La Torpedo Data Computer ( TDC ) fue una de las primeras computadoras analógicas electromecánicas utilizadas para el control de fuego de torpedos en los submarinos estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial . Gran Bretaña , Alemania y Japón también desarrollaron equipos automatizados de control de fuego de torpedos, pero ninguno era tan avanzado como el TDC de la Armada de los Estados Unidos , [1] ya que podía rastrear automáticamente el objetivo en lugar de simplemente ofrecer una solución de disparo instantáneo. Esta capacidad única del TDC estableció el estándar para el control de fuego de torpedos submarinos. Durante la Segunda Guerra Mundial. [2] [3]
Sustituyendo los dispositivos de tipo regla de cálculo portátiles estándar (conocidos como "banjo" y "is / was"), [4] el TDC fue diseñado para proporcionar soluciones de control de fuego para el lanzamiento de torpedos submarinos contra barcos que navegan en la superficie. (los buques de guerra de superficie usaban una computadora diferente). [5]
El TDC era una adición bastante voluminosa a la torre de mando del submarino y requería dos tripulantes adicionales: uno como experto en su mantenimiento y el otro como su operador real. A pesar de estos inconvenientes, el uso del TDC fue un factor importante en el exitoso programa de incursiones comerciales realizado por los submarinos estadounidenses durante la campaña del Pacífico de la Segunda Guerra Mundial. Los relatos de la campaña de submarinos estadounidenses en el Pacífico a menudo citan el uso de TDC. [6] [7] Algunos oficiales se volvieron altamente capacitados en su uso, [8] y la Marina estableció una escuela de entrenamiento para su uso. [9]
Dos submarinos mejorados de la flota de la Armada de los Estados Unidos de la Segunda Guerra Mundial ( USS Tusk y Cutlass ) con sus TDC continúan sirviendo con la Armada de Taiwán y el personal del Museo Náutico de los Estados Unidos los está ayudando con el mantenimiento de su equipo. [10] El museo también tiene un TDC completamente restaurado y en funcionamiento del USS Pampanito , atracado en San Francisco .
Fondo
Historia
El problema de apuntar con un torpedo ha ocupado a los ingenieros militares desde que Robert Whitehead desarrolló el torpedo moderno en la década de 1860. Estos primeros torpedos corrieron a una profundidad preestablecida en un rumbo recto (en consecuencia, se les llama con frecuencia "corredores rectos"). Este fue el estado del arte en la guía de torpedos hasta el desarrollo del torpedo autoguiado durante la última parte de la Segunda Guerra Mundial . [11] La gran mayoría de los torpedos submarinos durante la Segunda Guerra Mundial funcionaban sin problemas, y continuaron en uso durante muchos años después de la Segunda Guerra Mundial. [12] De hecho, dos torpedos de carrera recta de la Segunda Guerra Mundial, disparados por el submarino británico de propulsión nuclear HMS Conqueror , hundieron al ARA General Belgrano en 1982.
Durante la Primera Guerra Mundial , calcular el rumbo de interceptación de un objetivo para un torpedo era un proceso manual en el que el equipo de control de incendios contaba con la ayuda de varias reglas de cálculo [13] (los ejemplos de EE. UU. Fueron el Mark VIII Angle Solver (coloquialmente llamado su forma), y la regla circular "Is / Was" ( Nasmith Director ), para predecir dónde estará un objetivo en función de dónde está ahora y dónde estaba) [14] o calculadora mecánica / miras. [15] Estos eran a menudo "lamentablemente inexactos", [16] lo que ayuda a explicar por qué se aconsejaba la propagación de torpedos.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania, [17] Japón, [18] y los Estados Unidos desarrollaron cada uno computadoras analógicas para automatizar el proceso de calcular el curso requerido del torpedo. [19]
En 1932, la Oficina de Artillería (BuOrd) inició el desarrollo del TDC con Arma Corporation y Ford Instruments . [20] Esto culminó en el "muy complicado" Marcos 1 en 1938. [20] Esto fue reforzado en barcos más viejos, comenzando con delfines y hasta a través de la más reciente Salmón s . [20]
El primer submarino diseñado para usar el TDC fue Tambor , [21] lanzado en 1940 con el Mark III, ubicado en la torre de mando . [20] (Esto difería de los equipos anteriores.) [22] Resultó ser el mejor sistema de control de fuego de torpedos de la Segunda Guerra Mundial . [23]
En 1943, el Torpedo Data Computer Mark IV fue desarrollado para soportar el torpedo Mark 18 . [24] [25]
Tanto el Mk III como el Mk IV TDC fueron desarrollados por Arma Corporation (ahora estadounidense Bosch Arma).
El problema de apuntar con un torpedo directo
Un torpedo de carrera recta tiene un sistema de control basado en giroscopio que asegura que el torpedo seguirá un rumbo recto. [26] El torpedo puede correr en un rumbo diferente al del submarino ajustando un parámetro llamado ángulo de giro, que establece el rumbo del torpedo en relación con el rumbo del submarino (ver Figura 2). El papel principal del TDC es determinar el ajuste del ángulo de giro requerido para asegurar que el torpedo golpeará el objetivo.
La determinación del ángulo de giro requirió la solución en tiempo real de una ecuación trigonométrica compleja (consulte la Ecuación 1 para ver un ejemplo simplificado). El TDC proporcionó una solución continua a esta ecuación utilizando actualizaciones de datos de los sensores de navegación del submarino y el rastreador de objetivos del TDC. El TDC también pudo actualizar automáticamente todos los ajustes del ángulo de giro del torpedo simultáneamente con una solución de control de fuego, lo que mejoró la precisión sobre los sistemas que requerían la actualización manual del curso del torpedo. [27]
El TDC permite al submarino lanzar el torpedo en un rumbo diferente al del submarino, lo cual es importante tácticamente. De lo contrario, el submarino debería apuntar al punto de intercepción proyectado para lanzar un torpedo. [28] Requerir que todo el barco esté apuntado para lanzar un torpedo consumiría mucho tiempo, requeriría un control preciso del rumbo del submarino y complicaría innecesariamente el proceso de disparo del torpedo. El TDC con seguimiento de objetivos le da al submarino la capacidad de maniobrar independientemente del curso de intercepción de objetivos requerido para el torpedo.
Como se muestra en la Figura 2, en general, el torpedo en realidad no se mueve en una trayectoria recta inmediatamente después del lanzamiento y no acelera instantáneamente a la velocidad máxima, lo que se conoce como características balísticas del torpedo. Las características balísticas se describen mediante tres parámetros: alcance, radio de giro y velocidad de torpedo corregida. Además, el ángulo de orientación del objetivo es diferente desde el punto de vista del periscopio frente al punto de vista del torpedo, que se conoce como paralaje del tubo del torpedo. [29] Estos factores son una complicación significativa en el cálculo del ángulo de giro y el TDC debe compensar sus efectos.
Los torpedos de carrera recta generalmente se lanzaban en salva (es decir, múltiples lanzamientos en un corto período de tiempo) [30] o una extensión (es decir, múltiples lanzamientos con ligeras compensaciones de ángulo) [30] para aumentar la probabilidad de golpear el objetivo dadas las inexactitudes presentes en la medición de ángulos, rango objetivo, velocidad objetivo, ángulo de trayectoria de torpedo y velocidad de torpedo.
También se lanzaron salvas y propagaciones para atacar objetivos difíciles varias veces para garantizar su destrucción. [31] El TDC apoyó el disparo de salvas de torpedo permitiendo compensaciones de tiempo corto entre disparos y propagación de torpedos agregando pequeñas compensaciones de ángulo al ángulo de giro de cada torpedo. Antes de que el hundimiento de Corea del Sur 's ROKS Cheonan por Corea del Norte en 2010, el último buque de guerra hundido por un submarino de ataque de torpedo, el ARA General Belgrano en 1982, fue alcanzado por dos torpedos desde una extensión de tres torpedos. [32]
Para calcular con precisión el ángulo de giro de un torpedo en un escenario de enfrentamiento general, se deben conocer con precisión el rumbo, la velocidad, el alcance y el rumbo del objetivo. Durante la Segunda Guerra Mundial, las estimaciones de rumbo, alcance y rumbo del objetivo a menudo tenían que generarse utilizando observaciones de periscopio, que eran muy subjetivas y propensas a errores. El TDC se utilizó para refinar las estimaciones del rumbo, rango y rumbo del objetivo a través de un proceso de
- estimar el rumbo, la velocidad y el alcance del objetivo en función de las observaciones.
- utilizando el TDC para predecir la posición del objetivo en un momento futuro en función de las estimaciones del rumbo, la velocidad y el alcance del objetivo.
- comparar la posición predicha con la posición real y corregir los parámetros estimados según sea necesario para lograr un acuerdo entre las predicciones y la observación. La concordancia entre la predicción y la observación significa que las estimaciones del curso, la velocidad y el alcance del objetivo son precisas.
En general, se consideró que la estimación del curso del objetivo era la más difícil de las tareas de observación. La precisión del resultado dependía en gran medida de la experiencia del patrón. Durante el combate, normalmente no se determinaba el rumbo real del objetivo, sino que los capitanes determinaban una cantidad relacionada llamada " ángulo en la proa ". El ángulo de la proa es el ángulo formado por el rumbo del objetivo y la línea de visión del submarino. Algunos capitanes, como Richard O'Kane , practicaron la determinación del ángulo en la proa mirando los modelos de barcos IJN montados en una Susan perezosa calibrada a través de un cañón binocular invertido. [33]
Para generar datos de posición del objetivo en función del tiempo, el TDC necesitaba resolver las ecuaciones de movimiento del objetivo en relación con el submarino. Las ecuaciones de movimiento son ecuaciones diferenciales y el TDC utilizó integradores mecánicos para generar su solución. [34]
El TDC debía colocarse cerca de otros equipos de control de incendios para minimizar la cantidad de interconexión electromecánica. Debido a que el espacio submarino dentro del casco de presión era limitado, el TDC debía ser lo más pequeño posible. En los submarinos de la Segunda Guerra Mundial, el TDC y otros equipos de control de incendios se montaron en la torre de mando , que era un espacio muy pequeño. [35] El problema del empaque era severo y el desempeño de algunos de los primeros equipos de control de fuego de torpedos se vio obstaculizado por la necesidad de hacerlo pequeño. [36] Tenía una serie de manivelas, diales e interruptores para la entrada y visualización de datos. [37] Para generar una solución de control de incendios, requirió entradas en
- Por supuesto submarino y velocidad, que se lee de forma automática a partir del submarino giroscópica y registro pitometer
- información estimada del rumbo, la velocidad y el alcance del objetivo (obtenida utilizando datos del periscopio del submarino , el transmisor de orientación del objetivo (TBT), el radar [38] y el sonar )
- tipo de torpedo y velocidad (el tipo era necesario para hacer frente a las diferentes balísticas de torpedos)
El TDC realizó los cálculos trigonométricos necesarios para calcular un rumbo de intercepción del objetivo para el torpedo. También tenía una interfaz electromecánica para los torpedos, lo que le permitía establecer cursos automáticamente mientras los torpedos todavía estaban en sus tubos, listos para ser disparados.
La parte de control de incendios utilizó la capacidad de seguimiento de objetivos del TDC para actualizar continuamente la solución de control de incendios incluso mientras el submarino estaba maniobrando. La capacidad de seguimiento de objetivos del TDC también permitió al submarino disparar torpedos con precisión incluso cuando el objetivo estaba temporalmente oscurecido por humo o niebla.
Descripción funcional del TDC
Dado que el TDC en realidad realizaba dos funciones separadas, generando estimaciones de la posición del objetivo y calculando los ángulos de disparo de los torpedos, el TDC en realidad consistía en dos tipos de computadoras analógicas:
- Solucionador de ángulos: esta computadora calcula el ángulo de giro requerido. El TDC tenía solucionadores de ángulos separados para los tubos de torpedo de proa y popa.
- Guardián de la posición: esta computadora genera una estimación actualizada continuamente de la posición del objetivo basada en mediciones anteriores de la posición del objetivo. [39]
Solucionador de ángulos
Las ecuaciones implementadas en el solucionador de ángulos se pueden encontrar en el manual Torpedo Data Computer. [40] El Manual de control de fuego de torpedos submarinos [41] discute los cálculos en un sentido general y una forma muy abreviada de esa discusión se presenta aquí.
El problema general del control del fuego de torpedos se ilustra en la Figura 2. El problema se hace más manejable si asumimos:
- El periscopio está en la línea formada por el torpedo que corre a lo largo de su curso.
- El objetivo se mueve en un rumbo y velocidad fijos.
- El torpedo se mueve con un rumbo y una velocidad fijos.
Como se puede ver en la Figura 2, estas suposiciones no son ciertas en general debido a las características balísticas del torpedo y al paralaje del tubo del torpedo. Proporcionar los detalles sobre cómo corregir el cálculo del ángulo de giro del torpedo para balística y paralaje es complicado y está más allá del alcance de este artículo. La mayoría de las discusiones sobre la determinación del ángulo del giróscopo adoptan el enfoque más simple de usar la Figura 3, que se denomina triángulo de control de fuego de torpedos. [6] [7] La Figura 3 proporciona un modelo preciso para calcular el ángulo del giro cuando el ángulo del giro es pequeño, por lo general menos de 30 °. [42]
Los efectos del paralaje y la balística son mínimos para los lanzamientos con ángulos de giro pequeños porque las desviaciones de rumbo que causan suelen ser lo suficientemente pequeñas como para ser ignoradas. Los submarinos estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial prefirieron disparar sus torpedos en pequeños ángulos de giro porque las soluciones de control de fuego del TDC eran más precisas para ángulos pequeños. [43]
El problema de calcular el ajuste del ángulo de giro es un problema de trigonometría que se simplifica considerando primero el cálculo del ángulo de deflexión, que ignora la balística del torpedo y el paralaje. [44] Para ángulos giroscópicos pequeños, θ Gyro ≈ θ Bearing - θ Deflection . Una aplicación directa de la ley de los senos a la Figura 3 produce la Ecuación 1 .
( 1 )
dónde
- v Objetivo es la velocidad del objetivo.
- v Torpedo es la velocidad del torpedo.
- θ Proa es el ángulo de la proa del barco objetivo en relación con la línea de visión del periscopio.
- θ La deflexión es el ángulo del curso del torpedo en relación con la línea de visión del periscopio.
El rango no juega ningún papel en la Ecuación 1 , lo cual es cierto siempre que se cumplan los tres supuestos. De hecho, la Ecuación 1 es la misma ecuación resuelta por las miras mecánicas de los tubos de torpedo orientables utilizados en los barcos de superficie durante la Primera Guerra Mundial y la Segunda Guerra Mundial. Los lanzamientos de torpedos desde tubos de torpedos orientables cumplen bien los tres supuestos establecidos. Sin embargo, un lanzamiento de torpedo preciso desde un submarino requiere correcciones balísticas de paralaje y torpedos cuando los ángulos de giro son grandes. Estas correcciones requieren conocer el rango con precisión. Cuando no se conocía el alcance objetivo, no se recomendaban los lanzamientos de torpedos que requerían giroscopios grandes. [45]
La ecuación 1 se modifica con frecuencia para sustituir el ángulo de la trayectoria por el ángulo de deflexión (el ángulo de la trayectoria se define en la Figura 2, θ Track = θ Bow + θ Deflection ). Esta modificación se ilustra con la Ecuación 2 .
( 2 )
donde θ Track es el ángulo entre el rumbo del barco objetivo y el rumbo del torpedo.
Varias publicaciones [46] [47] establecen que el ángulo óptimo de trayectoria de torpedos es de 110 ° para un Mk 14 (arma de 46 nudos). La Figura 4 muestra un gráfico del ángulo de deflexión versus el ángulo de la pista cuando el ángulo del giro es 0 ° ( es decir , θ Deflexión = θ Rumbo ). [48] El ángulo de seguimiento óptimo se define como el punto de sensibilidad del ángulo de deflexión mínimo a los errores del ángulo de seguimiento para una velocidad objetivo determinada. Este mínimo ocurre en los puntos de pendiente cero en las curvas de la Figura 4 (estos puntos están marcados por pequeños triángulos).
Las curvas muestran las soluciones de la Ecuación 2 para el ángulo de deflexión en función de la velocidad objetivo y el ángulo de seguimiento. La Figura 4 confirma que 110 ° es el ángulo de derrota óptimo para un objetivo de 16 nudos (30 km / h), que sería una velocidad de barco común. [49]
Hay documentación bastante completa disponible para una computadora japonesa de control de fuego de torpedos que describe los detalles de la corrección de los factores balísticos y de paralaje . Si bien es posible que el TDC no haya utilizado exactamente el mismo enfoque, probablemente fue muy similar.
Guardián de posición
Al igual que con el solucionador de ángulos, las ecuaciones implementadas en el solucionador de ángulos se pueden encontrar en el manual Torpedo Data Computer. [40] Se implementaron funciones similares en los guardabosques para los sistemas de control de incendios de superficie basados en barcos. Para una discusión general de los principios detrás del guardián de posición, vea Rangekeeper .
notas y referencias
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enlaces externos
- USS Pampanito: artículo sobre el TDC del Pampanito.
- Computadora de datos de torpedos Mk IV
- A. Ben Clymer: Las computadoras analógicas mecánicas de Hannibal Ford y William Newell , IEEE Annals of the history of computing
- Historia de los torpedos de EE. UU .: Buena descripción del uso operativo del Mk 14, Mk 18 y Mk 23
- Manual original del Torpedo Data Computer Mark 3
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- Discusión de las correcciones balísticas y de paralaje de torpedos utilizadas por la Armada Imperial Japonesa
- Descripción de la calculadora de torpedos alemana T.Vh.Re.S3 desarrollada por Siemens y utilizada en submarinos alemanes durante la Segunda Guerra Mundial