El Torpedo Data Computer ( TDC ) fue uno de los primeros ordenadores analógicos electromecánicos utilizados para el control del fuego de torpedos en los submarinos estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial . Gran Bretaña , Alemania y Japón también desarrollaron equipos automatizados de control del fuego de torpedos, pero ninguno era tan avanzado como el TDC (?) de la Armada de los EE. UU. [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 del fuego de torpedos submarinos durante la Segunda Guerra Mundial. [2] [3]
El TDC, que sustituyó a los dispositivos portátiles de tipo regla de cálculo que antes eran estándar (conocidos como "banjo" e "is/was"), [4] fue diseñado para proporcionar soluciones de control de fuego para el disparo de torpedos submarinos contra barcos que navegaban en la superficie (los buques de guerra de superficie utilizaban una computadora diferente). [5]
El TDC era un añadido bastante voluminoso 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 del TDC. [6] [7] Algunos oficiales se volvieron muy hábiles en su uso, [8] y la Armada estableció una escuela de capacitación para el manejo del dispositivo. [9]
Dos submarinos de la flota de la Armada de los EE. UU. modernizados de la Segunda Guerra Mundial ( USS Tusk y Cutlass ) con sus TDC continúan en servicio en la Armada de Taiwán y el personal del Museo Náutico de los EE. UU. los está ayudando a mantener su equipo. [10] El museo también tiene 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 curso recto (en consecuencia, se los conoce con frecuencia como "torpedos 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 torpedos submarinos durante la Segunda Guerra Mundial eran de carrera recta, y estos continuaron en uso durante muchos años después de la Segunda Guerra Mundial. [12] De hecho, dos torpedos de carrera recta de la era de la Segunda Guerra Mundial, disparados por el submarino nuclear británico HMS Conqueror , hundieron el ARA General Belgrano en 1982.
Durante la Primera Guerra Mundial , calcular el curso de intercepción de un objetivo para un torpedo era un proceso manual en el que el grupo de control de fuego era ayudado por varias reglas de cálculo [13] (los ejemplos estadounidenses eran el Mark VIII Angle Solver (coloquialmente llamado "banjo", por su forma), y la regla de cálculo circular "Is/Was" (Nasmith Director), para predecir dónde estará un objetivo basándose en dónde está ahora y dónde estaba) [14] o calculadoras/miras mecánicas. [15] Estas eran a menudo "terriblemente inexactas", [16] lo que ayuda a explicar por qué se aconsejaban las distribuciones de torpedos.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania, [17] Japón, [18] y los Estados Unidos desarrollaron computadoras analógicas para automatizar el proceso de cálculo del 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" 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 los 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 apoyar al 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 de trayectoria recta tiene un sistema de control basado en giroscopio que garantiza que el torpedo seguirá una trayectoria recta. [26] El torpedo puede seguir una trayectoria diferente a la del submarino ajustando un parámetro llamado ángulo giroscópico, que establece la trayectoria del torpedo en relación con la trayectoria del submarino (véase la Figura 2). La función principal del TDC es determinar el ajuste del ángulo giroscópico necesario para garantizar que el torpedo impacte el objetivo.
Para determinar el ángulo del giroscopio se requirió la solución en tiempo real de una ecuación trigonométrica compleja (véase la ecuación 1 para 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 del giroscopio del torpedo simultáneamente con una solución de control de fuego, lo que mejoró la precisión en comparación con 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 que es importante desde el punto de vista táctico. De lo contrario, el submarino tendría que apuntar al punto de intercepción proyectado para lanzar un torpedo. [28] Exigir que todo el buque esté apuntado para lanzar un torpedo consumiría mucho tiempo, requeriría un control preciso del rumbo del submarino y complicaría innecesariamente el proceso de lanzamiento 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 no se mueve en línea 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 en comparación con el punto de vista del torpedo, lo que se conoce como paralaje del tubo del torpedo. [29] Estos factores son una complicación significativa en el cálculo del ángulo del giroscopio, 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 forma dispersa (es decir, lanzamientos múltiples con ligeras desviaciones 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 ráfagas para atacar objetivos difíciles varias veces para asegurar su destrucción. [31] El TDC apoyó el lanzamiento de salvas de torpedos al permitir breves desfases de tiempo entre disparos y ráfagas de torpedos agregando pequeñas desfases 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 con torpedos submarinos, el ARA General Belgrano en 1982, fue alcanzado por dos torpedos de una ráfaga de tres torpedos. [32]
Para calcular con precisión el ángulo giroscópico de un torpedo en un escenario de combate general, es necesario conocer con precisión el rumbo, la velocidad, el alcance y el rumbo del objetivo. Durante la Segunda Guerra Mundial, las estimaciones del rumbo, el alcance y el rumbo del objetivo a menudo debían generarse utilizando observaciones de periscopio, que eran muy subjetivas y propensas a errores. El TDC se utilizó para refinar las estimaciones del rumbo, el alcance y el rumbo del objetivo a través de un proceso de
Estimar el rumbo del objetivo se consideraba generalmente la tarea de observación más difícil. La precisión del resultado dependía en gran medida de la experiencia del capitán. 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 de proa es el ángulo formado por el rumbo del objetivo y la línea de visión hacia el submarino. Algunos capitanes, como Richard O'Kane , practicaban la determinación del ángulo de proa observando modelos de barcos de la Armada Imperial Japonesa montados en una mesa giratoria 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 ubicarse cerca de otros equipos de control de fuego para minimizar la cantidad de interconexión electromecánica. Debido a que el espacio submarino dentro del casco de presión era limitado, el TDC necesitaba ser lo más pequeño posible. En los submarinos de la Segunda Guerra Mundial, el TDC y otros equipos de control de fuego se montaron en la torre de mando , que era un espacio muy pequeño. [35] El problema del empaque era grave y el rendimiento 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 fuego, requirió entradas en
El TDC realizó los cálculos trigonométricos necesarios para calcular el rumbo de interceptación del objetivo del torpedo. También tenía una interfaz electromecánica con los torpedos, lo que le permitía establecer automáticamente el rumbo mientras los torpedos aún estaban en sus tubos, listos para ser disparados.
La capacidad de seguimiento de objetivos del TDC fue utilizada por el equipo de control de tiro para actualizar continuamente la solución de control de tiro 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 oculto por humo o niebla.
Dado que el TDC en realidad realizaba dos funciones separadas, generar estimaciones de la posición del objetivo y calcular 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 hace más manejable si asumimos:
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 detalles sobre cómo corregir el cálculo del ángulo giroscópico del torpedo para la balística y el paralaje es complicado y queda fuera del alcance de este artículo. La mayoría de los análisis sobre la determinación del ángulo giroscópico adoptan el enfoque más simple de utilizar la Figura 3, que se denomina triángulo de control de tiro del torpedo. [6] [7] La Figura 3 proporciona un modelo preciso para calcular el ángulo giroscópico cuando este es pequeño, generalmente inferior a 30°. [42]
Los efectos de la paralaje y la balística son mínimos para los lanzamientos con ángulos giroscópicos pequeños porque las desviaciones de rumbo que causan son generalmente lo suficientemente pequeñas como para ser ignoradas. Los submarinos estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial preferían disparar sus torpedos con 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 deflexión, que ignora la balística del torpedo y la paralaje. [44] Para ángulos de giroscopio pequeños, θ Giro ≈ θ Cojinete − θ Deflexión . Una aplicación directa de la ley de senos a la Figura 3 produce la Ecuación 1 .
dónde
El alcance 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 torpedos orientables utilizados en los buques de superficie durante la Primera 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 de paralaje y balística del torpedo cuando los ángulos giroscópicos 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 giroscópicos. [45]
La ecuación 1 se modifica con frecuencia para sustituir el ángulo de deflexión por el ángulo de la pista (el ángulo de la pista se define en la Figura 2, θ Pista = θ Inclinación + θ Deflexión ). Esta modificación se ilustra con la ecuación 2 .
donde θ Track es el ángulo entre el curso del barco objetivo y el curso del torpedo.
Varias publicaciones [46] [47] indican que el ángulo de trayectoria óptimo del torpedo es de 110° para un Mk 14 (arma de 46 nudos). La Figura 4 muestra un gráfico del ángulo de deflexión en función del ángulo de trayectoria cuando el ángulo del giroscopio es de 0° ( es decir , θ Deflexión = θ Rumbo ). [48] El ángulo de trayectoria óptimo se define como el punto de mínima sensibilidad del ángulo de deflexión a los errores del ángulo de trayectoria para una velocidad objetivo dada. Este mínimo se produce 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 trayectoria. La figura 4 confirma que 110° es el ángulo de trayectoria óptimo para un objetivo de 16 nudos (30 km/h), que sería una velocidad de barco común. [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 marcadores de distancia para los sistemas de control de fuego basados en buques de superficie. Para una discusión general de los principios detrás del marcador de posición, consulte el libro Rangekeeper .