浅析二战大型战舰装甲防护设计

（本文作者为Der.Flynn.Girl）

导言

我们常常听到对于一些大型舰船这样的评价：“这艘船是不可沉没的”。大型的舰船，特别是战舰，往往有着优秀的防御设计，能够承受大量的损伤而不至于沉没并保持一定的航海性能。本文将要介绍二战大型战舰的装甲防护设计，来展现二战的大型战舰是如何设计装甲以提升生存能力并阐述装甲设计的一些重要考虑方面。

战舰上用来提高直接抗打击能力的系统部件可以简单分为装甲和缓冲结构这两大类。许多大型战舰，尤其是战列舰，都在重点部位具备厚重的装甲，使得炮弹不能击穿装甲而在非关键部位之外爆炸，从而保护重要的部分。而为了应对水下的鱼雷威胁，大型战舰往往都有精心设计的防雷系统，防雷系统往往会腾出较大的纵深空间，在这些空间设计了缓冲吸收爆炸能量的结构，在防雷系统最内层的位置一般具有装甲以防止减弱的爆炸冲击及破片进入内部结构。

为了方便论述装甲布局，有必要先大致了解一下二战大型战舰的主要内部结构。按照用途，这些结构可以大致分为舰体（包括装甲系统）、兵装和动力三个大部分。

舰体是战舰的基础框架结构。舰体最主要的结构形式是分层甲板。舰体底部是作为基本支撑结构的龙骨，大型战舰为了增强抗沉性往往会设置双重舰底甚至三层的舰底。多重舰底一般两层舰底之间的高度在1m左右，这些空间比较狭小低矮，最多作为液舱存储燃料，不会用来放置器械。舰底上方逐层建造甲板，每两层甲板之间的高度一般在2.4m到3m范围。为了限制进水范围，大型战舰往往具备由多个横向舱壁分隔的水密隔舱，在一些外侧部分还可能有非常细密的水密划分结构。一般舰体水线下方和水线附近的水密划分比水线上的甲板区域要多。在最上的甲板平台之上的建筑结构被称为上层建筑，主要由舰桥和烟囱构成。烟囱就是提供蒸汽的锅炉排出废气的通道，其高度往往和舰桥有关系。另外，锅炉还需要专门的进气通道，同样舰内要循环空气也需要在一些部位设置比较大的通风口。舰桥最主要的结构形式也是分层结构，有些大型火炮战舰的舰桥结构是在比较宽大的基底部分上设置高耸的塔状结构。舰桥的主要功能有瞭望、测距、指挥等等。一般来说火炮战舰的舰桥分为前后两部分，前舰桥是主要部分，体积和高度比后舰桥要大。回到舰体部分，由于结构承力、覆盖区域等因素，战舰的装甲系统和舰体的甲板分层以及设计水线位置有非常紧密的联系。

对于二战大型战舰而言，兵装可以分为舰炮、鱼雷和航空舾装三大主要类型。舰炮最常见的形式是炮塔结构，在舰底的甲板设置弹药库，在最上平台安置炮塔，中间是供弹机构。炮塔由圆柱状的座圈和盒状的上部分组成，通过回旋调整射击方位。炮塔的回旋部分包括火炮及其装填、俯仰等设备，一般自身具备测距仪，以备指挥塔测距仪损坏时使用。除炮塔结构外，还有非封闭的炮架结构和类似炮塔的封闭式结构。这些结构的分类取决于供弹机构、回旋部分等等的差异。近代战舰的大口径火炮（大于8英寸）都是真正意义上的炮塔结构，具备完整的机械装填系统，除了比如日本重巡洋舰古鹰级新造状态时的单装20厘米炮这种特例。偏小口径的舰炮和防空机炮相对较少采用炮塔结构，主要是重量和复杂度层面的考虑。炮塔最明显的特征是火炮的联装数，即一座炮塔内布置的火炮门数。在炮塔上最多的联装数是四联装，而一些非炮塔结构的机炮可能多达八联装，因为在装填供弹这些结构以及空间上的限制较小。

鱼雷武器可以分为固定发射管和旋转发射架两种结构，固定发射管就是潜艇的鱼雷武器的结构形式，在一战时期的大型战舰也比较常见，一战及20世纪20年代早期的战列舰的鱼雷固定发射管有各种布置位置，包括水下侧舷、水下艏艉和水上侧舷三种大致位置；旋转发射架则常见于各类中小型水面舰，同样具有联装数的特征，一般在三联装到五联装，早期的一战驱逐舰和巡洋舰也有装备双联装旋转发射器的例子，而双联装因为单基搭载数量不足比较占用空间，在后面就比较少见了。鱼雷如果要再装填是比较麻烦的，二战潜艇的鱼雷装填时间在15分钟以上，水面舰艇在海况适宜环境下要装填也很可能要半小时以上的时间，而在海况较差时甚至不能实现装填，所以很多搭载了旋转鱼雷发射架的战舰都没有设置再装填设备（也有再装填设备占用空间重量的原因），其发射管内的鱼雷数量就是鱼雷搭载的总数；而日本自从一战后就一直很重视水雷战队的建设，其驱逐舰以及巡洋舰有不少型号都有鱼雷次装填设备，待装填的鱼雷一般在鱼雷发射架附近的舰体同层甲板内部放置，有专用的装填滑轨。

航空舾装严格而言大部分也是舰体结构的一部分。航空舾装可以按运用舰载机的类型大致分为舰载机和水上飞机两类舾装。要运用水上飞机，一般必须要有弹射器和回收吊机，有些战舰具有水上飞机的格纳库。运用舰载机需要起降甲板，一般为了发挥较大效能还需要有机库以及升降机。日本的航空母舰没有弹射器，这在一定程度上影响了甲板运作效率和出击架次，当然正规航空母舰使用的弹射器跟一般的水上飞机弹射器还是有很大差别的。机库的高度跟放置舰载机有很大关系，一般日本的中大型航空母舰的双层机库总共占用相当于三层甲板的高度，而美国的航空母舰因为机库有吊挂备用机和采用甲板停置的原因，其单层机库就有相当于两层甲板的高度；一些战列舰和巡洋舰上收纳水上飞机的机库更高，大约要三层甲板的高度，因为水上飞机在机身下方还有浮筒，比航空母舰的舰载机要高。

大部分二战战舰的动力系统都是传统的锅炉-蒸汽轮机系统。德国在许多巡洋舰上偏好使用柴油机动力系统或者柴油机-蒸汽轮机混合动力，柴油机动力虽然有比较好的续航表现但是对于万吨以上的大型战舰来说是比较缺乏稳定性可靠性的，二战时期德国应用过柴油动力的最大的战舰就是标准排水量约11,000吨的德意志级袖珍战舰，日本有在潜水母舰上运用过柴油机，不过在其航母化改造时也全部换成传统的蒸汽轮机动力了。言归正传，传统的锅炉-蒸汽轮机动力主要分为锅炉、轮机和轴系三个部分。锅炉就是燃烧燃料提供蒸汽给轮机，轮机将蒸汽的热能转换成机械能，通过轴系传输动力给螺旋桨推进。二战时期大部分大型战舰都采用四轴推进，这是为了具有应对损坏的余度，实际上相对减少轴数增大螺旋桨一般是能增加推进效率的。个别战舰采用了三轴推进，基本没有采用双轴推进的案例。一般动力比较充足的战舰都具有四个轮机舱，每个机舱分别具有对应一根推进轴的主机。考虑到效率问题，大型战舰往往在主机外还设有巡航汽轮机，巡航汽轮机通常要比主机小很多。二战大型战舰的锅炉舱室和轮机舱室的高度都在7m以上，大约相当于三四层甲板。二战时期新造舰的锅炉都是燃油锅炉，油舱一般设置在艏艉底部，也有在侧舷防雷系统的液舱和双层舰底之间储存燃油的例子。

以上就是对战舰内部结构的大致介绍。下面我们来讲述装甲设计的理论原理。

装甲设计原理

请先思考一个问题：“战舰的装甲是越多越好吗？”

绝对不是。

装甲的用途是什么？显然，是阻挡物体或者爆炸能量对舰体及其内部造成损害。那么这些损害会使得舰体出现破损并进水，当损害的量级达到一定程度时舰体就会进水过多，导致倾覆或者直接沉没。也就是说，给战舰施加装甲最终的目的就是使战舰尽可能难以沉没。但是，装甲是非常重的。以水的密度为1，则纯铁的密度是7.5，钢材的密度在8左右。像30,000吨排水量以上的战列舰，其装甲总重往往有一万吨以上，很多战列舰的装甲重量占标准排水量超过三分之一。虽然说增加装甲厚度和覆盖范围是相比强化兵装和动力而言的增加战舰战斗力最为简单可行的手段，但是一般战舰都有排水量上的限制不能无限制巨大化，并且一艘战舰首先要能投送火力，其次才是考虑要如何保证生存性来发挥火力，而绝对不是本末倒置去造一条单纯挨打的靶舰。也就是说，严重过剩的装甲会相对战舰的尺寸而言降低整体的效率。另外，过多的装甲会占用非常巨大的重量，我们设计一艘战舰考虑抗沉性时往往会涉及到储备浮力这样的一个概念。储备浮力，简单说就是战舰的完整舰体减去排水部分所剩下的封闭体积的进水容量。战舰承受打击的余量显然跟储备浮力是成正比关系。所以一般来说空载的战舰要击沉的话比满载状态需要更多的进水量。那么施加了大量的装甲其实也是在占用舰体有限的储备浮力，换言之，就像是在自沉。所以，装甲防护绝对不是越多越好的。也就是说，装甲反而是越“少”越好——尽可能少，刚好满足必要的程度，这才是装甲设计的核心理念。

那么，为了尽可能减少装甲，我们首先需要了解不同部位的防护重要程度。显然，弹药库是一定要尽可能重点保护的。历史上有不少弹药库殉爆导致沉没的案例。战列舰的一发大口径穿甲弹的装药怎么也不会超过50千克，一发21英寸口径鱼雷的战斗部装药一般也达不到500千克TNT当量，但是如果这些炸药连带引爆了弹药库，后果是不可想象的。大口径舰炮每门大约有120发的备弹，一座主炮塔下方的弹药库就有两三百发甚至更多的大口径炮弹，而且还包括同等数量的发射药，要知道火炮的发射药当量总是比炮弹装药大很多的。即使是貌似危险性低一些的深水炸弹库，其殉爆后果也同样是非常严重的，当然一般搭载深水炸弹的是本身就很缺乏装甲防护的驱逐舰，在战列舰上是不存在的。那么除了弹药库之外，动力系统也是需要装甲防护的。战舰本质上也是一艘船，如果不能航行，那只相当于一个大型漂浮物。而在战场上，一艘战舰如果被严重减速，那它就有被追击的危险，而如果战舰已经严重失去航行能力，那么它甚至有被敌方俘获的可能。没有一艘船是不可沉没的，保证自己的机动性也就是保证自己的存活性。另外，自20世纪以来，船舶动力技术的发展使得锅炉使用的蒸汽温度和压力不断提升，高温高压锅炉如果发生爆炸也会释放极大的能量。弹药库和推进装置构成了一艘战舰所谓的“核心区”。通常来说动力系统的防护优先级要次于弹药库，动力出现受损还有比较多的抢救可能，而弹药库发生大规模殉爆导致的后果往往是不可挽回的。

为了保证武器系统的效能，在炮塔部分施加装甲防护也是有意义的。为了防止炮塔被命中时内部供弹系统到弹药库引发一连串的爆炸，炮塔结构在设计上往往会重视跟弹药库之间的隔离防护，在弹药库顶部的甲板会设置一层装甲。鱼雷发射器是比较难以施加装甲防护的，或许可以大概构想活动的装甲开口来给固定鱼雷发射管提供防护，但历史上并没有给固定鱼雷发射管施加良好装甲防护的案例；而旋转发射架其实是在上层甲板的直接敞开鱼雷的一个架子而已，如果要拿装甲围起来还处理活动开口之类的那会极大增加重量，一般在战斗中要防止鱼雷被诱爆只需要及时射出清空就可以了。虽然说鱼雷发射架的位置比较靠上，发生殉爆时下面一般都有一定的装甲甲板保护，对于较大的战舰来说鱼雷发射架发生殉爆通常不会直接导致沉没，但是一枚鱼雷的战斗部的装药量怎么说也有几百千克TNT当量，几枚一起爆炸的话可能有一吨以上的TNT当量，无论如何还是要尽量避免的。那么为了保障航空运用的能力，对机库和航空母舰的飞行甲板施加装甲防护也是有道理的，但是机库是体积比较大的单位而且位于舰体比较高的位置，原则上为了稳性是不会给机库还有飞行甲板施加弹药库等级的装甲防护的。

那么，燃料需不需要装甲防护呢？这当然跟燃料的性质有关。重油其实是性质比较稳定的，比较难以诱爆。而轻质的航空燃油相对就容易被诱爆，历史上就有航空燃油泄漏挥发后爆炸导致航空母舰沉没的惨重案例，所以航空用的轻质油库是需要注意密封性的。至于说战列舰上的给水上飞机备用的航空油库需不需要装甲保护，这一点我也比较少注意。一般因为战列舰的搭载机数和舰载机出动频率要远低于航空母舰，所以战列舰上的航空轻质油库也不会占用很大空间，理论上纳入核心区是没有问题的。

在舰体上布置装甲时，通常是附加在舰体结构上，一般不会对舰体结构造成比较大的改动。像装甲甲板就不会影响甲板分层。那么为了保护舰体避免进水，或许只需要把水下和水线部分的外壳附加一定厚度的装甲就能限制舰体水下部分的裂口。然而事实并非如此，水下防护并不是简单去增加外壳的厚度，而是去尽量限制爆炸能量的扩散，设置缓冲区域。根据水下爆炸试验的结果，具有一定厚度的外壳在接触较大当量炸药爆炸时反而会产生大量的破片，对水下防御反而是不利的。那么再说到上层建筑的防护，同样的，因为上层建筑的位置比较高，不可能全面施加重甲来保护整个舰桥，所以对于大型的火炮战舰的舰桥防护通常仅仅是集中防护司令塔还有一些指挥设备，舰桥的其他部分是基本没有装甲保护的。

那么我们已经大致了解了战舰上各个部分的防护重要程度。要尽量减少装甲，一方面是降低装甲的覆盖范围，另一方面就是提供合适的厚度。

一般来说，2英寸（50.8mm）厚的装甲足以应对飞溅的破片；而对于有较强的结构侵彻能力的炮弹或者航空炸弹，需要更厚的装甲来避免它们进入重点部位造成损害。显然，对炮弹而言，穿甲能力是跟口径、弹重以及碰撞速度成正比的，对于空中投掷的穿甲航弹也同样适用。重巡洋舰的侧舷装甲可能在3到5英寸（1英寸=25.4毫米）的厚度，防护设计应对6英寸口径的炮弹；四万吨级战列舰的侧舷主装甲带厚度普遍在12英寸以上，考虑应对14到16英寸级别的炮弹。那么请思考一下：设计防护应对某种口径的炮弹，就是无论如何这样的炮弹都打不穿战舰的装甲吗？

不是。炮弹的穿深是随着距离而变化的。这非常容易理解，飞行时间越长，炮弹受空气阻力所损耗的动能越多，末速度就越低，自然穿深也就会降低了。16英寸口径的炮弹在炮口处的穿深能超过800毫米，而在两万米距离的穿深可能会降低到400毫米左右。也就是说，任何战舰的装甲设计在考虑应对某种火炮时都仅仅是考虑在一定距离范围上不被击穿，这个不被击穿的距离就是战舰应对某种火炮的免疫区。

那么请再思考一个问题：为什么一战战列舰的甲板装甲厚度普遍低于二战时期的新型战列舰？

炮弹的穿甲能力不仅跟炮弹自身的属性有关系，还跟装甲的迎击角度有关系。可以想象一下，相同厚度的装甲板面，炮弹如果要沿直线穿过倾斜的装甲会比垂直穿过需要更多的路程，并且倾斜度越大这个相对厚度的增益效果越多，当倾斜度达到和炮弹速度方向平行时炮弹就是在装甲表面上擦过。从一战到二战，舰炮的有效射程大幅提升，从远处落下的炮弹因为弹道的关系具有更大的着角，从而击穿水平甲板的能力更强。并且，倾斜角所引起的效应是大于简单的三角几何关系的，这个具体涉及到对炮弹侵彻装甲的详细受力过程分析。比如说，厚度为100毫米的装甲板，如果提供45度的迎击角，从几何上厚度增加到约141毫米，而实际抗弹的等效厚度是大于这个数值的。倾斜角会导致炮弹在穿入装甲过程中发生偏转，当倾斜角够大时甚至有可能出现跳弹。所以为了在着角较大的情况下去更容易地击穿倾斜装甲，专门有一种钝头穿甲弹，在击穿装甲的过程中利用转正效应来抵消倾斜度的一些影响。当然这些甲弹对抗的细节过程是非常复杂的。

在了解装甲的倾斜效应后，我们再来分析战舰应对各个方向射来的炮弹所需要的装甲防护。舰体上的侧舷装甲带本身往往随舰体线形渐变具有一定弧度，以及航行的角度，这些都会影响对炮弹的迎击角度。一般来说炮战都是差不多以侧舷平行对敌的，艏艉方向一方面通常火炮的齐射数量较少，另一方面战舰是在海上的一个摇晃平台，由于力矩之类的关系，舰体摇晃在纵向上对火炮仰角的干扰更大，所以相对来说侧舷中弹是主要的考虑情况。炮弹在水中会迅速衰减动能，所以应对水中弹不需要主装甲带那样的装甲厚度。但是艏艉方向来袭的炮弹会通过艏艉的舱室，而这些结构相比并不能像相近空间的海水那样对炮弹有比较大的动能衰减，所以一般装甲核心区在艏艉正面的防护隔壁会有比较均匀的厚度分布，不同于一般的主装甲带在水下部分逐渐削减厚度的情况。那么结合对迎击角度的分析，我们容易理解，一艘战舰的各项装甲防护中，核心区水线附近的主装甲带通常是最厚的，核心区艏艉正面的装甲隔壁通常薄于主装甲带，水平甲板通常会明显薄于侧舷主装甲带，并且一些水平装甲甲板的下坡段会增加厚度来维持相同的防护效果。

作为补充，稍微提及一点有关甲弹对抗的知识细节。在总厚度相同、迎击角度相同的条件下，分配给多层装甲带的防护体系在对抗炮弹击穿上通常是不如单层大厚度装甲板的防护效果的。从物理上粗略地讲，装甲在抵抗炮弹击穿的过程中是有一个整体的吸收冲击的区域，而分散给多层的装甲防护体系就有几层没有同时吸收侵彻力，只有和炮弹接触的一两层在发挥作用，所以就在总厚度相同的条件下降低了防护效果。但是，一些战列舰的侧舷装甲防护具有剥被帽体系，通过一层较薄的装甲带或者外层的轻度装甲防护体系先剥去穿甲弹的被帽，再让大厚度的装甲板吸收穿甲弹的动能；另外炮弹在先穿过前面的装甲时可能会发生偏转，从而在击穿后面的装甲时具有不同的迎击角度，进而影响装甲的等效厚度。这些分析是很难确定并验证结论的，可以说是玄学。

以上就是对装甲设计原理的大致阐述。接下来，我们将对几个比较典型的案例进行简单分析。