在19世纪末和20世纪初,随着舰船建造技术、火炮技术和鱼雷等新型武器的极大发展,海军舰船上的炮手将面临一个很实际的问题,那就是从更远的距离命中目标。19世纪之前的海战主角是风帆战舰,其火炮交战的距离往往都在千米甚至是百米之内,该范围内的炮弹和步枪子弹或坦克炮弹一样拥有平直的弹道和短暂的飞行时间,其往往被视作直瞄武器。因而炮手通过目测预判的方式就足以使用一门轻型火炮对目标实现一定概率的命中。
但是在技术升级和战术进步的迫切需求下,在10km甚至更远的距离实现有效的火力打击就成为了必须解决的问题。在这种距离上,炮弹需要以高仰角的抛物线方式飞行更长的时间以获得足够的射程,目标的移动和炮弹的飞行轨迹将无法通过简单目测加以判断。因此,用以解决远程火力打击准确性的舰炮火控系统开始诞生并迅速发展。
与此同时,海军对炮术的研究也反过来推进了造船思路的变化发展,最终引领了无畏舰和大舰巨炮时代的到来。
本系列文章将以著名海军专家,诺曼·弗里德曼的著作《海军火力:巨舰大炮时代的舰炮和战术》为线索,以英国皇家海军为案例,结合20世纪上半叶海军火炮战舰的发展历程和战争经验,总结并归纳一套针对海军火炮火控体系的简化描述,为了解战舰火炮的运行和使用原理提供参考,并以《大西洋舰队》、《Naval Art》和《战舰世界》等游戏作为参考,结合当前海战类电子游戏的特点对相关概念进行进一步说明和阐释。
本系列文章是对诺曼·弗里德曼所著《海军火力:巨舰大炮时代的舰炮和战术》总结的阅读笔记和简化解读,主要内容和对部分概念的介绍顺序和原书并不一完全一致。笔者水平有限,多有错漏,还请各位读者结合原书内容进行阅读,不吝赐教~
当舰炮向敌舰开火后,其飞出的炮弹将会以一条抛物线飞行,这条抛物线将受到炮弹飞行起始的仰角和速度影响,而以该仰角为方向的速度矢量将会分解为和地平线平行的水平速度,以及和地平线所垂直的垂直速度。由于炮弹在垂直方向上将始终受到重力加速度的影响,因而其垂直速度的大小将决定炮弹的飞行时间。
与此同时,水平方向上的速度则更大地受到空气阻力的影响并不断降低,导致炮弹飞行的抛物线呈现前后不对称的形状,飞行时间越长,炮弹飞行的距离越远,同时在落点处的水平速度则越小。
根据上述基本原理和实际测算,以相同火炮,或布置在一艘船上的多门相同火炮连续进行一定仰角和初速度的射击时,其炮弹飞行后的落点范围近似于一个长轴平行于炮弹轨迹的椭圆形,在内部的落点将以椭圆形的中心为基准,大致呈正态分布。
如果舰炮在火控系统的导引下,将射出炮弹的落点分布椭圆形盖住了敌方舰船(或是其“危险区”,详见下文),那就可以认定舰炮对该舰船实现了炮术意义的“命中”,即“跨射”,随后如果连续依照此方式射击(即“效力射”),那么将在未来的某一时刻获得真正的命中。如果在火炮开火后,落点的椭圆并不能覆盖敌方舰船,那么就需要根据落点的范围和敌舰之间的方位关系不断修正火控参数,以进行“校射”,并最终获得对敌舰的“跨射”和命中。
然而,舰船之间的火炮对射不仅取决于炮弹落点的分布概率,而往往需要首先解决将敌方舰船置于炮弹落点范围内这一问题。
在海洋上的战舰将随着波涛摇摆和移动,所以火炮首先就需要克服来自舰体运动所带来的干扰;其次,还需要准确获得敌方舰艇的运动参数以预测其在炮弹飞行时间后的方位位置;最后,存在于火控系统内的系统误差和随机误差将影响炮弹落点的分布,因而还需要观测真实的炮弹落点相对于目标的关系,从而不断修正火控参数。
实际上,诺曼·弗里德曼对舰炮火控所需解决的问题有着很形象的比喻:命中一个目标就像不断剥开洋葱一样,我们需要逐步解决一层层的问题才能得到尽可能理想的答案,而舰炮射击的基本问题就可以被视作三层结构:
当炮弹落点形成的椭圆形覆盖敌舰的时候,我们就会判定此轮射击取得了炮术意义上的命中,即跨射。然而,20世纪的火炮精度和炮弹散布并未如现代精确制导武器一般理想,其在椭圆形内部呈正态分布的炮弹并不一定能够实际命中敌方舰船。因此,进一步解决真正命中的问题就需要从两个方向着手:第一,是缩小炮弹落点分布的椭圆形,增加精度减少散布来取得更高概率的命中,但这一点意味着生产工艺和制造技术的根本进步,无法以当时的技术水平彻底解决。
因此,第二个方向就是增加敌舰在椭圆形内被命中的机率。实际上,椭圆形内部的炮弹并不是以垂直于海面的90°夹角落下的,而目标军舰舰体与炮弹落下轨迹相交的面积,才是炮弹真正能够命中的区域。这个区域在海平面上的投影面积,即为炮弹落点椭圆形内真正实现命中的范围,即“危险区”。
根据简单的几何关系,我们将炮弹落点附近的轨迹近似为一条直线,可以很轻松地得到以下结论:炮弹落下时的轨迹角度越小,危险区越大,能够命中的范围越大;而炮弹落下时的轨迹角度越大,危险区越小,能够命中的范围越小。那么在舰炮射击中影响危险区范围的因素,就成为了决定炮弹能否在效力射阶段取得真实命中的关键:
目标尺寸:目标舰体宽度和尺寸无疑会影响落弹命中的范围,宽度和高度越大则危险区越大;
舰炮射程:对同一种炮弹而言,抛物线的曲度会随着射程逐步增加,那么其末端弹道的落角也会随之增加,因而射程越远危险区越小;
舰炮炮弹:由于重型炮弹和轻型炮弹相比,其速度的保持能力(即惯性)较大,因而在飞行相同的距离后,重型炮弹的水平速度更大,对应的落角越小。所以重型炮弹和轻型炮弹在同一个射程内,往往弹道更平直,危险区更大;
舰炮身管长度:对于炮弹尺寸相差无几的火炮,拥有更长的身管意味着炮弹可以获得长的加速时间和距离,进而提高初速度而取得更加平直的弹道,从而增加危险区大小;
考虑到上述原因的影响,为取得在效力射阶段更大的命中概率和毁伤效果,各国海军都开始发展装备有重型炮弹的大型舰炮,开启了大舰巨炮的时代。
和同时期的陆军火炮相比,19世纪末到20世纪初的海军火炮面临着种种严峻的挑战和刁难:在随着波涛胡乱摇摆的舰船上,火炮射击的俯仰角和左右角度根本无法像在坚实的地面上一样固定,在获得准确的火炮射击诸元之前,能否先把火炮调整到能够射击的状态,就已经是一个巨大的挑战了。
一般而言,在海洋中的舰船会出现随着波涛的不规律/螺旋形摇摆,而摇摆的矢量可以舰船为参照,被分解为三个方向上的矢量变化:
横摇/横滚:船体向两侧摇摆,即两侧船舷相对于海平面的高度不断变化
纵摇:船体前后摇摆,即舰首和舰尾相对于海平面的高度不断变化
偏航:船体改变行驶方向,即海水与船舵或是船身相作用,导致舰船航向的改变
在大部分情况下,由于舰船运动和舰体形状的特性,其偏航和纵摇往往较不明显且容易控制,而横摇则会对舰船上的一切玩意产生巨大的影响,火炮更是重中之重。当以舰炮本身为参考时,横摇对舰炮瞄准的影响为在水平和垂直两个方向偏移瞄准线:水平偏移将影响炮弹飞行的左右指向,导致炮弹落点的左右偏差;垂直偏移将影响炮弹飞行的高低,导致炮弹飞行距离变化。
当舰炮指向侧舷时:横摇影响垂直方向为主
当舰炮指向舰首或舰尾时:横摇影响水平方向为主
当舰炮指向与舰体中轴线呈夹角时:复合横摇,即横摇可以同时改变垂直和水平方向
当舰炮从侧舷转向舰首/尾时:复合横摇带来的影响,将逐渐从影响垂直方向变成影响水平方向,称之为复合水平化
因而,舰船的航行过程对将舰炮射击产生多方面的,综合性的复杂影响:例如20世纪初的陆军火炮已经可以在10km以上的距离打出精确射击,而当时的海军火炮(前无畏舰)仅能完成1-2km距离的粗略打击,为解决这个问题,就需要对舰炮本身的位置和移动进行修正。
在第一次世界大战及之前,受到各类战术和武器装备配置的限制,海军主要的射击方式为侧舷射击,因而其主要面对的问题是修正舰炮在横摇垂直影响下的仰角变化。实际上,19世纪之前的海军炮手对于横摇问题的解决方案非常简单,那就是等到位置合适了再选择开火。
由于舰体横摇本身是周期性的,不同排水量和尺寸的舰船有不同的横摇规律,一般而言,当舰体横摇处在最高位和最低位的时候,其能够保持相对静止一段时间,在舰体横摇处于中间高度时,其变化速率最快。因此,许多炮手主要通过等到横摇至最高点或最低点时,确定火炮仰角并射击,并且可以依赖这种方式对敌方舰船的风帆/船底造成打击。
但是火炮射击弹药出膛需要一定时间,且舰船航行时的横摇无法一直保持规律性,因而这种射击和判断方式非常不可靠。
1898年,英国皇家海军斯库拉号巡洋舰的舰长,珀西·斯科特上校发明了一种可以初步解决舰炮俯仰角度修正的方式,即“连续瞄准”技术:以自然水平线作为参考,让炮手/瞄准手单独操控火炮的俯仰传动机构,不等待横摇的周期,而是在横摇过程中不断主动调整舰炮俯仰角度,以获得相对稳定的炮口位置。这种技术听上去十分简单,但是其根本前提是拥有实时获得自然水平线,以及灵活的火炮俯仰机构。
在斯科特上校推广连续瞄准技术后,皇家海军的炮手中出现了新的岗位:瞄准手,其负责连续不断地调整和修正舰炮俯仰角,通过确定此时甲板角度和自然水平面之间的夹角以稳定火炮的角度。实际上在拿破仑战争时期,炮手们就在使用钟摆作为参考以获得船只的摇摆状态,但是到了斯科特的时代,一种全新的专业仪器:陀螺仪,彻底解决了这个问题。
陀螺仪通过在转动过程中倾向于保持稳定的角动量来提供方向指示,其拥有定轴性和进动性两个特性。这种仪器到了今天也是几乎所有制导武器中必不可少的核心组件之一。在1906年,皇家海军研发并采购了适用于火炮连续瞄准的陀螺仪设计;而到了1908年,进一步出现了安装在战舰火控系统中的陀螺罗盘。
通过参考和观察陀螺仪给出的角度,炮手可以随时调整火炮的俯仰角度以克服横摇的影响,但是这种方法在当时仅限于9.2英寸口径以下的中小型舰炮,大型舰炮尚未拥有可以随时灵活调整俯仰角的机构。
对于这个问题,时任皇家海军兵工处处长,日后在日德兰统帅大舰队的约翰·杰利科海军上校提出并引进了新型液压系统,而到了1908-1909年,皇家海军的费舍尔将军评估通过了这套系统,并将其开始应用到当时所有的大型舰炮上:在1912年,俄里翁级战列舰的主炮已经可以克服12°的横摇,部分战舰甚至可以在16-18°的横摇下保持俯仰角稳定。
在获得实践的成功和海军的支持后,斯科特继续大力推广连续瞄准技术,并被任命为皇家海军的炮术长。这一举动标志着英国高层开始考虑到舰炮技术对海军和制海权确保的根本影响。尽管连续瞄准以修正舰炮俯仰角只是一种简单的技术,但是其是未来海军火控系统得以稳定发挥作用的根基之一,而这项工作也同时激发了美国海军和世界各国海军对于炮术的追求和研究,引领了海军炮术的发展。
在经验和简单火控工具对敌舰目标运动粗略预测的支持下,应用斯科特的连续瞄准技术能够大幅提升约1500码(1370m)以内舰炮射击的命中率。然而,在更远距离上实现命中就不单单依赖对火炮俯仰角的简单稳定了,由于射程提升后炮弹的仰角更大,且飞行时间更长,因而对远处目标的运动进行预测,以确定火炮射击所需要预先瞄准的位置就成为了十分必要的工作。
之所以考虑到需要在更远距离实现对目标的命中,一方面是为了规避来自鱼雷的威胁。在20世纪初,新型鱼雷武器出现了突飞猛进的发展,其射程不断增加,尽管中小型舰艇面对航速较慢的鱼雷攻击能够较轻松地予以规避,但是大型舰艇相对迟缓的机动性依旧难以处理鱼雷问题,因而在鱼雷有效射程以外发起攻击就成为了必要的考虑。
其次,由于战舰舷侧的垂直装甲不断增强,因而增加炮弹落弹角以攻击相对脆弱的水平甲板就成为了更有威胁的进攻方式。
不过,无论是为了规避鱼雷还是击中甲板,相比于曾经的近距离依赖炮手目测和经验的直瞄射击,火炮射程延伸后必然需要解决间接瞄准的参数问题。实际上在1899年,皇家海军的地中海舰队司令费舍尔就已经预料到这个问题,其在1902年的报告中指出,RN必须拥有在4000码(约3650m)以外准确命中敌舰的射击能力。
但遗憾的是,当时的技术工具无法支持海军在6000码(约5480m)外进行有效射击。开发一套实现远距离交战的火控系统就成为了皇家海军的当务之急。对于这样一套火控系统,其大致上需要解决如下几个需求:
对目标进行准确和快速的测距
对目标运动和方位变化的规律进行预测
将距离和目标运动规律转化为火炮射击诸元
将多个组件集成在一个系统内
首先,让我们复习一下简单的中学数学问题,即目前已知三角形的底边长度和两个底角的度数,可以通过简单的三角函数方式求得底边至顶点,或是三角形另外两条边的长度:将两个底角分别设为α和β,底边长度为L,底边和目标点的直线距离是d,那么:
L=d(1/tanα+1/tanβ),根据三角函数关系换算,可以得到:d=L[sinαsinβ/sin(α+β)]
因而,测距仪的基本工作模式,就是提供以测距仪长度为三角形的底边长度,和以测距仪两端瞄准目标统一位置的视线和底边成的夹角,根据这三个数值就可以推算出与目标的距离。实际上,在未出现专业测距仪的1885年,由皇家海军陆战队波尔少校和普林格尔上校就依次原理发明了一种简单的测距方式,即两名船员手持仪器分别站在舰首和舰尾,并同时瞄准目标舰船上的同一点(例如容易判断的高大桅杆或是烟囱),测量出视线的夹角角度,并结合已知的战舰长度就可以算出距离。
但是这个方法仅适用于目标舰船位于舷侧方向,且角度偏差不能过大,位于舰首和舰尾的两人还需要不断进行联系,因而海军开始将测距从舰首舰尾的两人转换到不同炮塔之间的联络,但是在19世纪末,绝大多数的海军炮术军官依旧凭借简单的目视对比大小(即望远镜参照)来确定大致距离以指挥炮击,这就导致战舰交战距离限制在了800码(约730m)以内。
为解决测距问题,皇家海军在1893年采购了巴尔斯特劳德公司生产的5英尺基线长度的合像式测距仪,作为第一种被广泛应用的专业光学测距仪器,其构成和原理如下:
合像式测距仪主体为一个水平长管,两端设置物镜组,包含透镜和反射镜;
使用时将测距仪对准目标舰船,舰船会在物镜中被观测到;
一般左侧的物镜组作为基准,主光轴垂直于测量基线,并通过特殊光学系统使其仅显示目标舰船下半部分;
而右侧的物镜组主光轴也垂直于基线,但是可以水平转动,其通过特殊光学系统使其仅显示目标舰船上半部分。
由于初始状态两个物镜相隔基线距离(设为L),因而上下两个舰船影像并不会对在一起,而是会出现左右偏移,此时转动右侧物镜至一定角度(设为α)使其上下影像对准,即意味着两个物镜瞄准了同一个点位,此时借由三角函数可以快速推算距离d,即:d=L/tanα
实际上,在测距仪的转盘上就已经提前标好了对应角度计算的距离,因而测距手在使用两个目镜对准目标后,就可以迅速读出数字以确定距离。一般测距手会选择战舰上较为明显的标志性区域(例如桅杆和烟囱)作为合像的参照点,因此,第一次世界大战期间,RN就将各种不规则纸板或木板贴在桅杆和烟囱周围,以破坏其边缘形状并干扰对方测距。但令人尴尬的是,当时的德国人采用的是另一种原理相近,但是测量方式完全不同的体视式测距仪,因而这种手段并未奏效。
对于利用三角测量原理的测距工具,其无疑需要考虑到测量准确性带来的影响。一般而言,测距仪的有效测距标准,是所测距离和实际距离的偏差在1%以内。主要有两个因素影响精度,即基线长度,和底边角度的精确度,而获得精确底边角度又需要借助光学系统的放大倍率。基线越长则更容易获得较大的底边角以减少测量误差,而更大的放大倍率则可以帮助观察手更精准地将目镜进行对准以获得准确角度。
因此,对于合像式测距仪的改进主要集中在提高基线长度,和增加光学系统倍率两个方向上。例如RN从1906年起,就采用了新型的9英尺基线FQ2型光学合像式测距仪,其在10000码(约9144m)上的误差仅为85码(约78m),15000码(约13700m)上的误差约为150码(约137m),这些测距仪的精度影响除了主要的基线和光学设备之外,还有光线折射,环境温度等等诸多影响因素,这些因素导致了实战状态下老式测距仪表现不够理想。
例如1913年,皇家海军雷神号战列舰对9800码(约8960m)外目标使用3种不同的测距仪进行测距,得出的结果相差范围达到了700码(约640m)之多,而3艘使用不同测距仪的战舰分别对19000-21000范围内的目标进行测距时,居然出现了最大到1500码(约1370m)的差异范围。
而在1907年,皇家海军终于决定研发新型15英尺基线测距仪,将测距范围扩大到20000码左右(约18300m)这种测距仪在多次改进后首先被伊丽莎白女王级和复仇级战列舰装备,并在日德兰海战后被紧急安装到当时所有的老式主力战舰。
1893年,德国蔡司公司开发了一种不同于合像式的,称为体视(立体)式的新型测距仪,其基于的三角测距原理和英国产品一致,但是其获得目镜角度和目标识别的方式和合像式完全不同:
体视式测距仪拥有一个横向的基线长管,两端也安装有物镜组,且其主光轴均垂直于基线
在测量时,以一侧的物镜为基准,双眼同时分别观察左右目镜内的舰船目标
由于基线的存在,双眼观察目标存在视线夹角,同时由于人类存在“双眼视觉”,即大脑能够将左右眼的视觉图像信息对比,并结合眼球周围肌肉的张力来判断物体的距离
因此,观测员可以调整物镜中的距离(即物镜的角度),使得两个物镜中的舰船大小调整至一样,进而获得准确的两侧物镜瞄准
这种利用人视觉机制并调整图像大小来拟合的测试方式有几个优点:第一,双眼视觉调整获得大小重合这一过程因为大脑的参与从而变的十分精确;第二,对比图像的大小将不受到图像外形的影响,只需要叠上就可以,因此无论是炮弹打出的水柱还是不规则的战舰都可以适用,不需要参照物;第三,对于飞机等移动速度较快的目标,其调整图像重合的方式更为简单轻松且快速。
但是,这种体视式测距仪对观测手的双眼视力要求较高(而且双眼视力应该相差无几),长时间使用容易造成视觉疲劳,不过这些问题往往在军队中都可以通过人员选拔和分配的方式轻松解决。因此,考虑到测量精确度和对飞行单位的测量,20实际30年代起,美国、法国和意大利等国的海军开始使用体视式测距仪,而对此抱有保留意见的皇家海军也开始在1943年后开始大规模装备这种测距仪。
对于相对或绝对静止的目标,进行舰炮射击就只需要解决俯仰角稳定性和目标距离即可。然而,当目标舰船在进行移动时,就需要考虑在炮弹飞行的过程中目标舰船的移动方向和距离,即其相对于本舰的水平移动速度和垂直距离变化速度,从而预测炮弹落下时舰船的实际位置。
因此,炮弹飞向目标时所跨越的距离并非其开火时的距离,而需要加上开火至命中时间内敌舰相对本舰的距离变化值;而瞄准的位置也不是开火时敌舰的位置,而需要加上开火至命中时间内敌舰的方位变化值。那么,通过种种方式预测敌舰运动,并依此计算所需的距离/方位变化值,即可获得火炮射击所需的参数。
在20世纪的海军实践中,主要通过在海图上进行标绘的方式来描述本舰和目标舰船的运动,并根据标绘的结果计算或预测舰船的运动规律。其中有三种主要的标绘方式,即德雷尔距离-时间标绘法,真实航迹/导航标绘法,以及虚拟/参考航迹标绘法。
德雷尔距离-时间标绘:以横坐标为两舰之间的相对距离,纵坐标为时间,那么可以通过连续测距获得散点图,并基于散点图拟合出一条函数曲线,该曲线的斜率即为距离的变化速率;而理论上,敌舰相对本舰的方位变化也可以通过该方式描述;
真实航迹/导航标绘法:以某一个真实坐标点为基准,纵坐标和横坐标分别定位北方和东方(或其他方位组合),直接在海图上标识本舰和敌舰的实际位置,并将位置点连线即可获得准确航线;
虚拟航迹标绘法:假设本舰静止,以本舰为基准,纵坐标为敌舰相对本舰距离,横坐标为敌舰相对本舰方位,而其中连续测距后获得的相对点连线即为敌舰相对本舰的相对航迹。
实际上,通过标绘的方式描述敌舰运动后,即可根据结果推测出敌舰运动规律,从而预测在舰炮射击过程中敌舰的可能位置。
对于航迹标绘,皇家海军内部分为了两种派别观点:第一种是以一位平民,亚瑟·亨格福德·普兰为引领的,尝试通过设计自动化机械系统以标绘真实航迹或虚拟航迹的思路;第二种则是以弗雷德里克·德雷尔上尉主导的,通过直接标绘敌舰的距离-时间变化,在距离变化率相对稳定的时候进行简化计算的思路。
实际上,考虑到本舰和目标舰船复杂的相对运动,以当时的技术水准很难将其区分处理,直接获得准确的航迹标绘也只能依赖20世纪40年代末才逐渐出现的后期机械模拟计算机(如安装在前卫号战列舰上的Mk X火控系统),因此普兰思路的实现并不顺利,而德雷尔的简化计算尽管尚不能适应剧烈的敌舰运动变化,但依旧可以较简单地得以实现。
上述关于火控系统的问题将在下一章中详细描述,本章则以德雷尔火控台为案例,简要说明当时舰船火控系统获得目标运动参数,并依此预测目标位置,提供射击诸元的过程。
由于在实战环境下,直接计算出实际的目标舰船实际的方位变化十分困难,因此有人提出将目标舰船相对于本舰的运动简化为一个单独的矢量,即变化率矢量:将敌舰的航向和航速作为敌舰航行矢量,将本舰的航向和航速作为本舰航行矢量,将这两个矢量根据平行四边形法则合成为一个矢量,该矢量则为描述两舰相对运动趋势的变化率矢量。
通常而言,当两艘舰船以稳定航向和夹角,稳定速度行驶时,两舰之间距离的变化率是稳定不变的,因此变化率矢量并不受到距离的影响,而是取决于目标运动矢量(相对于本舰的航向与航速)的变化。
在获得敌舰相对本舰运动的变化率矢量后,就可以以本舰作为静止参考基准,用变化率矢量表达敌舰的相对运动趋势,假设此时将本舰和敌舰通过一条视线连接起来,那么变化率矢量在垂直于该连线的分量即为敌方舰船位置的横向变化率(左右偏差,Deflection),平行于连线的分量即为敌方舰船位置的纵向(距离)变化率(Range Rate)。
变化率矢量在炮弹飞行时间内的积分即可表示炮弹飞到敌舰时的敌舰位置,根据相对两舰连线的两个分量,火炮就可以获得实际射程(L=目前距离+距离变化率*炮弹飞行时间的积分),和提前量(R=横向变化率*炮弹飞行时间的积分)。
上述计算过程有很强的时效性,首先需要通过观测目标舰船舰首水花和舰船水线角度,或通过连续测距的方式,以判断目标的航向角度与航速,之后才能够计算获取目标的距离变化率和左右偏差。同时还需要继续对目标进行测距,并将变化率在一段时间后的积分加上目前距离,获得预测的打击距离,并依此确定火炮诸元发起打击。
之后,还需要不断观测炮弹的真实落点并保持测距,以修正下一次齐射的参数。进行连续多轮工作之后,才可以比较准确地预测目前状态下目标舰的运动轨迹。因此,皇家海军需要一套机械自动化工具来辅助上述计算过程,并将计算结果合并分析以迅速获得火控参数。
1902年,皇家海军炮术军官约翰·索马里兹·德梅里克上尉发明了一个划时代的火控仪器,即德梅里克计算器,主要原理基于上文中对于变化率矢量的描述:
两条战舰在航行时,在较短时间内,其变化率矢量改变的程度和速度都会较慢,那么相应的距离变化率和左右偏差随时间变化的曲线可以近似为直线;
通过观测敌舰的相对航向角和速度(判断水线和舰首水花等等),或通过连续测距计算出航速和航向角度,从而获得敌舰航行矢量,进而通过计算获得变化率矢量,得到距离变化率和左右偏差;
通过测距获得两舰之间的距离,并将距离变化率和左右偏差乘以时间积分后加上距离,即可得到未来某一时间敌舰的具体位置,从而确定火炮射击诸元。
为实现第二部分,即计算出距离变化率和左右偏差,德梅里克计算器采用了一套物理模拟装置,以在一个平台上模拟本舰的航向和速度,敌舰的方位、航向和速度,并依此计算距离变化率和左右偏差,其具体结构包括一个大型的圆盘,上面有三根可移动的指针。其中最大的指针指代本舰的移动速度和航向,下面的小指针则指代敌舰的移动速度和航向,在盘面上还有一个指针指代本舰和敌舰的视线连线。使用方式如下:
第一步:首先移动本舰指针,设定本舰的航向,然后滑动上方刻度以设定本舰航速;
第二步:然后移动敌舰指针和刻度,设定敌舰的航向和航速;
第三步:转动圆盘,将连线指针与本舰和敌舰指针连在一起,设定两舰连接线;
第四步:读出连线指针和敌舰指针的交点,其上即为目前敌舰相对本舰的距离变化率和左右偏差。
为尽量减少本舰自身的移动所带来的干扰,后期的德梅里克计算器和陀螺仪相连接,以保证舰船在保持机动时,操作员可以随时持续地,不受干扰地准确移动本舰指针和敌舰指针,以获得连续的目标距离变化率,这使得舰炮拥有了一定条件下的,双方进行连续机动时的自由射击能力。
通过德梅里克计算器获得变化率矢量后,接下来就需要真正计算未来敌舰的位置信息。由于炮弹飞行需要一定时间,那么这段时间内敌舰和本舰的距离将会根据距离变化率出现连续变化,这个结果通过手工计算过于复杂,因此德梅里克火控系统引入了一种球盘式积分器,以对未来一段时间内的距离变化进行积分计算,从而获得准确的距离预测。
维克斯钟即为最早进行积分计算的自动化计算器,其基本结构由一个稳定速度旋转的转盘,加上一个连接长杆的金属球组成。其中转盘本身以稳定速度进行旋转时,离轴心越远的位置线速度越大,由于连接金属球长杆的延长线通过转盘轴心,因此放置在上面的金属球就可以通过改变接触位置,以获得不同的旋转速度(角速度)。
在金属球获得旋转速度的无极变化时,其等于将金属球的位置转换成了旋转速度,并通过金属杆传动到外侧的指针和其他结构上面,并且具有将变化率累计求和的能力。因此维克斯钟实际上就是一种球盘式积分器,其只需要输入目前敌舰相对本舰的距离变化率和当前距离,就可以根据这两个数值进行连续积分计算,而获得未来一段时间内的敌舰预测距离,从而为火炮瞄准提供准确参数。
随着1903年维克斯钟的原型被成功开发,从1906年起,各国海军均开始广泛采用这一系统,而早期舰船机械式火控计算机也逐渐获得了“钟”的代称,例如被称为阿尔戈钟(Argo Clock)的普兰计算机等。
除了对目标舰船进行位置预测之外,皇家海军还发展出了各种用途多样的机械计算器,例如修正炮弹飞行时受到横向风力的影响、或是炮弹命中后对目标舰船运动的影响等因素。对于将这些工具整合到完整火控系统中的细节,将在下一章中加以详细描述。
通过德梅里克计算器和维克斯钟,舰船火控系统终于能够获得相对准确的敌舰距离变化率和方位变化率,以及二者在时间变化后积分计算的结果。那么,根据上述参数绘制德雷尔的时间-距离航迹标绘也就成为了可能。在1911年,德雷尔成功将各种火控机械计算器整合到一个火控台上,并将之安装到威尔士亲王号战列舰上进行测试。随后,解决各种仪器兼容问题的MK IV型德雷尔火控台被皇家海军正式采用。其基本原理和操作如下:
德雷尔火控台包括数个基本模块组件:提供变化率矢量的主德梅里克计算器,根据变化率矢量结果运算积分出距离变化和左右偏差的两组维克斯钟,将维克斯钟的结果标绘至时间-距离参考系中的机械式标绘打印装置,以及通过观测弹着点结果进行修正的仪器、引入风速观测结果的风偏德梅里克计算器等等。
在操作中,首先需要根据观测结果将基本参数不断输入德梅里克计算器和其他辅助修正设备;之后其计算结果将通过手动转轮装置输入维克斯钟系统中,该系统将不断累积计算变化率,并将结果通过连接长杆的铅笔标绘在图版上;最后站在绘图板面前的操作员将通过目测的方式将散点进行连线,并得到敌舰运动的预测位置。
对于一艘长度超过180m,拥有数座大型主炮塔的20世纪初现代化战列舰,将位于舰桥顶端测距仪的参数信息传输至战舰深处密切保护的火控中心,并将火控台计算得出的火炮射击诸元分发至各个炮塔以完成射击工作,是一个对战舰设计的巨大考验。
由于实际战场中舰船机动的轨迹随时都在变化,所有舰船外部观测仪器(例如测距仪和望远镜等)获得的数据有很强的时效性,而机械式火控计算系统的出现则能够较快地完成对数据地解算,尽管如此,将这些数据准确地发送至炮塔内部也无法依赖人力或语音的报送方式。因此,以当时的技术能力,主要依靠遍布舰体内部的精巧机械或是电子设备传递信息。
1894年,英国的巴尔-斯特劳德公司发明了一种以电源为动力的机械钟表装置,其指针转动的位置和装置接收的电脉冲时长呈比例,可以将来自火控中心的数据实时地显示在安装在炮塔或是其他位置安装的表盘上。随后英国的维克斯公司对其进行改造,产生了较为成熟的MK II型数据传输装置。
除了单纯发送射击诸元外,战舰指挥还需要为每个炮塔分发相对应的单独数据和开火命令,并以此实现舰炮射击的火力协调。而埃沃希德-维格罗利斯公司则为此进一步设计了更加庞大的,可以精确快速输送距离、左右偏差以及开火命令的指示设备,并在1912年开始量产并安装到柏勒罗丰号及其之后的所有主力舰上。
在20世纪初的皇家海军,对于一艘战舰上所装备的所有火炮应当如何进行射击有着两种观点并相互争论:即在统一指挥下的所有主炮集中齐射,和各炮按照自身射速和目标进行独立射击。由于在前无畏舰时代,战舰上的火炮种类繁多,追求齐射将会面临各种火炮参数不一,射速不同而出现射程或是射速的浪费,并且齐射所致的密集落弹也无法让炮手分辨校对;而各炮独立射击则完全依赖自身的火力指挥,无法发挥火控系统所带来的优势辅助。
这种问题在一段时间内一直以一种诡异的方式在皇家海军内部共存,即远距离和极近距离射击应当采用齐射,中距离则进行独立射击。不过,很快人们就意识到,如果要追求在远距离对敌舰取得命中,那就一定需要集中的火控系统指挥,而减少火控系统工作量并利用同类炮弹提高打击命中的概率,那就最好使用同等规格的火炮。因此,全装重炮概念的无畏舰终于在火控系统发展的浪潮中诞生了。
为了充分利用现代化火控系统的优势,皇家海军在将主力舰主炮规格统一之后,就开始推行使用集中火控参数并进行齐射的指挥方式。这种战术不仅能够充分利用火控系统所解算出的敌舰位置预测参数,还能够极大地简化对炮弹落点的校射工作,提升火炮射击修正的效率。
由于实际战斗中,根据火控系统诸元所进行的第一轮炮击往往并没有那么准确,而站在舰桥高处测距/观测站位的军官会观测目标舰船附近炮弹落点所激起的水柱,并根据水柱的位置判断这轮射击相对于目标的偏差。随后火控系统将接收结果并加以修正,连续进行多轮射击以最终取得跨射,进而保持该参数直到实现命中。
但是舰船的运动存在实时变化,一段时间内的校对结果仅能支持数次打击,因而位于舰桥高点的观测人员必须时刻不断地进行测距和火力校对工作,那么相对的,舰船的火控系统也自然需要随时进行计算和修正,并时刻对各个炮塔的射击工作进行参数调整和火力协调。因此,为了支持在海战中保持持续的火力指挥能力,皇家海军开始重视这套“火控神经系统”的在舰船设计中的位置。
为了保护其在交战中不被命中瘫痪,从而报销整条战舰的火力打击能力,皇家海军的造舰专家们开始在舰船中部装甲指挥塔的下部设立一个被严密保护的控制室,其内部有多台电话交换机和机械信息传输设备,连通至各个炮塔和桅杆上的观测点位,并安装德雷尔火控台等机械式计算系统以处理火控信息。随着其内部设备和通讯系统的不断完善,这个专职进行舰炮火力打击指挥的舱室被正式命名为“火控中心”(Transmitting Station)。
作为一款以回合制模拟二战海战的游戏,《大西洋舰队》比较完整地为玩家呈现了整个舰炮射击指挥的过程。但由于其回合制的特性,仅能够体现相对“静对静”的射击效果,不过其依旧包含了测距-齐射-校对落弹点以修正参数-不断校射直至形成跨射-敌舰运动变化后再次校射的流程,玩家可以直观地以3d视角和海图视角两个角度体验舰炮指挥的过程。
在游戏中,玩家对火炮舰船的指挥仅包括移动和射击两个阶段,移动和射击的参数均可以在游戏界面中任意调整,同时,玩家还可以切换到海图视角观察神奇的全自动标绘系统,其详细记录了玩家战舰和敌方战舰的行动轨迹。在完成移动后,游戏会为玩家提供一个参考的测距结果和火炮俯仰角参数(并不一定准确),玩家可以按照参数进行开火并观察落弹位置以实现校对。
在数次校射后,游戏为玩家提供的舰炮俯仰角参数也将越来越精确,而此时获得跨射的玩家就可以进入效力射阶段以追求更多的命中。不过,当敌方舰船开始进行机动改变航向和航速后,往往就需要再次进行校射,重复上述过程以再次获得跨射和命中。不过由于是相对静止的回合制体系,玩家不需要进行提前量(即方位变化率/左右偏差)的考虑。
总体而言,作为一款模拟向的独立作品,《大西洋舰队》还是以真实炮术为蓝本构建了足够有趣且容易上手的玩法,将复杂的计算交给程序自动处理,玩家只需要扮演舰船指挥官,即可享受大舰巨炮进行连续射击所带来的震撼,而回合制本身也给予了玩家足够清晰的思路和思考空间。此游戏的开发商KillerFish也在近期推出了该作的续作版本《海上战争》(War on the Sea),采用可调时的即时战略模式进一步升级了海战体验。
作为一款由国人工作室Rig & Zig Entertainment开发发行的自由建造类沙盒独立游戏,《NavalArt》可能是目前能够提供最具前景的第三人称射击模式海战体验的作品。这款游戏的核心其实是玩家使用各种可调节方块和功能模组建造属于自己的海军战舰,并在无垠的大洋中和AI战舰或AI战机进行自由对抗和防空战斗。
其类似3D建模的建造系统易于上手且极为自由,玩家可以选择在简单的方块船体上装载各种各样的火炮和引擎,也可以参考历史资料在游戏中复原自己喜爱的海军舰船。
《NavalArt》中除了能够完全满足船体建造所提供了可调节方块以外,还加入了大量的一战至二战期间各国海军的武器装备和技术设备,可供玩家自由选择安装并体验各种火炮的战斗效能,甚至未来还会引入舰载机和现代武器系统。
在拥有出色的自由建造系统以外,《NavalArt》也为玩家提供了测试自己战舰战斗力的海战战场,在辽阔的海面上以第三人称射击的操控逻辑驾驶舰船进行交战。在这款游戏中,玩家将面临实打实的即时火炮战斗,同样需要不断观察炮弹轨迹并进行校射,以取得对敌舰的命中和打击。不过考虑到TPS游戏机制和玩法的特点,让玩家使用火控计算机进行盲射显然不是一个有趣的战斗方式,而根据目测进行简单射击则更符合大部分TPS游戏的思路。
然而,《NavalArt》并未完全放弃海军火控系统的意义,将舰船战斗变成单纯的“坦克水上漂”。其在建造系统中引入了“测距仪”这类模块,玩家可以通过在舰船上安装各种类型的测距仪,其可以提升玩家舰船火炮在战斗中的射击精度和散布。尽管火炮精度和测距并不存在任何直接关系,但是其依旧间接地强调了测距火控的重要性。
而作为一款正在开发中的游戏,笔者并不清楚其未来是否考虑将火控系统以一个辅助的模块引入游戏的海战之中:例如将测距和火控计算以消耗时间“锁定”敌舰的方式体现,在“锁定”敌舰后系统能够给出敌舰的航迹预测以辅助玩家瞄准,而该过程将受到玩家和敌舰舰船移动的干扰,例如过于剧烈的机动将导致锁定失效从而需要再次进行等等。
相比于十分具有前景的《NavalArt》,另一款更为大众所熟知的TPS海战网游《战舰世界》则处于一个饱受争议且十分尴尬的境地。作为Wargaming工作室的三款战争网游之一,《战舰世界》拥有十分精美的战舰建模和海战场景,玩家则可以通过氪金等各种方式获得各类历史或架空舰船,在种种奇妙的岛屿海域中同其他玩家或AI进行海战战斗。
然而,《战舰世界》的海战TPS玩法尽管更符合传统射击类网游的设计方式,但是其内在逻辑却逐渐偏离了属于海战舰炮交火的基本精神:即在交战距离、命中范围、舰船防护等要素中进行决策的平衡。在火控系统基本无法体现价值的环境下,《战舰世界》不得不大幅度缩减舰船之间的交战距离,修改炮弹散布数据,却同时无法相应合理地,设计战舰的防御水平和交战方式,让海战战斗变成了“开着一辆多炮塔坦克在澡盆里飘荡”的闹剧。
这种硬伤导致了海军爱好者极差的游戏体验——无法在合适的距离横向对敌发挥火力和防护优势,瞎了眼的瞭望哨看不到驱逐舰和鱼雷,大口径炮弹直接被船壳弹开等等,这种在交战距离内火力与防护不成正比的现象,导致了玩家们不得不采取消极的游戏态度——冲锋就是送,卡山拖刀才是王道,所有人都在用射程“远”的战舰互相恶心。
加上最近游戏不断更新的各种机制,进一步鼓励玩家在远距离“抛X”,居然出现了“离得越远命中率越高”的神奇景象。所以在一定程度上而言,目前《战舰世界》中的炮术已经几乎和现实逻辑背道而驰。
总而言之,目前的TPS/FPS游戏必然无法理想地呈现真实海战火控,因为如果将真实火控系统引入各类射击游戏的话,无疑就是“外挂“本身,例如《战舰世界》的外挂HAGS就是通过屏幕截图识别目标舰船的运动矢量,直接给出敌舰位置预测,和舰炮火控系统原理几乎完全一致。实际上,真实军事武器的火控系统早就超过了普通玩家的想象,所谓的自瞄透视功能几乎是现代兵器的标配(笑)。
那么,结合核市奇谈系列中的电台节目《 现代美军与游戏有哪些千丝万缕的联系?这几本书或许能给你解答 》中的观点,我们可以发现游戏对战争的模拟需求之一,是建立在战争行为本身所带来的乐趣上。而战争行为本身的乐趣既包含单纯的征服和战胜,也涵盖了以智慧和逻辑进行思维对抗的趣味性。对于后者而言,游戏就需要在一定程度上模拟战争行为的内在逻辑,选取其中有趣的部分以游戏独有的交互手段再现,将其中无趣的部分加以简化或自动化处理。 因此,“神似“是战争游戏以逻辑进行娱乐的核心,而”形似”则全不受限。例如战舰对抗的趣味性本质是对舰炮射击的决策,在保持稳定航向追求精度和拉开距离移动追求安全之间做出平衡,至于火控系统本身则大可以简化为一个简单的锁定辅助,帮助玩家提升目视射击的手感或精度。而对于RTS等游戏而言,其逻辑趣味性则更偏向体现后勤与资源系统,兵力集中和分散使用,声东击西转换家等逻辑思维的对抗之中。
随着军事技术的不断发展和游戏内容的不断增长,我们希望能够在未来看到更多更好地结合军事对抗逻辑的战争游戏出现,而将逻辑对抗的趣味引入游戏设计本身,亦将为当下玩法趋向于固化的3A游戏市场提供新鲜血液和全新思路,进一步提升游戏市场的多元性和丰富度,也帮助玩家们以更可观和深入的角度了解军事和战争,及其在人类历史中所扮演的角色。
评论区
共 22 条评论热门最新