Sistema de controle de fogo - Fire-control system

Uma arma antiaérea alemã de 88 mm Flak com seu computador de controle de fogo da Segunda Guerra Mundial. Exibido no Museu Canadense da Guerra .

Um sistema de controle de fogo (às vezes chamado de FCS) é um número de componentes trabalhando juntos, geralmente um computador de dados de armas , um diretor e um radar , que é projetado para auxiliar um sistema de armas de longo alcance a apontar, rastrear e atingir seu alvo. Ele executa a mesma tarefa que um atirador humano disparando uma arma, mas tenta fazer isso de forma mais rápida e precisa.

Controle de fogo com base naval

Origens

Os sistemas originais de controle de fogo foram desenvolvidos para navios.

O início da história do controle de fogo naval foi dominado pelo engajamento de alvos dentro do alcance visual (também conhecido como fogo direto ). Na verdade, a maioria dos combates navais antes de 1800 eram conduzidos em alcances de 20 a 50 jardas (20 a 50 m). Mesmo durante a Guerra Civil Americana , o famoso combate entre o USS  Monitor e o CSS  Virginia foi freqüentemente conduzido a menos de 100 jardas (90 m) de alcance.

As rápidas melhorias técnicas no final do século 19 aumentaram muito o alcance em que os tiros eram possíveis. Canhões rifle de tamanho muito maior, disparando projéteis explosivos de peso relativo mais leve (em comparação com as bolas de metal) aumentaram tanto o alcance dos canhões que o principal problema passou a ser apontá-los enquanto o navio se movia nas ondas. Esse problema foi resolvido com a introdução do giroscópio , que corrigia esse movimento e fornecia precisões de subgrau. As armas agora estavam livres para crescer em qualquer tamanho e rapidamente ultrapassaram o calibre de 10 polegadas (250 mm) na virada do século. Esses canhões eram capazes de um alcance tão grande que a principal limitação era ver o alvo, levando ao uso de mastros altos nos navios.

Outra melhoria técnica foi a introdução da turbina a vapor que aumentou muito o desempenho dos navios. Antigos navios capitais movidos a parafuso eram capazes de talvez 16 nós, mas os primeiros grandes navios de turbina eram capazes de mais de 20 nós. Combinado com o longo alcance dos canhões, isso significava que o navio alvo poderia se mover uma distância considerável, vários comprimentos de navio, entre o momento em que os projéteis foram disparados e pousaram. Já não se podia globo ocular o objetivo com qualquer esperança de precisão. Além disso, em combates navais, também é necessário controlar o disparo de vários canhões ao mesmo tempo.

O controle de armas de fogo naval envolve potencialmente três níveis de complexidade. O controle local originou-se de instalações primitivas de canhões dirigidas por equipes de canhões individuais. O controle do diretor aponta todas as armas do navio para um único alvo. O tiroteio coordenado de uma formação de navios contra um único alvo era o foco das operações da frota de navios de guerra. As correções são feitas para a velocidade do vento de superfície, rotação e inclinação do navio de tiro, temperatura do depósito de pólvora, deriva de projéteis estriados, diâmetro do canhão individual ajustado para aumento tiro a tiro e taxa de mudança de alcance com modificações adicionais na solução de tiro baseada mediante a observação de tiros anteriores.

As direções resultantes, conhecidas como uma solução de queima , seriam então enviadas de volta para as torres para assentamento. Se as rodadas perdessem, um observador poderia calcular o quão longe eles erraram e em que direção, e essa informação poderia ser enviada de volta para o computador junto com quaisquer mudanças no resto das informações e outra tentativa de tiro.

No início, os canhões eram apontados com a técnica de projeção de artilharia . Envolvia disparar contra o alvo, observar o ponto de impacto do projétil (queda do tiro) e corrigir o objetivo com base no local onde o projétil pousou, o que se tornava cada vez mais difícil à medida que o alcance do canhão aumentava.

Entre a Guerra Civil Americana e 1905, várias pequenas melhorias, como miras telescópicas e telêmetros ópticos , foram feitas no controle de fogo. Também houve melhorias de procedimento, como o uso de placas de plotagem para prever manualmente a posição de um navio durante um noivado.

Primeira Guerra Mundial

Em seguida, calculadoras mecânicas cada vez mais sofisticadas foram empregadas para o posicionamento adequado da arma , normalmente com vários observadores e medidas de distância sendo enviados para uma estação central de plotagem nas profundezas do navio. Lá, as equipes de direção de fogo informavam sobre a localização, velocidade e direção do navio e seu alvo, bem como vários ajustes para o efeito Coriolis , efeitos do clima no ar e outros ajustes. Por volta de 1905, ajudas mecânicas de controle de fogo começaram a se tornar disponíveis, como a Mesa Dreyer , Dumaresq (que também fazia parte da Mesa Dreyer) e Argo Clock , mas esses dispositivos levaram vários anos para se tornarem amplamente implantados. Esses dispositivos foram as primeiras formas de telêmetros .

Arthur Pollen e Frederic Charles Dreyer desenvolveram independentemente os primeiros desses sistemas. Pollen começou a trabalhar no problema depois de notar a baixa precisão da artilharia naval em uma prática de artilharia perto de Malta em 1900. Lord Kelvin , amplamente considerado o principal cientista da Grã-Bretanha, primeiro propôs usar um computador analógico para resolver as equações que surgem do movimento relativo do navios engajados na batalha e o tempo de atraso no vôo do projétil para calcular a trajetória necessária e, portanto, a direção e elevação dos canhões.

O objetivo do Pollen era produzir um computador mecânico combinado e um gráfico automático de faixas e taxas para uso no controle centralizado de fogo. Para obter dados precisos da posição do alvo e movimento relativo, a Pollen desenvolveu uma unidade de plotagem (ou plotter) para capturar esses dados. A isso ele adicionou um giroscópio para permitir a guinada do navio de tiro. Como o plotter, o giroscópio primitivo da época exigia um desenvolvimento substancial para fornecer orientação contínua e confiável. Embora os julgamentos em 1905 e 1906 não tenham sido bem-sucedidos, eles se mostraram promissores. Pólen foi encorajado em seus esforços pela figura em rápido crescimento do Almirante Jackie Fisher , do Almirante Arthur Knyvet Wilson e do Diretor de Artilharia Naval e Torpedos (DNO), John Jellicoe . Pollen continuou seu trabalho, com testes ocasionais realizados em navios de guerra da Marinha Real.

Enquanto isso, um grupo liderado por Dreyer projetou um sistema semelhante. Embora ambos os sistemas tenham sido encomendados para navios novos e existentes da Marinha Real, o sistema Dreyer acabou sendo favorecido pela Marinha em sua forma Mark IV * definitiva. O acréscimo do controle do diretor facilitou um sistema de controle de fogo completo e praticável para os navios da Primeira Guerra Mundial, e a maioria dos navios de capital do RN foram equipados em meados de 1916. O diretor estava bem acima do navio, onde os operadores tinham uma visão superior de qualquer atirador no torres . Ele também foi capaz de coordenar o fogo das torres para que o fogo combinado funcionasse em conjunto. Essa mira aprimorada e telêmetros óticos maiores melhoraram a estimativa da posição do inimigo no momento do disparo. O sistema foi eventualmente substituído pela " Mesa de Controle de Incêndio do Almirantado " melhorada para navios construídos depois de 1927.

Segunda Guerra Mundial

Durante sua longa vida útil, os telêmetros eram atualizados com frequência à medida que a tecnologia avançava e, na Segunda Guerra Mundial, eles eram uma parte crítica de um sistema integrado de controle de fogo. A incorporação do radar ao sistema de controle de fogo no início da Segunda Guerra Mundial proporcionou aos navios a capacidade de conduzir operações eficazes de tiros de longa distância em condições meteorológicas desfavoráveis ​​e à noite. Para sistemas de controle de armas de fogo da Marinha dos EUA, consulte sistemas de controle de armas de fogo para navios .

O uso de tiro controlado por diretor, junto com o computador de controle de tiro, removeu o controle da colocação do canhão das torres individuais para uma posição central; embora montagens de canhões individuais e torres de múltiplos canhões retenham uma opção de controle local para uso quando os danos da batalha limitam a transferência de informações do diretor (essas seriam versões mais simples chamadas de "mesas de torre" na Marinha Real). As armas poderiam então ser disparadas em salvas planejadas, com cada arma dando uma trajetória ligeiramente diferente. A dispersão do tiro causada por diferenças em armas individuais, projéteis individuais, sequências de ignição de pólvora e distorção transitória da estrutura do navio foi indesejavelmente grande em intervalos de combate naval típicos. Os diretores no alto da superestrutura tinham uma visão melhor do inimigo do que uma visão montada na torre, e a tripulação que os operava estava distante do som e do choque dos canhões. Os diretores de armas eram os primeiros, e as extremidades de seus telêmetros ópticos projetavam-se de seus lados, dando-lhes uma aparência distinta.

Fatores balísticos não medidos e incontroláveis, como temperatura em altitude elevada, umidade, pressão barométrica, direção e velocidade do vento, exigiam ajuste final por meio da observação da queda do tiro. A medição do alcance visual (tanto do alvo quanto dos respingos do projétil) era difícil antes da disponibilidade do radar. Os britânicos preferiam telêmetros coincidentes, enquanto os alemães preferiam o tipo estereoscópico. Os primeiros eram menos capazes de atingir um alvo indistinto, mas eram mais fáceis para o operador durante um longo período de uso, os segundos, o inverso.

Computador balístico Ford Mk 1. O nome rangekeeper começou a se tornar inadequado para descrever as funções cada vez mais complicadas do rangekeeper. O Mk 1 Ballistic Computer foi o primeiro rangekeeper conhecido como computador. Observe os três cabos de pistola em primeiro plano. Esses dispararam as armas do navio.

Os submarinos também foram equipados com computadores de controle de fogo pelos mesmos motivos, mas o problema era ainda mais pronunciado; em um "tiro" típico, o torpedo levaria de um a dois minutos para atingir seu alvo. Calcular o "avanço" adequado dado o movimento relativo das duas embarcações era muito difícil, e computadores de dados de torpedo foram adicionados para melhorar drasticamente a velocidade desses cálculos.

Em um navio britânico típico da Segunda Guerra Mundial, o sistema de controle de fogo conectava as torres de canhão individuais à torre do diretor (onde os instrumentos de mira estavam localizados) e ao computador analógico no coração do navio. Na torre do diretor, os operadores treinaram seus telescópios no alvo; um telescópio mediu a elevação e o outro o rumo. Telêmetros telescópicos em uma montagem separada medem a distância até o alvo. Essas medidas foram convertidas pela Tabela de Controle de Fogo em rolamentos e elevações para as armas dispararem. Nas torres, os atiradores ajustaram a elevação de seus canhões para corresponder a um indicador da elevação transmitida da mesa de controle de fogo - uma camada da torre fazia o mesmo para o rumo. Quando as armas estavam no alvo, eram disparadas no centro.

Mesmo com tanta mecanização do processo, ainda exigia um grande elemento humano; a estação transmissora (o quarto que abrigava a mesa de Dreyer) para HMS capa ' principais armas s alojados 27 tripulantes.

Os diretores estavam amplamente desprotegidos do fogo inimigo. Era difícil colocar tanto peso da armadura tão alto na nave, e mesmo que a armadura parasse um tiro, o impacto sozinho provavelmente tiraria os instrumentos do alinhamento. Armadura suficiente para proteger de projéteis menores e fragmentos de impactos em outras partes da nave era o limite.

Sistemas precisos de controle de incêndio foram introduzidos no início do século XX. Na foto, uma visão em corte de um contratorpedeiro. O computador analógico do deck abaixo é mostrado no centro do desenho e é rotulado como "Posição de cálculo de artilharia".

O desempenho do computador analógico foi impressionante. O encouraçado USS  North Carolina durante um teste de 1945 foi capaz de manter uma solução de tiro precisa em um alvo durante uma série de curvas em alta velocidade. É uma grande vantagem para um navio de guerra ser capaz de manobrar enquanto atinge um alvo.

Enfrentamentos navais noturnos de longo alcance tornaram-se viáveis ​​quando os dados do radar puderam ser inseridos no rangekeeper. A eficácia dessa combinação foi demonstrada em novembro de 1942 na Terceira Batalha da Ilha de Savo, quando o USS  Washington enfrentou o navio de guerra japonês Kirishima a um alcance de 8.400 jardas (7,7 km) à noite. Kirishima foi incendiada, sofreu uma série de explosões e foi afundada por sua tripulação. Ela foi atingida por pelo menos nove tiros de 16 polegadas (410 mm) em 75 disparados (taxa de acerto de 12%). O naufrágio do Kirishima foi descoberto em 1992 e mostrou que toda a seção da proa do navio estava faltando. Os japoneses durante a Segunda Guerra Mundial não desenvolveram radar ou controle de fogo automatizado ao nível da Marinha dos Estados Unidos e estavam em desvantagem significativa.

Pós-1945

Na década de 1950, as torres de canhão estavam cada vez mais desguarnecidas, com o posicionamento dos canhões controlado remotamente a partir do centro de controle do navio, usando informações do radar e outras fontes.

A última ação de combate para os telêmetros analógicos, pelo menos para a Marinha dos Estados Unidos, foi na Guerra do Golfo Pérsico de 1991 , quando os telêmetros dos navios de guerra da classe Iowa dirigiram seus últimos rounds em combate.

Controle de fogo baseado em aeronaves

Visões de bombas da Segunda Guerra Mundial

Um dos primeiros usos de sistemas de controle de fogo foi em aviões de bombardeiro , com o uso de miras de bomba computacionais que aceitavam informações de altitude e velocidade do ar para prever e exibir o ponto de impacto de uma bomba lançada naquele momento. O dispositivo mais conhecido dos Estados Unidos foi a mira de bomba Norden .

Mira aérea de artilharia da Segunda Guerra Mundial

Sistemas simples, conhecidos como miras computacionais de chumbo, também apareceram dentro de aeronaves no final da guerra como miras giratórias . Esses dispositivos usavam um giroscópio para medir as taxas de giro e moviam o ponto de mira da mira para levar isso em consideração, com o ponto de mira apresentado através de uma mira refletora . A única "entrada" manual para a mira era a distância do alvo, que normalmente era tratada marcando o tamanho da envergadura do alvo em algum intervalo conhecido. Pequenas unidades de radar foram adicionadas no período pós-guerra para automatizar até mesmo essa entrada, mas levou algum tempo até que fossem rápidas o suficiente para deixar os pilotos completamente felizes com elas. A primeira implementação de um sistema de controle de fogo centralizado em uma aeronave de produção foi no B-29 .

Sistemas pós-segunda guerra mundial

No início da Guerra do Vietnã, um novo preditor de bombardeio computadorizado, denominado Sistema de Bombardeio de Baixa Altitude (LABS), começou a ser integrado aos sistemas de aeronaves equipadas para transportar armamentos nucleares. Esse novo computador de bomba foi revolucionário, pois o comando de lançamento da bomba foi dado pelo computador, não pelo piloto; o piloto designou o alvo usando o radar ou outro sistema de mira , então "consentiu" em liberar a arma, e o computador então o fez em um "ponto de liberação" calculado alguns segundos depois. Isso é muito diferente dos sistemas anteriores, que, embora também tivessem se tornado computadorizados, ainda calculavam um "ponto de impacto" mostrando onde a bomba cairia se fosse lançada naquele momento. A principal vantagem é que a arma pode ser lançada com precisão, mesmo quando o avião está manobrando. A maioria das miras de bombardeio até então exigia que o avião mantivesse uma atitude constante (geralmente nivelada), embora visões de bombardeio de mergulho também fossem comuns.

O sistema LABS foi originalmente projetado para facilitar uma tática chamada de lançamento de bombardeio , para permitir que a aeronave permaneça fora do alcance do raio de explosão de uma arma . O princípio de calcular o ponto de lançamento, no entanto, foi eventualmente integrado aos computadores de controle de fogo de bombardeiros posteriores e aeronaves de ataque, permitindo o bombardeio de nível, mergulho e lançamento. Além disso, como o computador de controle de fogo foi integrado aos sistemas de artilharia, o computador pode levar em consideração as características de vôo da arma a ser lançada.

Controle de fogo baseado em terra

Controle de fogo baseado em antiaéreo

No início da Segunda Guerra Mundial , o desempenho das aeronaves em altitude havia aumentado tanto que os canhões antiaéreos tinham problemas preditivos semelhantes e estavam cada vez mais equipados com computadores de controle de fogo. A principal diferença entre esses sistemas e os dos navios era o tamanho e a velocidade. As versões iniciais do sistema de Cima de controlo , ou HACS, da Grã-Bretanha 's marinha real foram exemplos de um sistema que previsto com base na suposição de que a velocidade do alvo, a direcção, e a altitude permaneceria constante durante o ciclo de predição, que consistiu do hora de fundir o projétil e o tempo de vôo do projétil até o alvo. O sistema USN Mk 37 fez suposições semelhantes, exceto que poderia prever assumindo uma taxa constante de mudança de altitude. O Predictor Kerrison é um exemplo de sistema que foi construído para resolver a colocação em "tempo real", simplesmente apontando o diretor para o alvo e, em seguida, apontando a arma para um ponteiro que ele direcionou. Também foi deliberadamente projetado para ser pequeno e leve, a fim de permitir que fosse facilmente movido junto com as armas que servia.

O Sistema Antiaéreo M-9 / SCR-584 baseado em radar foi usado para direcionar a artilharia de defesa aérea desde 1943. O SCR-584 do Laboratório de Radiação do MIT foi o primeiro sistema de radar com seguimento automático, o M-9 do Bell Laboratory foi um computador de controle de fogo analógico eletrônico que substituiu computadores mecânicos complicados e difíceis de fabricar (como o Sperry M-7 ou o preditor Kerrison britânico). Em combinação com o fusível de proximidade VT , este sistema realizou a façanha surpreendente de derrubar mísseis de cruzeiro V-1 com menos de 100 projéteis por avião (milhares eram típicos em sistemas AA anteriores). Este sistema foi fundamental na defesa de Londres e Antuérpia contra o V-1.

Embora listados na seção de controle de fogo baseado em terra, os sistemas de controle de fogo antiaéreo também podem ser encontrados em sistemas navais e de aeronaves.

Controle de fogo de artilharia costeira

Figura 2 . Um diagrama conceitual do fluxo de dados de controle de fogo na Artilharia Costeira (em 1940). O ponto de avanço do alvo foi gerado usando a placa de plotagem (1). Esta posição foi então corrigida para fatores que afetam o alcance e o azimute (2). Finalmente, o fogo foi ajustado para observações da queda real dos projéteis (3), e novos dados de tiro foram enviados para os canhões.

No Corpo de Artilharia Costeira do Exército dos Estados Unidos , os sistemas de controle de fogo da Artilharia Costeira começaram a ser desenvolvidos no final do século 19 e progrediram durante a Segunda Guerra Mundial.

Os primeiros sistemas faziam uso de observação múltipla ou estações finais de base (veja a Figura 1 ) para encontrar e rastrear alvos que atacavam portos americanos. Os dados dessas estações eram então passados ​​para salas de plotagem , onde dispositivos mecânicos analógicos, como a placa de plotagem , eram usados ​​para estimar as posições dos alvos e derivar dados de disparo para baterias de canhões costeiros designados para interditá-los.

Os fortes da Artilharia da Costa dos EUA estavam repletos de uma variedade de armamentos, desde morteiros de defesa costeira de 12 polegadas, através de artilharia de médio alcance de 3 e 6 polegadas, até canhões maiores, que incluíam barbette de 10 polegadas e 12 polegadas e desaparecendo canhões de carruagem, artilharia ferroviária de 14 polegadas e canhão de 16 polegadas instalados pouco antes e durante a Segunda Guerra Mundial.

O controle de fogo na Artilharia Costeira tornou-se cada vez mais sofisticado em termos de correção de dados de tiro para fatores como condições climáticas, a condição da pólvora usada ou a rotação da Terra. Provisões também foram feitas para ajustar os dados de disparo para a queda observada de projéteis. Conforme mostrado na Figura 2, todos esses dados foram enviados de volta para as salas de plotagem em uma programação bem ajustada controlada por um sistema de sinos de intervalo de tempo que tocou ao longo de cada sistema de defesa do porto.

Só mais tarde, na Segunda Guerra Mundial , os computadores de dados de armas eletromecânicos , conectados a radares de defesa costeira, começaram a substituir a observação óptica e os métodos de plotagem manual no controle da artilharia costeira. Mesmo assim, os métodos manuais foram mantidos como back-up até o final da guerra.

Sistemas de controle de incêndio direto e indireto

Os sistemas de controle de fogo baseados em terra podem ser usados ​​para ajudar no engajamento de armas de fogo direto e indireto . Esses sistemas podem ser encontrados em armas que variam de pequenas pistolas a grandes armas de artilharia.

Sistemas modernos de controle de incêndio

Os computadores modernos de controle de incêndio, como todos os computadores de alto desempenho, são digitais. O desempenho adicionado permite basicamente que qualquer entrada seja adicionada, de densidade do ar e vento, ao desgaste dos barris e distorção devido ao aquecimento. Esses tipos de efeitos são perceptíveis para qualquer tipo de arma, e os computadores de controle de fogo começaram a aparecer em plataformas cada vez menores. Os tanques foram um dos primeiros usos dessa arma automática, usando um telêmetro a laser e um medidor de distorção de cano. Os computadores de controle de fogo não são úteis apenas para grandes canhões . Eles podem ser usados ​​para apontar metralhadoras , pequenos canhões, mísseis guiados , rifles , granadas , foguetes - qualquer tipo de arma que pode ter seus parâmetros de lançamento ou disparo variados. Eles são normalmente instalados em navios , submarinos , aeronaves , tanques e até mesmo em algumas armas pequenas - por exemplo, o lançador de granadas desenvolvido para uso no rifle de assalto Bullpup Fabrique Nationale F2000. Os computadores de controle de fogo passaram por todos os estágios da tecnologia que os computadores têm, com alguns projetos baseados na tecnologia analógica e, posteriormente, tubos de vácuo que foram substituídos por transistores .

Sistemas de controlo de fogo são frequentemente em interface com os sensores (tais como o sonar , radar , Irst , a laser gama-localizadores , anemetros , cata-ventos , termómetros , barómetros , etc), a fim de reduzir ou eliminar a quantidade de informações que devem ser inseridas manualmente para calcular uma solução eficaz. Sonar, radar, IRST e telêmetros podem dar ao sistema a direção e / ou distância do alvo. Alternativamente, uma mira óptica pode ser fornecida para que um operador possa simplesmente apontar para o alvo, o que é mais fácil do que alguém inserir o alcance usando outros métodos e dá ao alvo menos aviso de que está sendo rastreado. Normalmente, as armas disparadas em longo alcance precisam de informações ambientais - quanto mais longe uma munição viaja, mais o vento, a temperatura, a densidade do ar etc. afetarão sua trajetória; portanto, ter informações precisas é essencial para uma boa solução. Às vezes, para foguetes de longo alcance, os dados ambientais devem ser obtidos em grandes altitudes ou entre o ponto de lançamento e o alvo. Freqüentemente, satélites ou balões são usados ​​para coletar essas informações.

Uma vez que a solução de tiro é calculada, muitos sistemas modernos de controle de fogo também são capazes de apontar e disparar a (s) arma (s). Mais uma vez, isso é no interesse da velocidade e precisão, e no caso de um veículo como uma aeronave ou tanque, a fim de permitir o piloto / artilheiro / etc. para executar outras ações simultaneamente, como rastrear o alvo ou voar a aeronave. Mesmo que o sistema não consiga mirar a arma em si, por exemplo, o canhão fixo em uma aeronave, ele é capaz de dar ao operador dicas sobre como mirar. Normalmente, o canhão aponta para a frente e o piloto deve manobrar a aeronave para que seja orientada corretamente antes de disparar. Na maioria das aeronaves, o sinal de mira assume a forma de um "pipper" que é projetado no heads-up display (HUD). O pipper mostra ao piloto onde o alvo deve estar em relação à aeronave para acertá-lo. Uma vez que o piloto manobra a aeronave de forma que o alvo e o pipper fiquem sobrepostos, ele dispara a arma, ou em alguma aeronave a arma dispara automaticamente neste ponto, a fim de superar o atraso do piloto. No caso de um lançamento de míssil, o computador de controle de fogo pode dar ao piloto um feedback sobre se o alvo está ao alcance do míssil e qual a probabilidade de o míssil atingir se for lançado em um determinado momento. O piloto irá então esperar até que a leitura de probabilidade seja satisfatoriamente alta antes de lançar a arma.

Veja também

Referências

Leitura adicional

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links externos