שולחן בקרת אש

המונח שולחן בקרת אש (באנגלית: Rangekeeper) מתייחס למחלקה של מחשבי בקרת אש אלקטרומכניים בהם נעשה שימוש עד אמצע המאה ה-20. אלו היו מחשבים אנלוגיים מתוחכמים ביותר אשר ההתפתחות שלהם הגיעה לזנית שלה במהלך מלחמת העולם השנייה. כדוגמאות ספציפיות ניתן למנות את המחשבים Mk 47 ו- Mk 68. במהלך מלחמת העולם השנייה, נעשה שימוש במחשבים אלה לצורך הנחיית אש תותחים ביבשה, בים ובאוויר. בעוד שבמחשבים אלה נעשה שימוש מבצעי נרחב, המתוחכמים ביותר שבהם היו אלו שהוצבו על ספינות מערכה כדי לנהל את הירי של תותחים ארוכי טווח.

אמצעי החישוב הימיים היו חייבים להיות מורכבים כיוון שהבעיה של חישוב זוויות ירי בתרחיש ירי ימי היא מאוד מורכבת. בתרחיש ימי, גם הספינה היורה וגם המטרה נעים אחד ביחס לשנייה. בנוסף, הספינה היורה אינה פלטפורמה יציבה אלא שהיא חווה גלגול, עלרוד וסבסוב אודות לפעולת הגלים על הספינה, תמרוני התחמקות מירי המטרה שהספינה מבצעת, ועוד. אפקט זה גורם לכך שלקנה התותח היורה יש מהירויות צידוד והגבהה מסוימות, להן השפעה רבה על מיקום הפגיעה של הקליע. המחשבים האלה ביצעו גם את החישובים הבליסטיים (תוך התחשבות בהתנגדות האוויר, מהירות הרוח ועוד) הנלווים לירי תותח.

פונקציות

שולחן בקרת אש מוגדר כמחשב בקרת אש אנלוגי בעל שלוש פונקציות:

Target Tracking - המחשב היה חייב לחשב כל העת את האזימוט הנוכחי למטרה.
Target position prediction - עובר זמן מרגע הירי עד שהקליע מגיע למטרה. המחשב חייב לחזות איפה המטרה תהיה בזמן ההגעה של הקליע.
Gunfire correction - הנחיה של ירי של נשק ארוך טווח למקום ספציפי דורשת הרבה חישובים. נקודת הפגיעה של הקליע היא פונקציה של הרבה פרמטרים, כגון: אזימוט והגבהת התותח, כיוון ומהירות הרוח, התנגדות האוויר, הכבידה, קו הרוחב (מידת ההשפעה של אפקט קוריוליס תלויה בקו הרוחב), הפרלקסה בין נקודת התצפית והתותחים, כמות מטען אבק השרפה שיש בקנה, והמקדם הבליסטי של הקליע.

מנגנונים

הבעיה של טיווח

תותחנות לטווח ארוך היא שילוב מורכב של טכנולוגיה, מדע ומתמטיקה. יש מספר גורמים שמשפיעים על מיקום נפילת הקליע ואת רבים מהגורמים האלו קשה למדל באופן מדויק.

תותחנות לטווח ארוך מצריכה לקחת בחשבון את הגורמים הבאים:

מהירות וכיוון תנועת המטרה.
מהירות וכיוון תנועת הספינה היורה.
כבידה.
אפקט קוריוליס: בגלל שכדור הארץ מסתובב, יש כוח מדומה הפועל על הקליע.
בליסטיקה פנימית.
בליסטיקה חיצונית: לקליעים שונים יש מאפיינים בליסטיים שונים. כמו כן, גם למאפייני האוויר יש השפעה גם כן על מסלול הקליע (רוח, צפיפות האוויר).
תיקון פרלקסה: באופן כללי, עמדת התצפית על המטרה (שעשויה להיות למשל מערכת מכ"ם) ועמדת הירי הם במיקומים שונים על הספינה. זה יוצר שגיאת פרלקסה שחייבת להילקח בחשבון.
המשקל והטמפרטורה של מטען אבק השריפה.

חלק מהמורכבות ביצירת מערכת בקרת ירי מתקדמת כזאת נובע מכמות המידע שמגיעה ממקורות שונים. למשל, כדי להפיק פתרון ירי מתאים, המידע שמגיע מהחיישנים, המחשבים, ואמצעי העזר הוויזואלים הבאים חייב לעבור אינטגרציה:

מצפן גירוסקופי - מכשיר זה מאפשר לדעת את כיוון התנועה המדויק של הספינה יחסית לצפון הגאוגרפי.
גלאי טווח - מכשירים אופטיים לקביעת הטווח למטרה.
פיטומטרים - מכשירים שמודדים את מהירות הספינה.
שעוני טווח - מכשירים אלה מספקים תחזית של הטווח של המטרה ברגע פגיעת הקליע אם הקליע היה נורה עכשיו.
שעוני זווית - מכשירים אלה סיפקו חיזוי של אזימוט המטרה ברגע פגיעת הקליע אם הקליע היה נורה עכשיו.
מגוון סרגלי חישוב - אמצעי עזר שסייעו לבצע את החישובים הנדרשים כדי לקבוע את האזימוט וההגבהה הנדרשות של התותח.
חיישנים מטאורולוגיים - לטמפרטורה, מהירות הרוח, והלחות יש השפעה על הבליסטיקה של הקליע.

טכניקה כללית

מימוש של פונקציות מתמטיות

שיטות המימוש בהן נעשה שימוש במחשבים אנלוגיים היו רבות ומגוונות. משוואות בקרת הירי שמומשו במהלך מלחמת העולם השנייה על מחשבים אנלוגיים כאלה הן אותן המשוואות שמומשו מאוחר יותר על מחשבים דיגיטליים. ההבדל המרכזי הוא שמחשבי מלחמת העולם השנייה פתרו את המשוואות באופן מכני. בעוד שבימינו פונקציות מתמטיות לא ממומשות לעיתים קרובות באופן מכני, בתקופת המלחמה היו קיימות שיטות מכניות לממש את כל הפעולות המתמטיות הנפוצות. הן כללו:

הוספה והחסרה.

בגלגלי שיניים דיפרנציאליים (Differential gears) נעשה שימוש כדי לבצע את הפעולות המתמטיות של חיבור וחיסור. מחשב ה- Mk. 1A הכיל בסביבות 160 מהם. תחילת השימוש במנגנוני גלגלי שיניים כאלה לצורך חישוב מתוארך לעת העתיקה (ראו מנגנון אנטיקיתרה).

הכפלה בקבוע.

בשרשראות גלגלי שיניים עם יחסים מסוימים נעשה שימוש נרחב כדי להכפיל בקבועים.

כפל של שני משתנים.

מחשבי ה- Mk. 1 ו-Mk.1A ביצעו כפל של שני משתנים בהתבסס על הגאומטריה של משולשים דומים (תוך שימוש ברכיבים מכניים בצורת משולשים). הרעיון של מנגנון כזה הוצע לראשונה על ידי לייבניץ^[1]