军舰上的火炮是如何排除波浪的颠簸影响，实现准确稳定的射击的？ 第1页

2013.8.30晚间更新：

下午给我一个朋友以前的司机打了个电话详细请教，他曾经是PLAN某战舰上的枪炮班长。虽然术语上不太一样，但道理是互通的。

相关修改我会标注出来。

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2013.8.30更新。

有一些地方说的有点儿问题，垂稳和稳像说实话我自己理解也不太到位。

准确的说，没有什么机械结构能够直接的“稳定”整个炮塔，人们所作的只能是补偿偏差。

舰炮的垂稳，跟坦克的垂稳有一定区别的，但基本原理是共通的。

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不邀自答。

一、船是怎么颠簸的。

在海里浮着的船，其实跟飞机差不多，分为纵摇（Pitch，倾斜）、横摇（Roll，滚）和艏摇（Yaw，偏航）。

简单来说，纵摇是沿着船艏-船尾的连线（绕着P轴-左右）上下摇，船艏上则船娓下；

横摇是沿着左舷-右舷的连线（绕着R轴-前后）上下摇，左舷上则右舷下；

艏摇是沿着船艏-船艉的方向左右摇（绕着Y轴-垂直），船艏偏左则船艉偏右。

用文字解释起来还是有点儿恼火，我索性手绘了一张图供参考。（请原谅我小学幼儿园级别的手绘水平）

从宏观上来看，船身前进时有点儿类似于子弹在枪管里的章动，有点儿摇头晃脑螺旋形前进的意思。而跟弹药落点相关的是火炮身管的指向，这个指向则跟随着船身的运动在俯仰和方位两个角度上不断变化。

二、风帆战舰时代，仅修正横摇。

风帆战舰的时代，火炮全部位于舷侧，大部分情况下火炮身管在垂直方向上与船身呈完全的90度。由于交战距离较近，基本可以认为身管在水平方向上平行于甲板。

图为风帆时代战舰对决的典型场景。

由图可以看到，在舷侧对射为主的风帆时代，横摇对于战舰的命中率有着较大的影响：抬高了就打飞，落低了就入海。（图中是从船头看过的去的样子啊，不是从侧面）

针对横摇带来的影响，有经验的炮手早在纳尔逊时代就已经发现了窍门，并利用这一点来有意的针对敌舰的桅杆或水线进行射击：命中桅杆则会使对方丧失机动航行的能力，命中水线以下的船体则会导致对方大进水。

最终，在19世纪末，一艘名为HMS Scylla的英国二等巡洋舰的舰长，

，发现他的战舰上射击成绩比较好的炮手，总是随着船身的摇摆不断的改变俯仰角，而提高或压低瞄准线。这样子，无论船身怎么横摇，火炮身管的指向在水平方向上是不变的。这就是所谓的“连续瞄准”系统。

连续瞄准有两个要求：

1.找到水平参照系，这样才能确定横摇到了什么程度，从而调整火炮俯仰角。

2.快速调整俯仰角。

针对1，刚开始时采用钟摆式：重物吊在线上悬空，则会一直指向地心引力方向，也就是垂直于地面的方向，由此可以确定水平面在哪里；

后来采用海平面法：甲板上往地平线那里看，基本上视线与水平面是平行的，再看看“视线”与甲板平面的角度，即可推算出横摇角；

最后，则采用陀螺仪式：由于陀螺有自稳定性，无论船身如何横摇，陀螺的姿态是不变。这样就可以轻松的读出来横摇角。

针对2，海军发现仅仅依靠人力来快速调整火炮俯仰角不太可能，因为大型战舰还好说，横摇速度比较慢，炮手可以抓住时机开火；小型战舰横摇很快，炮手要累死的。

于是，20世纪初，英国海军率先在猎户座级超无畏战列舰HMS Orion号上采用了液压装置，从而使大口径火炮能够快速改变俯仰角。

更新：连续瞄准系统、俯仰角快速调整、连续瞄准技术带来的，是人们观念的转变。在连续瞄准技术出现之前，军舰在航行中是很难命中1000米以外的目标的。连续瞄准技术出现之后，军舰在远距离的命中率大大提高，使得人们逐渐开始摆脱“必须根据横摇节奏抓住时机开火”的限制，大大提高了火炮的射速，“炮术”（Gunnery）也正式成为海军的一门学问，枪炮长的地位也水涨船高，军舰上也出现了专门负责进行补偿的“瞄准手”；同时，连续瞄准带来了齐射开火提高精度的要求，也促使了统一口径、统一指挥的无畏舰的出现。

三、曲射时代，横摇和复合横摇。

当19世纪末、20世纪初，随着冶金和火药技术的发展，出于对提高交战距离的要求，10寸、12寸甚至是14寸的大口径、长身管火炮不断出现，战舰的典型交战距离也从三四百米逐渐提高至几千米。同时，能够灵活改变方位角的炮塔也出现了。

因为要射得远，战舰在交战时火炮身管不再平行于海面；因为要提高火力灵活性，火炮身管也不再是指向3点、9点方向，而是360度方位指向。

当远距离射击时，由于炮管斜指天空，船身的纵摇也开始导致身管俯仰角（上下）的变化，同时还会影响身管炮耳轴向角度（跑耳轴向角度的变化则会同时导致俯仰角和方位角的变化）；当身管指向偏向艏、艉时，单纯的横摇也会导致身管在炮耳轴向角度的变化。

针对身管轴向上的运动，由于原来仅仅是横摇（roll）引起的，所以这叫做叫Roll，也叫做Level；

针对炮耳轴向上的运动，由于这也是横摇导致的后果之一，跟Roll又不一样，所以叫Crossroll，也叫Crosslevel。

========2013.8.30晚间更新========

经过向高人请教，根据他的说法，Roll和Crossroll的关系是这样的：

由于在风帆时代，船身运动只有横摇Roll会影响弹着点，同时只会影响炮管的俯仰角，所以炮管俯仰角上的修正叫做Roll。

进入到铁甲舰时代后，身管指向可以灵活变化，弹道也进入曲射弹道，无论是横摇还是纵摇，都会同时影响炮管的俯仰角和方位角，所以叫做Crossroll。由于Crossroll归根结底是对火炮耳轴指向的改变，所以我在答案中都说是炮耳轴向角度的变化。在《海军火力-巨舰大炮时代的舰炮和战术》一书中，Roll被翻译为横摇，Crossroll被翻译为复合横摇。

从直观上来说，Roll可以通过简单的俯仰角来直接修正，Crossroll则需要对整个炮塔进行摇摆来直接修正。于是Crossroll被分解为俯仰角和方位角两个方向上的变化，来进行补偿。

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刚才已经介绍了如何克服火炮的roll，就是先有参照系，再来个反方向的运动，那么crossroll也一样，先找到参照系，再来个反方向的运动。

参照系好找，继续用陀螺仪就行；但针对Crossroll的反方向运动不好办了。为啥不好办呢，要从炮塔结构说起。虽然战列舰上一个炮塔有2—4根身管，但这每一根身管都是独立瞄准、独立俯仰的。下图中的这艘英王乔治五世级战列舰就是这样，某根炮管抬起来用于检修。

这样子，一套液压的俯仰角快速控制系统，只需要负责挪动一根上百吨的炮管。但方位角就不只是这一根炮管了：斜着改变炮耳轴向，需要挪动整个炮塔，保罗全部四根炮管、厚厚的炮塔装甲、里面所有的设备和人员还有升降机啥的，一下子就从上百吨变成了上千吨。大概来说，就是上下摆动一根手指头，和左右摇晃整个拳头之间的区别。

举个例子：衣阿华的Mk.7 16寸口径火炮重量是110吨，三联装炮塔的重量是1700吨；大和的18寸火炮重量是170吨，三联装炮塔重量是2700吨。

ROLL的补偿，是在20-30秒内将100吨的炮管俯仰角改变10-15度；Crossroll呢，是在20-30秒内将几千吨钢铁扭动10-15度，这中间难度上的差距就不是一点儿半点儿了。所以一直到垂稳系统出现之前，人们只能等到Crossroll回到水平之后再开炮。等待Crossroll回平了再开炮，这又再次的影响了战舰的射速，抵消了前述的俯仰角控制系统带来的快速开火的优势。

我既然不能扭动整个炮塔直接补偿Crossroll，那我把Crossroll对落点的影响计算出来（前面说了，Crossroll会同时影响俯仰角和方位角），分解成在方位角上的变化和在俯仰角上的变化。方位角靠旋转炮塔来补偿，俯仰角靠前述的俯仰角控制系统来补偿。

到了后期，海军对瞄准镜也进行了改进，依靠陀螺仪将瞄准镜进行稳定，使得战舰可以稳定的瞄准远方的目标，进一步增强了命中率。

四、其他。

至此，由于船身摇摆引起的影响基本算是消除掉了，因为把全部运动带来的影响都分解为在俯仰角和方位角两个方向上的变化，炮塔也就只需要俯仰和旋转。

解决了我能不能大概打中这个问题，就要解决我该往哪儿打这个问题，也就是自己和敌舰在不断运动中（动对动）的方位和距离变化带来的影响，从而引出来了火炮火控系统中的另外几个要素：距离、距离变化率、方位和方位变化率。

最后，我能够稳定的瞄准了，也知道该往哪儿打了，剩下的就是怎么让炮弹尽量准确的飞到目标身上了。

感谢看完整个答案的朋友，看着自己幼儿园没毕业的手绘+小学没毕业的汉字+初中没毕业的英语，实在是无地自容啊T_T