軍艦上的火炮是如何排除波浪的顛簸影響，實現準確穩定的射擊的？

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2013.8.30晚間更新：

下午給我一個朋友以前的司機打了個電話詳細請教，他曾經是PLAN某戰艦上的槍炮班長。雖然術語上不太一樣，但道理是互通的。

相關修改我會標註出來。

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2013.8.30更新。

有一些地方說的有點兒問題，垂穩和穩像說實話我自己理解也不太到位。

準確的說，沒有什麼機械結構能夠直接的「穩定」整個炮塔，人們所作的只能是補償偏差。

艦炮的垂穩，跟坦克的垂穩有一定區別的，但基本原理是共通的。

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不邀自答。

一、船是怎麼顛簸的。

在海里浮著的船，其實跟飛機差不多，分為縱搖（Pitch，傾斜）、橫搖（Roll，滾）和艏搖（Yaw，偏航）。

簡單來說，縱搖是沿著船艏-船尾的連線（繞著P軸-左右）上下搖，船艏上則船娓下；

橫搖是沿著左舷-右舷的連線（繞著R軸-前後）上下搖，左舷上則右舷下；

艏搖是沿著船艏-船艉的方向左右搖（繞著Y軸-垂直），船艏偏左則船艉偏右。

用文字解釋起來還是有點兒惱火，我索性手繪了一張圖供參考。（請原諒我小學幼兒園級別的手繪水平）

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從宏觀上來看，船身前進時有點兒類似於子彈在槍管里的章動，有點兒搖頭晃腦螺旋形前進的意思。而跟彈藥落點相關的是火炮身管的指向，這個指向則跟隨著船身的運動在俯仰和方位兩個角度上不斷變化。

二、風帆戰艦時代，僅修正橫搖。

風帆戰艦的時代，火炮全部位於舷側，大部分情況下火炮身管在垂直方向上與船身呈完全的90度。由於交戰距離較近，基本可以認為身管在水平方向上平行於甲板。

圖為風帆時代戰艦對決的典型場景。

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由圖可以看到，在舷側對射為主的風帆時代，橫搖對於戰艦的命中率有著較大的影響：抬高了就打飛，落低了就入海。（圖中是從船頭看過的去的樣子啊，不是從側面）

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針對橫搖帶來的影響，有經驗的炮手早在納爾遜時代就已經發現了竅門，並利用這一點來有意的針對敵艦的桅杆或水線進行射擊：命中桅杆則會使對方喪失機動航行的能力，命中水線以下的船體則會導致對方大進水。

最終，在19世紀末，一艘名為HMS Scylla的英國二等巡洋艦的艦長，Percy Scott，發現他的戰艦上射擊成績比較好的炮手，總是隨著船身的搖擺不斷的改變俯仰角，而提高或壓低瞄準線。這樣子，無論船身怎麼橫搖，火炮身管的指向在水平方向上是不變的。這就是所謂的「連續瞄準」系統。

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連續瞄準有兩個要求：

1.找到水平參照系，這樣才能確定橫搖到了什麼程度，從而調整火炮俯仰角。

2.快速調整俯仰角。

針對1，剛開始時採用鐘擺式：重物吊在線上懸空，則會一直指向地心引力方向，也就是垂直於地面的方向，由此可以確定水平面在哪裡；

後來採用海平面法：甲板上往地平線那裡看，基本上視線與水平面是平行的，再看看「視線」與甲板平面的角度，即可推算出橫搖角；

最後，則採用陀螺儀式：由於陀螺有自穩定性，無論船身如何橫搖，陀螺的姿態是不變。這樣就可以輕鬆的讀出來橫搖角。

針對2，海軍發現僅僅依靠人力來快速調整火炮俯仰角不太可能，因為大型戰艦還好說，橫搖速度比較慢，炮手可以抓住時機開火；小型戰艦橫搖很快，炮手要累死的。

於是，20世紀初，英國海軍率先在獵戶座級超無畏戰列艦HMS Orion號上採用了液壓裝置，從而使大口徑火炮能夠快速改變俯仰角。

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更新：連續瞄準系統、俯仰角快速調整、連續瞄準技術帶來的，是人們觀念的轉變。在連續瞄準技術出現之前，軍艦在航行中是很難命中1000米以外的目標的。連續瞄準技術出現之後，軍艦在遠距離的命中率大大提高，使得人們逐漸開始擺脫「必須根據橫搖節奏抓住時機開火」的限制，大大提高了火炮的射速，「炮術」（Gunnery）也正式成為海軍的一門學問，槍炮長的地位也水漲船高，軍艦上也出現了專門負責進行補償的「瞄準手」；同時，連續瞄準帶來了齊射開火提高精度的要求，也促使了統一口徑、統一指揮的無畏艦的出現。

三、曲射時代，橫搖和複合橫搖。

當19世紀末、20世紀初，隨著冶金和火藥技術的發展，出於對提高交戰距離的要求，10寸、12寸甚至是14寸的大口徑、長身管火炮不斷出現，戰艦的典型交戰距離也從三四百米逐漸提高至幾千米。同時，能夠靈活改變方位角的炮塔也出現了。

因為要射得遠，戰艦在交戰時火炮身管不再平行於海面；因為要提高火力靈活性，火炮身管也不再是指向3點、9點方向，而是360度方位指向。

當遠距離射擊時，由於炮管斜指天空，船身的縱搖也開始導致身管俯仰角（上下）的變化，同時還會影響身管炮耳軸向角度（跑耳軸向角度的變化則會同時導致俯仰角和方位角的變化）；當身管指向偏向艏、艉時，單純的橫搖也會導致身管在炮耳軸向角度的變化。

針對身管軸向上的運動，由於原來僅僅是橫搖（roll）引起的，所以這叫做叫Roll，也叫做Level；

針對炮耳軸向上的運動，由於這也是橫搖導致的後果之一，跟Roll又不一樣，所以叫Crossroll，也叫Crosslevel。

========2013.8.30晚間更新========

經過向高人請教，根據他的說法，Roll和Crossroll的關係是這樣的：

由於在風帆時代，船身運動只有橫搖Roll會影響彈著點，同時只會影響炮管的俯仰角，所以炮管俯仰角上的修正叫做Roll。

進入到鐵甲艦時代後，身管指向可以靈活變化，彈道也進入曲射彈道，無論是橫搖還是縱搖，都會同時影響炮管的俯仰角和方位角，所以叫做Crossroll。由於Crossroll歸根結底是對火炮耳軸指向的改變，所以我在答案中都說是炮耳軸向角度的變化。在《海軍火力-巨艦大炮時代的艦炮和戰術》一書中，Roll被翻譯為橫搖，Crossroll被翻譯為複合橫搖。

從直觀上來說，Roll可以通過簡單的俯仰角來直接修正，Crossroll則需要對整個炮塔進行搖擺來直接修正。於是Crossroll被分解為俯仰角和方位角兩個方向上的變化，來進行補償。

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剛才已經介紹了如何克服火炮的roll，就是先有參照系，再來個反方向的運動，那麼crossroll也一樣，先找到參照系，再來個反方向的運動。

參照系好找，繼續用陀螺儀就行；但針對Crossroll的反方向運動不好辦了。為啥不好辦呢，要從炮塔結構說起。雖然戰列艦上一個炮塔有2—4根身管，但這每一根身管都是獨立瞄準、獨立俯仰的。下圖中的這艘英王喬治五世級戰列艦就是這樣，某根炮管抬起來用於檢修。

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這樣子，一套液壓的俯仰角快速控制系統，只需要負責挪動一根上百噸的炮管。但方位角就不只是這一根炮管了：斜著改變炮耳軸向，需要挪動整個炮塔，保羅全部四根炮管、厚厚的炮塔裝甲、裡面所有的設備和人員還有升降機啥的，一下子就從上百噸變成了上千噸。大概來說，就是上下擺動一根手指頭，和左右搖晃整個拳頭之間的區別。

舉個例子：衣阿華的Mk.7 16寸口徑火炮重量是110噸，三聯裝炮塔的重量是1700噸；大和的18寸火炮重量是170噸，三聯裝炮塔重量是2700噸。

ROLL的補償，是在20-30秒內將100噸的炮管俯仰角改變10-15度；Crossroll呢，是在20-30秒內將幾千噸鋼鐵扭動10-15度，這中間難度上的差距就不是一點兒半點兒了。所以一直到垂穩系統出現之前，人們只能等到Crossroll回到水平之後再開炮。等待Crossroll回平了再開炮，這又再次的影響了戰艦的射速，抵消了前述的俯仰角控制系統帶來的快速開火的優勢。

我既然不能扭動整個炮塔直接補償Crossroll，那我把Crossroll對落點的影響計算出來（前面說了，Crossroll會同時影響俯仰角和方位角），分解成在方位角上的變化和在俯仰角上的變化。方位角靠旋轉炮塔來補償，俯仰角靠前述的俯仰角控制系統來補償。

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到了後期，海軍對瞄準鏡也進行了改進，依靠陀螺儀將瞄準鏡進行穩定，使得戰艦可以穩定的瞄準遠方的目標，進一步增強了命中率。

四、其他。

至此，由於船身搖擺引起的影響基本算是消除掉了，因為把全部運動帶來的影響都分解為在俯仰角和方位角兩個方向上的變化，炮塔也就只需要俯仰和旋轉。

解決了我能不能大概打中這個問題，就要解決我該往哪兒打這個問題，也就是自己和敵艦在不斷運動中（動對動）的方位和距離變化帶來的影響，從而引出來了火炮火控系統中的另外幾個要素：距離、距離變化率、方位和方位變化率。

最後，我能夠穩定的瞄準了，也知道該往哪兒打了，剩下的就是怎麼讓炮彈盡量準確的飛到目標身上了。

感謝看完整個答案的朋友，看著自己幼兒園沒畢業的手繪+小學沒畢業的漢字+初中沒畢業的英語，實在是無地自容啊T_T

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要是哈工程的不來回答這道題，那誰都答不好。

要是哈工程來答了，那就泄密了……

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