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战舰大和物语 04:黑铁之城

前言:在创作《战舰大和物语》系列视频的过程中,笔者在交流中有幸受到了相关领域大佬的指导,也认识到原文稿中的部分内容存在错误。但因为设备技术问题,部分视频的工程文件已经损坏,无法制作重制版。故最终决定以专栏形式,订正原视频中存在的错误,并方便各位读者引用、查找之所需。需要说明,系列专栏仅围绕战舰大和,对其设计细节、相关战史、关联军舰进行粗略的介绍。如读者对这方面的内容有更多兴趣,不妨自行参阅专栏末尾处罗列的参考资料/主题贴/推荐网站。

战列舰如何防御敌方的炮弹乃至来自空中、水下的威胁?之前的章节我们曾提到:相同炮弹末端轨迹与水平面的夹角,随着射程的提升而增加,相同炮弹的水平穿深,则随着射程的增加而增加。伴随着各国战列舰主炮口径的不断扩大,传统的舷侧垂直装甲,已经无法对远距离发射的高弹道炮弹进行有效防御,从而会出现炮弹绕过舷侧装甲带,击穿薄弱的水平甲板,直接摧毁锅炉舱、轮机舱甚至弹药库的情况。

战列舰河内的弹药库段截面,可见远距离大角度下落的炮弹,可以越过垂直主装直击弹药库

在一战以后乃至此后到来的条约时代,加强战列舰的垂直与水平防御成为各海军强国设计上的共识。以纳尔逊级战列舰为代表,取消了造成仅能在较近距离发挥作用,且较多吨位浪费的穹甲系统,着重于直接增加水平与垂直装甲的厚度,部分战列舰还设计了有角度的倾斜主装,以防御传统的击中垂直装甲的炮弹,以及远距离落下炮弹和敌军战机投下炸弹的威胁。

衣阿华的动力舱段截面,可见其水平装甲和倾斜的垂直主装

除了来自水面以上的威胁外,战列舰也经受着包括鱼雷、水雷和水中弹在内的,来自水下的威胁。在一战期间的海战中,有不少战列舰因为水面、潜射雷击乃至水雷击伤的而损毁的战例。故曾经在水面舰艇设计中被忽视的水下防护,也由此被搬上日程。以1906年服役的英国无畏级战列舰为例,其舷侧设置两层煤仓以吸收鱼雷爆炸冲击力并减缓进水,这一设计在一战期间被各国的战列舰、战列巡洋舰广泛采用。

无畏型战列舰装备的煤仓TDS

早在1911年美国海军进行的一次测试,证实了设置在舷侧水下的隔舱内加注重油,对鱼雷的良好的防护效果。以此为理论基础,1912年开始建造、1915年定型的宾夕法尼亚级战列舰,成为了美国海军中最早装备真正意义上鱼雷防御系统(Torpedo Defense System,下文简称TDS)的战列舰。而此后采用涡轮机电传系统,动力舱室宽度大幅减小的田纳西级战列舰,更是采用了重油和空仓相互间隔布置的多层隔舱设计,从而相比传统的TDS拥有更强大防护效果。

宾夕法尼亚型装备的液舱TDS

美国标准战列舰普遍装备的液舱空舱交错布局式TDS

英国海军则通过战争经验,于声望级战列巡洋舰安装了新式的TDS,即突出舰体之外的防雷膨出部(但仍有部分TDS保留于舰体内部),这一设计节省了战列舰的内部舱室空间,并大大增加的TDS 的可覆盖深度。这一设计虽然可能导致舰艇航行阻力增大、舰艇水线处过窄导致适航性不佳的等诸多问题,但仍然凭借着优良的实用性而被广泛采用。

声望型战列舰TDS于舰体内部及外部部分示意图

此外,在1924年对靶舰土佐和安艺的射击试验中,日本海军首次认识到“水中弹”这一特殊命中方式对敌舰的杀伤效果。其对战列舰的实战杀伤效果较为可观,以丹麦海峡之战为例,威尔士亲王号战列舰以其较小口径的14inch/356mm主炮,凭借水中弹方式击破俾斯麦号轮机舱段的水线以下,导致俾斯麦的轮机舱进水。其自身虽然也受到了类似且更大口径炮弹15inch/380mm的水中弹打击,但因为TDS后方的水中弹防护而未被击破核心舱。

410mm水中弹对土佐号战列舰的杀伤效果

日本海军在专门开发可以更高效实现水中弹的专用炮弹的同时,开始着手于现役己方水面战舰的TDS与核心舱室的隔壁处,再设置一层防护装甲,用于抵御水中弹对自身的威胁。但出于日本海军对相关技术秘密的保守,除去对其进行频繁监听的美国海军引起了一定警觉,为其新式水面舰艇增设了水中弹防护装甲以外。只有少部分参战国以延长主装垂直长度的方式,使其防御范围覆盖TDS与核心舱室之间的部分,以达成防御水中弹的目的。

第二次改装后的伊势型战列舰弹药库段截面,可见其水中弹防护装甲

以上,我们已经粗略的介绍了战列舰防护的四大主要组成部分:垂直防护、水平防护、鱼雷防护以及水中弹防护。在此,我们正式开始对大和装甲防护设计的介绍。大和的装甲重量为21300吨,防护板重量为1630吨,共占69000吨舰体总重量的33%。其中垂直主装甲带厚度为410mm/VH,向外侧倾斜20度,布置方式为外置,覆盖了包括一号炮塔到三号炮塔之间的全部舷侧。其由水线以上延伸至水线下2.5m深度,覆盖部分TDS后方区域。

大和弹药库段截面(红色标记为主装)

炮塔座圈厚度并非固定,一号和三号炮塔的正面厚度最大,为560mm/VH,后方则减为380mm/VH;二号炮塔炮塔座圈位于甲板上方的部分厚度440mm/VH,至最上甲板下方则同样减至380m/VH。相比完全垂直的炮塔座圈,一号炮塔和三号炮塔前方的垂直装甲,则有着较大的倾角。其厚度分别达到340mm/MNC(上部),300mm/VH(下部正面),350mm/VH(下部斜侧面),且下部装甲的厚度随向下延伸而减小20-30mm。

大和中轴线截面及装甲布局(多次使用警告)

水平装甲布置在两层舱室以下,其厚度为200mm/MNC(舰体中部)到230mm/MNC倾斜7度(舷侧)。核心区上方,船体两侧的最上甲板未敷设装甲板,但在木制甲板和多层结构钢的叠加,其设计防御水平为4000m高空水平投掷的800kg航弹,可抵御二战舰载俯冲轰炸机在正常俯冲高度投下的几乎所有类型航弹。以主炮塔座圈为宽度的舰体中部区域,有大段最上甲板敷设50mm /CNC,可额外抵御正常俯冲高度投下的250kg航弹。

大和水平装甲布局示意图(红色标记区域为最上甲板50mm覆盖区域)

主炮下方的水平装甲采用三层底布局,其靠近弹药库的部分敷设50-80mm/CNC水平装甲,以保护磁性水雷或鱼雷对船底的攻击。为了保护锅炉免受俯冲轰炸和高弹道炮弹的威胁,大和在锅炉上方的烟道内部设置了380mm/MNC蜂窝装甲,等效240mm均质MNC。其开孔直径大小为180mm,开孔总面积占装甲面积的66%,保证了烟道的正常排烟。

大和弹药库底部装甲布局

除此之外,大和的主炮炮塔也受到了较为严格的保护,其正面装甲为650mm/VH倾斜45度,其加工难度,远超同时期其他参战国战列舰使用的装甲钢板。炮塔侧面装甲为250-330 mm/VH,炮塔顶部也达到了270mm/VH,拥有较佳的抗俯冲轰炸/高弹道炮弹的能力,但炮塔后部却仅有190mm/NVNC,不过其主要作用在于维持炮塔配重平衡。司令塔的整体厚度为500mm/VH,下部的通讯线路为300mm/VH的管状物,与下部装甲盒相连。

大和主炮塔装甲布局

需要注意的是,因为大和的核心防护区域较小,故未能如美英战列舰一样为主轴提供完全的装甲防护,仅在3处舵机敷设厚度由250-360mm不等的装甲板,以减少因俯冲轰炸或炮击导致丧失操舵能力的情况发生。其余部分的船体基本有结构钢(DS)构成,厚度在8-25mm不等。虽强度无法与装甲钢相比,但因为叠加层数较多,在保护水平装甲时还是能在一定情况下,达成剥离敌舰炮弹被帽的目的。

大和舵机处装甲布局标记

大和的TDS,由14-22mm/DS的外层结构和9-16mm/DS的内层结构组成,以舰体外膨出部的新式布置于装甲盒以外。其与垂直装甲之间以铆接方式连接,主连接点上方为410mm/VH主装,下方为50-200mm/MVNC的水中弹防护装甲兼防雷隔壁,这道隔壁后方又是两道用于注水/排水的隔舱。其TDS防御标准被认为可以抵御400kgTNT的鱼雷,高于其他末代战列舰。配合大和近3w5吨的储备浮力,其理论鱼雷防护效果应相当可观。

大和锅炉舱段截面,可见其舷侧TDS

但1943年12月大和被一枚美军潜射鱼雷命中的战例,这枚装药600磅的鱼雷击中右舷三号炮塔水线以下1.2米处,造成了水线以下高5米、长25米的巨大破口和3000吨的进水,爆炸导致主装甲带与水中弹防护装甲之间的连接处铆接结构直接断裂,造成主装向内侧塌陷,并导致了三号炮塔上部弹药库进水,此后大和返航吴港并于1月入坞修理。

大和中雷损坏情况示意图,标记阴影部分为进水区域

此次战例除了证明大和的TDS设计标准,已经无法抵御美军新型高能雷头外,也暴露了其设计上的一大问题:防雷壁/水中弹防护装甲虽然厚度足够但形变能力不足,因而在受到超过TDS设计上限的鱼雷命中导致的爆炸冲击时,连接和支撑点极易因瞬间集中的承力而损坏,并造成结构损坏和核心区大量进水。这一问题也普遍存在于南达科他,衣阿华等类似TDS设计的末代战列舰之上。在1944年初的维修与改造中,大和于内部空间较为富余的动力舱段安装了一块倾斜45度的钢板以分散受力,但作用依然有限。

大和动力舱段截面,红色标记部分为新布置的分散受力用钢板

除了上述存在的问题外,大和也存在着诸如锅炉布置过于集中,在动力舱段遭受连续打击时,容易造成损管作业困难;水泵数量和功率较为有限,注水、排水能力相对不足;TDS覆盖的舰体长度较短,导致对舰首舰尾等非核心舱部位的储备浮力保护不足等诸多问题。但我们也必须承认,作为用于进行水面炮战的舰艇,战列舰并非以鱼雷防护为其主要设计目的,大和在内的末代战列舰对核心舱室的重点防护也体现了这一点。

大和最终战中,核心舱室进水情况示意图

总结来讲,大和于防护设计方面的表现可谓中规中矩,得益于超越条约舰的设计吨位,其对核心舱室的防御相当彻底,于战列舰中亦处于前无古人的水平;然而相对而言,其非核心舱室防护、损管设备等方面则乏善可陈,与其较大的吨位不相比配。但依然无足于动摇其在末代战列舰中拥有顶尖防护水平这一事实。当然以上章节只涵盖了大和防护设计的一部分内容,对于其他与之相关的补充,将以附加章节的形式另作投稿。

参考主题帖:

战列舰论坛:

大和与武藏的覆灭过程,兼谈大和级的防雷设计

【原译】 战列舰鱼雷防护系统概述

相关参考资料:

《Eksmo - Japanese Battleship of WWII - Yamato and Musashi》(2006.03)

《光人社NF文庫 - 戦艦大和開発物語》(2003.02)

《光人社潮書房 - 日本の戦艦》(2012.04)

《Capital Ships of the Imperial Japanese Navy - The Yamato Class》

《U.S. Battleships An Illustrated Design History》

《Conway - Anatomy of the Ship - Battleships Yamato and Musashi》

《Anatomy of the Ship - The Battleship Yamato》

《海軍裝甲技術史》

《昭和造船史 - 戦前、戦時編》

《福井静夫著作集 - 日本戦艦物語》

《昭和造船史 - 日本海軍艦艇図面集》

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