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空战利器:游戏之外的机炮

归档日期:07-16       文本归类:光学瞄具      文章编辑:爱尚语录

  不管是什么时代的空战游戏,几乎都少不了机炮。不论是旧空战题材的《战争雷霆》、《飞鹰崛起》还是现代空战类的《鹰击长空》、《皇牌空战》,没有什么比在一个漂亮的机动后咬住敌机,按下按键看着对方在一道火光里坠落更爽的了。但是,现实中的机炮也是这样的吗?它又是经过了怎样的发展呢?这就是本文要简要讲解的内容了。

  Part I在第一次世界大战之前,就有人尝试将武器带上飞机,并和敌人交战了。1913年墨西哥内战期间,两名处于不同阵营的美国飞行员菲尔·拉德尔(Phil Rader)和迪恩·兰姆(Dean Lamb)在驾驶柯蒂斯(Curtiss)飞机遭遇时用左轮手枪相互射击,这就是第一次有记载的空战。

  一战见证到了线日,法国飞行员罗兰·加洛斯(Roland Garros)和伯恩斯(Bernis)在驾驶一架“莫拉纳”(Morane)的时候射击了一架德军飞机,击伤一名飞行员。9月7日,俄罗斯飞行员彼得·涅斯特洛夫(Pyotr Nesterov)驾驶一架莫拉纳的时候遭遇了一架奥军“信天翁”B(Albatross)飞机,他拔出手枪开了两枪,但是对方毫发无伤,反而是自己的手枪卡壳了。他驾驶飞机撞了过去,起落架撞烂了对方的螺旋桨和机翼,击落了那架飞机。涅斯特洛夫成为了历史上第一个击落敌机的飞行员。

  然而,线日,法国飞行员约瑟夫·弗朗茨(Joseph Frantz)和机枪手路易·克诺(Louis Quénault)驾驶一架沃森(Voisin)双翼机击落了德军的双翼机,使用的是8mm机枪。而在这之前,很少有飞行员把机枪带上飞机,他们更倾向于带手枪、步枪而不是这种威力巨大的武器,但是弗朗茨向他们证明了,机枪在空战中有着潜能巨大的威力,从而开创了一段新的空战时代。

  从这次空战中还可以学到更多的收获,很显然,前置的机枪比后置的机枪更适合击落目标,而如果机枪固定安装的话,就不需要专门的机枪手,降低了飞机重量,也不需要机枪手去刻意配合飞行员的动作。这种设计思路成为了当时战斗机研究的一个方向,然而如果把机枪架设到前面,机枪可能会击中飞机的螺旋桨,这成了一个大难题。

  1915年,还是那位加洛斯先生想出了办法,他让机械师在他的莫拉纳机头安装了一挺8mm机枪,在螺旋桨后面安装了金属挡板,以弹开击中螺旋桨的子弹。这个设计并不完美,弹飞的子弹还是可能击中飞机。不过,加洛斯靠着这东西在空中可谓所向无敌,接连击落了三架敌机。然而好景不长,他的飞机还是在4月被防空火力击伤迫降,这套系统也被德军缴获,送到了荷兰籍工程师安东·福克那里。福克和另外两人合作,发明了射击协调器,它通过一套凸轮和液压管线连接到机枪,确保如果机枪口和螺旋桨处于一条线上,机枪就会被卡在停止射击的状态。

  1915年夏天,德军的“福克”E1单翼机就安装了这种秘密武器,接下来的日子对于协约国飞行员们来说可谓是一段黑暗的时光,反过来却成为了德军王牌们的诞生期——奥斯瓦尔德·波尔克、马克斯·殷麦曼等人都是在这段时期成为王牌的。这段日子被沮丧的协约国指挥官们称为“福克之灾”(Fokker Scourge),但是并非因为“福克”E系列性能强大(实际上该机在爬升中很容易失速),而是因为更强大的武器和协约国军队不成熟的战术。直到英法军队改善了战术,并服役更先进的“纽波特11”(Nieuport 11)、艾科“DH.2”,才压住了“福克”们的嚣张气焰。

  随着协约国制造出同样性能的射击协调器,双方在武器方面回归了平衡。接下来,在王牌飞行员们的指导下,更多的新式战斗机被制造出来,在一战的这段时间,几乎每三个月就会出现一种完全超越旧款的新机型。其中一种的到来,开启了一战时期的另一段黑暗时光。

  这就是“信天翁”D,1917年春天首个型号D1服役,接下来是D2和D3。“信天翁”通过一台直列水冷发动机(你至今仍然可以在德国的宝马跑车上看到这种东西)驱动,安装了不是一挺,而是两挺机枪,对于以木头和帆布为材料的飞机来说可谓是致命的火力,不少德军王牌,比如“红男爵”·里希特霍芬、恩斯特·乌德特都驾驶过这种飞机。

  武器的先进只是一部分,让德军飞行员更加致命的是支配他们的战术体系。前面说过的王牌波尔克就制定了最早的空战战术理论,这些理论被称为“波尔克教条”,包括编队高速飞行,背对太阳攻击,近距离从后方开枪,打了就跑,这些看似简单的规则成为了未来空战理论的基础。

  这就是“福克”E的座舱,可以看到准星仍然是固定式的,一战时期的准星基本上都是这样

  到第一次世界大战结束的时候,当时的飞机基本上都安装了2挺机枪(比如“福克”D7、“斯帕德”XIII、SE.5A),使用固定式准星,在火力技术上没有什么差别。而早期的空战理论也基本成型,还出现了一些战术机动,这一切都为下一个发展期打下了基础。

  Part II到第二次世界大战爆发的时候,飞机有了翻天覆地的变化,现在它们使用铝作为材料,在关键位置还有钢制装甲,它们的速度普遍超过了400km/h,是一战时期飞机的三倍还多,这意味着空战的节奏已经被加快,飞机需要更强力的武器。

  提升火力不外乎几个方面——更多的武器,更大的口径,更多的备弹,更高的射速(rate of fire)和更大的炮口初速(muzzle velocity),然而实际做起来并不是把这些因素简单相加,因为这些因素本身就有自己的关系。通常来说,口径越大(即弹头越重),则射速越低,射程越短,装药量也会下降。很显然,这些因素必须进行取舍直到相互均衡,假如射速高,口径小的话显然命中率更高,但是威力会下降;假如口径大的话单发击中的破坏力更大,但是命中率又不是很高。

  因此,二战开始的时候各国都使用了不同的武器配置方案,英国使用的是8挺7.6mm口径的机枪(例如早期型“飓风”和“喷火”),因为这种一战时期的武器仍然有很大的库存,然而实战中这种配置的火力还是不够,因此后期也过渡到了4门20mm机炮(如“萤火虫”和“暴风”)。美国开始使用的是4挺7.6mm机枪配合大口径机枪(早期型F4F和P-40),后期则是6-8挺12.7mm机枪(F4F-3,P-40N,P-51D,P-47,F4U)。苏联早期使用3-4挺机枪(例如I-16和米格-3),后期则把机枪换成了机炮(拉-5/7)。德国和日本使用的是机头机枪和机翼机炮结合的方式,这样可以用机枪远距离攻击战斗机,机炮近距离攻击轰炸机,兼备二者之长,但是也同时具有二者的缺点。

  增加武器数量也带来了一个问题,那就是机头那点地方不够了,需要新的地方放武器。一种思路是在螺旋桨桨毂安装一门大口径机炮,这样不用考虑射击协调,还能让小飞机拥有强大的火力,美国P-39战斗机,苏联雅克-9战斗机,德国Me-109G战斗机和法国的D.520战斗机都采用了这个设计。不过大口径机炮的后座力也是一个问题,这种设计没有普及。

  地面测试武器的P-39,也是那张传的很多的图的原版,可以看到桨毂机炮的火焰

  另一种思路是在机翼安装,这样有着足够的空间且不需要考虑射击协调带来的射速影响(随着螺旋桨拥有更多的桨叶并达到更高的转速,这个问题确实该考虑了),在机翼布设6-8挺机枪的话,确实具有足够的射速和火力。但是机翼安装的话出现了弹丸散布的问题,因为机翼之间的距离很宽,这样的话打出去的子弹就会散布在一个较大的范围,影响杀伤力。

  改进方法就是通过让机枪射出的子弹在射程内交于一个密集的区域来提高杀伤力,这样虽然在射程外子弹散布会更严重,但是按照射程攻击的话绝对没有问题。另一个方法就是通过调整机枪的位置,让子弹均匀散布在一个区域内,虽然降低了杀伤力,但是反过来提高了命中率。两种思维各有其优势。

  但是提升武器只是一部分,怎样打中也很重要。而空中射击不同于一般的射击,它实际上是从一个运动的物体上发射沿着抛物线运动的物体去击中另一个运动的物体的过程。好吧,是不是有点复杂?不过从不同的角度拆开去讲,就比较容易理解了。

  如果你投过沙包、射过弓箭或者打过枪靶的话,应该会知道它们都需要一段时间才能击中目标。在这个过程中,因为物体在垂直地面的方向上受到重力,运动轨迹会弯曲,同时因为在运动方向受到空气阻力,速度也会下降。远程射击的狙击手都需要通过测距来调整标尺,对于在200米以外攻击目标的飞行员来说就更不能不考虑弹道降低的影响了。

  除了这个因素以外,还需要考虑另一个问题,因为在射击这段时间里目标也在运动,所以还需要考虑一下射击的提前量。问题的答案就是需要通过目标的交叉速度来建立提前量,从正后方或者迎头射击的时候不需要提前量,而垂直攻击的时候提前量最大。

  从正后方攻击不需要提前量,迎头位置虽然不需要但是射击窗口很短暂,因此后方是最有利位置

  最复杂的问题是如何计算目标和己方的运动,尤其是在常见的转圈圈缠斗(Turn and Burn)时,枪管的轴线会偏离飞机的运动方向,也就是实际的弹道初速度方向,而对方的速度以及方向也会影响到射击的命中率,这一点又很难完全判定。就算能把这些公式都记住并且顺利算出来,对于短暂的射击窗口来说也不够用,这么一看,缠斗中能否命中实际上竟然有点“玄学”的味道,因此,好的瞄准具就非常重要了。

  这些经验催生了固定瞄准具的替代品——陀螺瞄准具,相比于传统的固定式瞄准具,它可以通过陀螺仪更快计算提前量。这种瞄准具的“准星”不是固定的,而是投射在45°角反射式玻璃上的,“准星”也分为三个部分:固定部分表示机枪枪口的轴线位置,活动的圈圈表示根据计算得出的命中位置,还有一个十字形来标定对方的翼展。

  首先,飞行员要调整十字形适应对方飞机的翼展(通常来说,由于敌方战斗机主要只有几种,这一步一般都是预先调好的),然后用活动的准星对准缠斗中的敌机,扣下扳机开火即可。P-51、F4U、“喷火”、“暴风”等美英战斗机后来都装上了这一套瞄准系统。

  在二战时期,大多数飞机都沿用固定式瞄准具。虽然它们也加入了一些用来辅助计算的标尺,但是远没有陀螺瞄准具这么快捷。例如二战时期的王牌战斗机P-51D“野马”就装备了陆军的K-14陀螺瞄准具,配合其视野极佳的座舱让飞行员更容易发现锁定。而它的对手们大部分仍然装备着固定式准具,比如“飞燕”的百式准具,FW-190的Revi 16B反射式准具,“隼式”的枪管式准具等,和它们相比起来,陀螺瞄准具显然极大减少了射击的准备时间。

  但是陀螺瞄准具也并不完美,在使用时,飞行员只能模糊估计距离,此外,陀螺瞄准具在计算式默认目标和己方飞机按照同一个速度矢量飞行,这显然和实际相差很大了。随着飞机进入喷气时代,速度越来越快,光靠单纯的陀螺瞄准具已经不太够用了,改进势在必行。

  二战晚期,成熟的喷气战斗机,如Me-262和“流星”正式服役,并开启了战斗机的喷气时代。随后在朝鲜战争中,两种外形相似的战斗机在天空中展开了第一次喷气机空战,即米格-15和F-86。

  虽然外形很相似,但是F-86和米格-15在武器上可谓差异很大。米格-15配备的是大口径机炮和较少的备弹,目的是为了击落大型的轰炸机。而F-86则沿用了6挺大口径机枪,目的是适应缠斗和空战。虽然从火力上来说米格-15的机炮更厉害,但是它的瞄准具仍然是老式的陀螺瞄准具,来自活塞发动机的时代。

  火力较弱的F-86则迈出了创新的一步,在它的进气道上方有着类似嘴唇的雷达罩,使用不同于机体金属材料的合成材料,雷达罩后方则是测距雷达。在空战时,雷达会扫描目标,测定对方的距离,并在座舱里显示出来。通过测定目标的距离,大大降低了弹道计算时的误差,并让射程有所改善。逐渐的,类似的设计出现在当时几乎所有的喷气战斗机上。

  Part III随着贝尔X-1拉开超音速时代的大幕,机炮遭遇了发展史上的一次危机。那些比较新的机型,比如F-4、米格-21PF、苏-15都放弃了机炮,转而使用导弹作为武器。

  放弃机炮的理由很多,首先,机炮会占用一部分空间,降低飞机的油量;其次,外露的机炮增加了阻力,也占用了外侧空间,后座力也会影响机体;另外,核武器时代的来临,意味着需要高速战斗机快速迎头攻击远处来袭的携带核弹轰炸机,那些飞机往往有足够的防御武器,没有人会想靠近它们。以F-4为例,这种飞机最初是一种舰载的截击机,目的是为了拦截苏联的反舰轰炸机,对于这种任务来说,射程远的AIM-7才是第一武器,而红外导弹也只不过是次要武器,机炮对于这种任务则毫无帮助。

  如果从实战来看,F-4虽然曾经测试过机炮吊舱(空军的SUU-16和SUU-23,海军和海军陆战队的Mk4),后期的F-4E也加装了机炮,但是大部分战绩仍然属于导弹。同样,如果一位F-4飞行员认为有了机炮就可以和米格-17们近距离拼个你死我活,那么他就大错特错了,F-4根本不是用来和米格-17缠斗的,对于缠斗课程不足的飞行员尤其如此。

  F-4挂载SUU-16机炮吊舱,这种吊舱会占用一个副油箱挂点,而且冲压空气涡轮在低速下动力输出不够,使用受到限制

  即使是那些本来就有机炮的战斗机实战中机炮的战果也不是很好看,被称为“最后的枪手”的F-8战斗机,19个战绩只有3个属于机炮;美国空军的F-100具有和F-8接近的火力,但是机炮从未创造过战绩;装备机炮的F-4E在1972-1973年间也只有7个机炮战绩,挂吊舱的F-4C一共也只有3个机炮战绩。讽刺的是,机炮战绩最多的美军战斗机(24个)居然是看起来最不适合格斗的F-105,因为早期型不能携带AIM-9格斗弹,而且其“火神”机炮备弹量远超过F-4E和F-104。

  从另一面来看,北越空军的米格-21战绩也比机炮为主的米格-17、米格-19/歼-6好得多,且只有一个战绩确实属于机炮。更主要的是,北越大部分米格-21也都是没有机炮的PFV。对空战胜利真正起到作用的还是靠飞行员的经验、战术和技巧,当然也有性能不断提高的导弹。很显然,越南空战期间F-4空战交换比不好看的原因并不是没有机炮,而是飞行员战术不行,随着海军空战教学的推进,更先进的格斗导弹服役,舰载F-4的交换比很快就好看了很多。

  以机炮为主的米格-17在越南一共击落了10架F-4,逊色于击落40架F-4的米格-21

  Part IV虽然如此,超音速时代的机炮仍然出现了一些创新。首先之一就是射速更快的机炮,美国的典例就是M61火神机炮,其原理来自南北战争时期的加特林机枪,通过旋转炮管达到惊人的射速。再加上因为它是使用电力等外接能源而非反冲气体驱动,哑弹问题也得到了改善。在这方面,苏联人的创新则是使用加斯特原理(由德国人卡尔·加斯特发现)的双管Gsh-23机炮,一根炮管的射击动作会作用到另一根炮管,提高射速并降低后座力。两种武器都在各自的阵营里受到了广泛使用。

  另一种提升射速的思路是通过旋转的炮膛的方式,像左轮手枪一样,提升装填和射击的速度。这种方式和火神机炮之类的转管炮不同,只有一根炮管,因此结构更轻,能够用气体推动。缺点则是因为所有的发射都依赖单一炮管,因此发热更大,由于射击能源不如火神机炮的外接动力,达到最大射速的时间更长。英国的“阿登”(ADEN)机炮(装备霍克“猎人”、“鹞式”等),法国的“德发”(DEFA)机炮(装备“幻影2000”、“超級军旗”等),德国的“毛瑟BK-27”(装备EF-2000、JAS-39等),瑞典“厄利孔KCA”(Oerikon)机炮(装备萨博37)都是使用这一原理的。

  不过,让机炮打得更准的创新还需要等待一段日子才会出现,这一次却是另一个国家的另一个人促成的。

  超音速时代很少有国家的空军有着以色列空军一般对机炮的“执念”,他们列装的所有飞机都配备有机炮,在空战训练里也都会训练机炮缠斗的科目。在“六日战争”爆发的时候,以色列空军唯一的2倍音速战斗机就是著名的“幻影”III,这种飞机装备有2门30mm机炮,在实战中被证明是强大的武器,只需要2-3发就可以击落一架米格-21。

  “幻影”III的瞄准具原理仍然和亚音速的F-86差不多,有一个固定的十字表示横滚和偏航距离,一个活动的光点(也叫“皮普”)表示计算得出的着弹点,外面的一圈灯光(也叫“钻石”)表示雷达测量后的目标距离,这个距离包括自动设定和手动设定两种方式。但是,这套系统也继承了F-86那一套的缺点,它仍然假设目标和己方按照相同的速度矢量运动,同实际数据存在偏差。在以色列空军训练时“皮普”咬住对方1-2秒即算击落,但是实战里击落目标的窗口往往根本不到一秒。

  攻击米格-21的“幻影”IIICJ座舱视角,玻璃中心的十字是固定的,一圈光点表示手动调节的翼展

  训练之中,以色列飞行员以色列·巴哈拉夫(以国为名的人基本上都比较狠)发现了一个改进的方法,那就是,尽量不对准“皮普”的话反而更准,只要对准敌机运动方向的路径,对方就会直接穿过炮弹轨迹。一开始他的理论没有得到重视,直到1969年10月6日,巴哈拉夫在空战里利用这套方法击落了他的第一架敌机,才逐渐验证了他的理论。

  这套方法就是著名的“巴氏暴击”法,经过实战检验,很多以色列飞行员都学会了这套战术,巴哈拉夫更是借此击落了7架米格-21,算上使用常规方法的2架和导弹击落的3架,他最后成为了一名不折不扣的“双料王牌”。

  随着技术发展,“巴氏暴击”也被精确化,催生了更加准确的机炮准具——热线式瞄准具(LCOS),它利用一条三段线表示机炮射击的着弹点位置,每一节表示500英尺的炮弹落点。射击前将这条线置于目标上方,在目标达到相应距离的着弹点时开火射击,炮弹就会击中目标(实际操作时提前一点点开火命中率更大)。实际上不同国家的战斗机的LCOS也不总是一种格式,有用线段样式的,也有用圆圈或者瞄准点表示的。

  LCOS在几十年的发展里也经过了不少改良,以F-16C的EEGS为例,它包括“十字线”、“漏斗”、目标距离、目标方向和机动线等部分。在攻击目标前,将准星中的十字线位于目标前方,就在其飞行位置前方,随后将漏斗的两侧压在飞机的机翼上,使得漏斗和机翼同宽(事先需要根据目标机翼宽度调整),接下来在开火时放松杆降低G力,这让目标从漏斗底部移动到顶部,射击目标后机动偏离敌机即可。这种锁定目标的原理仍然是套住对方的轨迹,让运动的目标正好穿过射击弹道。

  在LCOS模式下,F-16用圆圈和线段表示机炮炮弹的落点位置,同时用雷达标出距离(未锁定的线英尺)

  不过,这套系统在实战里并没有创造战绩。F-15和F-16的机炮战绩都是以色列空军飞行员驾驶早期型创下的,那些飞机并没有EEGS准具。而从海湾战争开始,所有的空战胜利都来自不同种类的导弹,空战技术的进步让机炮再一次遭到了冷落。相对应的是,一些新研制的战斗机由于任务变化,也不再安装机炮了。现代空战中机炮究竟去向何方,只能观望其是否会出现突破现有技术的创新了。

  结语随着科技的发展,机炮其实是越来越容易命中目标了,但是对于备弹量进一步压缩的现代战机来说,机炮的重要性已经退居次要。如今机载定向能武器的发展可能会对机炮进行一次彻底的革新,但机炮能否重新回归重要地位,只有未来才能知晓了。

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