Дальномерные компьютеры были электромеханическими компьютерами управления огнем , которые использовались в основном в начале 20-го века. Это были сложные аналоговые компьютеры , развитие которых достигло своего апогея после Второй мировой войны , в частности, компьютер Mk 47 в системе управления огнем орудия Mk 68. Во время Второй мировой войны дальномерные компьютеры управляли огнем орудий на суше, на море и в воздухе. Хотя дальномерные компьютеры были широко развернуты, самые сложные дальномерные компьютеры устанавливались на военных кораблях для управления огнем дальнобойных орудий. [1]
Эти вычислительные устройства на базе военных кораблей должны были быть сложными, поскольку проблема расчета углов стрельбы в морском сражении очень сложна. В морском сражении как корабль, стреляющий из орудия, так и цель движутся относительно друг друга. Кроме того, корабль, стреляющий из орудия, не является устойчивой платформой, поскольку он будет крениться, наклоняться и рыскать из-за воздействия волн, изменения направления корабля и бортовой стрельбы. Дальномер также выполнял необходимые баллистические расчеты, связанные со стрельбой из орудия. В этой статье основное внимание уделяется корабельным дальномерам ВМС США, но основные принципы работы применимы ко всем дальномерам независимо от того, где они были развернуты.
Дальномер определяется как аналоговая система управления огнем, которая выполняет три функции: [2]
Ранняя история управления огнем на море была основана на поражении целей в пределах видимости (также называемом прямой наводкой ). Фактически, большинство морских сражений до 1800 года проводились на дистанциях от 20 до 50 ярдов (от 20 до 50 м). [3] Даже во время Гражданской войны в США знаменитое сражение между USS Monitor и CSS Virginia часто проводилось на дистанции менее 100 ярдов (90 м). [4] Со временем морские орудия стали больше и имели большую дальность. Сначала орудия наводились с использованием техники артиллерийской корректировки . Артиллерийская корректировка включала стрельбу из орудия по цели, наблюдение за точкой попадания снаряда (падением дроби) и корректировку прицеливания на основе того, где, как было замечено, приземлился снаряд, что становилось все труднее по мере увеличения дальности стрельбы орудия. [3] [5]
Между Гражданской войной в США и 1905 годом было сделано множество небольших улучшений в управлении огнем, таких как телескопические прицелы и оптические дальномеры. Были также процедурные улучшения, такие как использование планшетов для ручного прогнозирования положения корабля во время боя. Около 1905 года стали доступны механические средства управления огнем, такие как таблица Дрейера , Дюмареск (который также был частью таблицы Дрейера) и часы Арго, но этим устройствам потребовалось несколько лет, чтобы стать широко распространенными. [6] [7] Эти устройства были ранними формами дальномерщиков.
Вопрос управления дальнобойным орудием остро встал во время Первой мировой войны в Ютландском сражении . Хотя некоторые считали, что у британцев была лучшая система управления огнем в мире в то время, во время Ютландского сражения только 3% их выстрелов действительно поражали цели. В то время британцы в основном использовали ручную систему управления огнем. Единственный британский корабль в сражении, имевший механическую систему управления огнем, показал лучшие результаты стрельбы. [8] Этот опыт способствовал тому, что дальнобойщики стали стандартной задачей. [9]
Первое развертывание дальномерщика ВМС США состоялось на USS Texas в 1916 году. Из-за ограничений технологий в то время первые дальномерщики были грубыми. Во время Первой мировой войны дальномерщики могли автоматически генерировать необходимые углы, но морякам приходилось вручную следовать указаниям дальномерщиков (задача, называемая «следование указателю» или «следовать указателю»). Следование указателю могло быть точным, но экипажи имели тенденцию совершать непреднамеренные ошибки, когда они уставали во время длительных сражений. [10] Во время Второй мировой войны были разработаны сервомеханизмы (называемые «силовыми приводами» в ВМС США и RPC в Королевском флоте), которые позволяли орудиям автоматически направлять их по командам дальномерщика без ручного вмешательства. Компьютеры Mk. 1 и Mk. 1A содержали около 20 сервомеханизмов, в основном позиционных сервоприводов, чтобы минимизировать крутящую нагрузку на вычислительные механизмы. Королевский флот впервые установил RPC в экспериментальном порядке на борту HMS Champion в 1928 году. В 1930-х годах RPC использовался для управления прожекторами на флоте , а во время Второй мировой войны его постепенно устанавливали на помповые установки и директоры , а также на 4-дюймовые , 4,5-дюймовые и 5,25-дюймовые артиллерийские установки. [11] [12]
В течение своей долгой службы дальномерные устройства часто обновлялись по мере развития технологий, и к началу Второй мировой войны они стали важнейшей частью интегрированной системы управления огнем. Включение радара в систему управления огнем в начале Второй мировой войны предоставило кораблям возможность вести эффективные артиллерийские операции на большом расстоянии в плохую погоду и ночью. [13]
Во время Второй мировой войны возможности дальномерщиков были расширены до такой степени, что название «дальномерщик» было признано недостаточным. Термин «компьютер», который был зарезервирован для людей-вычислителей, стал применяться к оборудованию дальномерщиков. После Второй мировой войны цифровые компьютеры начали заменять дальномерщиков. Однако компоненты аналоговой системы дальномерщиков продолжали служить в ВМС США до 1990-х годов. [14]
Производительность этих аналоговых компьютеров была впечатляющей. Во время испытаний 1945 года линкор USS North Carolina смог поддерживать точное решение об стрельбе [15] по цели во время серии высокоскоростных поворотов. [16] Для военного корабля важным преимуществом является возможность маневрировать во время поражения цели.
Ночные морские бои на больших расстояниях стали осуществимы, когда данные радара могли быть введены в дальномер. Эффективность этой комбинации была продемонстрирована в ноябре 1942 года в Третьем сражении у острова Саво , когда USS Washington вступил в бой с японским линейным крейсером Kirishima на расстоянии 8400 ярдов (7,7 км) ночью. Kirishima загорелся, претерпел несколько взрывов и был затоплен своим экипажем. В него попало девять 16-дюймовых (410-мм) снарядов из 75 выпущенных (12% попаданий). [3] Обломки Kirishima были обнаружены в 1992 году и показали, что вся носовая часть корабля отсутствовала. [17] Японцы во время Второй мировой войны не разработали радар или автоматизированное управление огнем на уровне ВМС США и находились в значительно невыгодном положении. [18] Королевский флот начал внедрять гироскопическую стабилизацию своих прицелов во время Первой мировой войны, а к началу Второй мировой войны все военные корабли, оснащенные системой управления, имели прицелы с гироскопическим управлением. [19]
Последнее боевое применение аналоговых дальномерщиков, по крайней мере, для ВМС США, произошло в 1991 году во время войны в Персидском заливе [14], когда дальномерщики на линкорах класса «Айова» произвели последние выстрелы в бою.
Rangekeepers были очень большими, и в конструкции корабля нужно было предусмотреть возможность их размещения. Например, Ford Mk 1A Computer весил 3150 фунтов (1430 кг) [20] Опорные пластины механизма Mk. 1/1A, некоторые из которых имели толщину до 1 дюйма (25 мм), были изготовлены из алюминиевого сплава, но, тем не менее, компьютер очень тяжелый. По крайней мере на одном снятом с мели корабле-музее, эсминце USS Cassin Young (сейчас в Бостоне), компьютер и Stable Element, скорее всего, все еще находятся под палубой, потому что их очень трудно снять.
Дальномерщикам требовалось большое количество электрических сигнальных кабелей для синхронной передачи данных, по которым они получали информацию от различных датчиков (например, наводчика орудия, питамера , дальномера, гирокомпаса) и отправляли команды орудиям.
Эти компьютеры также должны были быть чрезвычайно прочными, отчасти для того, чтобы выдерживать удары, создаваемые стрельбой из собственных орудий корабля, а также для того, чтобы выдерживать последствия попаданий противника в другие части корабля. Они не только должны были продолжать функционировать, но и оставаться точными.
Механизм Ford Mark 1/1A был установлен в пару приблизительно кубических больших отливок с очень широкими отверстиями, последние были закрыты прокладочными отливками. Отдельные механизмы были установлены на толстых пластинах из алюминиевого сплава и вместе с соединительными валами постепенно устанавливались в корпус. Прогрессивная сборка означала, что будущий доступ к большей части компьютера требовал постепенной разборки.
Компьютер Mk 47 был радикальным улучшением доступности по сравнению с Mk 1/1A. По форме он был больше похож на высокий, широкий шкаф для хранения, с большинством или всеми циферблатами на передней вертикальной поверхности. Его механизм был построен из шести секций, каждая из которых была установлена на очень прочных выдвижных направляющих. За панелью обычно находились горизонтальная и вертикальная монтажная пластина, расположенные в виде тройника.
Дальнобойная артиллерия — это сложная комбинация искусства, науки и математики. Существует множество факторов, которые влияют на окончательное размещение снаряда, и многие из этих факторов трудно точно смоделировать. Таким образом, точность орудий линкора составляла ≈1% от дальности (иногда лучше, иногда хуже). Повторяемость от снаряда к снаряду составляла ≈0,4% от дальности. [16]
Для точной стрельбы на большие расстояния необходимо учитывать ряд факторов:
Расчеты для прогнозирования и компенсации всех этих факторов сложны, часты и подвержены ошибкам, если выполняются вручную. Часть сложности возникла из-за объема информации, которую необходимо интегрировать из множества различных источников. Например, для генерации решения необходимо интегрировать информацию из следующих датчиков, калькуляторов и визуальных средств:
Чтобы увеличить скорость и уменьшить количество ошибок, военные почувствовали острую необходимость в автоматизации этих расчетов. Чтобы проиллюстрировать сложность, в Таблице 1 перечислены типы входных данных для Ford Mk 1 Rangekeeper (около 1931 г.). [3]
Однако даже при наличии всех этих данных прогнозы положения дальномерщика не были безошибочными. Характеристики прогнозирования дальномерщика могли быть использованы против него. Например, многие капитаны при атаке дальнобойных орудий совершали резкие маневры, чтобы «преследовать залпы» или «направляться на падение выстрела», т. е. маневрировать к позиции последнего залпа. Поскольку дальномерщики постоянно предсказывают новые позиции для цели, было маловероятно, что последующие залпы попадут в позицию предыдущего залпа. [21] [ необходима полная цитата ] Практические дальномерщики должны были предполагать, что цели движутся по прямой с постоянной скоростью, чтобы поддерживать сложность в приемлемых пределах. Дальномер-сонар был построен для отслеживания цели, кружащейся с постоянным радиусом поворота, но эта функция была отключена. [ необходима цитата ]
Данные передавались вращающимися валами. Они были установлены в кронштейнах шарикоподшипников, закрепленных на опорных пластинах. Большинство углов были под прямым углом, чему способствовали конические шестерни в соотношении 1:1. Mk. 47, который был разделен на шесть секций на прочных направляющих, соединял секции вместе валами в задней части шкафа. Продуманная конструкция означала, что данные, переносимые этими валами, не требовали ручного обнуления или выравнивания; имело значение только их движение. Выходной сигнал с отслеживанием с интегрирующего ролика является одним из таких примеров. Когда секция была перемещена обратно в нормальное положение, муфты валов соединились, как только валы вращались. [ необходима цитата ]
Обычные механизмы в Mk. 1/1A включали множество дифференциалов с конической передачей, группу из четырех 3-D кулачков, несколько дисковых шарико-роликовых интеграторов и серводвигателей с их связанным механизмом; все они имели громоздкие формы. Однако большинство вычислительных механизмов представляли собой тонкие стопки широких пластин различных форм и функций. Толщина конкретного механизма могла достигать 1 дюйма (25 мм), возможно, меньше, и более чем несколько имели поперечник 14 дюймов (36 см). Пространство было в дефиците, но для точных вычислений большая ширина позволяла иметь больший общий диапазон движения, чтобы компенсировать небольшие неточности, возникающие из-за ослабления скользящих частей.
Mk. 47 был гибридом, выполнявшим часть вычислений электрически, а остальное механически. Он имел шестерни и валы, дифференциалы и полностью закрытые дисковые-шариковые-роликовые интеграторы. Однако у него не было механических умножителей или резольверов («компонентных решателей»); эти функции выполнялись электронно, а умножение осуществлялось с помощью прецизионных потенциометров.
Однако в Mk. 1/1A, за исключением сервоприводов электропривода, все вычисления были механическими. [22] : Глава 2
Методы реализации, используемые в аналоговых компьютерах, были многочисленны и разнообразны. Уравнения управления огнем, реализованные во время Второй мировой войны на аналоговых дальномерах, являются теми же уравнениями, которые были реализованы позже на цифровых компьютерах. Ключевое отличие состоит в том, что дальномерах решали уравнения механически. Хотя математические функции сегодня нечасто реализуются механически, существуют механические методы для реализации всех распространенных математических операций. Вот некоторые примеры:
Четыре кулачка в компьютере Mk. 1/1A обеспечивали установку механического предохранителя с выдержкой времени, время полета (это время от выстрела до взрыва у цели или вблизи нее), время полета, деленное на прогнозируемую дальность, и вираж в сочетании с коррекцией вертикального параллакса. (Вираж по сути представляет собой величину, на которую ствол орудия необходимо поднять, чтобы компенсировать падение под действием силы тяжести.)
Компьютеры Mk.1 и Mk.1A были электромеханическими, и многие из их механических расчетов требовали приводных движений с точными скоростями. Они использовали реверсивные двухфазные конденсаторные индукционные двигатели с вольфрамовыми контактами. Они стабилизировались в первую очередь вращающимися магнитными фрикционными муфтами (вихревыми токами), похожими на классические вращающиеся магнитные спидометры, но с гораздо более высоким крутящим моментом. Одна часть сопротивления была связана с двигателем, а другая ограничивалась довольно жесткой пружиной. Эта пружина смещала нулевое положение контактов на величину, пропорциональную скорости двигателя, таким образом обеспечивая обратную связь по скорости. Маховики, установленные на валах двигателя, но соединенные магнитными сопротивлениями, предотвращали дребезг контактов, когда двигатель находился в состоянии покоя. К сожалению, маховики также должны были несколько замедлить сервоприводы. Более сложная схема, которая размещала довольно большой маховик и дифференциал между двигателем и магнитным сопротивлением, устраняла ошибку скорости для критических данных, таких как приказы орудий.
Интеграторные диски компьютеров Mk. 1 и Mk. 1A требовали особенно сложной системы для обеспечения постоянной и точной скорости привода. Они использовали двигатель, скорость которого регулировалась часовым спусковым механизмом, кулачковыми контактами и дифференциалом с прямозубыми шестернями на подшипниках из драгоценных камней. Хотя скорость слегка колебалась, общая инерция делала его фактически двигателем с постоянной скоростью. На каждом тике контакты включали питание двигателя, затем двигатель снова размыкал контакты. По сути, это была медленная широтно-импульсная модуляция мощности двигателя в соответствии с нагрузкой. Во время работы компьютер издавал уникальный звук, поскольку питание двигателя включалось и выключалось на каждом тике — десятки зубчатых зацеплений внутри литого металлического корпуса компьютера разлагали тиканье в звук «кусок-кусок».
Подробное описание того, как разобрать и собрать систему, содержалось в двухтомном Navy Ordnance Pamphlet OP 1140 с несколькими сотнями страниц и несколькими сотнями фотографий. [22] При повторной сборке соединения валов между механизмами должны были быть ослаблены, а механизмы механически перемещены так, чтобы выход одного механизма был на той же числовой настройке (например, ноль), что и вход для другого. К счастью, эти компьютеры были особенно хорошо сделаны и очень надежны. [ необходима цитата ]
Во время Второй мировой войны все основные воюющие державы развивали дальномерные системы до разных уровней. [10] Дальномерные системы были лишь одним из представителей класса электромеханических компьютеров, использовавшихся для управления огнем во время Второй мировой войны. Аналоговое вычислительное оборудование, использовавшееся Соединенными Штатами, включало: