Лічильно-вирішальний прилад (ЛВП) був електромеханічним комп'ютером, який керував вогнем корабельних гармат у першій половині 20-го століття. Вони були складними аналоговими комп'ютерами, які досягли висот розробки під час Другої світової війни, особливо Computer Mk 47 у системі керування артилерійським вогнем Mk 68. Під час цієї війни ЛВП керували вогнем для знищення об́́'єктів на суші, морі і в повітрі. Найскладніші ЛВП було встановлено на лінкорах для керування веденням вогню з гармат головних калібрів.
Ці корабельні прилади були складними через те, що повинні були враховувати всі фактори, які впливали на наведення гармат. Під час морського бою і ціль, і корабель, який веде вогонь, постійно рухаються. До того ж корабель не є стабільною вогневою платформою через гойдання з борту на борт і з носа на корму (через вплив хвиль, зміну напряму руху і бортові залпи). Також ЛВП проводив підрахунки необхідної балістики, яка пов'язана з веденням вогню. Загалом стаття присвячена лічильно-вирішальним приладам американського флоту, але основні принципи роботи ЛВП схожі з іншими приладами.
Функціонування Редагувати
Лічильно-вирішальний прилад визначається як аналогова система управління вогнем, який виконує три функції:
- Слідкування за ціллю
- Прогнозування позиції цілі
- Коригування вогню
Історія Редагувати
Ручні системи керування Редагувати
Рання історія керування вогнем цілком полягала у прямому візуальному контакті. Фактично до 1800 року дальність бою складала від 20 до 50 метрів. Навіть за часів Громадянської війни в Америці знаменитий бій «Монітора» та «Вірджинії» відбувався на дальності в 90 метрів. . З плином часу зростали калібри й дальність гармат. Спочатку гармати наводили за допомогою техніки корегування стрільби, що полягала в спостереженні місця падіння снаряда, на основі чого вносились поправки у наведення гармати. Зі збільшенням дальності гармат це ставало робити все складніше.
Попередники інструментів і систем керування вогнем Редагувати
У період від Громадянської війни у США та 1905 роком було зроблено багато невеликих покращень у систему керування вогнем, наприклад телескопічні приціли та оптичні далекоміри. Були також створені процедурні покращення, наприклад планшетні дошки для ручного зазначення позиції корабля під час бою. Приблизно в 1905 почали з'являтися механічні системи, які допомагали керувати вогнем, наприклад стіл Дрейєра, Думареск (який був частиною столу Дрейєреа) та Годинник Арго, але цим пристроям знадобилося багато часу до того, як вони стали широко використовуватися. Це були перші форми ЛВП.
Гостра потреба в точній стрільбі на дальні дистанції з'явилася в період Першої світової війни під час Ютландської битви. Хоча британці вважали, що мають найкращі системи керування вогнем, відсоток точності попадань у ворожі кораблі склав 3 %. На той час британці використовували ручні системи керування вогнем. Один британський корабель у битві, який мав механічну систему керування вогнем, показав найкращі результати. Цей досвід довів, що лічильно-вирішальний прилад необхідно встановлювати на всі кораблі.
Силові приводи і дистанційне керування живленням Редагувати
Першим кораблем флоту США, де було застосовано ЛВП, став «Техас» у 1916 р. Через недосконалі технології тогочасні прилади були дуже грубими. Під час Першої світової ЛВП автоматично вираховували потрібні кути, але матроси вручну наводили гармати за цими даними. Дії навідника можуть бути правильними, але через втому у тривалій битві екіпаж може допускати помилки. За часів Другої світової війни було створено сервомеханізми (у флоті США вони мали назву «приводи»), які допомагали ЛВП автоматично керувати гарматами без ручного втручання. ЛВП Mk. 1 та Mk. 1A налічували приблизно 20 сервомеханізмів і загалом механізмів позицій, що мінімізувати навантаження на розрахункові механізми.
За час своєї тривалої служби лічильно-вирішальні прилади постійно оновлювались і наприкінці Другої світової війни були невід'ємною частиною систем керування вогнем. Додавання до системи радарів на початку Другої світової допомогло кораблям вести ефективний вогонь на дальні дистанції в погану погоду і вночі.
Служба під час Другої світової війни Редагувати
За час війни можливості ЛВП зросли настільки, що назва «лічильно-вирішальний прилад» стала не відповідати дійсності. Термін «комп'ютер», який було зарезервовано для людських підрахунків, прийшов йому на заміну. Після війни цифрові комп'ютери почали заміняти лічильно-вирішальні прилади. Проте частково ЛВП використовували на флоті до 1990-х.
Можливості цих аналогових систем були дивовижними. Лінкор «Пвінчна Кароліна» під час випробувань у 1945 давав точні вогневі рішення для цілей під час серії швидких розворотів. Це було основною перевагою, лінкор міг вести вогонь по цілі, виконуючи еволюції.
З використанням даних з радарів зросла точність і під час нічних боїв. Ефективність була доведена у листопаді 1942 під час третьої битви за острів Саво, коли лінкор «Вашингтон» атакував японський лінійний крейсер «Кірішима» з дистанції у 7,7 км вночі. «Кірішима» загорівся, на ньому лунали численні вибухи, тому команда вимушена була покинути його. В нього влучило дев'ять 16-дюймових (410 мм) снарядів з 75 випущених (12% влучаннь). Під час досліджень «Кірішими» у 1992 році було виявлено, що ніс корабля відсутній. Японці під час Другої світової війни не спромоглися створити радари або автоматичні системи керування вогнем на рівні флоту США, через що поступалися США.
Останні бойовій дії, де застосовували аналогові лічильно-вирішальні прилади, принаймні для флоту США, була війна в Перській затоці 1991 року, коли ЛВП востаннє наводили гармати.
Будова Редагувати
ЛВП були дуже великими, тому, щоб можна було їх встановити, в конструкції корабля вносили зміни. Наприклад, прилад Ford Mk 1A важив 1430 кг . Хоча пластини, які підтримували механізм Mk. 1/1A, були зроблені з алюмінієвого сплаву товщиною до 25 мм, та прилад був все одно важкий. ЛВП та стабілізуючі елементи до сих пір можна побачити на кораблі-музеї есмінці USS «Cassin Young» (знаходиться у Бостоні), їх не демонтували, тому що це було важко зробити.
Прилад потребував великої кількості електричних сигнальних кабелів для синхронізації передачі даних між ним і різними датчикам (наприклад ПКАВ, пітометра, далекоміру, гірокомпасу), а також щоб направляти команди гарматам.
Ці прилади були дуже міцними, вони мали витримувати вібрацію від стрільби власних гармат та влучаннь ворога. Вони не лише повинні були продовжувати розрахунки, а й бути дуже точними.
Механізм Ford Mark 1/1A було встановлено на пару майже кубічних литих підставок з великими отворами, пізніше на них клали прокладки. Деякі механізми були встановлені на товсті пластини з алюмінієвого сплаву і разом зі сполучними валами були послідовно вставлені у отвори. Послідовна збірка значила, що для доступу до начиння пізніше потрібно було послідовно все знімати.
У приладі Mk 47 було, на відміну від Mk 1/1A, повністю покращено доступність. Він був дуже схожий на високу шафу, де циферблати частково або повністю були на передній панелі. Механізм було поділено на шість секцій, кожна з яких була змонтована на важких висувних повзунах. За панеллю було змонтовано вертикальні та горизонтальні пластини, закріплені у трійник.
Механізми Редагувати
Проблеми з ЛВП Редагувати
Далекобійна артилерія — це складне поєднання мистецтва, науки та математики. Є багато чинників, які впливають на остаточну позицію снаряда і багато з них важко змоделювати. Наприклад, точність гармат лінкора була ~1% від дальності (інколи краще, інколи гірше). Повторюваність від снаряда до снаряда ~0.4% від дальності.
Для ведення точного вогню з далекобійної гармати необхідно враховувати численні фактори:
Розрахунки на попередження й компенсацію цих усіх факторів складні, часті і схильні до помилок, якщо їх робити вручну. Частиною складності є обробка інформації, яка надходить з різних джерел. наприклад, дані з таких датчиків (розрахунки й візуальні дані яких потрібні для правильного рішення):
Для збільшення швидкості та зменшення кількості помилок військовим необхідно було автоматизувати ці розрахунки. Щоби проілюструвати всю складність, у Таблиці 1 перераховано всі види даних, які вводилися до лічильно-вирішального приладу Ford Mk 1 (1931).
Навіть із такими даними в прогнозування ЛВП могли бути похибки. Але прогнозування за допомогою ЛВП могло обернутися і проти нього. Наприклад, багато капітанів маневрують під час залпів, тобто змінюють місце, з якого було зроблено залп. Через те, що підрахунок іде постійно, наступний залп міг не попасти в теж саме місце. У ЛВП було закладено, що цілі повинні були рухатися прямо з постійною швидкістю. Сонарні ЛВП були побудовані, щоб відстежувати радіус розвороту цілі, але ця функція була відключена.
Загальна методика Редагувати
Дані передавалися за допомогою обертових валів. Вони були встановлені в підшипникових кронштейнах, прикріплених до опорних пластин. Більшість кутів були прямими, чому сприяли косі шестерні у співвідношенні 1:1. У Mk. 47, який було поділено на шість секцій, вали з'єднували секції на задній панелі шафи. Практична конструкція дозволяла передавати дані без ручного виставлення нуля або налаштувань; бралися до уваги лише їх рухи. Коли секцію повертали на місце, вали поєднувалися один з одним.
Загальні механізми у Mk. 1/1A складалися з багатьох конічних диференційних шестерень, групи з чотирьох 3-D кулачків, деяких диско- кульково-роликових інтеграторів і серводвигунів з механізмами; всі вони були дуже громіздкі. Проте, більшість обчислювальних механізмів були тонкими стосамии широких пластин різних форм і функцій. Цей механізм може бути завтовшки 25 мм, чи, можливо, менше. Боротьба за простір була головною, але для точних розрахунків потрібно було більше місця (більший діапазон руху), щоб компенсувати невеликі похибки, які випливають з нещільності в рухомих частинах.
Прилад Mk. 47 був гібридним: деякі операції виконували електрично, а інші — механічно. Він мав шестерні, вали, диференціали і (в абсолютно замкненому просторі) диско- кульково-роликові інтегратори. Проте, в ньому не було механічних помножувачів або лічильних пристроїв: ці функції були виконані в електронному вигляді, а множення здійснювалося за допомогою прецизійних потенціометрів.
У Mk. 1/1A все було механічним, окрім електричного сервоприводу.
Реалізація математичних функцій Редагувати
В аналогових обчислювальних машинах реалізовано багато різних методів. Вони такі ж самі, як і ті, що використані в цифрових комп'ютерах. Ключовою відмінністю є те, що у ЛВП всі операції виконуються механічно. Хоча тепер і не часто використовують механічні методи обчислення, та вони існують для реалізації всіх загальних математичних операцій. Деякі приклади включають в себе:
- Множення на константу
- Множення двох змінних
- Синус і косинус (перетворення полярних координат у прямокутні)
- Інтегрування
- Компонентні інтегратори
- Функції змінної
- Функції двох змінних
Чотири ексцентрики у ЛВП Mk. 1/1A видавали час механічного таймера детонатора, час польоту (від пострілу до падіння снаряду), час польоту, поділений на передбачену дальність та надпідвищення у поєднанні з коригуванням вертикального паралаксу. (Надпідвищення, зазвичай, — це кут, на який необхідно підняти ствол гармати для компенсування сили тяжіння.)
Швидкість сервостабілізації Редагувати
ЛВП Mk.1 та Mk.1A були електромеханічними й багато розрахунків потребували руху приводів з точною швидкістю. Вони використовували оборотні двофазні конденсаторні асинхронні двигуни з вольфрамовими контактами. Вони були стабілізовані, головним чином, ротаційними муфтами магнітного опору ковзання (вихорострумовими), схожими на класичні спідометри, які обертаються на магнітах, але з набагато більш високим крутним моментом. Одна частина опору була спрямована на двигун, а інша була обмежена досить жорсткою пружиною. Пружина виставляла позицію «нуль» на контакті на величину, пропорційну швидкості двигуна, забезпечуючи тим самим зворотній зв'язок по швидкості. Маховик, встановлений на вал двигуна, але поєднаний з магнітним опором, який не допускав вібрації контактів, коли двигун знаходився в стані спокою. На жаль, маховики також дещо сповільнюють сервоприводи. Складніша схема, в якій поміщається досить великий маховик і диференціал між двигуном і магнітним опором, усуває помилку швидкості для критично важливих даних, таких як команди управління гарматою.
Інтеграторні диски ЛВП Mk. 1 та Mk. 1A вимагали особливо складної системи, щоб забезпечити постійну й точну швидкість приводу. Вони використовували двигун з регулюванням швидкості зі спуском схемою синхронізації, кулачковим контактом і диференціалом з циліндричним прямозубим колесом. Хоча швидкість двигуна трохи коливалася, та завдяки загальній інерції вона була стабільнішою. Це був ефект повільної широтно-імпульсної модуляції потужності двигуна в залежності від навантаження. При старті ЛВП видавав унікальний звук схожий запуск мотора - коли десятки шестерень починали обертатися всередині металевого корпусу, видаючи голосне тікання.
Комплект Редагувати
Детальний опис монтажу та демонтажу системи міститься в двотомному буклеті артилерійського управління ВМС OP 1140 які мають сотні сторінок і фотографій. При складанні валів з'єднання між механізмами повинні бути ослаблені і механізми механічно переміщені таким чином, що вихід одного механізму з тим же числовим значенням (наприклад, нуль) повинен бути початком наступного. На щастя, ці комп'ютери були особливо старанно зроблені і дуже надійні.
Схожі системи наведення Редагувати
Під час Другої світової війни всі основні країни-учасниці розробили ЛВП різних рівнів. Лічильно-вирішальні прилади стали одним з класів електромеханічних комп'ютерів, які використовували для керування вогнем. Схожими системами у США були:
- Бомбовий приціл Норден
- Torpedo Data Computer (TDC)
- Зенітна система M-9/SCR-584
- Системи ПУАЗО (наприклад, ПУАЗО-6) в зенітній артилерії СРСР.
Див. також Редагувати
Примітки Редагувати
- Технічно, для більшої точності, треба використати термін «нарізка» для далекобійних корабельних гармат.
- Chapter 19: Surface Fire Control Problem. . Annapolis, MA: United States Naval Academy. 1958 [1950]. NavPers 10798-A. Архів оригіналу за 21 березня 2016. Процитовано 26 серпня 2006.
- ↑ A. Ben Clymer (1993). (pdf) 15 (2). IEEE Annals of the History of Computing. Архів оригіналу за 9 вересня 2006. Процитовано 26 серпня 2006.
- Два броненосці продовжували циркуляцію й ведення вогню на дистанції, що мінялася від 90 до кількох метрів
- Збільшення далекобійності гармат вимагало створення позицій для далекомірів і спостерігачів якомога вище над поверхнею моря, щоб краще бачити битву.
- Mindell, David (2002). Between Human and Machine. Baltimore: Johns Hopkins. с. 25–28. ISBN 0-8018-8057-2.
- Причинами цього були їх складність і повільність розгортання.
- Mindell, David (2002). Between Human and Machine. Baltimore: Johns Hopkins. с. 20–21. ISBN 0-8018-8057-2.
- Дії британського флоту під час Ютландської битви стали предметом ретельного вивчення
- ↑ Bradley Fischer (9 вересня 2003). . NavWeaps. Архів оригіналу за 3 квітня 2016. Процитовано 26 серпня 2006.
- Tony DiGiulian (17 квітня 2001). . The Mariner's Museum. Navweaps.com. Архів оригіналу за 3 березня 2016. Процитовано 28 вересня 2006.
- Ступінь оновлення варіюється в залежності від країни.
- ↑ "Older weapons hold own in high-tech war" [ 6 жовтня 2006 у Wayback Machine.].
- The rangekeeper in this exercise maintained a firing solution that was accurate within a few hundred yards (or meters), which is within the range needed for an effective rocking salvo
- ↑ Jurens, W.J. (1991). . Warship International. No. 3. с. 255. Архів оригіналу за 20 листопада 2006. Процитовано 15 березня 2016.
- Anthony P. Tully (2003). . Mysteries/Untold Sagas Of The Imperial Japanese Navy. CombinedFleet.com. Архів оригіналу за 6 червня 2011. Процитовано 26 вересня 2006.
- Mindell, David (2002). Between Human and Machine. Baltimore: Johns Hopkins. с. 262–263. ISBN 0-8018-8057-2.
- . Destroyer Escort Central. USS Francis M. Robinson (DE-220) Association, 2000. 2003. Архів оригіналу за 31 травня 2006. Процитовано 26 вересня 2006.
- Captain Robert N. Adrian. . U.S.S. Boyd (DD-544). USS Boyd DD-544 Document Archive. Архів оригіналу за 1 травня 2006. Процитовано 6 жовтня 2006.
- ↑ . maritime.org. Архів оригіналу за 21 березня 2016. Процитовано 15 листопада 2015.
- . Архів оригіналу за 3 листопада 2012. Процитовано 15 березня 2016.
- Mindell, David (2002). Between Human and Machine. Baltimore: Johns Hopkins. с. 254. ISBN 0-8018-8057-2.
Бібліографія Редагувати
- Campbell, John (1985). Naval Weapons of World War Two. Naval Institute Press. ISBN 0-87021-459-4.(англ.)
- Fairfield, A.P. (1921). Naval Ordnance. The Lord Baltimore Press.(англ.)
- Frieden, David R. (1985). Principles of Naval Weapons Systems. Naval Institute Press. ISBN 0-87021-537-X.(англ.)
- Friedman, Norman (2008). Naval Firepower: Battleship Guns and Gunnery in the Dreadnought Era. Seaforth. ISBN 978-1-84415-701-3.(англ.)
- Pollen, Antony (1980). The Great Gunnery Scandal - The Mystery of Jutland. Collins. ISBN 0-00-216298-9.(англ.)
Посилання Редагувати
- British fire control [ 1 квітня 2016 у Wayback Machine.]
- Ford Instrument Company museum site. Ford built rangekeepers for the US Navy during World Wars I and II
- OP1140, a superb Navy manual. Chapter 2 has many fine illustrations and clearly written text. [ 21 березня 2016 у Wayback Machine.]
- Basic Mechanisms in Fire Control Computers [ 31 березня 2016 у Wayback Machine.]. United States Navy Training Film. MN-6783a and MN-6783b. 1953. 2 parts of 4.