Los rangekeepers eran computadoras electromecánicas de control de tiro utilizadas principalmente durante la primera parte del siglo XX. Eran computadoras analógicas sofisticadas cuyo desarrollo alcanzó su apogeo después de la Segunda Guerra Mundial , específicamente la Computadora Mk 47 en el sistema de Control de Fuego de Armas Mk 68. Durante la Segunda Guerra Mundial, los rangekeepers dirigían el fuego de armas en tierra, mar y aire. Si bien los rangekeepers fueron ampliamente desplegados, los rangekeepers más sofisticados fueron montados en buques de guerra para dirigir el fuego de armas de largo alcance. [1]
Estos dispositivos informáticos basados en buques de guerra debían ser sofisticados porque el problema de calcular los ángulos de los cañones en un enfrentamiento naval es muy complejo. En un enfrentamiento naval, tanto el buque que dispara el cañón como el objetivo se mueven uno con respecto al otro. Además, el buque que dispara su cañón no es una plataforma estable porque se balanceará , cabeceará y se desviará debido a la acción de las olas, el cambio de dirección del buque y los disparos desde el borde. El telémetro también realizó los cálculos balísticos necesarios asociados con el disparo de un cañón. Este artículo se centra en los telémetros de a bordo de la Armada de los EE. UU., pero los principios básicos de funcionamiento son aplicables a todos los telémetros, independientemente de dónde se hayan desplegado.
Un rangekeeper se define como un sistema de control de fuego analógico que realiza tres funciones: [2]
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). [3] 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. [4] Con el tiempo, los cañones navales se hicieron más grandes y tenían mayor alcance. Al principio, los cañones se apuntaban utilizando la técnica de detección de artillería . La detección de artillería implicaba 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 volvió cada vez más difícil a medida que aumentaba el alcance del arma. [3] [5]
Entre la Guerra Civil estadounidense y 1905, se realizaron numerosas pequeñas mejoras 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. Alrededor de 1905, comenzaron a estar disponibles ayudas mecánicas para el control de tiro, como la Mesa Dreyer , Dumaresq (que también formaba parte de la Mesa Dreyer) y el Reloj Argo, pero estos dispositivos tardaron varios años en implementarse ampliamente. [6] [7] Estos dispositivos fueron formas tempranas de telémetros.
La cuestión de dirigir los disparos de largo alcance se puso claramente de relieve durante la Primera Guerra Mundial con la Batalla de Jutlandia . Si bien algunos pensaban que los británicos tenían el mejor sistema de control de tiro del mundo en ese momento, durante la Batalla de Jutlandia solo el 3% de sus disparos realmente alcanzaron sus objetivos. En ese momento, los británicos usaban principalmente un sistema de control de tiro manual. El único barco británico en la batalla que tenía un sistema de control de tiro mecánico obtuvo los mejores resultados de tiro. [8] Esta experiencia contribuyó a que los telémetros se convirtieran en un equipo estándar. [9]
El primer despliegue de un telémetro por parte de la Armada de los EE. UU. fue en el USS Texas en 1916. Debido a las limitaciones de la tecnología en ese momento, los telémetros iniciales eran rudimentarios. Durante la Primera Guerra Mundial, los telémetros podían generar los ángulos necesarios automáticamente, pero los marineros tenían que seguir manualmente las direcciones de los telémetros (una tarea llamada "seguimiento del puntero" o "seguir el puntero"). El seguimiento del puntero podía ser preciso, pero las tripulaciones tendían a cometer errores inadvertidos cuando se fatigaban durante batallas prolongadas. [10] Durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron servomecanismos (llamados "motores de potencia" en la Armada de los EE. UU. y RPC en la Marina Real) que permitían que los cañones se dirigieran automáticamente a las órdenes del telémetro sin intervención manual. Las computadoras Mk. 1 y Mk. 1A contenían aproximadamente 20 servomecanismos, en su mayoría servos de posición, para minimizar la carga de par en los mecanismos de computación. La Marina Real instaló por primera vez el RPC, de manera experimental, a bordo del HMS Champion en 1928. En la década de 1930, el RPC se utilizó para el control de los reflectores navales y durante la Segunda Guerra Mundial se instaló progresivamente en montajes de pompones y directores , montajes de cañones de 4 pulgadas , 4,5 pulgadas y 5,25 pulgadas . [11] [12]
Durante su larga vida útil, los telémetros se actualizaban con frecuencia a medida que avanzaba la tecnología y, en 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 en condiciones climáticas adversas y de noche. [13]
Durante la Segunda Guerra Mundial, las capacidades de los telémetros se ampliaron hasta el punto de que el nombre "telémetro" se consideró inadecuado. El término "computadora", que se había reservado para las calculadoras humanas, pasó a aplicarse al equipo de los telémetros. Después de la Segunda Guerra Mundial, las computadoras digitales comenzaron a reemplazar a los telémetros. Sin embargo, los componentes del sistema de telémetro analógico continuaron en servicio en la Marina de los EE. UU. hasta la década de 1990. [14]
El rendimiento de estas computadoras analógicas fue impresionante. El acorazado USS North Carolina , durante una prueba en 1945, fue capaz de mantener una solución de disparo precisa [15] sobre un objetivo durante una serie de giros a alta velocidad. [16] 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 crucero de batalla 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 nueve proyectiles de 16 pulgadas (410 mm) de 75 disparos (tasa de impacto del 12%). [3] El naufragio del Kirishima fue descubierto en 1992 y mostró que faltaba toda la sección de proa del barco. [17] 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 una desventaja significativa. [18] La Marina Real comenzó a introducir la estabilización giroscópica de sus miras de director en la Primera Guerra Mundial y al comienzo de la Segunda Guerra Mundial todos los buques de guerra equipados con control de director tenían miras controladas giroscópicamente. [19]
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 [14], cuando los telémetros de los acorazados de la clase Iowa dirigieron sus últimas rondas en combate.
Los rangekeepers eran muy grandes y los diseños de los barcos necesitaban prever disposiciones para acomodarlos. Por ejemplo, la computadora Ford Mk 1A pesaba 3150 libras (1430 kg) [20]. Las placas de soporte del mecanismo del Mk. 1/1A, algunas de hasta 1 pulgada (25 mm) de espesor, estaban hechas de aleación de aluminio, pero, sin embargo, la computadora es muy pesada. En al menos un barco museo reflotado, el destructor USS Cassin Young (ahora en Boston), la computadora y el elemento estable probablemente aún estén debajo de la cubierta, porque son muy difíciles de quitar.
Los telémetros necesitaban una gran cantidad de cables de señales eléctricas para los enlaces de transmisión de datos sincronizados a través de los cuales recibían información de los diversos sensores (por ejemplo, director de armas, pitómetro , telémetro, girocompás) y enviaban comandos a las armas.
Estos ordenadores también tenían que ser extraordinariamente resistentes, en parte para soportar los impactos generados por los disparos de los cañones de la propia nave y también para soportar los efectos de los impactos de los enemigos hostiles en otras partes de la nave. No sólo tenían que seguir funcionando, sino también mantener su precisión.
El mecanismo Ford Mark 1/1A se montó en un par de piezas fundidas de forma aproximadamente cúbica con aberturas muy anchas, estas últimas cubiertas por piezas fundidas con juntas. Los mecanismos individuales se montaron sobre placas gruesas de aleación de aluminio y, junto con los ejes de interconexión, se instalaron progresivamente en la carcasa. El montaje progresivo significó que el acceso futuro a gran parte de la computadora requirió un desmontaje progresivo.
La computadora Mk 47 fue una mejora radical en accesibilidad con respecto a la Mk 1/1A. Tenía una forma más parecida a la de un gabinete de almacenamiento alto y ancho, con la mayoría o todos los diales en la superficie vertical frontal. Su mecanismo estaba construido en seis secciones, cada una montada sobre guías extraíbles de alta resistencia. Detrás del panel había, por lo general, una placa de montaje horizontal y otra vertical, dispuestas en forma de T.
La artillería de largo alcance es una combinación compleja de arte, ciencia y matemáticas. Existen numerosos factores que afectan la ubicación final de un proyectil y muchos de estos factores son difíciles de modelar con precisión. Por ello, la precisión de los cañones de los acorazados era de aproximadamente el 1 % del alcance (a veces mejor, a veces peor). La repetibilidad de proyectil a proyectil era de aproximadamente el 0,4 % del alcance. [16]
Para utilizar con precisión el fuego de largo alcance es necesario tener en cuenta una serie de factores:
Los cálculos para predecir y compensar todos estos factores son complicados, frecuentes y propensos a errores cuando se realizan a mano. Parte de la complejidad se debe a la cantidad de información que debe integrarse desde muchas fuentes diferentes. Por ejemplo, se debe integrar la información de los siguientes sensores, calculadoras y ayudas visuales para generar una solución:
Para aumentar la velocidad y reducir los errores, los militares sintieron la imperiosa necesidad de automatizar estos cálculos. Para ilustrar la complejidad, la Tabla 1 enumera los tipos de datos de entrada para el Ford Mk 1 Rangekeeper (ca. 1931). [3]
Sin embargo, incluso con todos estos datos, las predicciones de posición del telémetro no eran infalibles. Las características de predicción del telémetro podían usarse en su contra. Por ejemplo, muchos capitanes bajo ataque de cañones de largo alcance hacían maniobras violentas para "perseguir salvas" o "orientarse hacia la caída de los disparos", es decir, maniobrar hacia la posición de las últimas salvas. Debido a que los telémetros están constantemente prediciendo nuevas posiciones para el objetivo, era poco probable que las salvas posteriores alcanzaran la posición de la salva anterior. [21] [ cita completa requerida ] Los telémetros prácticos tenían que asumir que los objetivos se movían en una trayectoria en línea recta a una velocidad constante, para mantener la complejidad dentro de límites aceptables. Un telémetro de sonar fue construido para rastrear un objetivo que giraba en círculos a un radio de giro constante, pero esa función estaba desactivada. [ cita requerida ]
Los datos se transmitían mediante ejes giratorios, montados en soportes con cojinetes de bolas fijados a las placas de soporte. La mayoría de las esquinas estaban en ángulo recto, lo que se facilitaba mediante engranajes de inglete en una relación de 1:1. El Mk. 47, que estaba modularizado en seis secciones sobre guías de alta resistencia, conectaba las secciones entre sí mediante ejes en la parte posterior del gabinete. Un diseño inteligente significaba que los datos transportados por estos ejes no requerían una puesta a cero o alineación manual; solo importaba su movimiento. La salida de seguimiento asistido de un rodillo integrador es un ejemplo de ello. Cuando la sección se deslizaba de nuevo a la posición normal, los acoplamientos de los ejes se acoplaban tan pronto como los ejes giraban. [ cita requerida ]
Los mecanismos comunes en el Mk. 1/1A incluían muchos diferenciales de engranajes de inglete, un grupo de cuatro levas 3-D, algunos integradores de rodillos de bolas y discos y servomotores con su mecanismo asociado; todos ellos tenían formas voluminosas. Sin embargo, la mayoría de los mecanismos de computación eran delgadas pilas de placas anchas de diversas formas y funciones. Un mecanismo determinado podía tener hasta 1 pulgada (25 mm) de espesor, posiblemente menos, y más de unos pocos tenían tal vez 14 pulgadas (36 cm) de ancho. El espacio era un bien escaso, pero para cálculos de precisión, un mayor ancho permitía un mayor rango total de movimiento para compensar ligeras imprecisiones, derivadas de la holgura en las piezas deslizantes.
El Mk. 47 era un híbrido que realizaba algunos cálculos de forma eléctrica y el resto de forma mecánica. Tenía engranajes y ejes, diferenciales e integradores de disco, bola y rodillo totalmente cerrados. Sin embargo, no tenía multiplicadores ni resolvers mecánicos ("solucionadores de componentes"); estas funciones se realizaban de forma electrónica y la multiplicación se llevaba a cabo mediante potenciómetros de precisión.
Sin embargo, en el Mk. 1/1A, a excepción de los servos de accionamiento eléctrico, todos los cálculos eran mecánicos. [22] : Capítulo 2
Los métodos de implementación utilizados en las computadoras analógicas fueron muchos y variados. Las ecuaciones de control de tiro implementadas durante la Segunda Guerra Mundial en los telémetros analógicos son las mismas ecuaciones implementadas más tarde en las computadoras digitales. La diferencia clave es que los telémetros resolvieron las ecuaciones mecánicamente. Si bien las funciones matemáticas no se implementan mecánicamente hoy en día, existen métodos mecánicos para implementar todas las operaciones matemáticas comunes. Algunos ejemplos incluyen:
Las cuatro levas de la computadora Mk. 1/1A proporcionaban el ajuste mecánico de la espoleta temporizada, el tiempo de vuelo (este tiempo es desde el disparo hasta la explosión en el objetivo o cerca de él), el tiempo de vuelo dividido por el alcance previsto y el peralte combinado con la corrección de paralaje vertical. (El peralte es esencialmente la cantidad que se debe elevar el cañón del arma para compensar la caída de gravedad).
Los ordenadores Mk.1 y Mk.1A eran electromecánicos y muchos de sus cálculos mecánicos requerían movimientos de accionamiento a velocidades precisas. Utilizaban motores de inducción reversibles de dos fases accionados por condensador con contactos de tungsteno. Estos se estabilizaban principalmente mediante embragues deslizantes de fricción magnética rotativa (corrientes parásitas), similares a los velocímetros de imán rotativo clásicos, pero con un par mucho mayor. Una parte de la fricción estaba engranada con el motor y la otra estaba limitada por un resorte bastante rígido. Este resorte compensaba la posición nula de los contactos en una cantidad proporcional a la velocidad del motor, proporcionando así retroalimentación de velocidad. Los volantes montados en los ejes del motor, pero acoplados por fricción magnética, impedían el traqueteo de los contactos cuando el motor estaba en reposo. Desafortunadamente, los volantes también deben haber ralentizado un poco los servos. Un esquema más elaborado, que colocaba un volante y un diferencial bastante grandes entre el motor y la fricción magnética, eliminaba el error de velocidad para datos críticos, como las órdenes de disparo de los cañones.
Los discos integradores de ordenador Mk. 1 y Mk. 1A requerían un sistema especialmente elaborado para proporcionar velocidades de accionamiento constantes y precisas. Utilizaban un motor cuya velocidad se regulaba mediante un escape de reloj, contactos accionados por levas y un diferencial de engranajes rectos con cojinetes engastados. Aunque la velocidad oscilaba ligeramente, la inercia total lo convertía en un motor de velocidad constante. En cada tictac, los contactos activaban la alimentación del motor y, a continuación, el motor volvía a abrir los contactos. Se trataba, en efecto, de una modulación lenta por ancho de pulso de la alimentación del motor en función de la carga. Cuando estaba en funcionamiento, el ordenador emitía un sonido único a medida que se encendía y apagaba la alimentación del motor en cada tictac: docenas de engranajes en el interior de la carcasa de metal fundido del ordenador difundían el tictac hasta convertirlo en un sonido de "chunk-chunk".
Una descripción detallada de cómo desmontar y volver a montar el sistema se incluía en el folleto de artillería naval OP 1140 de dos volúmenes , con varios cientos de páginas y varios cientos de fotografías. [22] Al volver a montar, había que aflojar las conexiones de los ejes entre los mecanismos y moverlos mecánicamente de modo que la salida de un mecanismo estuviera en el mismo ajuste numérico (como cero) que la entrada del otro. Afortunadamente, estas computadoras estaban especialmente bien hechas y eran muy fiables. [ cita requerida ]
Durante la Segunda Guerra Mundial, todas las principales potencias en guerra desarrollaron sistemas de control de tiro a distintos niveles. [10] Los sistemas de control de tiro fueron solo un miembro de una clase de computadoras electromecánicas utilizadas para el control de tiro durante la Segunda Guerra Mundial. El hardware de computación analógica relacionado utilizado por los Estados Unidos incluía: