［火之荣耀］舰炮与舰艇设计
时间：2020-04-05 05:09:54 来源：千叶帆 本文已影响人
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人类制作木舟航行的历史已无从考证，使用帆船的历史也有几千年了，后来人们将古老的前装药火炮架设到船上成就了最早的炮舰。当然，这与今天驰骋在大洋的现代舰船有着天壤之别。舰炮的发展与集中防御
19世纪中叶，刚从帆船演进的帆汽两用舰面临着当时迅速发展的舰载榴弹炮的严峻威胁。这种炮威力大、杀伤力强，1853年，沙俄海军舰队在锡诺普海战中利用榴弹炮给土耳其海军的木帆船造成了毁灭性的打击。此后，法国海军证实了给克里米亚战争期间用麻栗木造的木船装上铁板就可以经受住岸炮的猛烈炮击。从此，各国开始竞相建造装甲舰。直到20世纪中叶，舰炮装备与防弹装甲的竞争成为影响大型军舰设计的主要因素之一。
19世纪中叶前后，舰炮还是发射直径15－16厘米的球形弹丸，在船舷侧加装100毫米左右的铁板大体就可抵御这种炮弹。当时舰船排水量的10％是防御装甲的重量，在设计上还不是太困难的事。但不久之后，带来复线的前装炮开始装备舰船，使用长形弹丸，不但射程增加，命中率提高，而且炮□□径达到了20厘米，防御装甲需要增加到150毫米。为了给防御重量留出空间，也鉴于舰炮威力的提高，在舰艇设计上，就减少了过去舷侧密布的舰炮数量，主要集中布置在舰中部。这就是19世纪60年代中期出现的所谓中央炮战舰。节约出来的重量被集中用于增加重点部位的装甲防御。虽然变化不大，但是这种集中防御方式后来逐渐演变成装甲舰的雏形。
中央炮战舰的舰炮布置方式和集中防御在以后几年里快速发展。60年代后期，又出现了中央炮台舰，在舰中部设置被称为“堡垒”的方形装甲围壁，在里面布置数门火炮。此类舰的火炮布置特点是主要向舷侧发射，向舰艏艉发射受到一定的限制，射击距离大约为1000米，发射速度很慢。船身由木造改为铁甲，采用蒸汽动力后，撞角攻击的传统战术焕发了活力，这样前置火力就显得非常重要。风帆蒸汽两用舰由于受扬帆桅杆的影响，在舰艏不能布置主炮。中央炮台舰或多或少改善了这种缺憾，以后设计的军舰开始考虑舰炮的舰艏艉射界问题。
随着炮口直径增大，在1865－1875年间，炮身的重量增加了4倍，大口径舰炮靠人力已经无法灵活、准确操作了，防御重量也占到排水量的30％，1875年后，人们将炮架固定在旋转底盘上靠机械力来驱动，并且采用了全炮用装甲防护的措施，至此，炮塔的诞生使中央炮台舰发展成中央炮塔舰。
最初的炮塔分为四周和顶部全部密闭的围炮塔、只防御四周的露天炮塔两种。前者虽然防御性较好，但是重量也随之增加。进入19世纪80年代，后装炮开始普及，发射后，一旦打开炮栓，火药的废气就会立即充斥整个炮塔，炮手不得不忍受这种痛苦。相比之下，露天炮塔不但通风性能好，还可减轻重量，便于操炮。但是90年代崭露头角的中口径速射炮发射的“流弹雨”可形成密集的火网，对裸露的炮身和士兵都容易造成伤害，
19世纪70年代，军舰设计向前迈出了重要的一步。由于采用了蒸汽动力，对合理布置舰炮产生巨大影响的风帆时代的桅杆被废除，开始在舰前后部的上甲板布置炮塔，一举增大了舰炮的射界。在防御方面，开始采用水平防御方法，在弹药库和轮机舱的上部敷设装甲，并与水线装甲连接在一起，采用相对薄的装甲对重要部位实施防御。这样，迈出了搭载数量较少的大口径舰炮、具有坚固防御能力蒸汽动力舰的笫一步，即战列舰的雏形。
由于炮口径和身管长度的增加，舰的防御重量比超过30％，开始挤占分配给舰炮和动力系统的重量。过去的解决办法是集中防御，可奇怪的是，这种方式采用得越是彻底，非防御的面积越大，形成了“装甲舰非装甲化”的局面。这使得中口径速射炮有机可乘，要增大防御面积，重量就会相应增加，难怪当时人们感叹道“军舰要被装甲压沉了”。
另外一个头痛的问题是。由于在甲板上布置重量大的炮塔，为保证复原性，只能采用较低的干舷，导致适航性能低下。
穿装甲的战列舰
19世纪90年代初期，军舰的防弹措施似乎已经黔驴技穷，只有期待划时代的技术突破，才能挽回停滞不前的局面。这时，基于炼钢技术进步的重量轻、韧性好的装甲出现了。
装甲的发展源于19世纪80年代末期的复合装甲，后来利用增碳法的表面硬化技术的进步和材料的改善，获得了轻薄且抗冲击性能好的装甲。这对军舰设计者来说，无疑是天大的好事，原来极易遭受中口径速射炮打击的副炮区域和舷侧等部位可以大范围加装防护措施，不用再担心船的复原性。1899年英国海军建造了使用克鲁普镍铬浸碳钢装甲的“卡诺珀斯”号战列舰，其垂直防御的厚度仅为炮塔舰的1/3，尽管大面积使用了装甲，但其防御重量比只有27％。由于发明了无烟火药，全部采用了新材料的密闭炮塔。更重要的是，由于新材料重量轻，英国战列舰获得比炮塔舰约高2倍的干舷，提升了适航性，增强了远洋作战能力。
19世纪90年代末期到20世纪初，防御性能更优异的装甲研制成功，使军舰防弹性能迎来了超越火炮威力的时期。1905年日俄海战中，军舰没有发生因主装甲被贯穿而沉没的事件。
防御者的苦恼
20世纪初的军舰主炮射程已经超过了10000米，过去舰上各炮分别观测目标的射击方式也改为多炮齐射。为了能尽可能多地布置同一口径的主炮，“无畏”级以后的战列舰主炮多得几乎淹没了整个甲板。为了观测弹着点，需要在高处设置观测设备，因此带来了桅杆形状的变化。主炮射程的增加使撞角攻击战法成为过去，同时对军舰的设计也产生了很大影响。
舰炮的发展不仅是射程增加，弹丸重量和初速方面的进步也很显著。20世纪初，340－380毫米炮的出现，贯穿力大幅增加，使舰船的垂直防御厚度再次超过300毫米。美国海军1916年竣工的“内华达”号在设计上废止了不足以抵御攻击的舷侧装甲，采取了“要么全部、要么没有”的新设计手法，强化了水线部分的装甲，成为集中防御回归的先驱者。
过去的主炮射程小，多为水平射击，撞角小，贯穿力也较小。1916年日德兰海战时，舰炮射程已达13000－15000米，为了增大贯穿力，弹丸采取弧形弹道，炮弹的贯穿力在冲角达到90°时最大，这次海战中英国海军损失了3艘水平防护力不足的战列巡洋舰。自此，各国海军对水平防御问题伤透了脑筋。因为防御装甲不可能再有飞跃性的发展，只能靠增加装甲厚度来弥补不足。
从1927年服役的“纳尔逊”号以后又回归了19世纪的集中防御方式，对主要区域进行严密防护，尽量减少防护面积以减轻重量。“无畏”级的5－6座主炮减为3－4座，同时开始采用联装炮。重视舰首尾射界的主炮布置方式再次回归到
风帆时代重视舷侧炮火的布置。原则上。主炮都布置在船的中心线上，同时舰首也多采用外飘设计。这种设计有利于高速航行时的耐波性，但要部分牺牲前主炮的低仰角射界。
在占据防护区一半的动力装置方面，同样不得不采取小型化以减轻重量。以美国海军舰船为例，1923年服役的“科罗拉多”号装主炮8门，28900马力，平均吨马力为10.6：1942年竣工的“南达科他”号装主炮9门，130000马力，平均吨马力提高到48.1。平均每输出10万马力的动力系统长度由18米减少到5米。由此可见，到二次大战初期，战列舰为实现高航速，缩短防御区的长度，减轻防御重量，付出了多大的努力。
舰炮射程的增加不仅对武器系统和动力系统产生了巨大影响，对舰桥的设计也带来了很大影响。为了能够正确把握远距离目标，不仅需要将基线较长的测距仪等火控设备安装在高处，而且为了收藏这些大型精致的仪器，避免受到震动，过去的三脚桅和笼式桅杆显然不适合新的要求，从此销声匿迹，整个舰桥变成了坚固而巨大的上层结构。
总之，舰炮的威力和射程的增加改变了战列舰的设计，具有了新的舰型，即数量少的联装炮塔、大型的舰桥结构、长度压缩的上层建筑等。
高耗能舰炮
随着美国海军战略调整为“由海向陆”，支援两栖部队实施对陆火力打击成为海军的重要任务之一。如果仅有导弹对敌滩头、近岸阵地进行打击，因其面积大、工事数量多，需要发射大量导弹，作战成本剧增。而如果使用舰炮打击陆地目标，可短时间内在目标区倾泻大量弹药，炮弹的成本相对较低，可以大量使用，同时它的体积较小，火力密度比导弹高，舰上可存放炮弹的数量多。所以，传统的舰炮武器再次受到重视，国外海军从20世纪90年代开始相继制定了舰用大口径舰炮发展计划。
大口径舰炮体积自然很大，自身重量也非常可观。如美国海军DDG－1000驱逐舰的“先进舰炮系统”(AGS)，整座炮塔空重87.5吨，加上各种附属设备、600－750发炮弹储存，最大全重达300吨，为了存储弹药，在炮塔下方设置了三层主弹库，以存放约300发炮弹，紧邻主弹药库处还有一个辅助弹药库，可装载320发炮弹。为该炮研制的“远程对陆攻击弹药”，虽然最大射程可达185千米，圆周误差(CEP)仅20米，满足美国海军对陆打击的作战需求。可它要占很大地方存放，弹头加药筒全长2.23米，重113千克(炮弹重102千克，装药重11千克)，每艘舰只能携带少量此种弹药。除了“远程对陆攻击弹药”以外，该炮还可发射毫米波雷达导引火箭助推弹(射程56千米)、无导引的普通炮弹(射程41千米)等。
另外，“先进舰炮系统”对电力的需求也比普通舰炮高许多，每座“先进舰炮系统”的用电峰值高达800千瓦，而普通的MK－45舰炮的功率峰值仅为180千瓦，对平台的供电能力有较高的要求。因此，平台需要搭载功率更大的发电设备，才能满足它的用电需求，其结果是直接导致船体增大。
将来对舰艇产生较大影响的舰炮还有国外正在研制的电磁轨道炮。电磁轨道炮是一种理想的远程、精确、廉价、高速对陆火力支援武器，国外海军在该领域已取得较大进展。目前，美国海军在技术方面处于领先地位，已经在进行样机试验。根据美国海军的发展计划，2015年完成全尺寸样机，2020年前后开始装舰。该炮射程达370千米，可填补舰炮和巡航导弹之间的空白。电磁轨道炮是利用流经轨道的电流所产生的磁场与流经电枢的电流之间相互作用的电磁力加速弹丸并将弹丸发射出去，能使炮弹初速比传统方式发射的炮弹提高几个数量级，从而带来射程、杀伤力、反应能力强等诸多方面的革命性变化。该炮对电力系统的要求比“先进舰炮系统”更高，如果不是像DDG－1000驱逐舰这样装备综合电力系统，或是采用核动力的舰船，很难满足这个“耗电”大户。
舰炮穿上隐身衣
前面谈了很多舰炮对舰船平台发展的影响，其实在舰炮的发展过程中，平台的要求也是不容忽视的。既然有人说军舰是船和火炮的组合，那么二者之间相互适应最直观的是舰炮外形越来越简洁。除了美观的要求以外，隐身性成了一大趋势。
20世纪末期，随着舰艇隐身性能的不断提高，新型舰炮都不同程度地采取隐身设计。最典型的是美国海军论证DD－21时，甚至提出要发展垂直炮，整个炮身像MK－41导弹垂直发射系统一样，布置在甲板下面，炮弹垂直发射，到达一定高度后再转向飞向目标。后因技术开发风险大放弃了原来的设想。“先进舰炮系统”的炮塔外形也为满足隐身的要求，进行了多次修改，最终采用了现在的隐身设计，不但炮塔不同于以往的设计，就连炮管平时也收在一个隐身外罩内，因为任何裸露在甲板上的物体都可能增大雷达反射截面积。
[注]来复线：枪(炮)管中的膛线、让子弹产生自转，提高子弹射出后飞行中的稳定性。“来复”是英文单词rifle的音译。这个词本为德语，义为“作沟槽”，首先用作指枪膛中的螺旋状沟槽。
[注2]撞角攻击：以前战船的船首都装有巨型铁制撞角，可以从目标船的侧腹将船只撞开一个大洞。这种撞角一般在撞上敌船后会自动脱落，以避免己方只与敌船纠缠。遭遇撞角攻击的船只，鲜有幸存。
[注3]复原性：是指使船舶从倾斜角度恢复至水平位置的能力，主要通过复原力矩来表示，这个力矩是由船舶重心G和船舶稳心M产生，M位于G之上，GM差值越大，复原力矩越大，反之就越小。
[注4]要么全部、要么没有：All or Nothing Armol Scheme，也称“重点防护”，其主要设计特点是，战舰的非重要部位减少或没有装甲防护，而重要部位则得到最大限度的装甲防护。
编辑 严晓峰
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