FCS-0/1/2射控系统

──by captain Picard


 

68式/72式射擊指揮裝置一型(FCS-0/1)

(上與下)白根級直昇機驅逐艦鞍馬號(DDH-144)的FCS-1A射控系統。由於白根級有兩座MK-42 5吋艦砲,

配套的FCS-1A也有兩套,採用背負式安裝在艦橋頂部。注意FCS-1A戰位上有兩個操作席位。

 

 

在第一次防衛力整備計畫(昭和33年至昭和35年,1958至1960年)之前,海上自衛隊的艦艇的火砲射控系統(Gun Fire Control System,GFCS)主要為美製MK-56(導引127mm艦砲)與MK-63(導引76mm快砲),基本上仍與二戰水平相當,仰賴人工瞄準作業,面對高速噴射戰機力不從心。在昭和30年(1955年)時,日本編列預算,打算參照當時西方先進水平的自動化、雷達追瞄射控儀,發展新一代的國產火砲射控系統,評估的參考對象包括瑞士奧利崗(Oerlikon)、荷蘭Signnal等廠商的產品,最後基於性能表現(例如精確度)、未來可發展性而選擇了奧利崗的產品,在1958年引進一套並安裝在春風號(DD-101)驅逐艦上進行測試。奧利崗這種射控系統衍生自陸地系統,使用方位上的真北以及艦體靜止時的水平面作為方位計算基準,而不像一般艦用射控系統以艦首方為、甲板水平作為基準;由於船艦在航行時不斷地橫搖與縱搖,導致這種射控系統在使用上面臨許多問題,後勤維護也有許多困難。雖然如此,奧利崗這套系統對於日本開發國產艦載射控系統仍有正面貢獻。

基於前述經驗,日本防衛廳技術研究本部在昭和33年度(1958年)開始規劃發展國產艦砲射控系統,在1959年正式設定規格與需求,並委託三菱電機開始研究。當時防衛廳技研本部對新的射控系統有以下要求:

1.能捕捉、追蹤速度900節(約1700km/hr)的高速飛行目標。

2.具備自動追蹤能力

3.結合雷達與光學瞄準

4.全面採用電力伺服機構

5.追求系統小型輕量化,以便安裝在空間有限的船艦平台上

6.精確度不低於前述從奧利崗引進的系統

 

基於前述需求,防衛廳技研本部、三菱機電等相關單位在1960到1964年進行了原型的研發與測試工作。原訂此系統完全要採用電子控制與伺服,但由於技術成熟度的考量,研製過程中改成比較傳統的二軸機械式平台(與奧利崗製系統相同)。此系統結合一個具有自動追蹤能力的射控雷達追蹤儀(使用拋物面反射式天線)以及一個有人式光學/電視機追蹤儀(戰位上編制一名操作人員),兩者可各自獨立運作。在1965年,第一套試作射控系統安裝在村雨級驅逐艦春風號(DD-109)上進行測試,從1965年10月20日到1966年9月28日進行三次海上測試,1966年底完成測試項目,之後獲得「68式射擊指揮裝置」(Type 68 GFCS)的制式化名稱(日後通稱為FCS-0)。

之後,海自基層部隊根據實際操作經驗,建議Type 68比照美製MK-56射控指揮儀的配置;因此,防衛廳技研本部以Type 68為基礎進行「改善型GFCS」,將操作人員增為兩人,並將原本分立的雷達與光學操作部位改為整合操作,同時也引進MK-19陀螺穩定儀來改善航行時火砲射擊命中率。在1969年,此種「改善型GFCS」在高月級驅逐艦花月 號(DD-167)上開始測試,在1972年於峰雲級驅逐艦叢雲號(DDK-118)的最後測試中成功命中標靶,通過驗收後定型稱為72式射撃指揮装置1型(FCS-1)。FCS-1總共有23個機構部位(計算電容器);進行射擊指揮時,射控系統將雷達中心對準目標,同時間計算目標的方位、俯仰角以及距離。FCS-1的雷達採用單脈衝技術(而不是圓錐掃描),接收天線由四個角度不同的喇叭狀天線構成,比較單一回波抵達四個天線的時間差,計算出目標的方位。

FCS-1總共生產34套來裝備日本海自的艦艇,有FCS-1A/B兩種衍生型,FCS-1A用來指揮127mm艦砲,裝備於高月級驅逐艦、榛名級與白根級直昇機驅逐艦、 前兩艘太刀風級飛彈驅逐艦(DDG-168、169);FCS-1B用於指揮76mm快砲,裝備於兩艘峰雲級驅逐艦(DDK-117、118)、後三艘山雲級驅逐艦(DDK-119~121)、筑後級/天鹽級護航驅逐艦、三浦級輸送艦、宗谷號佈雷艦(MMC-951)等

FCS-1的雷達天線直徑約1.8m,雷達接收端信噪比38dB,能360度水平尋轉,天線垂直俯仰範圍-5~+85度,探測精確度在20yd以內(18m),最大波束角5度以內(平均2度以內),天線重約1200kg。

 

81式射撃指揮装置2型(FCS-2)

初雪級驅逐艦的 瀨戶雪(TV-3518 ex-DD-131)的FCS-2-21A射控雷達,鐘型天線罩裡裝有一個整合搜索/追蹤天線組。

注意天線罩前部有一個光學指揮儀。攝於2018年4月6日吳基地。

初雪級驅逐艦的山雪 (DD-129)的FCS-2-21A射控系統,這是簡化版的FCS-2,只有一具追蹤天線,省略FCS-2-12的搜索天線。

初雪級驅逐艦瀨戶雪(TV-3518 ex-DD-131)的FCS-2-21A射控雷達。攝於2018年4月6日吳基地。

旗風級飛彈驅逐艦旗風號(DDG-171)的FCS-2-21C射控雷達,注意天線左側裝有整合光電系統。

高波級驅逐艦漣號(DD-114)的FCS-2-31射控雷達,負責導控艦上的海麻雀防空飛彈與火砲。攝於2018年4月5日吳基地。

 

1967年以色列艾拉特號驅逐艦被埃及飛彈快艇以P-15反艦飛彈擊沈的事件之後,如何防禦反艦飛彈成為西方海軍界的當務之急。當時日本在昭和42至46年度(1967~1971年)的「第三次防衛力整備計畫」中開始納入反艦飛彈防禦項目,打算從昭和47到51年度(1972~1976年)的「第四次防衛力整備計畫」中正式引進。

當時日本要求「小型射撃指揮装置」具有以下特正:

1.能自動探測、捕捉、追蹤反艦飛彈這類小型高速目標

2.能同時接戰多個目標

3.能整合不同的武器系統,包括新型35mm、40mm機砲等,而不像過去每種武器都需要個別的專屬射控系統。

在昭和45年度(1970年),防衛廳正式著手進行「小型射撃指揮装置」項目,當時規劃在1970年進行研究,1971~1972年度製造原型,1973年度進行陸上測試,1974到1975年進行海上測試,隨後就投入服役。在研製初期,研發團隊遇到系統體積重量過大、追蹤雷達精確度不足、伺服機構動作不夠精確等問題,導致整個計畫進度延後一年。在1974年,「小型射撃指揮装置」原型進行地面測試,1975年安裝在峰雲級驅逐艦叢雲 號(DDK-118)展開海上測試(拆除後方第二旋轉基座上的MK-63火砲射控儀來安裝),測試時又發現雷達發射機出問題,原因是日本國產行波管絕緣不佳,射頻信號輸入放大器之後整個雷達動作不如預期,又花了半年時間解決這些問題;為此,相關技術測試持續到1976年,測試評估作業也延後到1978年。原本日本海自打算在昭和50年(1975年)編列的白根級直昇機驅逐艦上使用此種新型射控系統(配合海麻雀防空飛彈),由於這些延誤,使得海自只能購買荷蘭信號(HAS)的WM-25射控系統來裝備白根級。在海上測試中,新系統也發生在冬季較差海象下,雷達容易受到海面雜波干擾,難以有效追蹤低飛的小型目標;為此,研發團隊引進使用都卜勒信號處理的移動目標追蹤(Moving Target Tracker,MTT)、移動目標指示(Moving Target Indication,MTI)等技術。其他的努力方向包括減低系統體積重量、增強電子反反制(ECCM)能力等。在昭和53年度(1978年),「小型射撃指揮装置」展開新一輪測試,雖然前述問題獲得解決,但測試顯示其射擊控制精確度以及彈著觀測精確度仍無法達到要求。為了克服這些問題,日本在1978年2月集結海自實用實驗隊司令下轄的關東地方技術研究本部、海上幕僚監部實施部隊、三菱電機的鎌倉製作所組成團隊,在官方、民間通力合作下,最後終於克服難關,在同年8月完成對空實戰測試,10月完成海上技術測試,在1979年3月終於完成所有測試驗證項目,並獲得「81式射撃指揮装置」(FCS-2)的制式型號。

FCS-2原型

FCS-2原型雷達採用一個兼具搜索/追蹤與射控能力的天線組,包括一具旋轉搜索雷達(位於下層)以及一具使用卡賽格林聚焦天線的追蹤雷達(位於上層),天線旋轉基座具有雙軸穩定功能,而整個搜索/追蹤天線組裝置在一個鐘型天線外罩內,減低海風、海浪、雨水、鹽分對天線造成的損害。下方的搜索雷達採用一具長方形天線,轉速為60轉/分,能同時進行近程空域警戒以及目標追蹤工作;而一旦決定展開攻擊,就轉交給上層的追蹤雷達進行射控工作。搜索與追蹤雷達共用一部X(I)頻發射機,包括正交功率放大電子管(Cross Power Amplifier Tube )、行波管(Traveling Wave Tube ,TWT),具備可變頻率能力( Frequency Variable Capability,F/A) ,並在研製過程中加入MTT、MTI、都卜勒信號處理器等單元來提高抗干擾能力。在搜索階段,發射機所有的功率都提供給下層的搜索雷達;一旦偵測到目標並展開精確鎖定,上層追蹤雷達就獲得60%的功率(搜索雷達仍獲得40%的功率)。與FCS-1相同,FCS-2的追蹤雷達也使用單脈衝探測技術。FCS-2後端引進數位計算機來處理信號,定址為16位元;透過分時處理技術,一套FCS-2能同時精確追蹤並接戰兩個目標。

除了雷達之外,FCS-2也結合了光電系統,在需要目視確認或緊急狀況(雷達故障或遭到電子干擾)時使用,包括電視攝影機、光學瞄準儀等。

FCS-2-12

叢雲號上的測試階段,FCS-2用來導引艦上76mm快砲射擊空中目標。而隨後真正被日本海自制式化大量採用的是FCS-2-12,主要是納入海麻雀防空飛彈的射控能力。1960年代後期艾拉特號遇襲事件後,美國海軍開始規劃以海麻雀防空飛彈(RIM-7,以空用的AIM-7空對空飛彈飛彈衍生而來)為基礎,發展自動化的短程防空飛彈系統,並且邀請盟國加入海麻雀飛彈的研製與使用集團。當時美國、荷蘭信號(HAS)等都配合海麻雀防空飛彈而研發相對應的自動化雷達射控系統,而日本開發的版本就是基於FCS-2的FCS-2-12。FCS-2-12兼具導引防空飛彈與火砲的能力,被稱為「高配置」(High Type)版本。

為了配合海麻雀防空飛彈的照射工作,FCS-2-12的雷達發射機結合一具符合北約標準的MK73連續波(Continuous Wave )發射器。FCS-2-12的光電系統也經過改進,再增加雷射測距儀器,其電視攝影機也具備自動追蹤能力。FCS-2-12的方位盤(旋轉基座)是DIR-2-12,光學瞄準儀是OPT-2-12。FCS-2-12的後端控制電腦換成美製AN/UYK-20中型電腦。除了透過本身雷達、光電系統獲得目標外,FCS-2-12也與艦上作戰資訊系統整合,能獲得作戰系統或數位資料鏈傳來的目標資訊。

使用FCS-2-12的艦艇包括初雪級驅逐艦、朝霧級驅逐艦、兩艘經過FRAM改良的高月級驅逐艦(DD-164、165)、經過FRAM改良的榛名級直昇機驅逐艦等;而原本完工時來不及裝備FCS-2的白根級,在2000年代也將WM-25射控雷達拆除換成FCS-2-12(來自於除役的高月級驅逐艦DD-164與DD-165)。

CS-2-12的搜索雷達天線尺寸為1.5m x 0.45m,追蹤雷達的直徑約1m;搜索雷達的俯仰範圍是-1~+30度,追蹤雷達俯仰範圍-1~+85度,對雷達截面積1平方公尺的目標的探測距離約30km,探測高度約15km。

FCS-2-2系列

相較於可以單獨導控防空飛彈的FCS-2-12,配置較為簡化的版本稱為FCS-2-2系列,又稱為「低配置」(Low type)版。FCS-2-2省略了獨立的搜索雷達,只具有追蹤雷達,並且省略了天線罩,而雷達發射機則改為電磁管(magnetron)形式。此外,FCS-2-2改用電子穩定機制,取代了先前日本國產艦砲射控系統如FCS-0/1、FCS-2原型以及FCS-2-12的雙軸機械式穩定系統。因應火砲射控的需求,FCS-2-2增加了利用電視攝影機追蹤目標的模式。

FCS-2-2系列第一種實用化型號為FCS-2-21A,沿用與FCS-2原型雷達相同的卡賽格林反射式天線,裝備於初雪級驅逐艦上 ;由於初雪級另外配備具有搜索能力的FCS-2-12,因此FCS-2-21A只需要擔負火控照射工作。而石狩號、夕張級護航驅逐艦配備的FCS-2-21B則兼具搜索能力,以被動相位陣列(Passive Phased Array,PESA)天線取代原本的卡賽格林反射式天線,使波束能在垂直軸向掃描(石狩號、夕張級沒有FCS-2-12,因此FCS-2-21B需要具有搜索能力)。太刀風級飛彈驅逐艦三號艦(DDG-170)以及首艘旗風級飛彈驅逐艦(DDG-171)使用FCS-2-21C射控系統(太刀風級的前兩艘則使用FCS-1A),天津風號(DDG-163)飛彈驅逐艦在1982年以FCS-2-21D射控系統取代艦上原本的MK-63 mod14火砲射控系統。阿武隈護航驅逐艦使用FCS-2-22C~E射控系統。先前在FCS-2開發階段作為海上搭載平台的叢雲號(DDK-118)在日後以FCS-2-21E替代了原本安裝的原型FCS-2系統。

隨後改良的FCS-2-22(使用PESA天線)增加了追蹤目標的角度-21度到+82度,從而具備了在天頂方向追蹤的能力;朝霧級驅逐艦使用FCS-2-22A,旗風級飛彈驅逐艦的二號艦(DDG-172)使用FCS-2-22B。FCS-2-23則新增了導控ESSM防空飛彈的射控功能 ,後四艘朝霧級(DD-155~158)改良時將FCS-2-22升級到FCS-2-23。

FCS-2-31則是FC-2的最新版本(使用PESA天線),兼具控制火砲、海麻雀防空飛彈的能力,其基座型號為DIR 2-31。FCS-2-31結合雷射測距儀、紅外線熱影像儀、電視攝影機等。FCS-2-31裝備於村雨級驅逐艦(FCS-2-31A)、高波級驅逐艦(FCS-2-31B)、隼級飛彈快艇(FCS-2-31C)等。