Система управления огнем ( СУО ) представляет собой ряд компонентов, работающих вместе, обычно компьютер данных пушки , директор и радар , который предназначен для помощи дальнобойной системе оружия в наведении, отслеживании и поражении цели. Она выполняет ту же задачу, что и человек- стрелок, стреляющий из оружия, но пытается сделать это быстрее и точнее.
Первоначальные системы управления огнем были разработаны для кораблей.
Ранняя история управления огнем на море в основном основывалась 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). [1] Даже во время Гражданской войны в США знаменитое сражение между USS Monitor и CSS Virginia часто проводилось на дистанции менее 100 ярдов (90 м). [2]
Быстрые технические усовершенствования в конце 19 века значительно увеличили дальность, на которой была возможна стрельба из пушек. Нарезные орудия гораздо большего размера, стреляющие разрывными снарядами с меньшим относительным весом (по сравнению с цельнометаллическими шариками), настолько увеличили дальность стрельбы орудий, что главной проблемой стало их наведение во время движения корабля по волнам. Эта проблема была решена с введением гироскопа , который корректировал это движение и обеспечивал точность в пределах градуса. Теперь орудия могли свободно увеличиваться до любого размера и быстро превзошли калибр 10 дюймов (250 мм) к 1890-м годам. Эти орудия были способны на такую большую дальность стрельбы, что основным ограничением было видение цели, что привело к использованию высоких мачт на кораблях.
Другим техническим усовершенствованием стало введение паровой турбины , которая значительно увеличила производительность кораблей. Ранние капитальные корабли с поршневыми двигателями могли развивать скорость, возможно, 16 узлов, но первые крупные турбинные корабли могли развивать скорость более 20 узлов. В сочетании с большой дальностью стрельбы орудий это означало, что корабль-цель мог перемещаться на значительное расстояние, несколько длин корабля, между моментом выстрела снарядов и приземлением. Больше нельзя было прицеливаться с какой-либо надеждой на точность. Более того, в морских сражениях также необходимо контролировать стрельбу из нескольких орудий одновременно.
Управление огнем корабельных орудий потенциально включает три уровня сложности. Локальное управление возникло из примитивных орудийных установок, нацеленных отдельными орудийными расчетами. Директорное управление нацеливает все орудия на корабле на одну цель. Скоординированная стрельба из строя кораблей по одной цели была в центре внимания операций флота линкоров. Вносятся поправки на скорость поверхностного ветра, крен и тангаж стреляющего корабля, температуру порохового погреба, дрейф нарезных снарядов, диаметр ствола отдельного орудия, скорректированный для увеличения от выстрела к выстрелу, и скорость изменения дальности с дополнительными изменениями в решении по стрельбе на основе наблюдения за предыдущими выстрелами.
Полученные направления, известные как решение для стрельбы , затем передавались обратно в башни для наведения. Если снаряды промахивались, наблюдатель мог вычислить, насколько далеко они промахнулись и в каком направлении, и эта информация могла быть передана обратно в компьютер вместе с любыми изменениями в остальной информации, и можно было попытаться сделать еще один выстрел.
Сначала орудия наводились с помощью техники артиллерийской корректировки . Она включала в себя 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. [1] [3]
Между Гражданской войной в США и 1905 годом было сделано множество небольших усовершенствований, таких как телескопические прицелы и оптические дальномеры , в управлении огнем. Были также процедурные усовершенствования, такие как использование планшетов для ручного прогнозирования положения корабля во время боя. [4]
Затем для правильной наводки орудий стали использоваться все более сложные механические калькуляторы , обычно с различными корректировщиками и измерениями расстояния, которые отправлялись на центральную станцию построения диаграммы в глубине корабля. Там команды управления огнем вводили местоположение, скорость и направление корабля и его цели, а также различные корректировки с учетом эффекта Кориолиса , погодных эффектов в воздухе и других корректировок. 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. [5] [6] Эти устройства были ранними формами дальномерщиков .
Артур Поллен и Фредерик Чарльз Дрейер независимо друг от друга разработали первые такие системы. Поллен начал работать над этой проблемой после того, как заметил низкую точность морской артиллерии на артиллерийских учениях около Мальты в 1900 году. [7] Лорд Кельвин , которого широко считают ведущим ученым Британии, первым предложил использовать аналоговый компьютер для решения уравнений, возникающих из относительного движения кораблей, участвующих в сражении, и задержки во времени полета снаряда, чтобы вычислить требуемую траекторию и, следовательно, направление и возвышение орудий.
Поллен стремился создать комбинированный механический компьютер и автоматический график дальностей и скоростей для использования в централизованном управлении огнем. Чтобы получить точные данные о положении цели и относительном движении, Поллен разработал блок построения диаграмм (или плоттер) для сбора этих данных. К этому он добавил гироскоп, чтобы учесть рыскание стреляющего корабля. Как и плоттер, примитивный гироскоп того времени требовал существенной разработки для обеспечения непрерывного и надежного наведения. [8] Хотя испытания в 1905 и 1906 годах были неудачными, они показали многообещающие результаты. Поллена в его усилиях поддерживали быстро растущая фигура адмирала Джеки Фишера , адмирала Артура Книвета Уилсона и директора Военно-морских вооружений и торпед (DNO) Джона Джеллико . Поллен продолжил свою работу, время от времени проводя испытания на военных кораблях Королевского флота.
Тем временем группа во главе с Дрейером разработала похожую систему. Хотя обе системы были заказаны для новых и существующих кораблей Королевского флота, система Дрейера в конечном итоге нашла наибольшее расположение у флота в своей окончательной форме Mark IV*. Добавление управления директором облегчило полную, практичную систему управления огнем для кораблей Первой мировой войны, и большинство крупных кораблей RN были оснащены ею к середине 1916 года. Директор находился высоко над кораблем, где операторы имели превосходный обзор над любым наводчиком в башнях . Он также мог координировать огонь башен, так что их объединенный огонь работал вместе. Это улучшенное прицеливание и большие оптические дальномеры улучшили оценку положения противника во время стрельбы. Система в конечном итоге была заменена улучшенной « Таблице управления огнем Адмиралтейства » для кораблей, построенных после 1927 года. [9]
В течение своей долгой службы дальномерные прицелы 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. [10] Для систем управления огнем орудий ВМС США см. Ship Gun Fire-Control Systems .
Использование стрельбы с управляемым директором, вместе с компьютером управления огнем, переместило управление наводкой орудий с отдельных башен в центральное положение; хотя отдельные артиллерийские установки и многоорудийные башни сохраняли возможность локального управления для использования, когда повреждения в бою ограничивали передачу информации директора (это были бы более простые версии, называемые «таблицами башен» в Королевском флоте). Затем орудия могли стрелять запланированными залпами, при этом каждое орудие давало немного отличающуюся траекторию. Рассеивание выстрелов, вызванное различиями в отдельных орудиях, отдельных снарядах, последовательностях воспламенения пороха и кратковременных искажениях конструкции корабля, было нежелательно большим на типичных морских дистанциях боя. Директоры, расположенные высоко на надстройке, имели лучший обзор противника, чем установленный на башне прицел, и экипаж, управлявший ими, был удален от звука и ударов орудий. Директоры орудий были наверху, и концы их оптических дальномеров выступали по бокам, что придавало им отличительный вид.
Неизмеренные и неконтролируемые баллистические факторы, такие как температура на большой высоте, влажность, барометрическое давление, направление и скорость ветра, требовали окончательной корректировки посредством наблюдения за падением снаряда. Визуальное измерение дальности (как цели, так и брызг снарядов) было затруднено до появления радаров. Британцы предпочитали дальномеры совпадений , в то время как немцы предпочитали стереоскопический тип . Первые были менее способны определять дальность до нечеткой цели, но были проще для оператора в течение длительного периода использования, вторые — наоборот.
Подводные лодки также были оснащены компьютерами управления огнем по тем же причинам, но их проблема была еще более выраженной: при типичном «выстреле» торпеде требовалось от одной до двух минут, чтобы достичь цели. Расчет правильного «упреждения» с учетом относительного движения двух судов был очень сложным, и были добавлены компьютеры данных торпед , чтобы значительно повысить скорость этих расчетов.
На типичном британском корабле времен Второй мировой войны система управления огнем соединяла отдельные орудийные башни с башней директора (где располагались прицельные приборы) и аналоговым компьютером в центре корабля. В башне директора операторы направляли свои телескопы на цель; один телескоп измерял высоту, а другой пеленг. Телескопы-дальномеры на отдельном креплении измеряли расстояние до цели. Эти измерения преобразовывались таблицей управления огнем в пеленги и углы возвышения для стрельбы орудий. В башнях наводчики корректировали возвышение своих орудий в соответствии с индикатором возвышения, переданным из таблицы управления огнем — наводчик башни делал то же самое для пеленга. Когда орудия были наведены на цель, они стреляли централизованно. [11]
Даже при такой высокой степени механизации процесса он все равно требовал большого человеческого фактора: передающая станция (помещение, где размещался стол Дрейера) для главных орудий HMS Hood вмещала 27 человек экипажа .
Директора были в значительной степени не защищены от вражеского огня. Было трудно разместить большой вес брони так высоко на корабле, и даже если броня останавливала выстрел, один только удар, скорее всего, выбивал приборы из выравнивания. Достаточная броня для защиты от более мелких снарядов и осколков от попаданий в другие части корабля была пределом.
Производительность аналогового компьютера была впечатляющей. Линкор USS North Carolina во время испытаний 1945 года смог поддерживать точное решение об стрельбе [12] по цели во время серии высокоскоростных поворотов. [13] Для военного корабля важным преимуществом является возможность маневрировать во время поражения цели.
Ночные морские бои на больших расстояниях стали возможными, 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 линкором Kirishima на расстоянии 8400 ярдов (7,7 км) ночью. Kirishima загорелся, пострадал от нескольких взрывов и был затоплен своим экипажем. В него попало по меньшей мере девять 16-дюймовых (410-мм) снарядов из 75 выпущенных (12% попаданий). [1] Обломки Kirishima были обнаружены в 1992 году и показали, что вся носовая часть корабля отсутствовала. [14] Японцы во время Второй мировой войны не разработали радар или автоматизированное управление огнем на уровне ВМС США и находились в значительно невыгодном положении. [15]
К 1950-м годам орудийные башни все чаще становились необитаемыми, а наведение орудий управлялось дистанционно из центра управления корабля с использованием данных с радара и других источников.
Последнее боевое применение аналоговых дальномерщиков, по крайней мере, для ВМС США, произошло в 1991 году во время войны в Персидском заливе [16] [ необходим более надежный источник ] , когда дальномерщики на линкорах класса «Айова» произвели последние выстрелы в бою.
Раннее применение систем управления огнем было в бомбардировочной авиации , с использованием вычислительных бомбовых прицелов , которые принимали информацию о высоте и скорости полета для прогнозирования и отображения точки падения бомбы, сброшенной в то время. Самым известным устройством Соединенных Штатов был бомбовый прицел Norden .
Простые системы, известные как ведущие вычислительные прицелы , также появились внутри самолетов в конце войны как гироскопические прицелы . Эти устройства использовали гироскоп для измерения скорости поворота и перемещали точку прицеливания прицела, чтобы учесть это, при этом точка прицеливания представлялась через рефлекторный прицел . Единственным ручным «входом» в прицел было расстояние до цели, которое обычно обрабатывалось путем набора размера размаха крыла цели на некотором известном расстоянии. Небольшие радиолокационные блоки были добавлены в послевоенный период, чтобы автоматизировать даже этот ввод, но прошло некоторое время, прежде чем они стали достаточно быстрыми, чтобы пилоты были полностью довольны ими. Первая реализация централизованной системы управления огнем в серийном самолете была на B-29 . [17]
К началу войны во Вьетнаме новый компьютерный предсказатель бомбардировки, названный системой бомбометания с малых высот (LABS), начал интегрироваться в системы самолетов, оснащенных для перевозки ядерного оружия. Этот новый бомбовый компьютер был революционным в том, что команда на сброс бомбы давалась компьютером, а не пилотом; пилот обозначал цель с помощью радара или другой системы наведения , затем «соглашался» на сброс оружия, и компьютер затем делал это в рассчитанной «точке сброса» через несколько секунд. Это сильно отличается от предыдущих систем, которые, хотя они также стали компьютеризированными, все еще вычисляли «точку удара», показывая, куда упадет бомба, если ее сбросить в этот момент. Ключевым преимуществом является то, что оружие можно сбросить точно, даже когда самолет маневрирует. Большинство бомбовых прицелов до этого времени требовали, чтобы самолет сохранял постоянное положение (обычно горизонтальное), хотя прицелы для пикирования также были распространены.
Система LABS изначально была разработана для облегчения тактики, называемой бомбардировкой с подбрасыванием , чтобы позволить самолету оставаться вне радиуса поражения оружия . Однако принцип расчета точки сброса в конечном итоге был интегрирован в компьютеры управления огнем более поздних бомбардировщиков и ударных самолетов, позволяя бомбить с горизонтального полета, пикирования и подбрасывания. Кроме того, поскольку компьютер управления огнем стал интегрироваться с системами вооружения, компьютер может учитывать летные характеристики запускаемого оружия.
К началу Второй мировой войны высотные характеристики самолетов возросли настолько, что зенитные орудия столкнулись с аналогичными проблемами прогнозирования и все чаще оснащались компьютерами управления огнем. Главное отличие этих систем от корабельных заключалось в размере и скорости. Ранние версии High Angle Control System , или HACS, британского Королевского флота были примерами системы, которая делала прогнозы на основе предположения, что скорость цели, направление и высота останутся постоянными в течение цикла прогнозирования, который состоял из времени взрыва снаряда и времени полета снаряда к цели. Система USN Mk 37 делала аналогичные предположения, за исключением того, что она могла делать прогнозы, предполагая постоянную скорость изменения высоты. Kerrison Predictor является примером системы, которая была создана для решения задачи наведения в «реальном времени», просто наводя наводчик на цель, а затем нацеливая орудие на указатель, который оно направляет. Он также был намеренно разработан небольшим и легким, чтобы его можно было легко перемещать вместе с орудиями, которые он обслуживал.
Система M-9/SCR-584 Anti-Aircraft System на базе радара использовалась для наведения артиллерии ПВО с 1943 года. SCR-584 лаборатории MIT Radiation Lab была первой радиолокационной системой с автоматическим слежением, M-9 лаборатории Bell [18] был электронным аналоговым компьютером управления огнем, который заменил сложные и трудоемкие в производстве механические компьютеры (такие как Sperry M-7 или британский предсказатель Kerrison). В сочетании с неконтактным взрывателем VT эта система совершила поразительный подвиг, сбив крылатые ракеты V-1 менее чем 100 снарядами на самолет (в более ранних системах ПВО типичными были тысячи). [19] [20] Эта система сыграла важную роль в обороне Лондона и Антверпена от V-1.
Хотя системы управления зенитным огнем указаны в разделе «Управление наземным огнем», их также можно встретить на военно-морских и авиационных системах.
В Корпусе береговой артиллерии армии США системы управления огнем береговой артиллерии начали разрабатываться в конце XIX века и совершенствовались вплоть до Второй мировой войны. [21]
Ранние системы использовали несколько наблюдательных или базовых конечных станций (см. Рисунок 1 ) для поиска и отслеживания целей, атакующих американские гавани. Данные с этих станций затем передавались в комнаты построения , где аналоговые механические устройства, такие как доска построения , использовались для оценки положения целей и получения данных об стрельбе для батарей береговых орудий, назначенных для их перехвата.
Форты береговой артиллерии США [22] были оснащены разнообразным вооружением, начиная от 12-дюймовых минометов береговой обороны, 3-дюймовых и 6-дюймовых орудий средней дальности и заканчивая более крупными орудиями, включая 10-дюймовые и 12-дюймовые барбетные орудия и орудия с исчезающими лафетами, 14-дюймовую железнодорожную артиллерию и 16-дюймовые пушки, установленные непосредственно перед Второй мировой войной и во время нее.
Управление огнем в береговой артиллерии становилось все более и более сложным с точки зрения корректировки данных стрельбы с учетом таких факторов, как погодные условия, состояние используемого пороха или вращение Земли. Также были предусмотрены положения для корректировки данных стрельбы с учетом наблюдаемого падения снарядов. Как показано на рисунке 2, все эти данные передавались обратно в комнаты построения графиков по точно настроенному графику, контролируемому системой колоколов с временными интервалами, которые звонили по всей системе защиты каждой гавани. [23]
Только позже, во время Второй мировой войны, электромеханические компьютеры данных орудий , подключенные к радарам береговой обороны, начали заменять оптическое наблюдение и ручные методы прокладки в управлении береговой артиллерией. Даже тогда ручные методы сохранялись в качестве резерва до конца войны.
Системы управления огнем наземного базирования могут использоваться для помощи в стрельбе как прямой, так и непрямой наводкой. Эти системы можно найти на оружии, начиная от небольших пистолетов и заканчивая крупным артиллерийским оружием.
Современные компьютеры управления огнем, как и все высокопроизводительные компьютеры, являются цифровыми. Дополнительная производительность позволяет добавлять практически любые входные данные, от плотности воздуха и ветра до износа стволов и искажений из-за нагрева. Эти виды эффектов заметны для любого вида оружия, и компьютеры управления огнем начали появляться на все меньших и меньших платформах. Танки были одним из первых применений автоматизированной наводки орудий, использующих лазерный дальномер и измеритель искажения ствола. Компьютеры управления огнем полезны не только для наведения больших пушек , но и для наведения пулеметов , небольших пушек, управляемых ракет , винтовок , гранат и ракет — любого вида оружия, у которого могут изменяться параметры запуска или стрельбы. Они обычно устанавливаются на кораблях , подводных лодках , самолетах , танках и даже на некотором стрелковом оружии — например, гранатомете, разработанном для использования на штурмовой винтовке Fabrique Nationale F2000 bullpup. Компьютеры управления огнем прошли все этапы развития технологий, присущие компьютерам, некоторые конструкции были основаны на аналоговой технологии , а позднее на электронных лампах , которые впоследствии были заменены транзисторами .
Системы управления огнем часто сопряжены с датчиками (такими как сонар , радар , инфракрасный поиск и слежение , лазерные дальномеры , анемометры , флюгеры , термометры , барометры и т. д.) для того, чтобы сократить или исключить объем информации, которую необходимо вручную вводить для расчета эффективного решения. Сонар, радар, IRST и дальномеры могут дать системе направление и/или расстояние до цели. В качестве альтернативы может быть предоставлен оптический прицел, который оператор может просто указать на цель, что проще, чем вводить расстояние с помощью других методов, и дает цели меньше предупреждения о том, что ее отслеживают. Как правило, оружию, стреляющему на большие расстояния, нужна информация об окружающей среде — чем дальше летит боеприпас , тем больше ветер, температура, плотность воздуха и т. д. будут влиять на его траекторию, поэтому наличие точной информации имеет важное значение для хорошего решения. Иногда, для ракет очень большой дальности, данные об окружающей среде должны быть получены на больших высотах или между точкой запуска и целью. Часто для сбора этой информации используются спутники или воздушные шары.
После расчета решения по стрельбе многие современные системы управления огнем также способны наводить и стрелять из оружия. Опять же, это делается в интересах скорости и точности, а в случае с транспортным средством, таким как самолет или танк, для того, чтобы позволить пилоту/стрелку/и т. д. одновременно выполнять другие действия, такие как отслеживание цели или управление самолетом. Даже если система не может наводить оружие сама, например, неподвижную пушку на самолете, она может дать оператору подсказки о том, как прицеливаться. Обычно пушка направлена прямо вперед, и пилот должен маневрировать самолетом так, чтобы он правильно сориентировался перед выстрелом. В большинстве самолетов подсказка прицеливания принимает форму « пиппера », который проецируется на дисплей на лобовом стекле (HUD). Пиппер показывает пилоту, где должна находиться цель относительно самолета, чтобы поразить ее. Как только пилот маневрирует самолетом так, чтобы цель и пиппер наложились друг на друга, он или она стреляет из оружия, или на некоторых самолетах оружие автоматически стреляет в этот момент, чтобы преодолеть задержку пилота. В случае запуска ракеты компьютер управления огнем может дать пилоту обратную связь о том, находится ли цель в пределах досягаемости ракеты и насколько вероятно, что ракета попадет в нее, если будет запущена в любой конкретный момент. Затем пилот будет ждать, пока показания вероятности не станут удовлетворительно высокими, прежде чем запускать оружие.
