어뢰 데이터 컴퓨터

어뢰데이터컴퓨터(TDC)는 제2차 세계대전 당시 미국 잠수함의 어뢰 화력 제어에 사용되는 초기 전기기계 아날로그 컴퓨터였다. 영국 독일 일본 등도 자동화된 어뢰 사격통제 장비를 개발했지만, 단순히 순간 사격용액을 제공하는 것이 아니라 목표물을 자동으로 추적할 수 있어 미 해군의 TDC만큼 발전된 것은 없었다.^[1] TDC의 이 독특한 능력은 제2차 세계대전 중 잠수함 어뢰 발사 제어의 표준을 정립했다.^[2][3]

TDC는 기존의 표준형 핸드헬드 슬라이드 규칙형 장치("반조"와 "is/was"^[4]로 알려져 있음)를 대체하여, 수면 위를 달리는 선박에 대해 잠수함 어뢰를 발사하는 것에 대한 화재 제어 솔루션을 제공하도록 설계되었다(표면 군함들은 다른 컴퓨터를 사용했다).^[5]

TDC는 잠수함의 커넥팅 타워에 다소 부피가 큰 규모로 추가되었고 두 명의 추가 승무원이 필요했는데 하나는 정비 전문가로, 다른 하나는 실제 운영자로 필요했다. 이러한 단점들에도 불구하고, TDC의 사용은 2차 세계 대전 당시 미국 잠수함에 의해 수행된 상업 급습 프로그램의 성공에 중요한 요소였다. 태평양에서의 미국 잠수함 캠페인의 설명은 종종 TDC의 사용을 인용한다.^[6][7] 어떤 장교들은 그것의 사용에 매우 능숙해졌고,^[8] 해군은 그것의 사용을 위해 훈련 학교를 설립했다.^[9]

TDC를 탑재한 제2차 세계 대전 당시 미 해군 함대 잠수함(USS 투스크와 커틀라스) 2척은 대만 해군과 계속 근무하고 있으며, 미국 해경박물관 직원들이 장비 유지관리를 돕고 있다.^[10] 이 박물관은 또한 샌프란시스코에 정박해 있는 팜파니토 USS로부터 완전히 복원되고 기능하는 TDC를 가지고 있다.

배경

역사

어뢰를 조준하는 문제는 1860년대 로버트 화이트헤드가 현대식 어뢰를 개발한 이후 군사기술자들을 점령해 왔다. 이 초기 어뢰들은 직선 코스에서 사전 설정된 깊이에서 작동했다(그러므로 흔히 "직진 주자"라고 부른다). 제2차 세계대전 후기 호밍 어뢰가 개발되기 전까지 어뢰 유도술의 상태였다.^[11] 제2차 세계 대전 당시 잠수함 어뢰의 대부분은 직진했고, 이는 제2차 세계 대전 이후 여러 해 동안 계속 사용됐다.^[12] 실제로 1982년 영국 핵추진 잠수함 HMS 컨커러가 발사한 2차 대전 당시 직진 어뢰 2발이 ARA 장군 벨그라노를 침몰시켰다.

세계 대전 동안이 사격 통제 파티 다양한 슬라이드 rules[13](미국 사례는 마크 8세 앵글 해결자(구어체에서는, 그것의 모양이 만들어진"밴조"를 불렀어)의 지원을 받고 있었는데 1세,는 어뢰의 표적 요격 코스 컴퓨팅은 수동 프로세스와"Is/Was"원형 sliderule(Nasmith 감독), 목표 b. 것이다 예측하는 것을e 힘들게 됐어현재 및 현재 위치)^[14] 또는 기계식 계산기/^[15]계산기 이런 것들은 종종 "매우 부정확하다"^[16]는 것이 왜 어뢰 확산이 권고되었는지 설명하는 데 도움이 된다.

제2차 세계 대전 동안 독일,^[17] 일본,^[18] 미국은 각각 필요한 어뢰 코스의 계산 과정을 자동화하기 위해 아날로그 컴퓨터를 개발했다.^[19]

1932년, 오드넌스국(BuOrd)은 아르마 코퍼레이션과 포드 인스트루먼트와 함께 TDC의 개발을 시작했다.^[20] 이것은 1938년에 "매우 복잡한" 마크 1로 절정에 달했다.^[20] 이것은 돌핀을 시작으로 최신의 살몬스를 거쳐 오래된 보트로 개조되었다.^[20]

TDC를 사용하도록 설계된 최초의 잠수함은 탐보(Tambor)로,^[21] 1940년 마크 III와 함께 발사되었으며, 콘닝 타워에 위치하였다(이것은 이전의 의상과 달랐다).^[20][22] 제2차 세계대전의 최고의 어뢰 사격통제시스템으로 판명되었다.^[23]

1943년, Mark 18 어뢰를 지원하도록 Turple Data Computer Mark IV가 개발되었다.^[24][25]

Mk III와 Mk IV TDC 모두 아르마 코퍼레이션(현재의 미국 보쉬 아르마)이 개발했다.

똑바로 달리는 어뢰를 조준하는 문제

직진 어뢰는 자이로스코프 기반의 제어장치를 갖추고 있어 어뢰가 직진할 수 있도록 했다.^[26] 어뢰는 잠수함의 진로에 상대적인 어뢰의 진로를 설정하는 자이로각이라는 파라미터를 조정함으로써 잠수함의 진로와 다른 진로를 달릴 수 있다(그림 2 참조). TDC의 일차적인 역할은 어뢰가 목표물을 타격하는 데 필요한 자이로 각도 설정을 결정하는 것이다.

자이로 각도를 결정하기 위해서는 복잡한 삼각 방정식의 실시간 솔루션이 필요했다(간단한 예는 방정식 1 참조). TDC는 잠수함의 항법 센서와 TDC 표적 추적기의 데이터 업데이트를 사용하여 이 방정식에 대한 연속적인 해결책을 제공했다. TDC는 또 모든 어뢰 자이로 각도 설정을 화력제어 솔루션과 동시에 자동 업데이트할 수 있어 어뢰의 진로를 수동 업데이트해야 하는 시스템보다 정확도가 향상됐다.^[27]

TDC는 잠수함과는 다른 항로로 어뢰를 발사할 수 있게 해 전술적으로 중요하다. 그렇지 않으면 어뢰를 발사하기 위해 잠수함이 예상 요격 지점을 가리킬 필요가 있을 것이다.^[28] 어뢰를 발사하기 위해 전체 함정을 조준해야 하는 것은 시간이 오래 걸리고, 정확한 잠수함 항로 통제가 필요하며, 불필요하게 어뢰 발사 과정을 복잡하게 만들 것이다. 표적 추적이 가능한 TDC는 잠수함이 어뢰에 필요한 표적 요격 코스와 독립적으로 기동할 수 있는 능력을 제공한다.

그림 2에서 보듯이 일반적으로 어뢰는 발사 직후에 실제로 직진하지 않고 즉각 전속력으로 가속하지 않아 어뢰 탄도 특성이라고 한다. 탄도 특성은 리치, 회전 반지름, 수정된 어뢰 속도 등 세 가지 매개변수로 설명된다. 또 목표 베어링 각도는 잠망경 대 어뢰의 시야각과 다른데 이를 어뢰관 시차라고 한다.^[29] 이러한 요인은 자이로 각도의 계산에 있어 상당한 복잡성이며 TDC는 그 영향을 보상해야 한다.

곧바로 달리기 어뢰 보통 일제 사격( 짧은 기간에 i.e. 미사일 연쇄 발사)[30]또는 확산(약간의 각도 오프셋과 i.e. 미사일 연쇄 발사)[30]에 주어진 대상 파업의 확률을 높이기 위해 발사된 부정확한 각도의 범위, 대상 속도, 어뢰 트랙으로 그린 각도 및 torpe를 측정한다.속도를 내니.

살보스와 스프레드 또한 파괴를 보장하기 위해 여러 차례 강력한 목표물을 타격하기 위해 발사되었다.^[31] TDC는 각 어뢰의 자이로 각도에 작은 각도 오프셋을 더해 발사와 어뢰 확산 사이에 짧은 시간 오프셋을 허용해 어뢰 살보 발사를 지원했다. 2010년 북한의 천안함 폭침 전 잠수함 어뢰 공격으로 침몰한 마지막 군함 벨그라노(Belgrano) 장군은 3발의 어뢰 확산으로 2발의 어뢰를 맞았다.^[32]

일반적인 교전 시나리오에서 어뢰에 대한 자이로 각도를 정확하게 계산하려면 목표 항로, 속도, 범위, 베어링을 정확하게 알아야 한다. 제2차 세계 대전 동안, 목표 코스, 범위 및 방위 추정치는 종종 매우 주관적이고 오류가 발생하기 쉬운 잠망경 관측을 사용하여 생성되어야 했다. TDC는 목표물의 항로, 범위, 내력 등의 추정치를 다음과 같은 과정을 통해 세분화하는 데 사용되었다.

• 관측치를 기반으로 대상의 항로, 속도 및 범위를 추정한다.
• TDC를 사용하여 대상의 코스, 속도 및 범위의 추정에 기초하여 미래 시간에 대상의 위치를 예측한다.
• 예측 위치와 실제 위치를 비교하고 예측과 관측치 사이의 일치도를 달성하기 위해 필요한 추정 매개변수를 수정한다. 예측과 관측의 일치란 목표 코스, 속도, 범위 추정치가 정확하다는 것을 의미한다.

대상의 진로를 추정하는 것은 일반적으로 관찰 과제 중 가장 어려운 것으로 여겨졌다. 그 결과의 정확성은 스키퍼의 경험에 따라 크게 좌우되었다. 전투 중, 목표물의 실제 항로는 보통 결정되지 않았지만, 대신 스키퍼들은 "활의 각도"라고 불리는 관련 수량을 결정했다. 활의 각도는 목표 항로와 잠수함에 대한 조준선에 의해 형성된 각이다. 리처드 오케인과 같은 일부 스키퍼들은 역 쌍안경 통을 통해 교정된 게으른 수잔에 탑재된 IJN 선박 모델을 보면서 활의 각도를 결정하는 연습을 했다.^[33]

목표 위치 데이터와 시간 대 목표 위치 데이터를 생성하기 위해 TDC는 잠수함에 상대적인 목표물에 대한 움직임 방정식을 해결해야 했다. 운동 방정식은 미분 방정식이며 TDC는 용액을 생성하기 위해 기계적 통합자를 사용했다.^[34]

TDC는 전자기계 상호연결량을 최소화하기 위해 다른 화재 제어 장비 근처에 배치해야 했다. 압력선체 내부의 잠수함 공간이 제한돼 있었기 때문에 TDC는 가능한 한 작아야 했다. 제2차 세계 대전 잠수함에서는 TDC를 비롯한 각종 화재 진압 장비가 콘닝 타워에 탑재되어 있었는데, 이는 매우 작은 공간이었다.^[35] 포장 문제가 심각했고 일부 초기 어뢰 사격통제장비의 성능은 소형화해야 하는 필요성 때문에 차질을 빚었다.^[36] 그것은 데이터 입력과 디스플레이를 위한 핸드크랭크, 다이얼, 스위치들을 가지고 있었다.^[37] 화재 진압용액을 생성하기 위해, 에 대한 입력이 필요했다.

• 잠수함의 자이로 컴퍼스와 피트미터 로그에서 자동으로 판독된 잠수함 코스와 속도
• 추정 대상 코스, 속도 및 범위 정보(잠수함의 잠망경, 대상 베어링 송신기(TBT),^[38] 레이더 및 음파 탐지기의 데이터를 사용하여 파악됨)
• 어뢰 종류와 속도 (다른 어뢰 탄도학을 처리하기 위해 유형이 필요함)

TDC는 어뢰의 표적 요격 코스를 계산하는 데 필요한 삼각계 계산을 수행했다. 또한 어뢰에 대한 전자기계 인터페이스를 갖추고 있어 어뢰가 발사 준비를 마친 상태에서 자동으로 항로를 설정할 수 있었다.

TDC의 표적 추적 기능은 소방방재단이 잠수함이 기동하는 중에도 화재통제용액을 지속적으로 업데이트하는 데 활용됐다. TDC의 표적 추적 능력도 연기나 안개로 표적이 일시적으로 가려져도 잠수함이 어뢰를 정확하게 발사할 수 있도록 했다.

TDC 기능 설명

TDC는 실제로 목표 위치 추정치를 생성하고 어뢰 발사 각도를 계산하는 두 가지 개별 기능을 수행했기 때문에 TDC는 실제로 두 가지 유형의 아날로그 컴퓨터로 구성되었다.

• 각도 해결기: 이 컴퓨터는 필요한 자이로 각도를 계산한다. TDC에는 전방 및 후방 어뢰관에 대한 별도의 각도 용해기가 있었다.
• 포지션 키퍼: 이 컴퓨터는 이전의 대상 위치 측정치에 기초하여 대상 위치의 연속적으로 갱신된 추정치를 생성한다.^[39]

각도 해결기

각도 해결기에 구현된 방정식은 어뢰 데이터 컴퓨터 매뉴얼에서 확인할 수 있다.^[40] 잠수함 어뢰발사통제 매뉴얼은^[41] 일반적인 의미에서 계산에 대해 논의하며, 그 논의의 큰 축약형식이 여기에 제시되어 있다.

일반적인 어뢰 사격통제 문제는 그림 2에 예시되어 있다. 이 문제는 다음과 같이 가정하면 더욱 다루기 쉬워진다.

• 잠망경은 진로를 따라 달리는 어뢰에 의해 형성된 선상에 있다.
• 목표물이 정해진 코스와 속도로 움직인다.
• 어뢰는 일정한 진로와 속도로 움직인다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 어뢰의 탄도 특성 및 어뢰관 시차 때문에 이러한 가정은 일반적으로 사실이 아니다. 탄도탄 및 시차탄에 대한 어뢰 자이로 각도 계산의 보정 방법에 대한 자세한 내용은 이 글의 범위를 벗어나 복잡하다. 자이로 각도 결정에 대한 대부분의 논의는 그림 3을 사용하는 간단한 접근법을 취하는데, 이것을 어뢰 발사 제어 삼각형이라고 한다.^[6][7] 그림 3은 자이로 각도가 보통 30°^[42] 미만으로 작을 때 자이로 각도를 계산하기 위한 정확한 모델을 제공한다.

시차 및 탄도탄의 영향은 작은 자이로 각 발사에서 미미하다. 왜냐하면 그것들이 야기하는 코스 편차는 보통 무시하기 어려울 정도로 작기 때문이다. 제2차 세계대전 당시 미국 잠수함들은 TDC의 사격통제 솔루션이 작은 각도에서 가장 정확했기 때문에 소형 자이로 각도로 어뢰를 발사하는 것을 선호했다.^[43]

자이로 각도 설정 계산 문제는 어뢰 탄도, 시차를 무시한 편향각 계산을 먼저 고려해 단순화한 삼각측량 문제다.^[44] 작은 자이로 각도의 경우 θ_Gyro ≈ θ_Bearing - θ_Deflection. sine의 법칙을 그림 3에 직접 적용하면 방정식 1이 생성된다.

${\displaystyle {\frac {\left\Vert v_{\mathrm {Target} }\right\ }{\sin(\theta _{\mathrm {Deflection} })}}={\frac {\left\Vert v_{\mathrm {Torpedo} }\right\ }{\sin(\theta _{\mathrm {Bow} })}}}$

(1)

어디에

v는_Target 목표물의 속도다.

v는_Torpedo 어뢰의 속도다.

θ은_Bow 잠망경 시야에 상대적인 대상 선박 활의 각도다.

θ은_Deflection 잠망경 시야에 상대적인 어뢰 진로의 각도다.

세 가지 가정이 충족되는 한, 범위는 방정식 1에서 아무런 역할을 하지 않는다. 사실 방정식 1은 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 당시 해상 함정에 사용된 조련형 어뢰관의 기계적 조준경으로 해결된 방정식과 같다. 수 많은 어뢰관에서 어뢰가 발사되면 세 가지 가정을 잘 충족한다. 그러나 잠수함에서 정확한 어뢰를 발사하려면 자이로 각도가 클 때 시차교정과 어뢰 탄도교정이 필요하다. 이러한 수정은 정확한 범위를 알아야 한다. 목표 사거리를 알 수 없는 상황에서 대형 자이로 각도가 필요한 어뢰 발사는 권장하지 않았다.^[45]

등식 1은 편향 각도를 선로각으로 대체하기 위해 자주 수정된다(선로각은 그림 2, θ_Track=θ_Bow+θ에_Deflection 정의되어 있다). 이 수정은 방정식 2와 함께 설명된다.

${\displaystyle {\frac {\left\Vert v_{\mathrm {Target} }\right\ }{\sin(\theta _{\mathrm {Deflection} })}}={\frac {\left\Vert v_{\mathrm {Torpedo} }\right\ }{\sin(\theta _{\mathrm {Track} }-\theta _{\mathrm {Deflection} })}}}$

(2)

여기서 θ은_Track 표적 함정의 진로와 어뢰의 진로를 잇는 각도다.

다수의 간행물에는^[46][47] Mk 14(46 매듭 무기)의 최적 어뢰 궤도 각도가 110°라고 명시되어 있다. 그림 4는 자이로 각도가 0°일 때(즉, θ_Deflection=θ_Bearing) 편향각 대 트랙 각도를 나타낸다.^[48] 최적 궤도 각도는 주어진 목표 속도에 대한 각도 오류를 추적하기 위한 최소 편향 각도 민감도의 점으로 정의된다. 이 최소값은 그림 4의 곡선에서 0 기울기 지점에서 발생한다(이 점들은 작은 삼각형으로 표시된다).

곡선은 목표 속도와 궤도 각도의 함수로써 편향 각도에 대한 방정식 2의 해답을 보여준다. 그림 4는 110°가 일반적인 선박 속도가 될 16knot (30km/h) 표적에 대한 최적 선로 각도임을 확인한다.^[49]

포지션 키퍼

각도 해결기와 마찬가지로 각도 해결기에 구현된 방정식은 Torped Data Computer 매뉴얼에서 확인할 수 있다.^[40] 지상 선박 기반 화재 제어 시스템의 레인지키퍼에서도 유사한 기능이 구현되었다. 포지션 키퍼 뒤에 있는 원리에 대한 일반적인 설명은 Rangekeeper를 참조하십시오.

참고 및 참조

외부 링크

• USS 팜파니토: 팜파니토의 TDC에 관한 기사.
• 어뢰 데이터 컴퓨터 Mk IV
• A. 벤 클라이머: 한니발 포드와 윌리엄 뉴웰의 기계 아날로그 컴퓨터, IEEE 연보 컴퓨터
• 미국 어뢰 이력: Mk 14, Mk 18, Mk 23의 운용 사용에 대한 좋은 설명
• Turple Data Computron Data Computer Mark 3
• Bureau of Ordnance (4 December 1941). Tactical Data for Torpedoes Mark XIV & Mark XIV-1 High & Low Power (PDF). Ordnance Data Pamphlet. Washington D.C.: Navy Department. O.D. No. 3699.
• Bureau of Ordnance (10 August 1954). Tactical Data for Torpedo Mark 18 (PDF). Ordnance Data Pamphlet. Washington D.C.: Navy Department. O.D. No. 6697 Change 2.
• 일본 해군이 사용한 어뢰탄도 및 시차교정 논의
• 독일어뢰 계산기 T에 대한 설명.지멘스가 개발해 제2차 세계 대전 당시 독일 U보트에 사용했던 Vh.Re.S3