Torpedo Data Computer ( TDC ) был ранним электромеханическим аналоговым компьютером, использовавшимся для управления торпедным огнем на американских подводных лодках во время Второй мировой войны . Великобритания , Германия и Япония также разработали автоматизированное оборудование управления торпедным огнем, но ни одно из них не было столь продвинутым, как TDC (?) ВМС США , [1] , поскольку он мог автоматически отслеживать цель, а не просто предлагать мгновенное решение для стрельбы. Эта уникальная возможность TDC установила стандарт для управления торпедным огнем подводных лодок во время Второй мировой войны. [2] [3]
Заменив ранее стандартные ручные устройства типа логарифмической линейки (известные как «банджо» и «ис/вас»), [4] TDC был разработан для обеспечения решений по управлению огнем торпедных аппаратов подводных лодок по кораблям, находящимся на поверхности (надводные военные корабли использовали другой компьютер). [5]
TDC был довольно громоздким дополнением к боевой рубке подлодки и требовал двух дополнительных членов экипажа: один как эксперт по его обслуживанию, другой как его фактический оператор. Несмотря на эти недостатки, использование TDC было важным фактором в успешной программе коммерческих рейдов, проводимых американскими подводными лодками во время Тихоокеанской кампании Второй мировой войны. Отчеты об американской подводной кампании в Тихом океане часто ссылаются на использование TDC. [6] [7] Некоторые офицеры стали высококвалифицированными в его использовании, [8] и ВМС организовали школу обучения эксплуатации устройства. [9]
Две модернизированные подводные лодки ВМС США времен Второй мировой войны ( USS Tusk и Cutlass ) с их TDC продолжают служить в составе ВМС Тайваня , а сотрудники Морского музея США помогают им в обслуживании их оборудования. [10] В музее также есть полностью отреставрированный и функционирующий TDC с USS Pampanito , пришвартованный в Сан-Франциско .
Проблема наведения торпеды занимала военных инженеров с тех пор, как Роберт Уайтхед разработал современную торпеду в 1860-х годах. Эти ранние торпеды двигались на заданной глубине по прямому курсу (поэтому их часто называют «прямоходными»). Это было современным уровнем наведения торпед до разработки самонаводящейся торпеды во второй половине Второй мировой войны . [11] Подавляющее большинство подводных торпед во время Второй мировой войны были прямоходными, и они продолжали использоваться в течение многих лет после Второй мировой войны. [12] Фактически, две прямоходные торпеды времен Второй мировой войны — выпущенные британской атомной подводной лодкой HMS Conqueror — потопили ARA General Belgrano в 1982 году.
Во время Первой мировой войны вычисление курса перехвата цели для торпеды было ручным процессом, при котором группа управления огнем использовала различные логарифмические линейки [13] (американскими примерами были Mark VIII Angle Solver (в просторечии называемый «банджо» из-за его формы) и круговая логарифмическая линейка «Is/Was» (Nasmith Director) для прогнозирования местоположения цели на основе ее текущего и прошлого местонахождения) [14] или механические калькуляторы/прицелы. [15] Они часто были «ужасно неточными» [16] , что помогает объяснить, почему рекомендовалось разбрасывать торпеды.
Во время Второй мировой войны Германия, [17] Япония, [18] и США разработали аналоговые компьютеры для автоматизации процесса вычисления необходимого курса торпеды. [19]
В 1932 году Бюро вооружений (BuOrd) инициировало разработку TDC совместно с Arma Corporation и Ford Instruments. [20] Это привело к появлению «очень сложной» Mark 1 в 1938 году. [20] Она была модернизирована на старых лодках, начиная с Dolphin и заканчивая новейшими Salmon s . [20]
Первой подводной лодкой, спроектированной для использования TDC, была Tambor , [21] спущенная на воду в 1940 году с Mark III, расположенным в боевой рубке . [20] (Это отличалось от более ранних образцов.) [22] Она оказалась лучшей системой управления торпедным огнем Второй мировой войны . [23]
В 1943 году был разработан Torpedo Data Computer Mark IV для поддержки торпеды Mark 18. [24] [25]
Оба варианта TDC Mk III и Mk IV были разработаны корпорацией Arma (ныне американская Bosch Arma).
Прямолинейная торпеда имеет систему управления на основе гироскопа , которая обеспечивает прямолинейное движение торпеды. [26] Торпеда может двигаться по курсу, отличному от курса подводной лодки, путем регулировки параметра, называемого углом гироскопа, который задает курс торпеды относительно курса подводной лодки (см. рисунок 2). Основная роль TDC заключается в определении угла гироскопа, необходимого для того, чтобы торпеда поразила цель.
Определение угла гироскопа требовало решения в реальном времени сложного тригонометрического уравнения (см. Уравнение 1 для упрощенного примера). TDC обеспечивал непрерывное решение этого уравнения, используя обновления данных от навигационных датчиков подводной лодки и системы слежения за целью TDC. TDC также мог автоматически обновлять все настройки угла гироскопа торпеды одновременно с решением по управлению огнем, что повышало точность по сравнению с системами, которые требовали ручного обновления курса торпеды. [27]
TDC позволяет подводной лодке запускать торпеду по курсу, отличному от курса подводной лодки, что важно с тактической точки зрения. В противном случае подводную лодку нужно было бы направить на предполагаемую точку перехвата, чтобы запустить торпеду. [28] Требование наведения всего судна для запуска торпеды потребовало бы много времени, точного управления курсом подводной лодки и неоправданно усложнило бы процесс торпедной стрельбы. TDC с отслеживанием цели дает подводной лодке возможность маневрировать независимо от требуемого курса перехвата цели для торпеды.
Как показано на рисунке 2, в общем случае торпеда фактически не движется по прямой сразу после запуска и не разгоняется мгновенно до полной скорости, которые называются баллистическими характеристиками торпеды. Баллистические характеристики описываются тремя параметрами: досягаемостью, радиусом поворота и скорректированной скоростью торпеды. Кроме того, угол направления цели отличается с точки зрения перископа по сравнению с точкой зрения торпеды, что называется параллаксом торпедного аппарата. [29] Эти факторы существенно усложняют расчет угла гироскопа, и TDC должен компенсировать их влияние.
Прямолинейные торпеды обычно запускались залпом (т. е. несколькими пусками за короткий промежуток времени) [30] или рассредоточенно (т. е. несколькими пусками с небольшим смещением угла) [30], чтобы увеличить вероятность поражения цели, учитывая неточности, присутствующие в измерении углов, дальности до цели, скорости цели, угла траектории торпеды и скорости торпеды.
Залпы и рассыпки также запускались для многократного поражения сложных целей, чтобы гарантировать их уничтожение. [31] TDC поддерживал запуск торпедных залпов, допуская короткие временные смещения между выстрелами и рассыпками торпед, добавляя небольшие угловые смещения к углу гироскопа каждой торпеды. До потопления южнокорейского ROKS Cheonan Северной Кореей в 2010 году последний военный корабль, потопленный подводной торпедной атакой, ARA General Belgrano в 1982 году, был поражен двумя торпедами из рассыпки из трех торпед. [ 32]
Для точного вычисления угла гироскопа для торпеды в сценарии общего боя необходимо точно знать курс, скорость, дальность и пеленг цели. Во время Второй мировой войны оценки курса, дальности и пеленга цели часто приходилось производить с использованием перископных наблюдений, которые были весьма субъективными и подверженными ошибкам. TDC использовался для уточнения оценок курса, дальности и пеленга цели с помощью процесса
Оценка курса цели обычно считалась самой сложной из задач наблюдения. Точность результата сильно зависела от опыта капитана. Во время боя фактический курс цели обычно не определялся, но вместо этого капитаны определяли связанную величину, называемую « угол на носу ». Угол на носу — это угол, образованный курсом цели и линией визирования подводной лодки. Некоторые капитаны, такие как Ричард О'Кейн , практиковали определение угла на носу, глядя на модели кораблей Императорского флота Японии, установленные на калиброванной ленивой Сьюзен через перевернутый бинокулярный ствол. [33]
Для генерации данных о положении цели в зависимости от времени TDC необходимо было решить уравнения движения цели относительно подводной лодки. Уравнения движения являются дифференциальными уравнениями, и TDC использовал механические интеграторы для генерации своего решения. [34]
TDC необходимо было расположить рядом с другим оборудованием управления огнем , чтобы минимизировать количество электромеханических соединений. Поскольку пространство подлодки внутри прочного корпуса было ограничено, TDC необходимо было сделать как можно меньше. На подводных лодках времен Второй мировой войны TDC и другое оборудование управления огнем устанавливалось в боевой рубке , которая была очень маленьким пространством. [35] Проблема упаковки была серьезной, и производительность некоторого раннего оборудования управления огнем торпеды была затруднена необходимостью сделать его небольшим. [36] Он имел ряд рукояток, циферблатов и переключателей для ввода и отображения данных. [37] Для создания решения по управлению огнем требовались входы на
TDC выполнял тригонометрические вычисления, необходимые для вычисления курса перехвата цели для торпеды. Он также имел электромеханический интерфейс для торпед, что позволяло ему автоматически устанавливать курсы, пока торпеды все еще находились в своих трубах, готовые к выстрелу.
Возможность отслеживания цели TDC использовалась группой управления огнем для постоянного обновления решения по управлению огнем, даже когда подводная лодка маневрировала. Возможность отслеживания цели TDC также позволяла подводной лодке точно стрелять торпедами, даже когда цель была временно скрыта дымом или туманом.
Поскольку TDC фактически выполнял две отдельные функции, давая оценки положения цели и вычисляя углы стрельбы торпед, TDC фактически состоял из двух типов аналоговых компьютеров:
Уравнения, реализованные в решателе углов, можно найти в руководстве Torpedo Data Computer. [40] В руководстве Submarine Torpedo Fire Control Manual [41] вычисления обсуждаются в общем смысле, и здесь представлена сильно сокращенная форма этого обсуждения.
Общая проблема управления торпедным огнем проиллюстрирована на рисунке 2. Проблема становится более разрешимой, если предположить:
Как видно из рисунка 2, эти предположения в целом неверны из-за баллистических характеристик торпеды и параллакса торпедного аппарата. Предоставление подробностей о том, как скорректировать расчет угла гироскопа торпеды для баллистики и параллакса, является сложным и выходит за рамки этой статьи. Большинство обсуждений определения угла гироскопа используют более простой подход с использованием рисунка 3, который называется треугольником управления огнем торпеды. [6] [7] Рисунок 3 дает точную модель для вычисления угла гироскопа, когда угол гироскопа мал, обычно менее 30°. [42]
Влияние параллакса и баллистики минимально для запусков с малым углом гироскопа, поскольку отклонения курса, которые они вызывают, обычно достаточно малы, чтобы их можно было игнорировать. Подводные лодки США во время Второй мировой войны предпочитали стрелять своими торпедами с малыми углами гироскопа, поскольку решения по управлению огнем TDC были наиболее точными для малых углов. [43]
Проблема вычисления угла установки гироскопа является тригонометрической задачей, которая упрощается, если сначала рассмотреть расчет угла отклонения, который игнорирует баллистику торпеды и параллакс. [44] Для малых углов гироскопа θ Гироскоп ≈ θ Пеленг − θ Отклонение . Прямое применение закона синусов к рисунку 3 дает уравнение 1 .
где
Дальность не играет никакой роли в уравнении 1 , что верно, пока выполняются три предположения. Фактически, уравнение 1 — это то же самое уравнение, которое решалось механическими прицелами управляемых торпедных аппаратов, использовавшихся на надводных кораблях во время Первой и Второй мировых войн. Запуски торпед из управляемых торпедных аппаратов хорошо соответствуют трем заявленным предположениям. Однако точный запуск торпеды с подводной лодки требует параллакса и баллистических поправок торпеды, когда углы гироскопа велики. Эти поправки требуют точного знания дальности. Когда дальность цели не была известна, запуски торпед, требующие больших углов гироскопа, не рекомендовались. [45]
Уравнение 1 часто модифицируется для замены угла наклона гусеницы на угол отклонения (угол наклона гусеницы определен на рисунке 2, θ Track = θ Bow + θ Deflection ). Эта модификация проиллюстрирована с помощью уравнения 2 .
где θ Track — угол между курсом корабля-цели и курсом торпеды.
В ряде публикаций [46] [47] указывается, что оптимальный угол траектории торпеды составляет 110° для Mk 14 (оружие 46 узлов). На рисунке 4 показан график угла отклонения в зависимости от угла траектории, когда угол гироскопа равен 0° ( т.е. , θ Отклонение = θ Пеленг ). [48] Оптимальный угол траектории определяется как точка минимальной чувствительности угла отклонения к ошибкам угла траектории для заданной скорости цели. Этот минимум достигается в точках нулевого наклона на кривых на рисунке 4 (эти точки отмечены маленькими треугольниками).
Кривые показывают решения уравнения 2 для угла отклонения как функции скорости цели и угла траектории. Рисунок 4 подтверждает, что 110° является оптимальным углом траектории для цели со скоростью 16 узлов (30 км/ч), что будет обычной скоростью судна. [49]
Как и в случае с решателем углов, уравнения, реализованные в позиционном контролере, можно найти в руководстве Torpedo Data Computer. [40] Аналогичные функции были реализованы в дальномерах для систем управления огнем надводных кораблей. Для общего обсуждения принципов, лежащих в основе позиционного контролера, см. Rangekeeper .