Un sistema de control de fuego ( FCS ) es un conjunto de componentes que trabajan juntos, generalmente una computadora de datos de armas , un director y un radar , que está diseñado para ayudar a un sistema de armas a distancia a apuntar, rastrear y dar en el blanco. Realiza la misma tarea que un artillero humano que dispara un arma, pero intenta hacerlo más rápido y con mayor precisión.
Los sistemas originales de control de incendios fueron desarrollados para barcos.
La historia temprana del control de fuego naval estuvo dominada por el ataque a objetivos dentro del alcance visual (también conocido como fuego directo ). De hecho, la mayoría de los enfrentamientos navales antes de 1800 se llevaron a cabo a distancias de 20 a 50 yardas (20 a 50 m). [1] Incluso durante la Guerra Civil estadounidense , el famoso enfrentamiento entre el USS Monitor y el CSS Virginia a menudo se llevó a cabo a menos de 100 yardas (90 m) de alcance. [2]
Las rápidas mejoras técnicas de finales del siglo XIX aumentaron enormemente el alcance de los disparos. Los cañones estriados de un tamaño mucho mayor que disparaban proyectiles explosivos de un peso relativo más ligero (en comparación con las balas totalmente metálicas) aumentaron tanto el alcance de los cañones que el principal problema pasó a ser apuntarlos mientras el barco se movía sobre las olas. Este problema se resolvió con la introducción del giroscopio , que corrigió este movimiento y proporcionó precisiones de subgrado. Los cañones ahora podían crecer hasta cualquier tamaño y rápidamente superaron el calibre de 10 pulgadas (250 mm) en la década de 1890. Estos cañones tenían una capacidad de alcance tan grande que la principal limitación era ver el objetivo, lo que llevó al uso de mástiles altos en los barcos.
Otra mejora técnica fue la introducción de la turbina de vapor , que aumentó enormemente el rendimiento de los barcos. Los primeros buques capitales propulsados por motores alternativos podían alcanzar unos 16 nudos, pero los primeros grandes buques con turbinas podían alcanzar más de 20 nudos. Esto, combinado con el largo alcance de los cañones, significaba que el buque objetivo podía moverse una distancia considerable, varias longitudes de barco, entre el momento en que se disparaban los proyectiles y el momento en que caían. Ya no se podía apuntar a ojo con alguna esperanza de precisión. Además, en los enfrentamientos navales también es necesario controlar el disparo de varios cañones a la vez.
El control de fuego de los cañones navales implica potencialmente tres niveles de complejidad. El control local se originó con instalaciones de cañones primitivos que eran apuntados por las tripulaciones de los cañones individuales. El control director apunta todos los cañones del barco a un único objetivo. El fuego coordinado de una formación de barcos a un único objetivo era el foco de las operaciones de la flota de acorazados. Se realizan correcciones para la velocidad del viento en la superficie, el balanceo y cabeceo del barco al disparar, la temperatura del depósito de pólvora, la deriva de los proyectiles estriados, el diámetro del cañón individual ajustado para la ampliación de disparo a disparo y la tasa de cambio de alcance con modificaciones adicionales a la solución de disparo basadas en la observación de disparos anteriores.
Las direcciones resultantes, conocidas como solución de disparo , se enviarían a las torretas para que las apuntaran. Si las balas fallaban, un observador podría calcular la distancia por la que fallaron y en qué dirección, y esta información podría enviarse a la computadora junto con cualquier cambio en el resto de la información y se podría intentar otro disparo.
Al principio, los cañones se apuntaban utilizando la técnica de localización de artillería , que consistía en disparar un arma al objetivo, observar el punto de impacto del proyectil (caída del disparo) y corregir la puntería en función de dónde se observaba que caía el proyectil, lo que se hacía cada vez más difícil a medida que aumentaba el alcance del arma. [1] [3]
Entre la Guerra Civil estadounidense y 1905, se introdujeron numerosas mejoras menores en el control de tiro, como miras telescópicas y telémetros ópticos . También hubo mejoras de procedimiento, como el uso de tableros de trazado para predecir manualmente la posición de un barco durante un enfrentamiento. [4]
Luego se emplearon calculadoras mecánicas cada vez más sofisticadas para la colocación adecuada de los cañones , generalmente con varios observadores y medidas de distancia que se enviaban a una estación de trazado central en lo profundo del barco. Allí, los equipos de dirección de fuego ingresaron la ubicación, la velocidad y la dirección del barco y su objetivo, así como varios ajustes para el efecto Coriolis , los efectos del clima en el aire y otros ajustes. Alrededor de 1905, comenzaron a estar disponibles ayudas mecánicas para el control de tiro, como la Mesa Dreyer , Dumaresq (que también era parte de la Mesa Dreyer) y el Reloj Argo, pero estos dispositivos tardaron varios años en implementarse ampliamente. [5] [6] Estos dispositivos fueron formas tempranas de telémetros .
Arthur Pollen y Frederic Charles Dreyer desarrollaron de forma independiente los primeros sistemas de este tipo. Pollen comenzó a trabajar en el problema después de notar la poca precisión de la artillería naval en una práctica de artillería cerca de Malta en 1900. [7] Lord Kelvin , ampliamente considerado como el científico líder de Gran Bretaña, fue el primero en proponer el uso de una computadora analógica para resolver las ecuaciones que surgen del movimiento relativo de los barcos involucrados en la batalla y el retraso temporal en el vuelo del proyectil para calcular la trayectoria requerida y, por lo tanto, la dirección y elevación de los cañones.
Pollen se propuso producir un sistema combinado de ordenador mecánico y trazador automático de distancias y velocidades para su uso en el control centralizado del fuego. Para obtener datos precisos de la posición del objetivo y el movimiento relativo, Pollen desarrolló una unidad de trazado (o trazador) para capturar estos datos. A esto añadió un giroscopio para tener en cuenta la guiñada del buque que disparaba. Al igual que el trazador, el primitivo giroscopio de la época requería un desarrollo sustancial para proporcionar una guía continua y fiable. [8] Aunque las pruebas de 1905 y 1906 no tuvieron éxito, resultaron prometedoras. Pollen se vio alentado en sus esfuerzos por la figura en rápido ascenso del almirante Jackie Fisher , el almirante Arthur Knyvet Wilson y el Director de Artillería Naval y Torpedos (DNO), John Jellicoe . Pollen continuó su trabajo, con pruebas ocasionales realizadas en buques de guerra de la Marina Real.
Mientras tanto, un grupo dirigido por Dreyer diseñó un sistema similar. Aunque ambos sistemas fueron pedidos para buques nuevos y existentes de la Marina Real, el sistema de Dreyer finalmente encontró el favor de la Marina en su forma definitiva Mark IV*. La adición del control del director facilitó un sistema de control de tiro completo y practicable para los buques de la Primera Guerra Mundial, y la mayoría de los buques capitales de la Marina Real estaban equipados con él a mediados de 1916. El director estaba en lo alto del barco, donde los operadores tenían una vista superior sobre cualquier artillero en las torretas . También podía coordinar el fuego de las torretas para que su fuego combinado funcionara en conjunto. Esta puntería mejorada y los telémetros ópticos más grandes mejoraron la estimación de la posición del enemigo en el momento del disparo. El sistema finalmente fue reemplazado por la " Mesa de control de tiro del Almirantazgo " mejorada para los barcos construidos después de 1927. [9]
Durante su larga vida útil, los telémetros se actualizaban a menudo a medida que avanzaba la tecnología y, para la Segunda Guerra Mundial, eran una parte fundamental de un sistema integrado de control de tiro. La incorporación del radar al sistema de control de tiro a principios de la Segunda Guerra Mundial proporcionó a los barcos la capacidad de realizar operaciones de tiro efectivas a larga distancia con mal tiempo y de noche. [10] Para los sistemas de control de tiro de cañones de la Armada de los EE. UU., consulte sistemas de control de tiro de cañones de barcos .
El uso del sistema de disparo controlado por el director, junto con la computadora de control de fuego, eliminó el control de la colocación de los cañones de las torretas individuales a una posición central; aunque los montajes de cañones individuales y las torretas de varios cañones mantendrían una opción de control local para su uso cuando el daño de batalla limitara la transferencia de información del director (estas serían versiones más simples llamadas "tablas de torreta" en la Marina Real). Los cañones podrían entonces dispararse en salvas planificadas, con cada cañón dando una trayectoria ligeramente diferente. La dispersión de los disparos causada por las diferencias en los cañones individuales, los proyectiles individuales, las secuencias de ignición de la pólvora y la distorsión transitoria de la estructura del barco era indeseablemente grande en las distancias de enfrentamiento navales típicas. Los directores en lo alto de la superestructura tenían una mejor vista del enemigo que una mira montada en la torreta, y la tripulación que los operaba estaba alejada del sonido y el impacto de los cañones. Los directores de cañones estaban en la parte superior, y los extremos de sus telémetros ópticos sobresalían de sus lados, lo que les daba una apariencia distintiva.
Factores balísticos no medidos e incontrolables, como la temperatura a gran altitud, la humedad, la presión barométrica, la dirección y velocidad del viento, requerían un ajuste final mediante la observación de la caída de los proyectiles. La medición visual del alcance (tanto del objetivo como de las salpicaduras de los proyectiles) era difícil antes de la disponibilidad del radar. Los británicos favorecían los telémetros de coincidencia, mientras que los alemanes preferían el tipo estereoscópico . Los primeros eran menos capaces de medir la distancia sobre un objetivo indistinto, pero más fáciles para el operador durante un largo período de uso, los segundos lo contrario.
Los submarinos también estaban equipados con ordenadores de control de tiro por las mismas razones, pero su problema era aún más pronunciado: en un "disparo" típico, el torpedo tardaba uno o dos minutos en alcanzar su objetivo. Calcular la "adelanto" adecuado dado el movimiento relativo de los dos buques era muy difícil, y se añadieron ordenadores de datos de torpedos para mejorar drásticamente la velocidad de estos cálculos.
En un barco británico típico de la Segunda Guerra Mundial, el sistema de control de tiro conectaba las torretas individuales de los cañones a la torre directora (donde se ubicaban los instrumentos de observación) y al ordenador analógico en el corazón del barco. En la torre directora, los operadores apuntaban sus telescopios al objetivo; un telescopio medía la elevación y el otro el rumbo. Los telescopios telémetros montados en un soporte separado medían la distancia al objetivo. Estas mediciones eran convertidas por la Mesa de Control de Tiro en los rumbos y elevaciones sobre los que los cañones disparaban. En las torretas, los artilleros ajustaban la elevación de sus cañones para que coincidiera con un indicador de elevación transmitido desde la Mesa de Control de Tiro; un artillero de la torreta hacía lo mismo con el rumbo. Cuando los cañones apuntaban al objetivo, disparaban de forma centralizada. [11]
Incluso con tanta mecanización del proceso, todavía se requería un gran elemento humano; la estación de transmisión (la habitación que albergaba la mesa Dreyer) de los cañones principales del HMS Hood albergaba a 27 tripulantes.
Los directores estaban prácticamente desprotegidos del fuego enemigo. Era difícil colocar mucho peso de blindaje a tanta altura en el barco, e incluso si el blindaje detuviera un disparo, el impacto por sí solo probablemente desalinearía los instrumentos. El límite era contar con un blindaje suficiente para protegerse de proyectiles más pequeños y fragmentos de impactos en otras partes del barco.
El rendimiento de la computadora analógica fue impresionante. El acorazado USS North Carolina, durante una prueba en 1945, fue capaz de mantener una solución de disparo precisa [12] sobre un objetivo durante una serie de giros a alta velocidad. [13] Es una gran ventaja para un buque de guerra poder maniobrar mientras ataca a un objetivo.
Los enfrentamientos navales nocturnos a larga distancia se hicieron factibles cuando los datos del radar pudieron ser ingresados al telémetro. La efectividad de esta combinación se demostró en noviembre de 1942 en la Tercera Batalla de la Isla Savo, cuando el USS Washington se enfrentó al acorazado japonés Kirishima a una distancia de 8.400 yardas (7,7 km) por la noche. El Kirishima se incendió, sufrió varias explosiones y fue hundido por su tripulación. Había sido alcanzado por al menos nueve proyectiles de 16 pulgadas (410 mm) de 75 disparos (tasa de impacto del 12%). [1] El naufragio del Kirishima fue descubierto en 1992 y mostró que faltaba toda la sección de proa del barco. [14] Durante la Segunda Guerra Mundial, los japoneses no desarrollaron un radar o un control de fuego automatizado al nivel de la Armada de los EE. UU. y estaban en desventaja significativa. [15]
En la década de 1950, las torretas de los cañones eran cada vez más autónomas y el control de los cañones se hacía de forma remota desde el centro de control del barco mediante información procedente del radar y otras fuentes.
La última acción de combate de los telémetros analógicos, al menos para la Armada de los EE. UU., fue en la Guerra del Golfo Pérsico de 1991 [16] [ se necesita una mejor fuente ] cuando los telémetros de los acorazados de la clase Iowa dirigieron sus últimas rondas en combate.
Uno de los primeros usos de los sistemas de control de tiro fue en los aviones bombarderos , con el uso de miras de bombardeo computarizadas que aceptaban información de altitud y velocidad aerodinámica para predecir y mostrar el punto de impacto de una bomba lanzada en ese momento. El dispositivo estadounidense más conocido fue la mira de bombardeo Norden .
Los sistemas simples, conocidos como miras de cálculo de plomo, también hicieron su aparición dentro de los aviones a finales de la guerra como miras giroscópicas . Estos dispositivos usaban un giroscopio para medir las velocidades de giro y movían el punto de mira de la mira para tener esto en cuenta, con el punto de mira presentado a través de una mira reflectora . La única "entrada" manual a la mira era la distancia al objetivo, que generalmente se manejaba marcando el tamaño de la envergadura del ala del objetivo a una distancia conocida. Se agregaron pequeñas unidades de radar en el período de posguerra para automatizar incluso esta entrada, pero pasó algún tiempo antes de que fueran lo suficientemente rápidos para que los pilotos estuvieran completamente satisfechos con ellos. La primera implementación de un sistema de control de tiro centralizado en un avión de producción fue en el B-29 . [17]
Al comienzo de la guerra de Vietnam, un nuevo sistema informático de predicción de bombardeos, llamado Sistema de bombardeo a baja altitud (LABS), comenzó a integrarse en los sistemas de los aviones equipados para transportar armamento nuclear. Este nuevo sistema informático de bombas fue revolucionario porque la orden de lanzamiento de la bomba la daba el ordenador, no el piloto; el piloto designaba el objetivo utilizando el radar u otro sistema de orientación , luego "consentía" en lanzar el arma, y el ordenador lo hacía en un "punto de lanzamiento" calculado unos segundos después. Esto es muy diferente de los sistemas anteriores, que, aunque también se habían informatizado, seguían calculando un "punto de impacto" que mostraba dónde caería la bomba si se lanzaba en ese momento. La ventaja clave es que el arma puede lanzarse con precisión incluso cuando el avión está maniobrando. Hasta ese momento, la mayoría de los visores de bombas requerían que el avión mantuviera una actitud constante (normalmente nivelado), aunque también eran comunes los visores de bombardeo en picado.
El sistema LABS fue diseñado originalmente para facilitar una táctica llamada bombardeo de lanzamiento , para permitir que el avión permaneciera fuera del alcance del radio de explosión de un arma . Sin embargo, el principio de calcular el punto de lanzamiento se integró finalmente en las computadoras de control de tiro de los bombarderos y aviones de ataque posteriores, lo que permitió el bombardeo nivelado, en picado y de lanzamiento. Además, a medida que la computadora de control de tiro se integró con los sistemas de municiones, la computadora puede tener en cuenta las características de vuelo del arma que se va a lanzar.
Al comienzo de la Segunda Guerra Mundial , el rendimiento de altitud de las aeronaves había aumentado tanto que los cañones antiaéreos tenían problemas de predicción similares y estaban cada vez más equipados con computadoras de control de tiro. La principal diferencia entre estos sistemas y los de los barcos era el tamaño y la velocidad. Las primeras versiones del High Angle Control System , o HACS, de la Royal Navy británica eran ejemplos de un sistema que predecía basándose en el supuesto de que la velocidad, la dirección y la altitud del objetivo permanecerían constantes durante el ciclo de predicción, que consistía en el tiempo para espoletar el proyectil y el tiempo de vuelo del proyectil hasta el objetivo. El sistema USN Mk 37 hacía suposiciones similares, excepto que podía predecir asumiendo una tasa constante de cambio de altitud. El Kerrison Predictor es un ejemplo de un sistema que fue construido para resolver la colocación en "tiempo real", simplemente apuntando el director al objetivo y luego apuntando el arma a un puntero que dirigía. También fue diseñado deliberadamente para ser pequeño y ligero, con el fin de permitir que se moviera fácilmente junto con los cañones a los que servía.
El sistema antiaéreo M-9/SCR-584 basado en radar se utilizó para dirigir la artillería de defensa aérea desde 1943. El SCR-584 del Laboratorio de Radiación del MIT fue el primer sistema de radar con seguimiento automático, el M-9 [18] del Laboratorio Bell era una computadora electrónica analógica de control de fuego que reemplazó a las computadoras mecánicas complicadas y difíciles de fabricar (como el Sperry M-7 o el predictor británico Kerrison). En combinación con la espoleta de proximidad VT , este sistema logró la asombrosa hazaña de derribar misiles de crucero V-1 con menos de 100 proyectiles por avión (miles eran típicos en los sistemas AA anteriores). [19] [20] Este sistema fue fundamental en la defensa de Londres y Amberes contra el V-1.
Aunque se enumeran en la sección de control de fuego terrestre, los sistemas de control de fuego antiaéreo también se pueden encontrar en sistemas navales y de aeronaves.
En el Cuerpo de Artillería Costera del Ejército de los Estados Unidos , los sistemas de control de fuego de la Artillería Costera comenzaron a desarrollarse a fines del siglo XIX y progresaron durante la Segunda Guerra Mundial. [21]
Los primeros sistemas utilizaban múltiples estaciones de observación o estaciones base (véase la Figura 1 ) para encontrar y rastrear objetivos que atacaban puertos estadounidenses. Los datos de estas estaciones se enviaban a las salas de trazado , donde se utilizaban dispositivos mecánicos analógicos, como el tablero de trazado , para estimar las posiciones de los objetivos y derivar datos de disparo para baterías de cañones costeros asignados para interceptarlos.
Los fuertes de artillería costera de los EE. UU. [22] estaban repletos de una variedad de armamento, que abarcaba desde morteros de defensa costera de 12 pulgadas, pasando por artillería de alcance medio de 3 y 6 pulgadas, hasta los cañones más grandes, que incluían cañones de barbeta y de carruajes desaparecientes de 10 y 12 pulgadas, artillería ferroviaria de 14 pulgadas y cañones de 16 pulgadas instalados justo antes y durante la Segunda Guerra Mundial.
El control de fuego en la artillería costera se volvió cada vez más sofisticado en términos de corrección de los datos de disparos en función de factores como las condiciones climáticas, el estado de la pólvora utilizada o la rotación de la Tierra. También se tomaron medidas para ajustar los datos de disparos en función de la caída observada de los proyectiles. Como se muestra en la Figura 2, todos estos datos se enviaban a las salas de trazado de acuerdo con un cronograma ajustado con precisión y controlado por un sistema de campanas de intervalo de tiempo que sonaban en todos los sistemas de defensa del puerto. [23]
Recién en la segunda guerra mundial, las computadoras electromecánicas de datos de armas , conectadas a los radares de defensa costera, comenzaron a reemplazar la observación óptica y los métodos de trazado manual en el control de la artillería costera. Incluso entonces, los métodos manuales se mantuvieron como respaldo hasta el final de la guerra.
Los sistemas de control de fuego terrestres se pueden utilizar para ayudar en el combate con armas de fuego directo e indirecto . Estos sistemas se pueden encontrar en armas que van desde pequeñas pistolas hasta grandes armas de artillería.
Los ordenadores de control de tiro modernos, como todos los ordenadores de alto rendimiento, son digitales. El rendimiento añadido permite que se añada básicamente cualquier entrada, desde la densidad del aire y el viento, hasta el desgaste de los cañones y la distorsión debida al calentamiento. Este tipo de efectos son perceptibles para cualquier tipo de arma, y los ordenadores de control de tiro han empezado a aparecer en plataformas cada vez más pequeñas. Los tanques fueron uno de los primeros usos que tuvo la puntería automatizada de los cañones, utilizando un telémetro láser y un medidor de distorsión del cañón. Los ordenadores de control de tiro son útiles no sólo para apuntar cañones grandes , sino también para apuntar ametralladoras , cañones pequeños, misiles guiados , rifles , granadas y cohetes , cualquier tipo de arma cuyos parámetros de lanzamiento o disparo puedan variar. Normalmente se instalan en barcos , submarinos , aviones , tanques e incluso en algunas armas pequeñas , por ejemplo, el lanzagranadas desarrollado para su uso en el fusil de asalto bullpup Fabrique Nationale F2000. Las computadoras de control de fuego han pasado por todas las etapas de la tecnología por las que pasan las computadoras, con algunos diseños basados en tecnología analógica y posteriormente en tubos de vacío que luego fueron reemplazados por transistores .
Los sistemas de control de tiro suelen estar interconectados con sensores (como sonares , radares , sistemas de búsqueda y seguimiento por infrarrojos , telémetros láser , anemómetros , veletas , termómetros , barómetros , etc.) para reducir o eliminar la cantidad de información que debe introducirse manualmente para calcular una solución eficaz. Los sonares, radares, IRST y telémetros pueden proporcionar al sistema la dirección y/o la distancia al objetivo. Alternativamente, se puede proporcionar una mira óptica que un operador puede simplemente apuntar al objetivo, lo que es más fácil que hacer que alguien introduzca la distancia utilizando otros métodos y da al objetivo menos advertencia de que está siendo rastreado. Normalmente, las armas disparadas a grandes distancias necesitan información medioambiental: cuanto más lejos viaja una munición , más afectarán su trayectoria el viento, la temperatura, la densidad del aire, etc., por lo que disponer de información precisa es esencial para una buena solución. A veces, para cohetes de muy largo alcance, los datos medioambientales tienen que obtenerse a grandes altitudes o entre el punto de lanzamiento y el objetivo. A menudo se utilizan satélites o globos para recopilar esta información.
Una vez calculada la solución de disparo, muchos sistemas de control de tiro modernos también pueden apuntar y disparar el arma o las armas. Una vez más, esto es en beneficio de la velocidad y la precisión, y en el caso de un vehículo como un avión o un tanque, para permitir que el piloto/artillero/etc. realice otras acciones simultáneamente, como rastrear el objetivo o volar el avión. Incluso si el sistema no puede apuntar el arma por sí mismo, por ejemplo el cañón fijo en un avión, puede dar al operador señales sobre cómo apuntar. Por lo general, el cañón apunta hacia adelante y el piloto debe maniobrar el avión para que se oriente correctamente antes de disparar. En la mayoría de los aviones, la señal de puntería toma la forma de un " visor " que se proyecta en la pantalla de visualización frontal (HUD). El visor muestra al piloto dónde debe estar el objetivo en relación con el avión para poder acertarlo. Una vez que el piloto maniobra el avión de modo que el objetivo y el visor se superpongan, dispara el arma, o en algunos aviones el arma se disparará automáticamente en este punto, para superar el retraso del piloto. En el caso de un lanzamiento de misil, la computadora de control de tiro puede proporcionar al piloto información sobre si el objetivo está dentro del alcance del misil y qué probabilidad hay de que el misil impacte si se lanza en un momento determinado. El piloto esperará entonces hasta que la lectura de probabilidad sea satisfactoriamente alta antes de lanzar el arma.
