كمبيوتر بيانات الطوربيد

كان حاسوب بيانات الطوربيد ( TDC ) حاسوبًا تناظريًا كهروميكانيكيًا مبكرًا استُخدم للتحكم في إطلاق طوربيدات الغواصات الأمريكية أثناء الحرب العالمية الثانية . كما طورت بريطانيا وألمانيا واليابان معدات آلية للتحكم في إطلاق طوربيدات الغواصات، لكن لم يكن أي منها متقدمًا مثل حاسوب بيانات الطوربيدات التابع للبحرية الأمريكية ( ؟ ⁾ ، ^[1] لأنه كان قادرًا على تتبع الهدف تلقائيًا بدلاً من مجرد تقديم حل إطلاق فوري. حددت هذه القدرة الفريدة لجهاز بيانات الطوربيدات المعيار للتحكم في إطلاق طوربيدات الغواصات أثناء الحرب العالمية الثانية. ^{[2] [3]}

تم تصميم جهاز التحكم في إطلاق النار TDC، الذي حل محل الأجهزة القياسية السابقة التي تعمل بالمسطرة الحاسبة اليدوية ( المعروفة باسم "البانجو" و"is/was")، ^[4] لتوفير حلول التحكم في إطلاق النار من الغواصات ضد السفن التي تعمل على السطح (استخدمت السفن الحربية السطحية جهاز كمبيوتر مختلفًا). ^[5]

كان جهاز التحكم عن بعد إضافة ضخمة إلى برج القيادة الخاص بالغواصة وتطلب اثنين من أفراد الطاقم الإضافيين: أحدهما خبير في صيانته، والآخر مشغل فعلي له. وعلى الرغم من هذه العيوب، كان استخدام جهاز التحكم عن بعد عاملاً مهمًا في برنامج الغارات التجارية الناجح الذي نفذته الغواصات الأمريكية خلال حملة المحيط الهادئ في الحرب العالمية الثانية. غالبًا ما تستشهد روايات حملة الغواصات الأمريكية في المحيط الهادئ باستخدام جهاز التحكم عن بعد. ^{[6] [7]} أصبح بعض الضباط ماهرين للغاية في استخدامه، ^[8] وأنشأت البحرية مدرسة تدريب لتشغيل الجهاز. ^[9]

تستمر غواصتان تابعتان للبحرية الأمريكية من حقبة الحرب العالمية الثانية ( يو إس إس  تاسك وكوتلاس ) مع غواصاتهما في الخدمة مع البحرية التايوانية ، ويساعدهما موظفو المتحف البحري الأمريكي في صيانة معداتهما. ^[10] يحتوي المتحف أيضًا على غواصة تم ترميمها بالكامل وتعمل من يو إس إس  بامبانيتو ، راسية في سان فرانسيسكو .

شغلت مشكلة توجيه الطوربيد المهندسين العسكريين منذ أن طور روبرت وايتهايد الطوربيد الحديث في ستينيات القرن التاسع عشر. انطلقت هذه الطوربيدات المبكرة على عمق محدد مسبقًا في مسار مستقيم (وبالتالي يشار إليها غالبًا باسم "العدائين المستقيمين"). كانت هذه هي أحدث التقنيات في توجيه الطوربيد حتى تطوير طوربيد التوجيه خلال الجزء الأخير من الحرب العالمية الثانية . ^[11] كانت الغالبية العظمى من طوربيدات الغواصات خلال الحرب العالمية الثانية تعمل بشكل مستقيم، واستمر استخدامها لسنوات عديدة بعد الحرب العالمية الثانية. ^[12] في الواقع، أغرق طوربيدان يعملان بشكل مستقيم من حقبة الحرب العالمية الثانية - أطلقتهما الغواصة البريطانية التي تعمل بالطاقة النووية إتش إم إس  كونكويرور - السفينة الحربية الأمريكية  جنرال بيلجرانو في عام 1982.

خلال الحرب العالمية الأولى ، كان حساب مسار اعتراض الهدف للطوربيد عملية يدوية حيث تم مساعدة فريق التحكم في الحرائق من خلال مسطرة انزلاقية مختلفة ^[13] (كانت الأمثلة الأمريكية هي Mark VIII Angle Solver (يُطلق عليها بشكل عام "البانجو"، بسبب شكلها)، والمسطرة الانزلاقية الدائرية "Is/Was" (ناسميث دايركتور)، للتنبؤ بمكان وجود الهدف بناءً على مكانه الآن وكان) ^[14] أو الحاسبة/المناظر الميكانيكية. ^[15] كانت هذه غالبًا "غير دقيقة بشكل مؤسف"، ^[16] مما يساعد في تفسير سبب التوصية بانتشار الطوربيدات.

خلال الحرب العالمية الثانية، قامت ألمانيا، ^[17] واليابان، ^[18] والولايات المتحدة بتطوير أجهزة كمبيوتر تناظرية لأتمتة عملية حساب مسار الطوربيد المطلوب. ^[19]

في عام 1932، بدأ مكتب الأسلحة (BuOrd) في تطوير TDC مع شركة Arma Corporation وFord Instruments. ^[20] وقد بلغ هذا ذروته في Mark 1 "المعقد للغاية" في عام 1938. ^[20] تم تركيبه في القوارب القديمة، بدءًا من Dolphin وحتى أحدث Salmon s . ^[20]

كانت أول غواصة مصممة لاستخدام TDC هي Tambor ، ^[21] التي تم إطلاقها في عام 1940 مع Mark III، الموجود في برج القيادة . ^[20] (هذا يختلف عن التشكيلات السابقة.) ^[22] وقد ثبت أنه أفضل نظام للتحكم في نيران الطوربيد في الحرب العالمية الثانية . ^[23]

في عام 1943، تم تطوير كمبيوتر بيانات الطوربيد مارك الرابع لدعم طوربيد مارك 18. ^{[24] [25]}

تم تطوير كلا من Mk III وMk IV TDC بواسطة شركة Arma Corporation (التي أصبحت الآن شركة American Bosch Arma).

يحتوي الطوربيد المستقيم على نظام تحكم قائم على الجيروسكوب يضمن أن يسير الطوربيد في مسار مستقيم. ^[26] يمكن للطوربيد أن يسير في مسار مختلف عن مسار الغواصة عن طريق ضبط معلمة تسمى زاوية الجيروسكوب، والتي تحدد مسار الطوربيد بالنسبة لمسار الغواصة (انظر الشكل 2). الدور الأساسي لـ TDC هو تحديد ضبط زاوية الجيروسكوب المطلوبة لضمان أن يضرب الطوربيد الهدف.

يتطلب تحديد زاوية الدوران الحل في الوقت الفعلي لمعادلة مثلثية معقدة (انظر المعادلة 1 للحصول على مثال مبسط). قدم TDC حلاً مستمرًا لهذه المعادلة باستخدام تحديثات البيانات من أجهزة استشعار الملاحة الخاصة بالغواصة ومتعقب الهدف الخاص بـ TDC. كان TDC قادرًا أيضًا على تحديث جميع إعدادات زاوية الدوران للطوربيد تلقائيًا في وقت واحد باستخدام حل التحكم في النيران، مما أدى إلى تحسين الدقة على الأنظمة التي تتطلب التحديث اليدوي لمسار الطوربيد. ^[27]

يتيح TDC للغواصة إطلاق الطوربيد على مسار مختلف عن مسار الغواصة، وهو أمر مهم من الناحية التكتيكية. بخلاف ذلك، ستحتاج الغواصة إلى توجيهها نحو نقطة الاعتراض المتوقعة لإطلاق طوربيد. ^[28] إن مطالبة السفينة بأكملها بتوجيهها لإطلاق طوربيد سيستغرق وقتًا طويلاً، ويتطلب التحكم الدقيق في مسار الغواصة، وسيؤدي إلى تعقيد عملية إطلاق الطوربيد دون داع. يمنح TDC مع تتبع الهدف الغواصة القدرة على المناورة بشكل مستقل عن مسار اعتراض الهدف المطلوب للطوربيد.

كما هو موضح في الشكل 2، بشكل عام، لا يتحرك الطوربيد فعليًا في مسار مستقيم فور الإطلاق ولا يتسارع على الفور إلى السرعة الكاملة، والتي يشار إليها باسم الخصائص الباليستية للطوربيد. يتم وصف الخصائص الباليستية بثلاثة معلمات: المدى ونصف قطر الدوران وسرعة الطوربيد المصححة. أيضًا، تختلف زاوية تحمل الهدف من وجهة نظر المنظار مقابل وجهة نظر الطوربيد، والتي يشار إليها باسم منظر أنبوب الطوربيد. ^[29] تشكل هذه العوامل تعقيدًا كبيرًا في حساب زاوية الجيروسكوب، ويجب أن يعوض مركز الارتفاع الميت عن تأثيراتها.

كان يتم إطلاق طوربيدات التشغيل المستقيمة عادة في وابل (أي عمليات إطلاق متعددة في فترة زمنية قصيرة) ^[30] أو على نطاق واسع (أي عمليات إطلاق متعددة مع انحرافات طفيفة في الزاوية) ^[30] لزيادة احتمالية إصابة الهدف نظرًا لعدم الدقة الموجودة في قياس الزوايا ونطاق الهدف وسرعة الهدف وزاوية مسار الطوربيد وسرعة الطوربيد.

كما تم إطلاق وابل من الطوربيدات وانتشارها لضرب الأهداف الصعبة عدة مرات لضمان تدميرها. ^[31] دعمت TDC إطلاق وابل من الطوربيدات من خلال السماح بفواصل زمنية قصيرة بين عمليات الإطلاق وانتشار الطوربيدات عن طريق إضافة إزاحات زاوية صغيرة لزاوية جيروسكوب كل طوربيد. قبل غرق سفينة كوريا الجنوبية ROKS Cheonan بواسطة  كوريا الشمالية في عام 2010، أصيبت آخر سفينة حربية غرقت بهجوم طوربيد من غواصة، ARA General Belgrano في عام 1982، بطوربيدين من انتشار ثلاثة طوربيدات. ^[32]

لحساب زاوية الدوران بدقة لطوربيد في سيناريو اشتباك عام، يجب معرفة مسار الهدف وسرعته ومداه واتجاهه بدقة. خلال الحرب العالمية الثانية، كان من الضروري غالبًا إنشاء تقديرات لمسار الهدف ومداه واتجاهه باستخدام ملاحظات المنظار، والتي كانت ذاتية للغاية وعرضة للخطأ. تم استخدام TDC لتحسين تقديرات مسار الهدف ومداه واتجاهه من خلال عملية

• تقدير مسار الهدف وسرعته ونطاقه بناءً على الملاحظات.
• استخدام TDC للتنبؤ بموقع الهدف في وقت مستقبلي استنادًا إلى تقديرات مسار الهدف وسرعته ونطاقه.
• مقارنة الموضع المتوقع بالموضع الفعلي وتصحيح المعلمات المقدرة حسب الحاجة لتحقيق التوافق بين التوقعات والملاحظة. يعني التوافق بين التنبؤ والملاحظة أن تقديرات المسار المستهدف والسرعة والمدى دقيقة.

كان تقدير مسار الهدف يُعتبر بشكل عام أصعب مهام المراقبة. كانت دقة النتيجة تعتمد بشكل كبير على خبرة القبطان. أثناء القتال، لم يتم تحديد المسار الفعلي للهدف عادةً ولكن بدلاً من ذلك حدد القباطنة كمية ذات صلة تسمى " الزاوية على القوس ". الزاوية على القوس هي الزاوية التي تشكلها مسار الهدف وخط الرؤية للغواصة. تدرب بعض القباطنة، مثل ريتشارد أوكين ، على تحديد الزاوية على القوس من خلال النظر إلى نماذج سفن البحرية الإمبراطورية اليابانية المثبتة على سوزان كسولة معايرة من خلال برميل منظار مقلوب. ^[33]

لتوليد بيانات موضع الهدف مقابل الوقت، احتاج مركز البيانات الأعلى إلى حل معادلات الحركة للهدف بالنسبة للغواصة. معادلات الحركة هي معادلات تفاضلية واستخدم مركز البيانات الأعلى مُدمِجات ميكانيكية لتوليد حله. ^[34]

كان من الضروري وضع مركز التحكم في النيران بالقرب من معدات التحكم في النيران الأخرى لتقليل كمية الترابط الكهروميكانيكي. نظرًا لأن مساحة الغواصة داخل هيكل الضغط كانت محدودة، كان من الضروري أن يكون مركز التحكم في النيران صغيرًا قدر الإمكان. في غواصات الحرب العالمية الثانية، تم تركيب مركز التحكم في النيران ومعدات التحكم في النيران الأخرى في برج القيادة ، وهو مساحة صغيرة جدًا. ^[35] كانت مشكلة التعبئة والتغليف شديدة وكان أداء بعض معدات التحكم في النيران المبكرة للطوربيدات معوقًا بسبب الحاجة إلى جعلها صغيرة. ^[36] كان لديه مجموعة من الكرنكات اليدوية والأقراص والمفاتيح لإدخال البيانات وعرضها. ^[37] لتوليد حل للتحكم في النيران، كان يتطلب إدخالات على

• مسار الغواصة وسرعتها، والتي تم قراءتها تلقائيًا من سجل البوصلة الجيروسكوبية ومقياس السرعة للغواصة
• معلومات تقديرية عن مسار الهدف والسرعة والمدى (تم الحصول عليها باستخدام البيانات من منظار الغواصة ، وجهاز إرسال اتجاه الهدف (TBT)، ^[38] والرادار ، والسونار )
• نوع الطوربيد وسرعته (كان النوع مطلوبًا للتعامل مع المقذوفات المختلفة للطوربيد)

أجرى مركز التحكم في الطوربيدات الحسابات المثلثية المطلوبة لحساب مسار اعتراض الهدف للطوربيد. كما كان به واجهة كهروميكانيكية للطوربيدات، مما يسمح له بتحديد المسارات تلقائيًا بينما كانت الطوربيدات لا تزال في أنابيبها، جاهزة للإطلاق.

تم استخدام قدرة تتبع الهدف في TDC من قبل فريق التحكم في النيران لتحديث حل التحكم في النيران بشكل مستمر حتى أثناء مناورة الغواصة. كما سمحت قدرة تتبع الهدف في TDC للغواصة بإطلاق طوربيدات بدقة حتى عندما كان الهدف محجوبًا مؤقتًا بالدخان أو الضباب.

نظرًا لأن TDC كان يؤدي في الواقع وظيفتين منفصلتين، توليد تقديرات موضع الهدف وحساب زوايا إطلاق الطوربيد، فإن TDC كان يتألف في الواقع من نوعين من أجهزة الكمبيوتر التناظرية:

• مُحَلِّل الزوايا: يحسب هذا الكمبيوتر زاوية الدوران المطلوبة. كان لدى TDC مُحَلِّلات زوايا منفصلة لأنابيب الطوربيد الأمامية والخلفية.
• حارس الموضع: يقوم هذا الكمبيوتر بإنشاء تقدير محدث باستمرار لموضع الهدف استنادًا إلى قياسات موضع الهدف السابقة. ^[39]

يمكن العثور على المعادلات التي تم تنفيذها في مُحلل الزاوية في دليل كمبيوتر بيانات الطوربيد. ^[40] يناقش دليل التحكم في إطلاق طوربيدات الغواصات ^[41] الحسابات بمعنى عام ويتم تقديم شكل مختصر للغاية من هذه المناقشة هنا.

تم توضيح مشكلة التحكم في إطلاق الطوربيدات بشكل عام في الشكل 2. وتصبح المشكلة أكثر قابلية للحل إذا افترضنا ما يلي:

• يقع المنظار على الخط الذي شكله الطوربيد الذي يسير على طول مساره
• الهدف يتحرك على مسار وسرعة ثابتين
• يتحرك الطوربيد على مسار وسرعة ثابتين

كما يمكن أن نرى في الشكل 2، فإن هذه الافتراضات ليست صحيحة بشكل عام بسبب خصائص الطوربيد الباليستية ومنظر أنبوب الطوربيد. إن تقديم التفاصيل حول كيفية تصحيح حساب زاوية الدوران للطوربيد من حيث المقذوفات والمنظر أمر معقد وخارج نطاق هذه المقالة. تتخذ معظم المناقشات حول تحديد زاوية الدوران النهج الأبسط باستخدام الشكل 3، والذي يسمى مثلث التحكم في نيران الطوربيد. ^{[6] [7]} يوفر الشكل 3 نموذجًا دقيقًا لحساب زاوية الدوران عندما تكون زاوية الدوران صغيرة، وعادة ما تكون أقل من 30 درجة. ^[42]

إن تأثيرات المنظر البعيد والصواريخ الباليستية ضئيلة للغاية في عمليات الإطلاق بزوايا جيروسكوبية صغيرة لأن الانحرافات في المسار التي تسببها تكون صغيرة بما يكفي لتجاهلها. فضلت الغواصات الأمريكية خلال الحرب العالمية الثانية إطلاق طوربيداتها بزوايا جيروسكوبية صغيرة لأن حلول التحكم في إطلاق النار في مركز التحكم في الإطلاق كانت أكثر دقة في الزوايا الصغيرة. ^[43]

مشكلة حساب ضبط زاوية الجيروسكوب هي مشكلة مثلثية يتم تبسيطها من خلال النظر أولاً في حساب زاوية الانحراف، والتي تتجاهل باليستيات الطوربيد والمنظر. ^[44] بالنسبة لزوايا الجيروسكوب الصغيرة، θ _{الجيروسكوب} ≈ θ _المحمل − θ _{الانحراف} . ينتج عن التطبيق المباشر لقانون الجيب على الشكل 3 المعادلة 1 .

${\displaystyle {\frac {\left\Vert v_{\mathrm {Target} }\right\|}{\sin(\theta _{\mathrm {Deflection} })}}={\frac {\left\Vert v_ {\mathrm {طوربيد} }\right\|}{\sin(\theta _{\mathrm {Bow} })}}}$

( 1 )

أين

v _الهدف هو سرعة الهدف.

v _{الطوربيد} هو سرعة الطوربيد.

θ _القوس هو زاوية قوس السفينة المستهدفة بالنسبة إلى خط رؤية المنظار.

_{الانحراف} θ هو زاوية مسار الطوربيد بالنسبة لخط رؤية المنظار.

لا يلعب المدى أي دور في المعادلة 1 ، وهو أمر صحيح طالما تم استيفاء الافتراضات الثلاثة. في الواقع، المعادلة 1 هي نفس المعادلة التي تم حلها بواسطة المشاهد الميكانيكية لأنابيب الطوربيد القابلة للتوجيه المستخدمة على السفن السطحية خلال الحرب العالمية الأولى والحرب العالمية الثانية. تلبي عمليات إطلاق الطوربيد من أنابيب الطوربيد القابلة للتوجيه الافتراضات الثلاثة المذكورة جيدًا. ومع ذلك، يتطلب إطلاق طوربيد دقيق من غواصة تصحيحات المنظر والطوربيد الباليستي عندما تكون زوايا الجيروسكوب كبيرة. تتطلب هذه التصحيحات معرفة المدى بدقة. عندما لم يكن نطاق الهدف معروفًا، لم يُنصح بإطلاق طوربيد يتطلب زوايا جيروسكوب كبيرة. ^[45]

يتم تعديل المعادلة 1 بشكل متكرر لاستبدال زاوية المسار بزاوية الانحراف (يتم تعريف زاوية المسار في الشكل 2، θ _المسار = θ _القوس + θ _{الانحراف} ). يتم توضيح هذا التعديل بالمعادلة 2 .

${\displaystyle {\frac {\left\Vert v_{\mathrm {Target} }\right\|}{\sin(\theta _{\mathrm {Deflection} })}}={\frac {\left\Vert v_ {\mathrm {طوربيد} }\right\|}{\sin(\theta _{\mathrm {Track} }-\theta _{\mathrm {انحراف} })}}}$

( 2 )

حيث θ _Track هي الزاوية بين مسار السفينة المستهدفة ومسار الطوربيد.

يذكر عدد من المنشورات ^{[46] [47]} أن زاوية مسار الطوربيد المثلى هي 110 درجة لسلاح Mk 14 (46 عقدة). يوضح الشكل 4 رسمًا بيانيًا لزاوية الانحراف مقابل زاوية المسار عندما تكون زاوية الجيروسكوب 0 درجة ( أي ، θ _{الانحراف} = θ _المحمل ). ^[48] تُعرَّف زاوية المسار المثلى بأنها نقطة حساسية زاوية الانحراف الدنيا لأخطاء زاوية المسار لسرعة هدف معينة. يحدث هذا الحد الأدنى عند نقاط الانحدار الصفري على المنحنيات في الشكل 4 (يتم تمييز هذه النقاط بمثلثات صغيرة).

تُظهر المنحنيات حلول المعادلة 2 لزاوية الانحراف كدالة لسرعة الهدف وزاوية المسار. يؤكد الشكل 4 أن 110° هي زاوية المسار المثلى لهدف بسرعة 16 عقدة (30 كم/ساعة)، والتي ستكون سرعة السفينة الشائعة. ^[49]

كما هو الحال مع مُحلِّل الزاوية، يمكن العثور على المعادلات المُنفَّذة في حارس الموضع في دليل كمبيوتر بيانات الطوربيد. ^[40] تم تنفيذ وظائف مماثلة في حراس المدى لأنظمة التحكم في النيران القائمة على السفن السطحية. لمناقشة عامة للمبادئ وراء حارس الموضع، انظر حارس المدى .

• USS Pampanito: مقال عن سفينة Pampanito's TDC. محفوظ في 2012-07-17 على موقع Wayback Machine
• كمبيوتر بيانات الطوربيد Mk IV
• أ. بن كليمر: أجهزة الكمبيوتر التناظرية الميكانيكية لهانيبال فورد وويليام نيويل، حوليات تاريخ الحوسبة في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات
• تاريخ الطوربيدات الأمريكية: وصف جيد للاستخدام العملي للطرازات Mk 14 وMk 18 وMk 23
• الدليل الأصلي لجهاز كمبيوتر بيانات الطوربيد مارك 3
• مكتب الذخائر (4 ديسمبر 1941). بيانات تكتيكية للطوربيدات مارك XIV ومارك XIV-1 عالية ومنخفضة القوة (ملف PDF) . كتيب بيانات الذخائر. واشنطن العاصمة: وزارة البحرية. رقم الطلب 3699.
• مكتب الذخائر (10 أغسطس 1954). البيانات التكتيكية لطوربيد مارك 18 (ملف PDF) . كتيب بيانات الذخائر. واشنطن العاصمة: وزارة البحرية. رقم الطلب 6697 التغيير 2.
• مناقشة التصحيحات الباليستية والمنظورية للطوربيدات التي تستخدمها البحرية الإمبراطورية اليابانية
• وصف حاسبة الطوربيد الألمانية T.Vh.Re.S3 التي طورتها شركة Siemens واستخدمت في الغواصات الألمانية أثناء الحرب العالمية الثانية