La computadora de datos de torpedos ( TDC ) fue una de las primeras computadoras analógicas electromecánicas utilizadas para el control de fuego de torpedos en 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 Marina de los EE. UU. , [1] ya que era capaz de 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 del fuego de torpedos submarinos durante la Segunda Guerra Mundial. [2] [3]
Reemplazando los dispositivos tipo regla de cálculo de mano previamente estándar (conocidos como "banjo" y "is/was"), [4] el TDC fue diseñado para proporcionar soluciones de control de fuego para disparos 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 llevado a cabo por los submarinos estadounidenses durante la campaña del Pacífico de la Segunda Guerra Mundial. Los relatos de la campaña submarina estadounidense en el Pacífico a menudo citan el uso de TDC. [6] [7] Algunos oficiales adquirieron gran habilidad en su uso, [8] y la Marina estableció una escuela de capacitación para el funcionamiento del dispositivo. [9]
Dos submarinos mejorados de la flota de la Armada de los EE. UU. de la Segunda Guerra Mundial ( USS Tusk y Cutlass ) con sus TDC continúan sirviendo en la marina de Taiwán y el personal del Museo Náutico de los EE. UU. los está ayudando con el mantenimiento de sus equipos. [10] El museo también cuenta con un TDC completamente restaurado y en funcionamiento del USS Pampanito , atracado en San Francisco .
El problema de apuntar un torpedo ha ocupado a los ingenieros militares desde que Robert Whitehead desarrolló el torpedo moderno en la década de 1860. Estos primeros torpedos corrían a una profundidad preestablecida en un rumbo recto (en consecuencia, con frecuencia se los denomina "corredores rectos"). Éste era el estado del arte en la guía de torpedos hasta el desarrollo del torpedo guiado durante la última parte de la Segunda Guerra Mundial . [11] La gran mayoría de los torpedos submarinos durante la Segunda Guerra Mundial funcionaban directamente y continuaron utilizándose durante muchos años después de la Segunda Guerra Mundial. [12] De hecho, dos torpedos de carrera directa 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 intercepción del objetivo para un torpedo era un proceso manual en el que el grupo de control de fuego contaba con la ayuda de varias reglas de cálculo [13] (los ejemplos estadounidenses fueron el Mark VIII Angle Solver (coloquialmente llamado "banjo", por su forma), y la regla deslizante circular "Is/Was" (Nasmith Director), para predecir dónde estará un objetivo en función de dónde está ahora y dónde estaba) [14] o calculadora/miras mecánicas. [15] Estos eran a menudo "lamentablemente inexactos", [16] lo que ayuda a explicar por qué se recomendó la dispersión de torpedos.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania, [17] Japón, [18] y Estados Unidos desarrollaron computadoras analógicas para automatizar el proceso de calcular el rumbo de torpedo requerido. [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" Mark 1 en 1938. [20] Este fue adaptado a barcos más antiguos, comenzando con el Dolphin y hasta los Salmon más nuevos . [20]
El primer submarino diseñado para utilizar el TDC fue el Tambor , [21] botado en 1940 con el Mark III, ubicado en la torre de mando . [20] (Esto difería de equipos anteriores). [22] Resultó ser el mejor sistema de control de fuego de torpedos de la Segunda Guerra Mundial . [23]
En 1943, se desarrolló el Torpedo Data Computer Mark IV para soportar el torpedo Mark 18 . [24] [25]
Tanto el Mk III como el Mk IV TDC fueron desarrollados por Arma Corporation (ahora American Bosch Arma).
Un torpedo que avanza en línea recta tiene un sistema de control basado en giroscopio que garantiza que el torpedo seguirá un rumbo recto. [26] El torpedo puede seguir un rumbo diferente al del submarino ajustando un parámetro llamado ángulo giroscópico, que establece el rumbo del torpedo en relación con el rumbo del submarino (ver Figura 2). La función principal del TDC es determinar el ajuste del ángulo del giroscopio necesario para garantizar que el torpedo alcance el objetivo.
Para determinar el ángulo giroscópico se 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 todas las configuraciones del ángulo del giro del torpedo simultáneamente con una solución de control de fuego, lo que mejoró la precisión con respecto a los sistemas que requerían una actualización manual del rumbo del torpedo. [27]
El TDC permite al submarino lanzar el torpedo en un rumbo diferente al del submarino, lo cual es importante desde el punto de vista táctico. De lo contrario, el submarino tendría que apuntar al punto de intercepción proyectado para poder lanzar un torpedo. [28] Requerir que todo el buque esté apuntado para lanzar un torpedo llevaría 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 rumbo de intercepción del objetivo 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 corregida del torpedo. Además, el ángulo de orientación del objetivo es diferente desde el punto de vista del periscopio frente al punto de vista del torpedo, lo que se conoce como paralaje del tubo del torpedo. [29] Estos factores son una complicación importante en el cálculo del ángulo giroscópico, y el TDC debe compensar sus efectos.
Los torpedos de carrera recta generalmente se lanzaban en salva (es decir, lanzamientos múltiples en un corto período de tiempo) [30] o en dispersión (es decir, lanzamientos múltiples con ligeros desplazamientos de ángulo) [30] para aumentar la probabilidad de impactar el objetivo dadas las imprecisiones presentes en la medición de ángulos, alcance del objetivo, velocidad del objetivo, ángulo de trayectoria del torpedo y velocidad del torpedo.
También se lanzaron salvas y diferenciales para atacar objetivos difíciles varias veces para asegurar su destrucción. [31] El TDC apoyó el disparo de salvas de torpedos al permitir compensaciones de corto tiempo entre disparos y extensiones de torpedos agregando pequeñas compensaciones de ángulo al ángulo giroscópico de cada torpedo. Antes del hundimiento del ROKS Cheonan de Corea del Sur por parte de Corea del Norte en 2010, el último buque de guerra hundido por un ataque de torpedo submarino, el ARA General Belgrano en 1982, fue alcanzado por dos torpedos de una serie de tres torpedos. [32]
Para calcular con precisión el ángulo giroscópico 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 demora del objetivo a menudo debían generarse utilizando observaciones de periscopio, que eran altamente subjetivas y propensas a errores. El TDC se utilizó para refinar las estimaciones del rumbo, alcance y demora del objetivo a través de un proceso de
Estimar el rumbo del objetivo se consideraba generalmente 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 de proa ". El ángulo en 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 determinar el ángulo de la proa mirando modelos de barcos de la Armada Imperial Japonesa montados en un Lazy Susan calibrado 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 ubicarse 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 estaban montados en la torre de mando , que era un espacio muy pequeño. [35] El problema del embalaje era grave y el rendimiento de algunos de los primeros equipos de control de fuego de torpedos se vio obstaculizado por la necesidad de hacerlos pequeños. [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, se requirieron insumos sobre
El TDC realizó los cálculos trigonométricos necesarios para calcular el rumbo de intercepción del objetivo del torpedo. También tenía una interfaz electromecánica con los torpedos, lo que le permitía establecer rumbos automáticamente mientras los torpedos todavía estaban en sus tubos, listos para ser disparados.
El grupo 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 el humo o la niebla.
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 constaba de dos tipos de computadoras analógicas:
Las ecuaciones implementadas en el solucionador de ángulos se pueden encontrar en el manual de Torpedo Data Computer. [40] El Manual de control de fuego de torpedos submarinos [41] analiza los cálculos en un sentido general y aquí se presenta una forma muy abreviada de esa discusión.
El problema general del control del fuego de torpedos se ilustra en la Figura 2. El problema se vuelve más manejable si asumimos:
Como se puede ver en la Figura 2, estas suposiciones no son ciertas en general debido a las características balísticas de los torpedos y al paralaje de los tubos de torpedos. Proporcionar detalles sobre cómo corregir el cálculo del ángulo del giroscopio del torpedo para balística y paralaje es complicado y está fuera del alcance de este artículo. La mayoría de las discusiones sobre la determinación del ángulo del giroscopio adoptan el enfoque más simple de utilizar 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 giroscopio cuando el ángulo del giroscopio es pequeño, generalmente menos de 30°. [42]
Los efectos del paralaje y la balística son mínimos para 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 preferían disparar sus torpedos en ángulos giroscópicos pequeños porque las soluciones de control de fuego del TDC eran más precisas para ángulos pequeños. [43]
El problema de calcular el ajuste del ángulo del giroscopio es un problema de trigonometría que se simplifica considerando primero el cálculo del ángulo de desviación, que ignora la balística y el paralaje de los torpedos. [44] Para ángulos de giro pequeños, θ Gyro ≈ θ Bearing − θ Deflection . Una aplicación directa de la ley de los senos a la Figura 3 produce la Ecuación 1 .
dónde
El rango no juega ningún papel en la Ecuación 1 , que es cierta 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 torpedos orientables utilizados en los barcos de superficie durante la Primera Guerra Mundial y la Segunda Guerra Mundial. Los lanzamientos de torpedos desde tubos lanzatorpedos orientables cumplen perfectamente los tres supuestos establecidos. Sin embargo, un lanzamiento preciso de torpedos desde un submarino requiere correcciones balísticas de paralaje y torpedos cuando los ángulos del giroscopio son grandes. Estas correcciones requieren conocer el alcance con precisión. Cuando no se conocía el alcance del objetivo, no se recomendaban los lanzamientos de torpedos que requerían grandes ángulos de giro. [45]
La ecuación 1 se modifica con frecuencia para sustituir el ángulo de trayectoria por el ángulo de deflexión (el ángulo de trayectoria se define en la Figura 2, θ Vía = θ Arco + θ Deflexión ). Esta modificación se ilustra con la Ecuación 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 del torpedo es de 110° para un Mk 14 (arma de 46 nudos). La Figura 4 muestra una gráfica del ángulo de deflexión versus el ángulo de seguimiento cuando el ángulo del giroscopio es 0° ( es decir , θ Deflexión = θ Orientación ). [48] El ángulo de seguimiento óptimo se define como el punto de sensibilidad mínima del ángulo de desviación 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 del objetivo y el ángulo de seguimiento. La Figura 4 confirma que 110° es el ángulo de seguimiento óptimo para un objetivo de 16 nudos (30 km/h), que sería la velocidad común de un barco. [49]
Al igual que con el solucionador de ángulos, las ecuaciones implementadas en el marcador de posición se pueden encontrar en el manual de Torpedo Data Computer. [40] Se implementaron funciones similares en los guardabosques de los sistemas de control de incendios de superficie de barcos. Para una discusión general de los principios detrás del guardián de posición, consulte Rangekeeper .