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战争机器：当机械模拟计算机统治大海时


创建了先进的枪支系统（左），以替代战舰的16英寸枪支（右）。除了GPS制导导弹之外，AGS火控数字技术人员执行的任务与爱荷华州Rangekeeper Mark 8战舰相同，它们的重量更轻，工作人员更少。

最新的Zumwalt驱逐舰目前正在接受验收测试，船上装有新型海军炮兵：先进炮系统（AGS）。自动AGS能够在100英里范围内的目标下，以每分钟火箭加速度的速度发射多达10枚精确炮弹。

这些炮弹使用GPS和惯性制导系统将喷枪的精度提高到可能出现50米（164英尺）误差的圆周上。这意味着这些GPS制导的弹丸中有一半将落在与目标的距离之内。但是，如果您用GPS移除花哨的炮弹，那么AGS及其数字火控系统将变得比已经快一个世纪的机械模拟技术更加精确。

我的意思是机电模拟火控计算机，例如福特仪表Mark 1A火控计算机和Mark 8 Rangekeeper。这些机器可以在数字计算机进入海洋之前很长时间就连续，实时地使用20个或更多个变量执行计算。当我在1980年代后期登上爱荷华州战舰时，它们仍在使用。

在我的一生中，曾进行过几次尝试来组合或替换这些旧式数字系统。其中值得一提的是（先进的枪支武器系统技术计划），它看起来像是AGS射弹，射程为100英里：飞镖形式的11英寸射弹，带有GPS和惯性制导，装在可拆卸的16英寸外壳（托盘）中，能够由于战列舰的机枪口径大，几乎可以在没有火箭加速的情况下飞行相同的距离。

那么，海军为什么要走大型战舰炮的“数字化”之路呢？我问这个问题给退休的海军上尉戴维·博斯洛-海军战术嵌入式计算机计划办公室前主任。如果有人知道答案，那就是Boslow。他在海军战术数据系统（现代宙斯盾系统的先驱，所有数字传感器和火控系统的前身）的开发中发挥了重要作用。

“一旦我的委员会受命研究爱荷华级战舰的火控系统从模拟到数字计算机现代化的前景，”博斯洛说。“我们发现计算机的数字化不会提高系统的可靠性或准确性，因此建议不要进行更改。” 即使没有数字计算机，爱荷华州也可以致命地射击2700磅（1,225千克）的“愚蠢”炮弹，大约30英里，直径可能误差80米。一些战舰的炮弹直径更大。

但是带有齿轮，凸轮，齿条和销钉的盒子如何能够基于具有数十个变量的微分方程实时执行弹道计算呢？与大众甲壳虫的巨像如何击中地平线之外的目标？为什么这些金属和油脂设备在这么长的时间内胜过数字系统？让我们从简短介绍海军战舰弹道学和训练影片的历史开始，演示模拟计算机的操作过程。

沿着轨迹


从船上射击枪支并非易事。除了弹道系统遇到的常见问题（计算击球能力，瞄准高度，风校正和科里奥利效应）外，事实还包括射击来自不断变化的俯仰俯仰，偏航和位置的平台。如果您很幸运并且目标静止不动，那么由于变量的数量，这仍然可以与试图用跳水袋鼠背上的水球击中目标相媲美。

在船只视线范围内向目标射击是一个反馈回路。我们瞄准，计算目标和其他弹道条件的相对运动，射击，查看弹丸命中的位置并调整参数。超越视野射击目标更加困难。需要一个观察者，根据射弹的袭击地点，给出准确的地理坐标和修正火力。

在炮塔发明之前的时代，船只从侧面发射枪支。调整主要是根据炮弹击中的地方进行的，并一直等到看着敌人的那一侧没有向上抬起。但是随着20世纪初无畏舰和巡洋舰的问世，舰炮的射程和杀伤力大大增加。但是，现在他们需要更高的精度。

这种需求与模拟计算机的发展是一致的。机械模拟计算机已经被天文学家使用了多个世纪，用以预测恒星，月食和月相的位置。我们所知道的第一台机械模拟计算机是antikythera机制，其历史可以追溯到公元前100年。但是直到最近，还没有人想到使用计算机杀死人。

为了执行计算，模拟计算机使用一组标准的机械设备-相同类型的设备，它们将汽车发动机产生的扭矩转换为车轮的旋转，气门和活塞的运动。通常通过旋转输入轴来连续“输入”模拟计算机中的数据。数学值与轴360度的一整圈相关。

在古希腊时代，数据输入是通过转动车轮来进行的。在更现代的模拟计算机中，传感器数据变量（速度，方向，风速和其他参数）是通过机电连接传输的：陀螺罗盘和陀螺仪垂直陀螺仪的同步信号，跟踪系统和速度传感器。常数，例如经过的时间，是由特殊的电动机以恒定速度引入的。

为了将轴变成连续的一组计算输出，我将它们全部连接在一起，将一组齿轮，凸轮，齿条，销和其他机械元件连接在一起，这些元件使用几何和三角原理将运动转换为数学计算。此外，还产生了“硬设置”函数，这些函数以其精确的形式存储了更复杂的计算结果。当一起工作时，这些细节立即计算出了对特定问题的非常准确的答案：目标是什么，当它到达我从68英尺（21米）有膛线的枪管中推出的巨大子弹时，应该在哪里进行瞄准？击中？

通过完美的组装，模拟计算机可以比数字计算机更准确地回答此类问题。由于他们使用物理和输入数据而不是数字数据，因此他们可以以无限的分辨率描述计算的曲线和其他几何元素（但是，这些计算的准确性取决于零件的制造质量，并且由于摩擦和滑移而降低）。同时，有效位数也将被舍弃，答案将连续给出，并且不依赖于下一个同步计算时钟。

金属编码


机械模拟计算机中最基本的部分是齿轮。使用不同类型齿轮的组合，模拟计算机能够执行简单的数学功能，例如加，减，乘和除。

齿轮比-使用具有特定周长比的两个齿轮-这是使用机械装置进行计算的最简单方法。它们可用于增加或减少输入或输出值，或将输入数据的常数乘数应用于其他计算。例如，如果旋转一个轴，该轴与另一个轴的比率为2：1，则输出轴将旋转一半。

齿轮齿条传动系统，例如用于驾驶汽车的齿轮齿条传动系统，也用于模拟计算机中，以将旋转运动转换为线性输出数据。他们以几何方式移动读取的数据或组件，以解决弹道任务中的其他类型的计算。

从1953年海军专门用于火控计算机的培训影片的片段中，您可以了解类似齿轮系统在模拟计算机中是如何工作的：


火控计算机的轴和齿轮。

汽车差速器的齿轮设计成使得车轮依次以不同的速度旋转。但是在模拟计算机中，它们执行不同的功能：它们提供执行机械加法和减法的能力。一组安装在两个具有相同齿轮的输入轴之间的差动齿轮将始终转弯，这是两个输入轴的转弯的数学平均值。如果将该平均值乘以2，则将得到两个输入值的代数和。例如，如果一个输入轴向前旋转3次，而另一个输入轴向前旋转1次，则差动齿轮会将与其相连的轴旋转两次，即它们总和的一半-四倍。


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当涉及到简单的数学时，所有这些都很棒。但是对于更高级别的功能，例如，为了计算弹道轨迹的曲线或科里奥利效应对长时间飞行的弹丸的影响，模拟计算机需要更复杂的细节。其中一些功能可以通过凸轮来执行-旋转表面以“存储”一系列值的答案的方式制成。简单的凸轮可以根据一个变量存储响应范围，例如，使用连接到导轨的销将输入旋转转换为三角或对数输出数据。更复杂的三维鼓式凸轮可以存储对具有两个变量的复杂功能的响应，例如旋转体积计算。该影片剪辑中显示了一个示例：


凸轮是模拟计算的存储功能。

所有这些组件对于第一个天文计算器的创建者来说都是众所周知的，但是，其制造方法无法提供甚至接近工业时代工具可以达到的精度的精度。但是，还有另一个机械组件可以将预测弹道计算中目标位置所需的复杂计算所需的一切组合在一起：一个积分器。该装置使用旋转盘的各种转速，用作连续可调的差速器。

该集成器由贝尔法斯特的詹姆斯·汤普森教授于1876年首先开发，后来由其兄弟洛德·开尔文勋爵（Lord Kelvin）完善为“谐波分析仪”的组成部分。


凯尔文勋爵（Lord Kelvin）与磁盘集成商合作的“谐波分析仪”。

开尔文勋爵（Lord Kelvin）使用谐波分析仪来隔离影响潮汐模式的各种因素，以便将来可以预测它们。计算机接收到两个输入值：时间表示为恒定速度的旋转，潮汐高度使用机械指针从记录中监控。绳索和滑轮通过在纸辊上绘制曲线来产生输出。英国海军爱上了开尔文的潮汐计算机，因为它允许它收集世界上任何地方记录的潮汐历史数据，然后在更短的时间内创建潮汐表。半个多世纪后，开尔文勋爵的潮汐计算机帮助计划了盟军在诺曼底的登陆。，从而为第二次世界大战的结果做出了直接贡献。

除了提高其在恶劣海洋环境中的可靠性的改进措施外，直到1990年代末使用的消防计算机实际上在功能上与开尔文勋爵使用的计算机相同。它们显示在下面的视频中。汉尼拔·福特（Hannibal Ford）开发了Rangekeeper和Mark 1火控计算机，发明了这种改进的积分器，该积分器在行走机构中使用一对球来传递转盘的旋转信息。


类似于Mark 1火控计算机中使用的磁盘式积分器，其功能和设计与Lord Kelvin积分器类似。

计算机网络（消防）


第一次世界大战的“火控系统”大多是独立的设备，人们通过电话和对讲机大喊大叫。自动进入Rangekeeper Mark I的唯一数据是陀螺罗经中继器传输的船舶航向。在接下来的十年中，情况发生了变化，当时世界上的船队更好地掌握了一种名为“电”的新产品。

1922年的《华盛顿海事协定》将近十年限制了该舰队的进一步发展，但在整个1920年代，福特继续改进其Rangekeeper，最终在1930年实现Rangekeeper Mark 8。马克8号成为了大型海军火炮控制系统的顶峰。从第二次世界大战期间投入使用到1991年2月波斯湾战争期间伊拉克部队遭到轰炸以来，该系统一直在爱荷华州级战列舰上使用，并控制所有四艘船的16英寸炮。


密苏里号战列舰炮台的中央炮兵哨所，里面装有Rangekeeper Mark 8及其模拟计算设备。壁挂式配电盘可以切换由系统控制的塔架和火炮。

Rangekeeper Mark 8还使操作员能够在与传感器的连接失败的情况下手动输入数据。此外，他们可以根据对镜头的观察来修改数据并进行其他调整。由于飞轮的手动旋转，机器甚至可以在没有电的情况下工作。现在，目标的方位和到目标的距离是以来自火炮射击控制装置的电输入的形式出现的。船速是根据其速度传感器的数据以及风速（直接从风速计）自动传输的。

在将系统“指向”目标之后，Mark 8通过配电盘向炮塔和装置传输信号以保持其正确的瞄准，然后发送稳定数据以根据偏航和船只俯仰调整来调整炮的高度。 Mark 8本身具有一个机电网络。它由五箱模拟计算机设备组成，并固定在一个模块中。

Mark 8专为大型火炮而设计，由于其大小和射速，它们仅用于对地面和地面目标进行炮击。较小的枪支，例如5英寸38口径双轴爱荷华州和第二次世界大战时期的许多较小的军舰，应该能够在三个维度上瞄准更快，更小的目标-简单地说就是在飞机上。这需要更复杂的计算，从而创造了电磁模拟计算的王冠：福特仪器Mark 1火控计算机。


Mark 1A火控计算机具有3,000磅铝合金的处理能力。

Mark 1重达3,000磅（1,360公斤）。与Rangekeeper一样，他从火炮火控设备（带有电子驱动器和光学传感器（以及后来的雷达）的“炮塔”）接收输入，这些信号通过电同步信号连续传输有关方位和距离的信息。

计算机考虑了控制设备与其控制的仪器之间的位移。他还需要计算机械保险丝的燃烧时间，以使炮弹在目标附近爆炸。 （但是，在1980年代的实际射击中，爱荷华州虽然无意间直接命中了被拖曳的空中目标，但还是有一些实例。

Mark 1被认为是战争期间最精确的防空计算机，但仍有一些相当严重的局限性。为了在目标附近爆炸弹壳，他使用了机械保险丝，并且能够对以低于水平相对速度400节和相对垂直速度250节的速度移动的目标进行计算。因此，他对喷气飞机和神风敢死队的攻击无效。

再见齿轮



用于“沿海攻击”的Mark 48计算机是带有机电输入数据的电气模拟系统。他有一张用于放置卡片的轻型桌子，可以从下方投射位置和目标数据。

那么，为什么我们甚至不使用这些机械杰作瞄准和破坏目标呢？机械模拟计算机尽管具有很高的精确度，但仍具有局限性。它们很重并且占用很多空间。即使他们变得更加自动化，他们仍然需要大量人员。操作所需的扭矩，包括将电信号转换为旋转信号的所有伺服驱动器，都需要大量电能-峰值负载为16千瓦。

尽管具有整体可靠性，但机电领域最严重的敌人是摩擦和机械疲劳。提供足够的润滑并监视火控计算机齿轮的磨损，比去最近的汽车服务部门换油要严重得多。另外，还存在对模拟计算机进行“重新编程”的问题。如果要更改它们接收的输入范围或更改输出以使它们考虑新变量，则就像重建传输一样。

对于创建模拟计算机的大多数应用程序来说，这不是问题。在过去的一个世纪中，消防控制变量变化不大。喷气飞机的出现以及对地面目标进行远程轰击的需要导致了模拟系统的新创新周期，这种创新持续到1970年代中期：电气模拟系统。

这些电子计算系统不是数字的，其功能与带凸轮的齿轮相同，但以模拟电子组件的形式。但是，电子零件比全尺寸的机械系统更容易维护，并且允许使用类似于同步信号的信号输出与机械系统集成，该信号输出类似于用于将其他传感器集成到通用系统中的同步信号。

第二次世界大战期间，贝尔实验室开发了第一台全电子火控计算机，即贝尔马克8。尽管它从未投入使用，但其部分技术与福特马克1（称为Mark 1A）结合在一起。先进的系统帮助跟踪并瞄准了更快的飞机。

在朝鲜战争期间，Mark 1A和Rangekeeper Mark 8还获得了额外的电力援助，以瞄准地面目标。海岸攻击计算机标记48它是专门为进行“间接射击”而设计的-根据侦察机，侦察侦察员或（从1980年代后期开始）先驱无人机提供的信息，向舰船看不到的目标射击。他使用现有的火控系统瞄准一个已知的参考点（通常是地图上指示的救援元素）。同样，为了确定船的位置，他可以使用无线电或卫星导航。Mark 48根据舰船的位置和传输的目标位置，通过传输Rangekeeper或Mark 1A数据来计算初始火控数据，具体取决于使用哪种枪炮轰击了不幸的目标。

过时的系统


四艘衣阿华级战列舰是唯一获得Mark 48的战舰。在舰队的其余部分中，向数字火控系统的过渡始于1970年代中期，这是因为舰船设计师开始努力打造更轻型的战舰，重点是寻找潜艇和飞行。装置比在其他舰船上射击更重要。


在照片中-青年时期的文章作者，当时他是1988年在“爱荷华”号战舰上的海军军官。这张照片是在位于火控系统仪器下方的桥上的装甲城堡旁边拍摄的，其中一部分是Rangekeeper Mark8。

在1987年和1988年，我在爱荷华州的甲板工作人员服役，名义上负责125个工头和不熟练的水手。我这个部门的许多人都为第二炮塔或该舰的5英寸炮塔之一服务，所以我对他们的装置的兴趣一点儿也没有闲着。我经常沿着炮塔的炮弹甲板爬行，确保每个人都在正确的地方。

在我上船期间，我们从船上的16英寸炮发射的炮弹比在整个朝鲜战争期间爱荷华州发射的炮弹还要多。尽管进行了将数字技术添加到喷枪系统的所有实验，但在我上任之前安装的唯一传感器使喷枪比以往任何时候都更加精确。这是一种多普勒雷达传感器，能够在离开枪管时检测弹丸的速度。

雷达是在1980年代初期“新泽西”号战舰（属于“爱荷华州”型）紧急恢复运营后安装的，当时他在贝鲁特危机期间遇到了使用精密枪的严重问题。这些问题主要与以下事实有关：船上使用的袋子中的粉末装料混合，并且爆炸性发生了变化。

通过精确测量第一枪中枪弹离开时弹丸的速度并注入一定量的粉末，火控人员可以了解其他枪弹的情况，并相应地更改计算机的输入速度数据。我个人在爱荷华州上曾多次看到这种精度的例子，包括夜间在比克斯河附近的波多黎各海岸进行枪炮练习。枪手理想的情况是用空空的训练弹壳击中金属目标，甚至在离自己几英里的地方被击中时，火花会飞散开来。

墨西哥湾战争期间，密苏里州和威斯康星州使用先锋无人机作为袭击伊拉克炮兵和掩体的侦察机，这是战列舰准确性的最终证据。密苏里州轰炸之后，费拉卡岛上的伊拉克部队向从威斯康星州发射的一架无人驾驶飞机投降，将其低跨度与迫在眉睫的轰炸联系在一起。

模拟火力控制真正的终结不是因为它的准确性，而是因为普通的美元和美分。对于将爱荷华州带入海所需要的资金，海军可以装备十个赞伏特，此外，与战舰坦克相比，它可以提供双倍的燃料供应。在1980年代和90年代，海军花费了很多时间来证明继续使用战列舰是合理的，尽管它们的成本很高，他们试图使用先进的枪支武器系统技术计划等技术或以更高的功率测试火药装药。 1989年，爱荷华州发生的爆炸，据称是由1930年代制造的火药自燃引起的，从而结束了此类实验。

具有讽刺意味的是，赞姆伏特仍将模拟计算技术作为其火力控制系统的一部分。电子模拟计算机是带有相控阵天线的雷达站的一部分，该相控阵天线可提供瞄准导弹Zamvolta。但是，从海军老兵的角度来看，如果没有伺服系统，则控制计算机就不可能是真实的。

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