Лічильно-вирішальний прилад

Рання історія керування вогнем цілком полягала у прямому візуальному контакті. Фактично до 1800 року дальність бою складала від 20 до 50 метрів.[3] Навіть за часів Громадянської війни в Америці знаменитий бій «Монітора» та «Вірджинії» відбувався на дальності в 90 метрів. [4]. 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.[3][5]

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.[6][7] 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.[8] Цей досвід довів, що лічильно-вирішальний прилад необхідно встановлювати на всі кораблі.[9]

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.[10] 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. [11]

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.[12]

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. [13]

Можливості цих аналогових систем були дивовижними. Лінкор «Пвінчна Кароліна» під час випробувань у 1945 давав точні вогневі рішення[14] для цілей під час серії швидких розворотів. [15] 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)[3]. Під час досліджень «Кірішими» у 1992 році було виявлено, що ніс корабля відсутній[16]. Японці під час Другої світової війни не спромоглися створити радари або автоматичні системи керування вогнем на рівні флоту США, через що поступалися США[17]. 

Останні бойовій дії, де застосовували аналогові лічильно-вирішальні прилади, принаймні для флоту США, була війна в Перській затоці 1991 року[13], коли ЛВП востаннє наводили гармати.

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.[15]

Для ведення точного вогню з далекобійної гармати необхідно враховувати численні фактори:

• Курс і швидкість цілі;
• Власні курс і швидкість;
• Гравітацію;
• Коріолісову силу (оскільки Земля обертається, існує явна сила, що діє на снаряд);
• Внутрішню балістику: стволи гармат зношуються і це старіння треба враховувати, підраховуючи кількість снарядів, які можуть пройти крізь ствол (після встановлення нового ствола це значення рівне нулю). Також можливі зміни між пострілами через розігрівання ствола, а також різниця між одночасними пострілами.
• Зовнішню балістику: різні балістичні характеристики для різних снарядів та параметри повітря (температура, вітер, тиск).
• Корекцію паралаксу: загалом це позиція гармати і обладнання спостереження за ціллю (радар, ПКАВ на гарматі, пелорус тощо), які розташовані у різних частинах корабля. Це створює помилку паралаксу, яку необхідно коригувати.
• Характеристики снаряда (наприклад, балістичний коефіцієнт);
• Вагу й температуру метального заряду.

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):

• Гірокомпас: Пристрій, який вказує точно на північ незалежно від курсу корабля.
• Далекомір: Оптичний (чи інший) пристрій для визначення дальності до цілі.
• Пітометр: Цей пристрій виміряє точну швидкість власного корабля.
• Снарядний годинник: Цей пристрій визначає час від пострілу до падіння снаряда. Ця функція може розглядатися як «діапазон обліку».
• Кутові годинники: Цей прилад визначає пеленг цілі на той час, коли відбудеться падіння снаряда.
• Планшет: Мапа, де прогнозується положення артилерійської платформи та цілі. (Відсік («кімната»), де стояли ЛВП Mk.1 та Mk.1A мав назву «Plot» з історичних причин.)
• Різні логарифмічні лінійки: За допомогою цих пристроїв проводилися обчислення, які потребувалися для визначення азимуту і підвищення гармат.
• Метеорологічні датчики: Температура та вологість повітря, напрям і швидкість вітру впливають на балістику снарядів. ЛВП і аналогові комп'ютери не розрізняли швидкість вітру на різних висотах.

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).[3]

Таблиця 1: Ручне введення даних у ЛВП перед Другою світовою війною

Змінні	Джерело даних
Дальність	Телефоном з далекоміру
Власний курс	Повторювач гірокомпасу
Власна швидкість	Пітометр
Курс цілі	Початкові дані для контролю швидкості
Швидкість цілі	Початкові дані для контролю швидкості
Пеленг цілі	Автоматично з ПКАВ
Дані коректувальника	Коректувальник, телефоном

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[19]. 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.

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.[20]

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:

• Додавання та віднімання

Диференціальні шестерні (зазвичай їх називають просто «диференціали»), найчастіше виконували операції додавання й віднімання. У Mk. 1A їх було близько 160. Історія використання шестерень у розрахунках походить з давнини (див. Антикітерський механізм).

• Множення на константу

Передавальні числа дуже широко використовувалися для множення на константу.

• Множення двох змінних

У ЛВП Mk. 1 та Mk.1A множення були побудовані на геометрії простих трикутників.

• Синус і косинус (перетворення полярних координат у прямокутні)

Зараз ці механізми називають лічильними пристроями. Найчастіше вони перераховували кут і амплітуду (радіус) в компоненти синус і косинус, за допомогою механізму, що складається з двох перпендикулярних шотландських механізмів. Змінна радіуса кривошипа обробляє величину вектора.

• Інтегрування

Кульково-дискові інтегратори[21] виконували операції інтегрування. Чотири маленьких інтегратори Вентоса у ЛВП Mk. 1 та Mk. 1A  обчислювали коректування швидкості згідно кутів.

Інтегратори мали обертові диски та широкий ролик, змонтований на шарнірному виливку, притисненому до диска двома сильними пружинами. Подвійні кульки дозволяли вільно рухати диск, це необхідно було робити раз на день для тестування. Диски інтеграторів були 7.6, 10 та 12.5 см у діаметрі (чим більший диск, тим більша точність). Інтегратори Ford Instrument Company мали розумний механізм для зменшення зносу.

• Компонентні інтегратори

Компонентні інтегратори були інтеграторами Ventosa, всі закриті. У Мк. 1/1A, коректор швидкості (слідкуючи за ціллю) обертав кулю, а два тензометричних ролики з боків розподіляли рух належним чином відповідно до кута. Цей кут залежав від геометрії моменту, наприклад, курсу цілі.

• Похідна

Похідну обчислювали за допомогою інтегратора у замкненому зворотньому зв'язку.

• Функції змінної

У ЛВП використано багато ексцентриків для створення змінних функції. Багато ексцентриків (плоскі диски з широкими спіральними канавками) використовували у обох ЛВП. Для визначення балістики, при веденні вогню по поверхні, було достатньо одного ексцентрика (ЛВП Mk. 8).

• Функції двох змінних

ЛВП Mk. 1 та Mk 1A потребували чотирьох тривимірних ексцентриків. Вони використовують циліндричні координати для входів, одна з них — обертання ексцентрика, а інша — лінійна позиція кулі повторювача. Радіальний зсув повторювача давав вихід.

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.)

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.

Детальний опис монтажу та демонтажу системи міститься в двотомному буклеті артилерійського управління ВМС OP 1140 які мають сотні сторінок і фотографій. [20] 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.