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Gears of war: quando computadores analógicos mecânicos dominavam o mar


O Advanced Gun System (à esquerda) foi criado como um substituto para armas de 16 polegadas de navios de guerra (à direita). Além dos mísseis guiados por GPS, os tecnólogos digitais de controle de incêndio da AGS realizam a mesma tarefa que os navios de guerra Iowa Rangekeeper Mark 8, eles só têm menos peso e menos pessoas trabalham com eles.

O mais recente destruidor de Zumwalt, atualmente em teste de aceitação, possui um novo tipo de artilharia naval a bordo: o Advanced Gun System (AGS). O AGS automatizado é capaz de disparar até 10 projéteis de precisão com aceleração de foguetes por minuto em alvos a uma distância de 160 quilômetros.

Esses projéteis usam GPS e um sistema de orientação inercial para aumentar a precisão da arma até a circunferência de um possível erro de 50 metros (164 pés). Isso significa que metade desses projéteis guiados por GPS cairá a essa distância do alvo. Mas se você remover as carcaças sofisticadas com GPS, o AGS e seu sistema digital de controle de incêndio não serão mais precisos do que a tecnologia analógica mecânica, que quase virou um século.

Quero dizer computadores analógicos eletromecânicos de controle de incêndio, como o Ford Instruments Mark 1A Fire Control Computer e Mark 8 Rangekeeper. Essas máquinas podiam realizar cálculos continuamente e em tempo real com 20 ou mais variáveis ​​muito antes de os computadores digitais chegarem ao mar. Quando servi a bordo do navio de guerra de Iowa no final dos anos 80, eles ainda estavam em uso.

Durante minha vida, várias tentativas foram feitas para combinar ou substituir esses sistemas digitais legados. Digno de nota era um deles (Programa Avançado de Tecnologia de Sistemas de Armas de Armas), que parecia um projétil AGS com alcance de 160 quilômetros: um projétil de 11 polegadas na forma de um dardo com GPS e orientação inercial, encerrado em uma caixa destacável de 16 polegadas (palete), capaz de devido ao grande calibre das armas do navio de guerra, voando quase a mesma distância sem aceleração de foguetes.

Então, por que a Marinha seguiu o caminho da "digitalização" de grandes armas de navios de guerra? Fiz esta pergunta ao capitão aposentado da Marinha David Boslow- Ex-diretor do escritório do programa de computador embarcado tático da Marinha. Se alguém souber a resposta, então é Boslow. Ele desempenhou um papel importante no desenvolvimento do Sistema de Dados Táticos da Marinha, o precursor dos modernos sistemas Aegis, o pai de todos os sensores digitais e sistemas de controle de incêndio.

“Uma vez, meu comitê foi contratado para estudar as perspectivas de modernização dos sistemas de controle de incêndio dos navios de guerra da classe de Iowa, de computadores analógicos para computadores digitais”, diz Boslow. "Descobrimos que a digitalização de computadores não aumentará a confiabilidade ou a precisão do sistema e emitimos uma recomendação para não fazer alterações". Mesmo sem computadores digitais, o Iowa poderia disparar com precisão mortal de 1.225 kg (1.225 kg) de conchas "estúpidas" a cerca de 48 km com um diâmetro de um provável erro de 80 metros. Algumas conchas de navios de guerra tinham um diâmetro maior da lesão.

Mas como a caixa com engrenagens, cames, racks e pinos foi capaz de realizar cálculos balísticos em tempo real com base em equações diferenciais com dezenas de variáveis? Como um colosso com um Fusca conseguiu atingir um alvo além do horizonte? E por que esses dispositivos de metal e graxa superaram os sistemas digitais por tanto tempo? Vamos começar com uma pequena excursão à história da balística de navios de guerra e filmes de treinamento da Marinha, demonstrando o processo de operação de computadores analógicos.

Ao longo da trajetória


Atirar com uma arma de um navio não é uma tarefa fácil. Além dos problemas usuais que a balística encontra - calculando a força de um tiro, apontando a altitude, a correção do vento e o efeito Coriolis -, acrescenta-se o fato de que o disparo é de uma plataforma que muda constantemente o tom, a guinada e a posição. Se você tiver sorte e o alvo estiver imóvel, devido ao número de variáveis, isso ainda é comparável a tentar acertar o alvo com uma bola de água nas costas de um canguru pulando.

Atirar em alvos no raio de visão de um navio é um loop de feedback. Nosso objetivo é, calcular o movimento relativo do alvo e outras condições balísticas, atirar, ver onde o projétil atingiu e ajustar os parâmetros. Atirar alvos além do horizonte é ainda mais difícil. É necessário um observador, fornecendo coordenadas geográficas precisas e disparos corretivos, dependendo de onde os projéteis atingem.

Na era anterior à invenção das torres de armas, os navios disparavam armas pelas laterais. O ajuste foi realizado principalmente dependendo do local onde as balas atingiram e esperaram até que o lado que olhava para o inimigo não levantasse. Porém, com o advento dos dreadnoughts e cruzadores de batalha no início do século 20, o alcance e a letalidade das armas do navio aumentaram significativamente. No entanto, agora eles precisavam de muito mais precisão.

Essa necessidade foi consistente com o desenvolvimento de computadores analógicos. Computadores analógicos mecânicos são usados ​​há séculos pelos astrônomos para prever a localização das estrelas, eclipses e fases da lua. O primeiro computador analógico mecânico conhecido por nós é o mecanismo antikythera , que remonta a cerca de 100 aC. Mas até recentemente, ninguém tinha idéia do uso de computadores para matar pessoas.

Para realizar os cálculos, os computadores analógicos usam um conjunto padrão de dispositivos mecânicos - dispositivos do mesmo tipo que convertem o torque gerado pelo motor do carro na rotação das rodas, no movimento de válvulas e pistões. Os dados em computadores analógicos são "inseridos" continuamente, geralmente girando os eixos de entrada. O valor matemático está vinculado a uma rotação completa do eixo em 360 graus.

Nos dias dos gregos antigos, a entrada de dados era realizada girando a roda. Nos computadores analógicos mais modernos, as variáveis ​​de dados do sensor - velocidade, direção, velocidade do vento e outros parâmetros - eram transmitidas por conexões eletromecânicas: sinais de sincronização de girocompasses e giro-verticais giroscópicos, sistemas de rastreamento e sensores de velocidade. As constantes, por exemplo, o tempo decorrido, foram introduzidas por motores elétricos especiais a uma velocidade constante.

Para transformar os eixos em um conjunto contínuo de resultados de cálculo, eu os conectei a um conjunto de engrenagens, cames, racks, pinos e outros elementos mecânicos que convertem o movimento em cálculos matemáticos usando princípios geométricos e trigonométricos. Além disso, foram produzidas funções "hard-set" que armazenam os resultados de cálculos mais complexos em suas formas feitas com precisão. Ao trabalharem juntos, esses detalhes calcularam instantaneamente uma resposta muito precisa para um conjunto específico de perguntas: onde estará o alvo quando atingir uma bala enorme que eu empurro para fora de um cano estriado de 21 metros e onde preciso apontar para que ele chegue lá acertar?

Com uma montagem perfeita, os computadores analógicos podem responder a essas perguntas com muito mais precisão do que os computadores digitais. Como eles usam dados físicos e de entrada em vez de digitais, eles podem descrever curvas e outros elementos geométricos de cálculos com um nível infinito de resolução (no entanto, a precisão desses cálculos depende da qualidade de fabricação das peças e diminui devido ao atrito e derrapagem). Ao mesmo tempo, não são descartados dígitos menos significativos e as respostas são fornecidas continuamente e não dependem dos relógios de cálculo sincronizados para o próximo.

Codificação em metal


A parte mais fundamental de qualquer computador analógico mecânico são suas engrenagens. Usando combinações de marchas de diferentes tipos, um computador analógico é capaz de executar funções matemáticas simples como adição, subtração, multiplicação e divisão.

Relações de transmissão - o uso de duas marchas com uma proporção específica de circunferência - esta é a maneira mais simples de realizar cálculos usando mecanismos. Eles podem ser usados ​​para aumentar ou diminuir os valores de entrada ou saída ou para aplicar multiplicadores constantes de dados de entrada a outros cálculos. Por exemplo, se você girar um eixo, cuja proporção para outro eixo é 2 para 1, o eixo de saída girará metade do número de vezes.

Os sistemas de transmissão de pinhão e cremalheira, como os usados ​​na condução de um carro, também são usados ​​em computadores analógicos para converter o movimento rotacional em dados de saída lineares; eles movem geometricamente dados ou componentes de leitura para resolver outros tipos de cálculos em uma tarefa balística.

Você pode entender como sistemas de equipamentos similares funcionavam em computadores analógicos, a partir de um fragmento do filme de treinamento de 1953 na Marinha dedicado a computadores de controle de incêndio:


Eixos e engrenagens de um computador de controle de incêndio.

As marchas do diferencial dos carros são projetadas para que as rodas girem em diferentes velocidades. Mas em computadores analógicos, eles desempenham uma função diferente: eles fornecem a capacidade de executar adição e subtração mecânica. Um conjunto de engrenagens diferenciais instaladas entre dois eixos de entrada com as mesmas engrenagens sempre fará curvas, que são a média matemática das curvas de dois eixos de entrada; se multiplicarmos essa média por dois, obteremos a soma algébrica de dois valores de entrada. Por exemplo, se um eixo de entrada girou três vezes para frente e o outro girou uma vez para frente, as engrenagens diferenciais giram o eixo conectado a eles duas vezes, ou seja, metade de sua soma - quatro.


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Tudo isso é maravilhoso quando se trata de matemática simples. Mas, para funções de nível superior, por exemplo, para calcular as curvas de uma trajetória balística ou a influência do efeito Coriolis em projéteis de vôo longo, os computadores analógicos exigem detalhes mais complexos. Algumas dessas funções podem ser executadas por cames - superfícies rotativas feitas de forma a “armazenar” respostas para uma faixa de valores. Cames simples podem armazenar o intervalo de respostas, dependendo de uma variável, por exemplo, transformando a rotação de entrada em dados de saída trigonométricos ou logarítmicos usando um pino conectado ao trilho. Câmaras de tambor tridimensionais mais complexas podem armazenar respostas a funções complexas com duas variáveis, como cálculos de volume rotacional. Um exemplo é mostrado neste clipe de filme:


Cams são funções armazenadas da computação analógica.

Todos esses componentes eram bem conhecidos pelos criadores das primeiras calculadoras astronômicas, no entanto, o método de sua fabricação não podia fornecer precisão nem perto da precisão que as ferramentas da era industrial podem alcançar. Mas há outro componente mecânico que combina tudo o que você precisa para os cálculos complexos necessários para prever a posição de um alvo na computação balística: um integrador. Este dispositivo utiliza várias velocidades de rotação do disco rotativo, usadas como uma engrenagem diferencial continuamente ajustável.

O integrador, desenvolvido pela primeira vez pelo professor James Thompson de Belfast em 1876, foi aperfeiçoado por seu irmão Lord Kelvin como um elemento de um "analisador harmônico".


“Harmonic Analyzer” de Lord Kelvin com integradores de disco.

Lord Kelvin usou um analisador harmônico para isolar vários fatores que influenciam os padrões das marés, para que possam ser previstos no futuro. O computador recebeu dois valores de entrada: o tempo foi representado como rotação a uma velocidade constante e a altura da maré foi monitorada a partir da gravação usando uma agulha mecânica. Cordas e polias geravam saída desenhando uma curva em um rolo de papel. A Marinha britânica se apaixonou pelo computador de marés de Kelvin porque permitiu coletar dados históricos das marés gravados em qualquer lugar do mundo e criar tabelas de marés em muito menos tempo. Mais de meio século depois, os computadores das marés de Lord Kelvin ajudaram a planejar os desembarques dos Aliados na Normandia., contribuindo assim diretamente para o resultado da Segunda Guerra Mundial.

Além das melhorias que aumentam sua confiabilidade em ambientes marítimos adversos, os computadores de controle de incêndio usados ​​até o final dos anos 90 permaneceram essencialmente a mesma função que Lord Kelvin usou. Eles são mostrados no vídeo abaixo. Hannibal Ford, que desenvolveu os computadores de controle de incêndio Rangekeeper e Mark 1, inventou esse integrador aprimorado, que usava um par de bolas no equipamento de corrida para transmitir informações de rotação da plataforma giratória.


O integrador do tipo disco, semelhante ao usado no computador de controle de incêndio Mark 1, é semelhante em função e design ao integrador de Lord Kelvin.

Rede de computadores (controle de incêndio)


Os "sistemas de controle de incêndio" da Primeira Guerra Mundial eram principalmente dispositivos separados, conectados por pessoas que gritavam informações por telefone e interfone. Os únicos dados que entraram no Rangekeeper Mark I automaticamente foram o rumo do navio transmitido pelo repetidor de giroscópio. A situação mudou na próxima década, quando as frotas do mundo dominaram melhor com um novo produto chamado "eletricidade".

O Acordo Marítimo de Washington de 1922, durante quase uma dúzia de anos, limitou o desenvolvimento da frota, mas durante os anos 20 a Ford continuou a melhorar seu Rangekeeper, culminando no Rangekeeper Mark 8 de 1930. A marca 8 tornou-se o auge dos sistemas de controle de incêndio da grande artilharia naval. Este sistema foi usado em navios de guerra da classe Iowa e controlou canhões de 16 polegadas de todos os quatro navios desde o momento em que foram postos em operação durante a Segunda Guerra Mundial até o bombardeio das forças iraquianas em fevereiro de 1991 durante a Guerra do Golfo Pérsico.


O posto de artilharia central da bateria do Missouri, que abrigava o Rangekeeper Mark 8 e seu equipamento de computação analógico. Quadros de distribuição na parede possibilitaram a troca de torres e armas controladas pelo sistema.

O Rangekeeper Mark 8 também forneceu aos operadores a capacidade de inserir dados manualmente no caso de uma falha de conexão com sensores; além disso, eles poderiam modificar os dados com base na observação de tiros e fazer outros ajustes. A máquina pode até funcionar sem eletricidade devido à rotação manual do volante. O rumo do alvo e a distância até ele agora vinham na forma de entrada elétrica de um dispositivo de controle de incêndio da artilharia. A velocidade do navio era transmitida automaticamente com base nos dados de seu sensor de velocidade e na velocidade do vento - diretamente do anemômetro.

Depois de "apontar" o sistema para o alvo, o Mark 8 transmitiu sinais para as torres e instalações da pistola através do quadro de distribuição para manter a mira correta e, em seguida, enviou dados de estabilização para ajustar a elevação das pistolas de acordo com a guinada e o caimento do arremesso da embarcação. O próprio Mark 8 tinha uma rede eletromecânica. Consistia em cinco caixas de equipamentos analógicos de computador, presos em um único módulo.

O Mark 8 foi projetado para armas de grande porte que, devido ao seu tamanho e velocidade de tiro, eram usadas apenas para bombardear alvos de superfície e solo. Armas menores, como o Iowa de duas polegadas e calibre 38 de 38 polegadas e muitos navios de guerra menores da era da Segunda Guerra Mundial, deveriam ter sido capazes de mirar em alvos mais rápidos e menores em três dimensões - basta colocar em aviões. Isso exigiu cálculos muito mais complexos, o que levou à criação da coroa da computação analógica eletromagnética: o computador de controle de incêndio Ford Instruments Mark 1.


O computador de controle de incêndio Mark 1A é o poder de processamento de 3.000 libras de liga de alumínio.

O Mark 1 pesava mais de 1.360 kg. Como o Rangekeeper, ele recebeu informações de dispositivos de controle de incêndio de artilharia - “torres” com acionamento eletromecânico e sensores ópticos (e radares posteriores) que transmitiam continuamente informações sobre o rolamento e a distância através de sinais de sincronização elétrica.

O computador levou em consideração o deslocamento entre o dispositivo de controle e os instrumentos que ele controla. Ele também precisava calcular o tempo de queima dos fusíveis mecânicos, para que o projétil explodisse perto do alvo. (No entanto, houve vários casos na prática de tiro na década de 1980, quando o Iowa atingiu diretamente um alvo aéreo rebocado, embora sem intenção).

O Mark 1, considerado o computador antiaéreo mais preciso durante a guerra, ainda tinha algumas limitações bastante sérias. Para explodir projéteis perto de alvos aéreos, ele usou fusíveis mecânicos e foi capaz de realizar cálculos para alvos aéreos em movimento a uma velocidade inferior a 400 nós de velocidade horizontal relativa e 250 nós de velocidade vertical relativa. Por causa disso, ele foi ineficaz contra aviões a jato e ataques kamikaze.

Adeus artes



O computador Mark 48 para “ataques costeiros” é um sistema analógico elétrico com dados de entrada eletromecânicos. Ele tinha uma mesa de luz para cartões projetando dados de posição e alvo a partir de baixo.

Então, por que estamos deixando de usar essas obras de arte mecânicas para mirar e minar alvos? Apesar de sua alta precisão, os computadores analógicos mecânicos tinham fatores limitantes. Eles são pesados ​​e ocupam muito espaço. Mesmo quando se tornaram mais automatizados, eles ainda precisavam de uma grande equipe. O torque necessário para sua operação, incluindo todos os servoconversores que convertem sinais elétricos em rotação, exigia muita eletricidade - 16 quilowatts na carga de pico.

E, apesar de sua confiabilidade geral, os inimigos mais graves da eletromecânica são o atrito e a fadiga mecânica. Fornecer lubrificação suficiente e monitorar o desgaste das engrenagens do computador de controle de incêndio é uma tarefa muito mais séria do que uma visita ao serviço de carro mais próximo para trocar o óleo. Além disso, há o problema de "reprogramar" um computador analógico. Se você deseja alterar o alcance da entrada que eles recebem ou alterar a saída para que levem em consideração as novas variáveis, será como reconstruir uma transmissão.

Para a maioria dos aplicativos para os quais os computadores analógicos foram criados, isso não é um problema. Ao longo do século passado, as variáveis ​​de controle de incêndio não mudaram muito. O advento das aeronaves a jato e a necessidade de fornecer bombardeios de longo alcance a alvos terrestres levaram a um novo ciclo de inovações em sistemas analógicos que duraram até meados da década de 1970: sistemas analógicos elétricos.

Esses sistemas de computação eletrônica não eram digitais e desempenhavam as mesmas funções que as engrenagens com cames, mas na forma de componentes eletrônicos analógicos. No entanto, as peças eletrônicas eram mais fáceis e mais fáceis de manter do que os sistemas mecânicos em grande escala, e permitiam a integração com sistemas mecânicos usando saídas de sinal semelhantes aos sinais de sincronização usados ​​para integrar outros sensores em um sistema comum.

Durante a Segunda Guerra Mundial, a Bell Labs desenvolveu o primeiro computador de controle de incêndio totalmente eletrônico, o Bell Mark 8. Embora nunca tenha sido colocado em operação, partes de sua tecnologia foram combinadas com o Ford Mark 1, conhecido como Mark 1A. Um sistema avançado ajudou a rastrear e mirar em aeronaves mais rápidas.

O Mark 1A e o Rangekeeper Mark 8 também receberam assistência elétrica adicional para atingir alvos terrestres durante a Guerra da Coréia. Computador de ataque costeiro Mark 48Foi projetado especificamente para a realização de "fogo indireto" - disparando contra alvos que o navio não podia ver, com base em informações de um avião de observação, observador de reconhecimento ou (a partir do final dos anos 80) de um drone da Pioneer. Ele usou o sistema de controle de incêndio existente para mirar em um ponto de referência conhecido (geralmente um elemento de alívio indicado no mapa). Além disso, para determinar a localização do navio, ele poderia usar a navegação por rádio ou satélite. Com base na localização do navio e no local de destino transmitido, o Mark 48 calculou os dados iniciais de controle de incêndio transmitindo dados do Rangekeeper ou Mark 1A, dependendo de quais armas foram usadas para bombardear o alvo infeliz.

Sistemas desatualizados


Quatro navios de guerra da classe Iowa foram os únicos navios a receber o Mark 48. Para o restante da frota, a transição para os sistemas digitais de controle de incêndio começou em meados da década de 1970, quando os projetistas começaram a se esforçar para criar navios mais leves, com mais ênfase na caça a submarinos e em vôo. equipamento do que atirar em outros navios.


Na foto - o autor do artigo em sua juventude, quando era oficial da Marinha a bordo do navio de guerra "Iowa" em 1988. A foto foi tirada ao lado da cidadela blindada na ponte, localizada abaixo do instrumento do sistema de controle de incêndio, parte do Rangekeeper Mark 8.

Em 1987 e 1988, servi a bordo do Iowa na tripulação do convés, nominalmente responsável por 125 marinheiros e não-qualificados. Muitas pessoas da minha divisão serviram a segunda torre ou uma das baterias de 5 polegadas do navio, então meu interesse pelo dispositivo deles não estava ocioso. Muitas vezes eu rastejava pelos conveses da torre, certificando-me de que todos estavam nos lugares certos.

Durante minha estada a bordo, disparamos mais projéteis dos canhões de 16 polegadas do navio do que os tiros de Iowa durante toda a Guerra da Coréia. E, apesar de todos os experimentos para adicionar tecnologia digital ao sistema de armas, o único sensor instalado logo antes de eu entrar a bordo tornou as armas mais precisas do que nunca. Este é um sensor de radar Doppler capaz de detectar a velocidade de um projétil ao sair do cano.

O radar foi instalado após o retorno urgente à operação do navio de guerra "New Jersey" (pertencente ao tipo "Iowa") no início dos anos 80, quando ele enfrentou sérios problemas com armas de precisão durante a crise de Beirute. Os problemas estavam principalmente relacionados ao fato de as cargas de pó nas sacolas usadas a bordo do navio serem misturadas e seu perfil explosivo mudar.

Ao medir com precisão a velocidade do projétil ao sair da arma durante o primeiro tiro com uma quantidade específica de cargas de pó, o pessoal do controle de incêndio poderia entender como seria com outros tiros e alterar os dados de velocidade de entrada do computador de acordo. Pessoalmente, vi algumas vezes exemplos dessa precisão a bordo do Iowa, inclusive em exercícios noturnos de armas na costa de Porto Rico, perto de Vieques. Os artilheiros atingem idealmente alvos de metal com conchas ociosas de treinamento, e eu podia até ver alguns quilômetros de mim faíscas se afastando quando atingidas.

A evidência final da precisão dos navios de guerra veio durante a Guerra do Golfo, quando Missouri e Wisconsin usaram os drones da Pioneer como observadores de ataques a baterias e bunkers de artilharia iraquiana. Foi após o bombardeio do Missouri que as forças iraquianas na ilha de Failaka se renderam a um avião zangado lançado de Wisconsin, ligando seu alcance baixo a um iminente bombardeio.

O verdadeiro fim do controle analógico de incêndio não veio por causa de sua precisão, mas por causa de dólares e centavos comuns. Para os fundos que precisam ser gastos em trazer o Iowa para o mar, a Marinha poderia equipar dez Zamvolts, que, além disso, poderiam receber um suprimento duplo de combustível em comparação com os tanques de guerra. Nas décadas de 1980 e 1990, a Marinha passou muito tempo justificando o uso continuado de navios de guerra, apesar de seus custos, tentando usar tecnologias como o Programa Avançado de Tecnologia de Sistemas de Armas de Arma ou testando cargas de pó com mais potência. A explosão a bordo do Iowa em 1989, supostamente causada pela combustão espontânea de pólvora feita na década de 1930, pôs fim a esses experimentos.

É irônico que a tecnologia de computação analógica continue a existir em Zamvolte como parte de seu sistema de controle de incêndio. Computadores analógicos eletrônicos fazem parte de uma estação de radar com uma antena de fases, que fornece mísseis Zamvolta. No entanto, do ponto de vista dos antigos veteranos da Marinha, um computador de controle não pode ser real se não tiver servos.

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