加生成水平面坐标系下的目标方位角Br。计算机接收端的另一个俯仰角同步组件(Synchronize elecation group)接收指挥仪俯仰角Eb和垂直稳定仪发来的瞄准线纵向倾角L简单加减后得到以水平面为基准的目标俯仰角E(指挥仪俯仰角瞄具本身已经过横倾修正)。目标水平航向角则由输入计算机的目标相对航向角A经过基于本舰航向、目标方位角参数自动相对位置换算得到相对于正北的目标真航向角Ct。

计算机基于上述水平面坐标系下的敌我相对位置和运动参数,通过简单的基础三角函数和加减乘除运算,将基于大地坐标系的敌我绝对运动转化为目标相对于本舰的距离变化率dR、俯仰方向线速度RdE和回旋方向线速度RdBs,这三个相对运动速度参数输出至瞄准参数计算部分和积分器部分。


水平面上的敌我绝对运动矢量与以本舰为原点的相对运动矢量分量之间的转化


LOS竖直平面上的敌我二维相对运动矢量分量与以本舰为原点的相对运动矢量分量之间的转化

其中,积分器部分接收变化率参数计算出生成目标距离增量∆cR、生成目标俯仰角增量∆E和生成目标回旋角增量∆cBr,这三个生成参数用于更新运动模拟的输入参数并同时在计算机上显示,距离参数本身以及经过包括L+Zd/30(用于修正指挥仪俯仰角)等参数修正后的两个角度增量参数还将输出至指挥仪,用于自动控制指挥仪设备跟踪,或仅显示在复示设备上作为参考。

Mk 1火控计算机相对运动求解器的数据流和计算结构示意图
Mk 1火控计算机相对运动积分器的数据流和计算结构示意图

速率控制组件

Synthetic火控需要操作人员不断根据观测目标参数和计算机生成数据的偏差来调整设定的目标运动参数,使得根据估测设定的目标运动参数和实际目标运动参数相符,这一修正过程较为繁琐耗时,在对舰/面火控上可能没有很大的不利影响,但对于时效要求较高的对空火控来说就很致命了。如果不能快速修正得到正确的目标运动参数,就无法及时拦截敌机,而且由于空中目标具有很强的机动性,如果修正速度太慢则目标很可能已经改变了运动状态,需要重新设定参数。

为了在synthetic工作体系下快速获得火控方案,Mk 1火控计算机引入了一套速率控制(Rate Control)组件来快速自动修正目标水平航向、水平速度和爬升率这三个基于估算设定的初始参数。在自动控制模式下,计算机生成的指挥仪回旋角增量∆cB’r、指挥仪俯仰角增量∆E+L+Zd/30和目标距离增量∆cR参数通过遥控系统控制指挥仪回旋、瞄具棱镜偏转以及测距仪棱镜偏转,若生成的变化率有误致使准星偏离目标、测距仪游标失准、雷达光点偏离,指挥仪的操作员只需按下速率控制按钮启动计算机的参数输入耦合器,并手动回准瞄具或雷达,计算机上对应的3个观测数据表盘就会和生成数据表盘错动,同步电机就将驱动生成数据表盘追随观测数据表盘,此过程中就自动向速率控制组件输入了三个修正参数jdR、jE和jBr。

速率控制组件结合目标方位角Br、目标俯仰角E、计算机内设定的目标水平航向Ct和目标水平航速Sh,经内部机械自动换算并修正计算机设定的目标参数Ct、Sh、dH。如此反复多次后,计算机设定的目标运动参数就将被修正至高度接近真实值,也就能得到准确的火控解。

速率控制参数和目标运动参数修正量之间的转化关系

使用速率控制后,Mk 37火控系统只需要指挥仪保持对目标的追踪和速率控制修正,就能够迅速获得准确度较高的目标运动参数,继而获得较准确的火控解。速率控制也可由计算机的操作人员手动追随指挥仪的观测表盘来完成,目标速度低于速率控制设备的15节下限时也能直接手动调整目标参数来实现修正(对舰射击)。

Mk 1火控计算机集成的这种速率控制功能实际上已经近似于直接测量目标相对位置变化率的tachymetric火控模式,可以通过实时追踪目标来修正/获得目标的运动参数并不断加以更新。在开始火控计算时,其实可以随意大致设定目标的运动参数,完全依靠速率控制作业来修正出准确的目标运动。而在持续的追踪修正下,即便目标运动状态发生变化,速率控制组件也能快速地自动完成修正,无需再人工估算并重新设定参数。

Mk 1火控计算机手册中以俯仰瞄准手为例介绍的自动速率控制
Mk 1火控计算机自动速率控制组件的数据流和计算结构示意图

瞄准参数计算部分

基于上述运动模拟部分生成的三个线速度参数(dR、RdE、RdBs),Mk1火控计算机的瞄准计算部分利用本舰弹道参数迭代出瞄准点,并基于弹道参数和弹道修正参数计算出在真实水平面下的舰炮回旋和俯仰角参数。

计算瞄准参数部分的输入参数
模拟运动部分传来参数
dR
距离变化率
RdE
俯仰角线速度
EdBs
回旋角线速度
cR
生成当前距离
E
目标仰角
手动输入参数
Tg
延迟时间
I.V.
初速修正
Sw
真风速
Bw
真风向
Dip
视线俯角(对海时使用)
指挥仪发来的修正参数
Rj
距离观测修正
Vj
俯仰角观测修正
Dj
水平提前量观测修正
速率控制参数
jdR
距离速率控制
jE
俯仰角速率控制
jBr
回旋角速率控制
计算瞄准参数部分输出参数
F
引信设定
R2
目标未来距离
E2
目标未来俯仰角
Vs
视线垂直提前量
Ds
视线水平提前量

要计算舰炮瞄准方向,首先要给出需要瞄准的空间点,也就是目标未来的位置。假设已知炮弹的飞行时间Tf,则目标在水平方向上的线位移为Tf×RdBs,目标在俯仰方向上的线位移为Tf×RdE,目标在瞄准线方向上的线位移为Tf×dR,3个方向上的位移矢量合成后叠加至目标当前位置即可得到目标未来位置,再经过换算即可得到目标未来距离R2,目标未来俯仰角E2和目标未来方位角提前量Ds。

目标未来位置的计算原理

在计算机内进行的运算是标量运算,而垂直于当前瞄准线的两个线速度分量并不垂直于未来位置瞄准线,其矢量会引起未来距离变化,因此计算机在计算未来距离R2时,除了直接计算dR引起的距离增量,还需要再加上俯仰方向和回旋方向线速度引起的距离增量修正。同理,距离和俯仰角对回旋角的影响、距离和回旋角对俯仰角的影响都需要经过相关组件进行修正。

计算机为了获得准确的舰炮瞄准角度,还需要再引入风偏、初速修正和弹道偏移修正,将射弹理论落点或炸点修正至预测的目标未来位置上,此外还要根据弹着观测加入的距离修正(Range spot)、俯仰角修正(Elevation spot)和回旋提前量修正(Deflection spot)。

上述计算基于Tf已知的前提,但炮弹飞行时间Tf实际上是未知参数,它的具体数值和目标未来距离R2与未来俯仰角E2有关,也就是需要求解一个极其复杂的方程,解决方案则是迭代逼近。以当前距离cR和仰角E计算得飞行时间Tf1,然后利用飞行时间Tf1计算目标运动,则能得到一个基于当前位置飞行时间的目标未来位置,再用这个未来位置对应的距离和仰角计算飞行时间Tf2,利用飞行时间Tf2和飞行时间Tf1的差值计算应该修正的目标未来位置增量并得到新的目标未来位置,反复迭代后最终修正增量趋于无穷小,则得到了问题的解。


Mk 1火控计算机瞄准参数求解器的数据流和计算结构示意图,在计算过程中R2、E2和Ds三个输出参数也同时是输入参数,通过机械组件实现迭代求得方程的解

在机械计算机中,上述迭代的实现过程为:计算机输入敌我运动参数之前,距离变化率为0,系统内的未来距离R2等于当前生成距离cR,未来仰角E2等于目标仰角E,弹道时间凸轮的输入参数R2和E2也就等于cR和E,输出的Tf为基于cR和E的值。系统启动瞬间,dR参数的输入轴开始转动,乘法器瞬时输出dR微小增量δdR乘Tf的值,得到了距离变化Rt的微小增量δRt,此微小增量与生成距离cR相加得到了当前瞬时的R2值cR+δRt,R2参数轴随之旋转过一个微小增加δRt,进而引起弹道时间凸轮转动,进而带动Tf参数转轴转动。Tf转轴的转动又会在乘法器处引起δRt值微小增量,如此循环迭代直到最终Tf参数的变化微小到几乎不引起转轴转动。由于机械计算机机械传动特性,这种迭代是几乎瞬间完成的。当操作员设定计算机的初始参数时,机械结构就开始运动,此部分的输入参数也就相当于开始做时间积分,当设定完成时,各数据轴也会随即停止转动,迭代也就同时完成了。随着计算机积分装置不断积分更新相对运动参数,这部分的解算机构也同步转动,实时地输出目标的未来距离R2、目标未来仰角E2和视线水平提前量Ds。

瞄准参数经由耳轴倾斜和视差修正转化为实际瞄准角度后输出遥控信号和复示信号,通过伺服遥控系统直接控制舰炮瞄准或由人工操作随动。

计算引信设定时,需要考虑引信在扬弹机上自动装订完毕到实际发射之间的装填用时,因此还需要引入延迟时间Tg来调整引信设定时间。


完整的Mk 1火控计算机数据流和计算结构示意图


总结

从设计和运作模式来看,美国Mk37火控系统最大的特点就是极高的自动化程度和强大的火控数据反馈修正功能。

在先进机电自动化技术的支持下,Mk37火控系统实现了多种参数的自动输入和输出,降低了对操作人员的依赖,消除了数据传输过程中的人为误差和延迟,并实现了高精度陀螺仪自动感测舰体运动、指挥仪的自动稳定追瞄与高效的速率控制修正。

采用synthetic式火控计算机使得Mk37火控系统并不高度依赖对目标的持续准确跟踪,只要目标航速航向不发生较大变化,即便目标暂时不可见,已经获得准确解的计算机依然能保持对目标的大致追踪和瞄准而不至于失去火控解。

和同时期通过绘图量取参数变化率以及通过绘图迭代飞行时间的tachymetric系统相比,synthetic系统完成修正后能够得到更精确的变化率参数和炮弹飞行时间参数,也就能计算出更精确的火控解。另一方面,依靠火控计算机模拟的敌我运动,Mk 37指挥仪才得以在火控雷达尚无法自动追踪目标的时候就实现了计算机控制下的自动追瞄。

Mk37火控系统的自动速率控制组件是提高火控系统效率的关键,这套设备大大简化了synthetic火控对推测参数的修正过程以及修正精度,甚至一定程度上实现了tachymetric火控的功能,缩短了火控计算机获得准确火控解的时间,使得全系统能够更高效地完成对空火控职能。(实际上前型Mk 33指挥仪火控系统就已经有了类似的速率控制组件)

在能够精确连续测距的火控雷达引入后,Mk 37的这套速率控制组件的潜力也就得到了最大限度的发挥。依靠火控雷达的精确追踪,Mk 1火控计算机能够更为快速通过速率控制组件修正出准确的目标参数,也就能应付机动更为剧烈的目标。

Mk 37火控系统的主要缺陷在于,即便有了自动的速率控制修正组件,synthetic作业模式下要修正出准确的目标参数仍需要追踪目标一段时间,不好应付需要快速反应的情况——如在近距离上对付剧烈机动目标,因此在战时美军5英寸高平两用舰炮也会切换成由tachymetric式的Mk 51、Mk 57等指挥仪控制进行近距离对空射击,战后的高平两用炮则会由tachymetric的Mk 56指挥仪控制近距离射击(Mk 56从捕获目标到获得火控解只需要2秒钟的时间,但不擅于应付远距离目标)。

从设计特性和工作原理来看,高度自动化、求解精确、没有重大固有设计缺陷的Mk37火控系统是当之无愧的二战对空火控巅峰之作。

参考资料

OP-1064 Computer Mark I and Mods Description and Operation.
NavPers10798-A Naval Ordnance and Gunnery Vol 2 1958 revised from the 1950 edition.
GunFire Control System Mark 37 Operation Instrucctions
NavPers16116 Naval Ordnance and Gunnery 1944



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十二年服役纪念章TIME TRAVELER功勋勋章钻石金双剑金橡叶铁十字勋章行政立法委骑士团勋章政道纪念章旗手终身荣誉会员

发表于 2023-6-25 00:32 | 显示全部楼层
有一事不明,为何大米的火控设备一向设置多重冗余,像Mk 34/Mk38都继续装设光学横轴测定镜(cross-level periscope)来作为陀螺垂稳仪失效后的备份,但Mk 37系统的横轴稳定完全依赖陀螺垂稳仪,尤其是驱逐舰只有一套127炮火控系统,没了垂稳仪对空只能打固定弹幕就算了,对海就最多一万米,超过十几度仰角的炮耳倾角不经水平测定,这种射击偏差是属于瞄准的问题,计算再准都没用。

列兵

发表于 2023-6-25 10:10 来自手机 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2023-6-25 00:32
有一事不明,为何大米的火控设备一向设置多重冗余,像Mk 34/Mk38都继续装设光学横轴测定镜(cross-level per ...

合理猜測是為了減重和節省空間?

上士

三年服役纪念章海军及海军陆战队勋章

 楼主| 发表于 2023-6-25 16:41 | 显示全部楼层
mathewwu 发表于 2023-6-25 00:32
有一事不明,为何大米的火控设备一向设置多重冗余,像Mk 34/Mk38都继续装设光学横轴测定镜(cross-level per ...

美国海军此前的Mk 19、Mk 28和Mk 33指挥仪也都设置有测定横轴倾角的瞄具,唯独Mk 37是缺失的,大部分的文献都没有详细解释为何Mk 37会省略这一设备,我猜测是考虑了要缩小指挥仪体积和重量、改善内部人员的作业空间,以及垂稳仪技术已经足以完全取代人工。至于说万一垂稳仪故障的情况,或许是靠携带备件和加强保养维护来尽可能地避免。

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