Jump to content

Математическое обсуждение поддержания дальности

В морской артиллерии , когда стали доступны дальнобойные орудия, вражеский корабль переместился на некоторое расстояние после выстрела снаряда. Возникла необходимость выяснить, где будет находиться вражеский корабль, цель, когда прилетят снаряды. Процесс отслеживания вероятного местонахождения корабля назывался поддержанием дальности, поскольку расстояние до цели — дальность — было очень важным фактором для точного прицеливания орудий. Со временем поезд (также называемый пеленгом), направление на цель, также стал частью поддержания дальности, но традиция сохранила этот термин.

Удержание диапазона — отличный пример применения аналоговых вычислений для решения реальной задачи математического моделирования. Поскольку страны вложили так много денег в свои крупные корабли , они были готовы вложить огромные суммы денег в разработку оборудования для измерения дальности , чтобы гарантировать, что орудия этих кораблей могут направлять свои снаряды в цель. В данной статье представлен обзор поддержания диапазона как задачи математического моделирования. Чтобы сделать обсуждение более конкретным, в центре внимания будет Ford Mk 1 Rangekeeper. Ford Mk 1 Rangekeeper был впервые использован на авианосце USS Texas в 1916 году во время Первой мировой войны . Это относительно хорошо документированный дальнобойщик с длительным сроком службы. [1] Будучи ранней формой механического дальномера, он иллюстрирует все основные принципы. [2] Стражи других стран использовали аналогичные алгоритмы для расчета углов стрельбы, но часто сильно отличались в их практическом использовании. [3]

Помимо стрельбы на дальние дистанции, для запуска торпед также требуется функция, подобная поддержанию дальности. [4] Военно-морской флот США во время Второй мировой войны имел TDC , которая была единственной системой управления торпедным огнем подводных лодок времен Второй мировой войны, включавшей механический дальномер (другие военно-морские силы зависели от ручных методов). Имелись также устройства измерения дальности для использования с торпедами, запускаемыми с надводных кораблей. Для взгляда на поддержание дальности за пределами ВМС США существует подробный справочник, в котором обсуждаются математические расчеты дальности, связанные с управлением торпедным огнем в Императорском флоте Японии . [5]

Следующее обсуждение построено по образцу презентаций в руководствах по стрельбе ВМС США времен Второй мировой войны. [6]

Система координат

[ редактировать ]
Рисунок 1: Система координат дальномера. Система координат имеет цель в качестве начала координат. Диапазон значений оси Y до целевого.

ВМС США Рейнджеры во время Второй мировой войны использовали движущуюся систему координат, основанную на прямой видимости (LOS) между кораблем, стреляющим из орудия (известным как «собственный корабль»), и целью (известной как «цель»). Как показано на рисунке 1, дальномер определяет «ось Y» как ЛВ, а «ось X» как перпендикуляр к ЛВ с началом обеих осей, центрированным на цели.

Важным аспектом выбора системы координат является понимание знаков различных скоростей. Скорость изменения подшипника положительна в направлении по часовой стрелке. Скорость дальности положительна для увеличения целевой дальности.

Отслеживание цели

[ редактировать ]

Общий подход

[ редактировать ]

Во время Второй мировой войны отслеживание цели означало постоянное знание дальности и направления цели. Эти целевые параметры периодически проверялись моряками, укомплектованными наводчиками орудий. [7] и радиолокационные системы, которые затем передавали данные дальномеру. Дальномер выполнил линейную экстраполяцию дальности до цели и пеленга в зависимости от времени на основе выборок информации о цели.

Помимо наблюдения за целями с борта корабля, смотрители дальности могли также получать данные от самолетов-разведчиков или даже от пилотируемых аэростатов, привязанных к собственному кораблю. Эти наблюдательные платформы можно было запускать и поднимать с больших военных кораблей, например линкоров. В целом, наблюдения за целями с помощью корабельных приборов были предпочтительными для целей на дальности менее 20 000 ярдов, а наблюдения с самолетов были предпочтительными для целей на большей дальности. [8] После Второй мировой войны стали доступны вертолеты, и необходимость в проведении опасных операций по запуску и возврату самолетов-разведчиков или аэростатов была устранена ( Айова» разделе «Линкор класса краткое обсуждение см. в ).

Во время Первой мировой войны информация о сопровождении цели часто представлялась на листе бумаги. [9] Во время Второй мировой войны информация слежения могла отображаться на электронных дисплеях ( «Эссекс» см. в авианосце класса обсуждение обычных дисплеев ).

Целевой диапазон

[ редактировать ]

В начале Второй мировой войны дальность до цели измерялась оптическими дальномерами . Хотя некоторые ночные операции проводились с использованием прожекторов и звездных снарядов , в целом оптические дальномеры ограничивались работой в дневное время. [10] Во второй половине Второй мировой войны радар использовался для определения дальности до цели. Радар оказался точнее [11] чем оптические дальномеры (по крайней мере, в эксплуатационных условиях) [12] и был предпочтительным способом определения дальности до цели как ночью, так и днем. [13]

Целевая скорость

[ редактировать ]

В начале Второй мировой войны измерения дальности до цели и пеленга проводились за определенный период времени и вручную наносились на карту. [14] Скорость и курс цели можно было рассчитать, используя расстояние, которое цель прошла за определенный интервал времени. Во второй половине Второй мировой войны скорость цели можно было измерить с помощью радиолокационных данных. Радар обеспечивал точную скорость пеленга, дальность и радиальную скорость, которые преобразулись в целевой курс и скорость.

В некоторых случаях, например, с подводными лодками, скорость цели можно оценить с помощью данных гидролокатора. Например, оператор гидролокатора может акустически измерить скорость поворота гребного винта и, зная класс корабля , вычислить скорость корабля ( см. в TDC дополнительную информацию ).

Целевой курс

[ редактировать ]
Рисунок 2: Определение угла лука. На этой иллюстрации показано, как Императорский флот Японии использовал измерение угла, образуемого кораблем, для оценки угла наклона корабля на носу.

Целевой курс был самой сложной частью целевых данных для получения. Во многих случаях вместо измерения курса цели многие системы измеряли соответствующую величину, называемую углом на носу . Угол на носу — это угол, образуемый курсом корабля и линией видимости (см. рисунок 1).

Угол на носовой части обычно оценивался на основе наблюдательного опыта наблюдателя. В некоторых случаях наблюдатели улучшали свои способности к оценке, тренируясь на моделях кораблей, установленных на « ленивой Сьюзен ». [15] Императорский флот Японии имел уникальный инструмент под названием Сокутекибан (измерительная пластина). [16] он использовался, чтобы помочь наблюдателям измерить угол на носу. Наблюдатель сначала использовал бы это устройство для измерения угловой ширины цели. Зная угловую ширину цели, дальность до цели и известную длину корабля этого класса , угол на носу цели можно вычислить с помощью уравнений, показанных на рисунке 2.

Людям-наблюдателям требовалось определить угол наклона носовой части. Чтобы сбить с толку людей-наблюдателей, корабли часто использовали ослепляющий камуфляж , который заключался в нанесении линий на корабль , чтобы затруднить определение угла цели на носу. Хотя ослепляющий камуфляж был полезен против некоторых типов оптических дальномеров, этот подход был бесполезен против радаров и потерял популярность во время Второй мировой войны.

Прогноз позиции

[ редактировать ]

Прогнозирование положения корабля-мишени в момент попадания снаряда имеет решающее значение, поскольку именно в эту позицию должны быть направлены орудия собственного корабля. Во время Второй мировой войны большинство дальнобойщиков прогнозировали положение, используя линейную экстраполяцию курса и скорости цели. Хотя корабли маневренны, большие корабли маневрируют медленно, и во многих случаях разумным подходом является линейная экстраполяция. [17]

Во время Первой мировой войны смотрителей дальности часто называли «часами» (например, см. Часы дальности и пеленга в Таблице управления огнем Дрейера ). Эти устройства назывались часами, потому что они регулярно увеличивали целевой диапазон и оценки угла, используя фиксированные значения. Этот подход имел ограниченное применение, поскольку изменения целевого пеленга являются функцией дальности, а использование фиксированного изменения приводит к тому, что прогноз целевого пеленга быстро становится неточным. [18]

Диапазон

[ редактировать ]
Рисунок 3: Определение дальности действия дальномером. На этой иллюстрации показано, как смотритель дальности определяет скорость изменения дальности.

Целевую дальность в момент попадания снаряда можно оценить с помощью уравнения 1, которое показано на рисунке 3.

(Уравнение 1)

где

  • - дальность до цели в момент попадания снаряда.
  • — дальность до цели на момент выстрела из орудия.
  • это время полета снаряда плюс система
    задержки стрельбы [19] , то есть .

Точное предсказание дальности до цели в момент попадания снаряда затруднено, поскольку требует знания времени полета снаряда, которое является функцией прогнозируемого положения цели. Хотя этот расчет можно выполнить методом проб и ошибок, это не было практическим подходом с аналоговым компьютерным оборудованием, доступным во время Второй мировой войны. В случае Ford Rangekeeper Mk 1 время полета было аппроксимировано, исходя из предположения, что время полета линейно пропорционально дальности, как показано в уравнении 2. [20]

(Уравнение 2)

где

  • - константа пропорциональности между временем полета (TOF) и целевой дальностью.

Предположение о том, что TOF линейно пропорционально дальности, является грубым и может быть улучшено за счет использования более сложных средств оценки функции.

Прогнозирование диапазона требует знания скорости изменения диапазона. Как показано на рисунке 3, скорость изменения диапазона может быть выражена уравнением 3.

(Уравнение 3)

где

  • — скорость собственного судна вдоль прямой линии видимости, где .
  • — целевая скорость корабля вдоль прямой видимости, где .

Уравнение 4 показывает полное уравнение прогнозируемого диапазона.

(Уравнение 4)
Рисунок 4: Определение угловой скорости дальномером. Расчет угловой скорости требует знания курса, скорости и дальности цели и собственного корабля.

Прогнозирование азимута [21] выполняется аналогично прогнозированию диапазона. [1] Уравнение 5 представляет собой фундаментальное соотношение, вывод которого показан на рисунке 4.

(Уравнение 5)

где

  • – азимут на цель в момент выстрела.
  • - азимут на цель в момент попадания снаряда.

Скорость изменения подшипника можно рассчитать с помощью уравнения 6, которое показано на рисунке 4.

(Уравнение 6)

где

  • – скорость собственного судна по оси x, т.е. .
  • – скорость цели вдоль оси x, т.е. .

Замена , Уравнение 7 показывает окончательную формулу прогнозируемого подшипника.

(Уравнение 7)

Баллистическая коррекция

[ редактировать ]
Рисунок 5: Иллюстрация функции на основе кулачков Во время Второй мировой войны кулачки были точно обработаны, чтобы представлять таблицы стрельбы для артиллерии дальнего действия.

Для стрельбы из артиллерии по целям за пределами видимости исторически требовались расчеты на основе таблиц стрельбы . [22] Точка попадания снаряда является функцией многих переменных: [23]

  • Температура воздуха
  • Плотность воздуха
  • Ветер
  • Диапазон
  • Вращение Земли
  • Снаряд, взрыватель, характеристики оружия
  • Начальная скорость
  • Температура топлива
  • Дрифт
  • Параллакс между орудиями, дальномерами и радиолокационными системами
  • Разница высот между целью и артиллерийским орудием

Таблицы стрельбы содержат данные для стрельбы артиллерийского орудия в стандартных условиях и поправки, необходимые для определения точки попадания в реальных условиях. [24] Существовало несколько способов реализации стола стрельбы с помощью кулачков. Рассмотрим, например, рисунок 5. В этом случае угол орудия как функция дальности цели и относительной высоты цели представлен толщиной кулачка на данном осевом расстоянии и угле. Офицер направления артиллерии вводил дальность до цели и относительную высоту с помощью циферблатов. Высота штифта представляет собой требуемый угол наклона пистолета. Эту высоту штифта можно использовать для привода кулачков или шестерен, которые будут вносить другие поправки, например, в зависимости от температуры пороха и типа снаряда.

Кулачки, используемые в дальномере, должны были быть очень точно обработаны, чтобы точно направлять орудия. Поскольку эти кулачки были обработаны в соответствии со спецификациями, составленными из таблиц данных, они стали одним из первых применений с ЧПУ станков . [25]

Помимо корректировок цели и баллистики, дальнобойщик должен также корректировать волнообразное движение корабля. Боевые корабли имели гироскоп с вертикальной осью вращения. Этот гироскоп определял два угла, определявшие наклон палубы корабля относительно вертикали. Эти два угла были переданы дальномеру, который внес поправку на основе этих углов. [26]

Хотя конструкторы дальномера потратили огромное количество времени на то, чтобы свести к минимуму источники ошибок в расчетах дальномера, были ошибки и неточности в информации, которые способствовали тому, что снаряды не попадали в цель с первого выстрела. [25] У дальномера были шкалы, которые позволяли вносить ручные поправки в решение для стрельбы дальномера. Когда артиллерийские корректировщики вызывали поправку, операторы-дальнобойщики вручную вносили поправку с помощью этих циферблатов. [1]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с Минделл, Дэвид (2002). Между человеком и машиной . Балтимор: Джонс Хопкинс. Приложение А. ISBN  0-8018-8057-2 .
  2. ^ Улучшения в технологии дальнобойности для артиллерийской стрельбы на дальние дистанции в основном касались автоматического управления орудием и внедрения более совершенных датчиков, таких как радар. Основные уравнения управления огнем остались прежними.
  3. ^ Брэдли Фишер (9 сентября 2003 г.). «Обзор проектирования баллистических компьютеров военных кораблей USN и IJN» . NavWeaps . Проверено 26 августа 2006 г.
  4. ^ Функции поддержания дальности торпед и дальнобойных орудий различаются по масштабу. Например, время полета торпеды значительно больше, чем у снаряда главного орудия линкора. Преимущества снаряда по скорости и скорострельности делают возможным дальний выстрел. Время полета торпеды настолько велико, что дальние выстрелы невозможны. Некоторые статьи действительно затрагивают эти проблемы.
  5. ^ Джексон, USNR, лейтенант (младший) JG (февраль 1946 г.). Японское управление торпедным огнем (PDF) . Техническая миссия ВМС США в Японию. Выпуск О-1, Мишень О-32. Архивировано из оригинала (PDF) 20 июля 2007 г.
  6. ^ «Глава 19: Проблема управления наземным огнем» . Морская артиллерия и артиллерия . Аннаполис, Массачусетс: Военно-морская академия США. 1958 [1950]. НавПерс 10798-А . Проверено 26 августа 2006 г.
  7. ^ «Глава 20: Директора-оружейники» . Морская артиллерия и артиллерия . Аннаполис, Массачусетс: Военно-морская академия США. 1958 [1950]. НавПерс 10798-А . Проверено 15 октября 2006 г.
  8. ^ Юренс, Уильям (24 декабря 2004 г.). «Эволюция артиллерийского вооружения линкоров ВМС США, 1920-1945» . Navweaps.com. Архивировано из оригинала 20 ноября 2006 г. Проверено 18 октября 2006 г. В целом ожидалось, что воздушное пятно будет иметь небольшой эффект на дальностях менее 20 000 ярдов, где визуальное обнаружение оставалось главным. После этого преимущество воздушной точки заметно возросло. В 1935 году Военно-морской колледж подсчитал, что на расстоянии 29 000 ярдов воздушная точка может нанести в шесть раз больше попаданий, чем наблюдение корректировщиков с высоты.
  9. ^ Построение графика выполнялось вручную или с помощью механического плоттера в случае таблицы Дрейера .
  10. ^ Например, в статье « Битва при острове Саво» есть фотография, на которой изображен корабль, освещенный прожектором.
  11. ^ Норман, Фридман (1981). Военно-морской радар . Конвей Мэритайм Пресс. ISBN  0-85177-238-2 . Проверено 20 октября 2006 г. Радар Mk 8: Точность дальности: 15 ярдов (5 м).
  12. ^ Лиенау, Питер; Тони ДиДжулиан (16 июля 2001 г.). «Немецкие оптические дальномеры» . Navweps.com . Проверено 20 октября 2006 г. Другой пример: американские линкоры классов «Северная Каролина» , «Южная Дакота» и «Айова» имели дальномеры главного директора 25-кратного увеличения с базовой длиной 26 футов 6 дюймов (8,0772 м)... Например, чтобы найти ошибку на отметке 20 000 м, просто умножьте 0,97 м на 20 000/2 000 = 9,7 м.
  13. ^ Имеющиеся данные показывают, что уровни точности оптических дальномеров и радаров были сопоставимы в идеальных оптических условиях. Характеристики оптического дальномера быстро ухудшались в зависимости от погодных условий, а радар не пострадал. Надежность радара была решающим фактором его популярности среди военно-морских сил.
  14. ^ «Глава 19C1» . Военно-морская артиллерия и артиллерия: Том 2 Управление огнем . Бюро военно-морского персонала. 1958 [1950]. НавПерс 10798-А.
  15. ^ О'Кейн, Ричард Х. (1989) [1987]. «Часть 4: Глава 1». Ваху: Патрули самой известной подводной лодки Америки времен Второй мировой войны (изд. Бантама). Нью-Йорк: Бантам. стр. 108–109. ISBN  0-553-28161-5 . Возможность и разделение ответственности были новыми для наших подводных сил. Я ответил просто: «Я ценю ваше доверие, капитан», и сказал ему, что отправляюсь в Сперри ( тендер подводных лодок ), чтобы сделать ленивую Сьюзен для наших моделей кораблей. Они мне бы понадобились, чтобы отточить умение быстро и точно определять углы на носовой части... Через один ствол перевернутого бинокля 7х35 я называл углы из кладовки на реалистичную цель. {{cite book}}: Внешняя ссылка в |quote= ( помощь )
  16. ^ Брэдли Фишер (9 сентября 2003 г.). «Обзор проектирования баллистических компьютеров военных кораблей USN и IJN» . NavWeaps . Проверено 26 августа 2006 г. Если известна длина цели, а также текущая дальность, оператор измеряет видимую длину корабля в форме измерения пеленга (используя корму в качестве контрольной точки). Формула такова: угол инклинометра = L × Cos Ø / R, где: L — длина корабля, Ø — целевой угол, а R — текущая дальность.
  17. ^ В некоторой степени точность этого приближения зависит от времени полета снаряда. 16-дюймовых орудий линкора Айова» « класса составляло На максимальной дальности время полета ~95 секунд. Корабли, сражающиеся на таком расстоянии, были бы очень необычными. Самый продолжительный успех между двумя военными кораблями произошел на расстоянии ~ 26 500 ярдов. Снаряд в этом случае имел бы время полета ~40 секунд (по данным 16-дюймовых орудий класса «Айова» ).
  18. ^ «Таблица управления огнем Дрейера» . http://www.dreadnoughtproject.org/ . Проект «Дредноут» . Проверено 30 октября 2006 г. Тактовый сигнал пеленга в основном использовался в dumaresq , и он мог позволить установить постоянную скорость пеленга ... Выходной сигнал постоянной скорости таймера дальности поступал в дифференциальное устройство, называемое корректором корректора, чья передача мультиплексировала его в три дальнейших пункта назначения. . {{cite web}}: Внешняя ссылка в |work= ( помощь )
  19. ^ Эта задержка представляет собой интервал времени между заданным временем стрельбы и фактическим временем стрельбы. В этот временной интервал включены любые задержки, связанные со временем передачи данных в турель и механическими действиями, необходимыми для стрельбы из орудия.
  20. ^ Минделл, Дэвид (2002). Между человеком и машиной . Балтимор: Джонс Хопкинс. п. 325. ИСБН  0-8018-8057-2 . Дальномер Форда считает время полета линейно пропорциональным дальности, что является лишь приближением.
  21. ^ Армия США использует азимут, а ВМС США - поезд. Это два слова для одного и того же понятия — горизонтального целевого угла.
  22. ^ Таблица дальностей ПВО для 16-дюймовых орудий 50 калибра . Бюро артиллерийских вооружений. 11 марта 1944 г. Брошюра о боеприпасах № 1091 . Проверено 29 октября 2006 г.
  23. ^ «Полевой устав армии США 6-40, глава 7» . Армия США. 9 сентября 2003 г. Проверено 13 октября 2006 г.
  24. ^ «Глава 17» . Том 2 Управление огнем (изд. 1958 г.). Аннаполис, Массачусетс: Военно-морская академия США. 1958 [1950]. НавПерс 10798-А . Проверено 26 августа 2006 г.
  25. ^ Jump up to: а б А. Бен Клаймер (1993). «Механические аналоговые компьютеры Ганнибала Форда и Уильяма Ньюэлла» (PDF) . 15 (2). IEEE Анналы истории вычислений . Проверено 26 августа 2006 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  26. ^ «Глава 19» . Проблема управления наземным огнем (изд. 1958 г.). Аннаполис, Массачусетс: Военно-морская академия США. 1958 [1950]. НавПерс 10798-А . Проверено 26 августа 2006 г.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 5ca5187289fe5049d8c2e0963a407a2b__1665914340
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/5c/2b/5ca5187289fe5049d8c2e0963a407a2b.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Mathematical discussion of rangekeeping - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)