Керризоновский предсказатель: автоматизированная система управления огнем зенитной артиллерии.

Введение

Керрисон Предиктор был одной из первых полностью автоматизированных систем управления огнем по воздушным целям. Он использовался для автоматизации наведения 40-мм пушек Бофорс британской армии и обеспечения точного вычисления упреждения с помощью простых данных, вводимых с трех основных рукояток. Предиктор мог наводить орудие на самолет, основываясь на простых данных, таких как наблюдаемая скорость и угол к цели. Подобные устройства уже некоторое время использовались на кораблях для управления артиллерийским огнем, а такие модели, как Vickers Predictor, были доступны для более крупных зенитных орудий, предназначенных для борьбы с высотными бомбардировщиками. Аналоговый компьютер Керрисона стал первым, который был достаточно быстрым для применения в сложных условиях высокоскоростных полетов на малых высотах, что требовало очень короткого времени на захват цели и высоких угловых скоростей. Эта конструкция также была принята на вооружение в США, где производилась компанией Singer Corporation под названием M5 Antiaircraft Director, позднее модернизированная до версий M5A1 и M5A2. M6 была механически идентична, отличаясь лишь питанием от сети переменного тока частотой 50 Гц, принятой в Великобритании.

История

К концу 1930-х годов и Vickers, и Sperry разработали предсказатели для борьбы с бомбардировщиками, действовавшими на больших высотах. Однако низколетящие самолеты представляли собой совершенно иную проблему, характеризующуюся очень коротким временем сближения и высокими угловыми скоростями, но при этом меньшей потребностью в баллистической точности. Предпочтительным оружием против этих целей были пулеметы, наводимые "на глаз" и управляемые вручную, но к 1930-м годам они уже не обладали достаточной эффективностью для поражения более крупных и быстрых самолетов. Новые 40-мм пушки Bofors британской армии предназначались для использования в качестве стандартного зенитного оружия малых высот. Однако существующие системы управления огнем были недостаточно эффективны для решения этой задачи: дальность была слишком велика для приблизительной наводки, но в то же время достаточно мала, чтобы угол мог измениться быстрее, чем артиллеристы успевали повернуть маховики наведения. Одновременное использование вычислительного прицела создавало дополнительную нагрузку на артиллериста. Усугубляло ситуацию то, что эти районы были основными направлениями атак пикирующих бомбардировщиков Люфтваффе, которые быстро доказали свою решающую роль в блицкриге. Этим вопросом занялся майор А.В. Керрисон из британской армии, который в 1930-х годах работал в качестве армейского представителя в Исследовательской лаборатории Адмиралтейства в Теддингтоне. Керрисон участвовал в разработке нескольких артиллерийских вычислителей для Королевского флота и взялся за эту проблему в конце 1930-х годов. После войны Керрисон стал директором по аэронавтическим и инженерным исследованиям в британском Адмиралтействе. Его решение заключалось в создании вычислителя, который избавлял от многих поправок и проблем с синхронизацией, характерных для устройств, таких как Vickers Predictor, предназначенных для стрельбы на больших высотах. Вместо этого он выполнял относительно простой расчет точки падения, основанный на относительном движении, определяемом оператором. Ключевым элементом концепции было использование двух интеграторов на основе шаров и дисков, предназначенных для поддержания постоянной скорости движения. На вращающемся диске располагались два металлических шара, установленных друг на друга, причем нижний шар контактировал с диском, а верхний – с механизмами, приводящими в движение маховики наведения предсказателя. Шары могли быть разъединены или сжаты вместе. Для первоначальной настройки оператор разъединял шары и с помощью маховиков наводил телескоп предсказателя на цель. Это также перемещало шары по поверхности диска, хотя они еще не контактировали с ним. После начала сопровождения цели сцепление приводилось в действие, чтобы установить шары в контакт с диском, после чего вращение диска заставляло шары вращаться и автоматически перемещать телескоп для поддержания наведения на цель. Поскольку исходные данные с маховиков, вероятно, не были абсолютно точными, система обычно начинала "сбиваться" с цели. Операторы затем перемещали маховик, чтобы вернуть цель в центр, что также сдвигало шары по диску в новое положение, изменяя их скорость вращения и, таким образом, корректируя скорость движения для повторного точного сопровождения цели. Положение шаров над диском напрямую отражало угловую скорость цели. Третья настройка сцепления позволяла сбросить систему и начать сопровождение другой цели. Две скорости – азимута и высоты – использовались для расчета угловой скорости цели, а затем – вектора, по которому цель двигалась относительно орудия. Это не обеспечивало полного решения: снаряду требовалось определенное время, чтобы достичь цели, в течение которого она продолжала двигаться. Это требовало, чтобы орудие "выводило" цель на опережение, учитывая ее движение за это время. Поскольку дальность до цели не зависела от ее движения, это значение необходимо было вводить отдельно, изначально путем приблизительной оценки дальности или с использованием оптического дальномера, хотя во время Второй мировой войны небольшие радиолокационные дальномеры для этой задачи стали широко распространены. "Выход" устройства приводил в действие гидравлические сервоприводы, подключенные к механизмам горизонтального и вертикального наведения стандартной пушки Bofors, позволяя ей автоматически следовать указаниям предсказателя без ручного вмешательства. Артиллеристы просто заряжали пушку, а три наводчика должны были лишь навести предсказатель, установленный на большом штативе, на цель. Предсказатель Керрисона не рассчитывал установку взрывателя, поскольку снаряды, используемые с 40-мм пушкой Bofors, для которой он был разработан, имели ударный взрыватель. Предсказатель доказал свою способность поражать практически любой объект, движущийся по прямой, и был особенно эффективен против пикирующих бомбардировщиков. Он также был очень сложным, состоял более чем из 1000 прецизионных деталей и весил более , несмотря на то, что большая часть его конструкции была выполнена из алюминия для снижения веса. Из-за высоких потребностей ВВС в легких металлах и квалифицированных рабочих производство предсказателя в значительных количествах было слишком сложным для армии. Хотя предсказатель оказался отличным дополнением к пушке Bofors, он не был лишен недостатков. Основной проблемой было то, что для привода пушки требовался довольно большой электрический генератор, что увеличивало логистическую нагрузку на обеспечение генераторов топливом. Настройка системы также была довольно сложной задачей, которую нельзя было выполнить "на ходу". В конечном итоге они использовались почти исключительно в стационарных позициях, а полевые подразделения продолжали полагаться на свои исходные прицелы или простые прицелы Stiffkey Stick, которые были введены в конце 1943 года. Композитный зенитный предсказатель №7, также разработанный Керрисоном, был в некоторой степени похож. Он был первоначально разработан для 6-фунтовой морской пушки для ближней обороны, а также для поражения целей на средних высотах. Позже он был адаптирован для использования с 40-мм пушкой Bofors.

By the late 1930s, both Vickers and Sperry had developed predictors for use against high altitude bombers. However, low flying aircraft presented a very different problem, with very short engagement times and high angular rates of motion, but at the same time less need for ballistic accuracy. Machine guns had been the preferred weapon against these targets, aimed by eye and swung by hand, but these no longer had the performance needed to deal with the larger and faster aircraft of the 1930s. The British Army's new Bofors 40 mm guns were intended as their standard low altitude anti aircraft weapons. However, existing gunnery control systems were inadequate for the purpose; the range was too far to "guess" the lead, but at the same time close enough that the angle could change faster than the gunners could turn the traversal handles. Trying to operate a calculating gunsight at the same time was an added burden on the gunner. Making matters worse was that these ranges were exactly where the Luftwaffes dive bombers, which were quickly proving to be a decisive weapon in the Blitzkrieg, were attacking from. The problem was taken up by Major A. V. Kerrison of the British Army, who had been working as the Army liaison at the Admiralty Research Laboratory, Teddington, through 1930s. Kerrison had worked on several of the Royal Navy's gunnery computers and took up the problem in the late 1930s. After the war, Kerrison went on to become Director of Aeronautical and Engineering Research at the British Admiralty. His solution was a calculator that dispensed with many of the corrections and timing issues seen in devices like the Vickers Predictor which were intended for high altitude fire. Instead, it made a relatively simple calculation of the impact point based on relative motion as provided by the operator. Key to the concept was the use of two ball and disk integrators, used in this case to maintain a constant rate of motion. On top of the motorized disk were two metal balls, set one on top of the other with the bottom one in contact with the disk and the second in contact with mechanisms that drove the Predictor's laying handwheels. The two balls were clutched so they could be separated or forced together. For the initial setup, the operator would declutch the balls and use the handwheels to bring the Predictor's telescope onto the target. This also moved the two balls across the surface of the disk, although they were not in contact with it. Once they had begun tracking it, the clutch would be moved to bring the two balls into contact with the disk, at which point the rotation of the disk would cause the balls to rotate and thus automatically move the telescope to stay aligned with the target. As the original inputs from the handwheels were unlikely to be perfectly accurate, the system would normally begin to "drift" away from the target. The operators would then move the handwheel to bring the target back into the center, which also slid the balls over the disk to a new location, changing their rotation speed, and thereby adjusting the rate of motion to properly track the target again. The position of the balls over the disk directly represents the rate of angular motion of the target. A third setting in the clutch reset the system to begin tracking a different target. The two rates, in azimuth and altitude, were used to calculate the angular rate of the target, and from that, the vector along which the target was moving relative to the gun. This does not provide a complete solution; the shell from the gun takes a certain time to fly to the target, during which time it moves. This requires the gun to "lead" the target to account for the motion during this time. Since the range to the target is independent of its motion, this value had to be input separately, initially by a separate crewman simply estimating the range or using some form of optical rangefinder, although small Gun Laying radars for this task became common during World War II. The "output" of the device drove hydraulic servo motors attached to the traversal and elevation gears of the otherwise unmodified Bofors gun, allowing it to follow the predictor's indications automatically without manual intervention. The gunners simply kept the gun loaded, while the three aimers simply had to point the Predictor, mounted on a large tripod, at the target. The Kerrison predictor did not calculate fuse settings, as the shells fired by the 40 mm Bofors gun, with which it was designed to work, were contact fused. The Predictor proved to be able to hit practically anything that flew in a straight line, and it was particularly effective against dive bombers. It was also very complex, including over 1,000 precision parts and weighing over , even though much of it was made of aluminium to reduce weight. With the demands of the RAF for almost all light metals and machinists, the Predictor was far too difficult for the Army to produce in any quantity. While the Predictor proved to be an excellent addition to the Bofors, it was not without its faults. The main problem was that the system required a fairly large electrical generator in order to drive the gun, increasing the logistics load in supplying the generators with fuel. Setting the system up was also a fairly complex task, and not something that could be done "on the fly". In the end, they were used almost entirely for static emplacements, field units continuing to rely on their original iron sights or the simple Stiffkey Stick sights that were introduced in late 1943. The No.7 anti aircraft composite predictor, also designed by Kerrison was similar in some ways. It was originally developed for the 6 pounder naval gun, for close in defence and also against targets at intermediate altitudes of It was later adapted for use with the 40 mm Bofors.

Служба США

Хотя он был точнее, чем предсказатель Керрисона, компания Sperry не смогла обеспечить производство более дорогостоящего и сложного директора M 7. В сентябре 1940 года генерал Джордж Маршалл попросил британцев одолжить четыре 40-мм пушки Бофорса с предсказателями Керрисона для испытаний. В ходе испытаний предсказатель Керрисона обеспечивал точное управление огнем на дальности более 500 метров, а пушка Бофорса оказалась надежной. Осенью 1940 года Управление вооружения стандартизировало предсказатель Керрисона для использования с их 37-мм пушкой. К февралю 1941 года ВМС США приняли Бофорс для установки на свои корабли. Чтобы облегчить проблемы с производством, армия неохотно стандартизировала 40-мм пушку в феврале 1941 года; США производили Бофорс для британцев по программе ленд-лиза. Планы предсказателя были переданы корпорации Sperry, которая только начинала производство своей собственной сложной системы управления огнем на большой высоте M7 Computing Sight и не располагала избыточными мощностями для производства новой конструкции. Вместо этого они завершили необходимые изменения для адаптации предсказателя к производству в США и вернули планы армии для организации производства на других предприятиях. В декабре 1940 года с корпорацией Singer был заключен контракт на производство 1500 предсказателей в месяц для оснащения существующих 37-мм пушек армии, одновременно наращивалось производство 40-мм Бофорса. Первоначально были построены две модели: M5, работающая от стандартного американского напряжения 115 В, 60 Гц, и M6 для британского использования, работающая от 50 В, 50 Гц. Оригинальный M5 был разработан с использованием внешнего усилителя крутящего момента, что усложняло конструкцию. Эта проблема была решена в M5A1, который использовал более мощную систему шаров и дисков, устраняющую необходимость во внешнем усилителе. Чтобы обеспечить достаточно быструю скорость производства, Singer внесла масштабные изменения в структуру компании, включая строительство новых заводов и переоборудование литейного цеха со стали на алюминий. Производство началось только в январе 1943 года, но весь заказ был выполнен к середине 1944 года. В течение короткого времени некоторые 40-мм пушки Бофорса в армии США были оснащены Sperry M7, но они были заменены в полевых условиях, как только появились M5. С увеличением скорости самолетов во время войны даже скорость предсказателя Керрисона оказалась недостаточной к концу войны. Тем не менее, предсказатель продемонстрировал, что для эффективной артиллерийской стрельбы требуется определенная вычислительная поддержка, и в 1944 году Bell Labs начала поставку новой системы на базе электронного аналогового компьютера. Время оказалось удачным; в конце лета немцы начали атаковать Лондон летающими бомбами V-1, которые летели на большой скорости на малых высотах. После месяца ограниченного успеха против них все имеющиеся зенитные орудия были передислоцированы на полосу земли, ведущую к Лондону, и новые прицелы оказались более чем способными противостоять им. Дневные атаки вскоре были прекращены. Спустя много лет после войны американские M5 начали появляться в магазинах военных излишков в конце 1950-х годов. Джон Уитни приобрел один (а позже и Sperry M7) и подключил электрические выходы к сервоприводам, управляющим положением небольших освещенных целей и лампочек. Затем он модифицировал "математику" системы, чтобы перемещать цели различными математически контролируемыми способами, технику, которую он назвал инкрементным дрейфом. По мере увеличения мощности систем они в конечном итоге превратились в управление движением в фотографии, широко используемый метод в съемке спецэффектов.

Although it was more accurate than the Kerrison predictor, Sperry was unable to keep up with production of its more expensive and complex M 7 director. In September 1940, General George C. Marshall asked the British for the loan of four Bofors 40 mm guns with Kerrison Predictors for testing. During testing the Kerrison Predictor provided accurate fire control to a range in excess of , and the Bofors gun was reliable. In the fall of 1940, the Ordnance Department standardized the Kerrison Predictor for use with their 37 mm gun. By February 1941, the U. S. Navy had adopted the Bofors for use on their ships. To ease production problems, the Army reluctantly standardized on the 40 mm in February 1941; the U. S. was building the Bofors for the British under the Lend Lease Program. The Predictor's plans were passed to Sperry Corporation, who were just commencing production of their own complex high altitude system, the M7 Computing Sight, and had no excess capacity to produce the new design as well. Instead, they completed changes needed to adapt the Predictor to U. S. production and sent the plans back to the Army for production elsewhere. In December 1940 the Singer Corporation was contracted to produce 1,500 predictors per month to equip the Army's existing 37 mm guns while production of the 40 mm Bofors was ramped up. Two models were built initially, the M5 running on US standard 115 V 60 Hz power, and the M6 for British use, running on 50 V 50 Hz power. The original M5 was designed to use an external torque amplifier, which added to the complexity. This was addressed in the M5A1, which used a more powerful ball and disk system that eliminated the need for an external amplifier. To produce the devices rapidly enough, Singer implemented massive changes in the company, including building new factories and the switching of a foundry from steel to aluminium. Production did not begin until January 1943, but the entire order was filled by the middle of 1944. For a brief time, some of the U. S. Army's Bofors guns were equipped with the Sperry M7, but these were replaced in the field as soon as M5s became available. With aircraft speeds increasing dramatically during the war, even the speed of the Kerrison Predictor proved lacking by the end. Nevertheless, the Predictor demonstrated that effective gunnery required some sort of reasonably powerful computing support, and in 1944 Bell Labs started delivery of a new system based around an electronic analog computer. The timing proved excellent; late that summer, the Germans started attacking London with the V 1 flying bomb, which flew at high speeds at low altitudes. After a month of limited success against them, every available anti aircraft gun was moved to the strip of land on the approach to London, and the new sights proved to be more than capable against them. Daytime attacks were soon abandoned. Long after the war, U. S. M5s started appearing in surplus shops in the late 1950s. John Whitney purchased one (and later a Sperry M7) and connected the electrical outputs to servos controlling the positioning of small lit targets and light bulbs. He then modified the "mathematics" of the system to move the targets in various mathematically controlled ways, a technique he referred to as incremental drift. As the power of the systems grew, they eventually evolved into motion control photography, a widely used technique in special effects filming.