Erfinder: Hans Hoffmann Anmelder: Siemens Corp Anmeldetag: 1944-10-01 Veröffentlichung: 1955-11-17
Die Aufgabe, die Koordinaten des geometrischen und zeitlichen Schnittpunktes der Gegnerbahn mit der Torpedobahn zu bestimmen, wird in den bisherigen Rechnern schrittweise mit einer Vielzahl von Gleichungen, die miteinander gekoppelt sind, gelöst.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß die Aufgabe auch in wesentlich einfacherer Weise einer exakten Lösung fähig ist, und zwar mit Hilfe von nur zwei Gleichungen. Die neue Lösung liefert, ohne daß wie bisher erst Zwischengrößen — wie Parallaxwinkel und Lage des fiktiven Abkommpunktes — errechnet werden müßten, unmittelbar die allein interessierenden Größen, nämlich die Schußrichtung und die Torpedolaufstrecke. Die Auflösung der Gleichungen erfolgt nach dem Prinzip der Kreislaufrechnung durch Rechengetriebe mit zwei den Getriebeschluß herbeiführenden und damit zugleich die gesuchten Größen liefernden Steuerungen. Bei dem ersten der unten beschriebenen Ausführungsbeispiele sind im wesentlichen nur zwei Sinus-Kosinus-Kurvenkörper, zwei weitere Funktionskurvenkörper, die den Einfluß des Torpedoeinlaufbogens auf die Treffpunktsermittlung verwirklichen, und zwei Steuerungen erforderlich. In der Zeichnung sind in Fig. 1 und 2 je eine geometrische Darstellung und in Fig. 3 und 4 je ein Ausführungsbeispiel des Rechners gezeigt.
Das Ziel Z wird nach Fig. 1 zur Zeit t = t₁ von dem Beobachter in O in der Entfernung e unter dem Winkel ω gegen die Vorausrichtung aufgenommen. Das Ziel Z möge sich mit der Geschwindigkeit v_a unter dem Kurs φ geradlinig bewegen. Es besteht nun die Aufgabe, den Torpedo im Winkelschuß an das Ziel heranzubringen. Zur Zeit t = t₂ verläßt der Torpedo das im Abstand a vom Beobachter O befindliche Torpedoausstoßrohr. Er durchläuft zunächst die geradlinige Vorlaufstrecke l, beschreibt dann einen Kreisbogen mit dem Radius R und dem Zentriwinkel Q und läuft dann in geradliniger Bahn unter der Schußrichtung Q auf den berechneten Treffpunkt T_t zu. Die Strecke AT_t, die als Schußweite s_T bezeichnet wird, durchläuft der Torpedo mit der als konstant vorausgesetzten Geschwindigkeit v_T in der Zeit T. In der gleichen Zeit T legt das Ziel Z auf seiner Bahn die Strecke ZT_t = v_a · T zurück. Nun ist aber
s_T = v_T · T (1)
und somit der vom Ziel zurückgelegte Weg
s_e = v_a · T (2)
oder, wenn man das Verhältnis der Geschwindigkeiten mit λ bezeichnet,
s_e = λ · s_T (3)
Aus der Fig. 1 liest man ab, daß die Strecke CT_t durch den Ausdruck
CT_t = s_T − R·Q − l (4)
definiert ist. Projiziert man die Strecken ZT_t und OC auf die Linie CT_t und senkrecht dazu, so erhält man mit dem Schneidungswinkel α die Gleichungen
s_T − R·Q − l = λ · s_T · cos α + e · cos(Q − ω) − (a + l) · cos Q − R · sin Q (5)
0 = λ · s_T · sin α − e · sin(Q − ω) + (a + l) · sin Q + R · (1 − cos Q) (6)
oder, wenn man abkürzenderweise mit
S(R, Q) = R · (Q − sin Q) − (a + l) · cos Q + l (7)
S'(R, Q) = R · (1 − cos Q) + (a + l) · sin Q (8)
bezeichnet,
s_T · (1 − λ · cos α) = e · cos(Q − ω) + S(R, Q) (9)
s_T · λ · sin α = e · sin(Q − ω) − S'(R, Q) (10)
Dies sind die Gleichungen, die die Schußweite s_T und die Schußrichtung Q bestimmen und dem Aufbau des Rechners zugrunde gelegt sind. Aus Gründen der Getriebetechnik werden die Gleichungen (9) und (10) vorzugsweise in folgender Form verwendet
s_T − e^(ln s_T + ln λ) · cos α = e · cos(Q − ω) + S(R, Q) (11)
e^(ln s_T + ln λ) · sin α = e · sin(Q − ω) − S'(R, Q) (12)
In Fig. 3 dient der Kurvenkörper 1 zur Bildung der Komponenten e · cos(Q − ω) und e · sin(Q − ω) der Zielentfernung. Er wird von dem Differential 11 um den Winkel (Q − ω) gedreht und mit Hilfe einer Spindel in Richtung seiner Drehachse um eine Strecke verschoben, die der mit dem Handrad 3 an der Skala 2 eingestellten geschätzten oder ermittelten Zielentfernung e verhältnisgleich ist. Von dem Kurvenkörper werden durch zwei um 90° versetzte Stößel die Komponenten e · cos(Q − ω) und e · sin(Q − ω) abgenommen und an die Differentiale 35 und 36 zur Übernahme der Funktionen S und S' geleitet.
Die Einführung der Zielseite ω in das Gerät geschieht automatisch. Der zweiteilige Kontaktwerksempfänger 4 erhält von dem in der Zielstelle angeordneten Geber laufend die Zielseite ω, die durch den Steuermotor 5 automatisch nachgebildet und dem Differential 11 zugeführt wird.
Zur Bildung der Funktionen S(R, Q) und S'(R, Q) ist der Doppelkurvenkörper 14a, 14b vorgesehen. Er wird von dem Steuermotor 6 um den zunächst noch unbekannten Schußwinkel Q gedreht und in Richtung seiner Drehachse um eine Strecke verschoben, die dem mit dem Handrad 8 an der Skala 7 eingestellten Einsteuerradius des Torpedos proportional ist. Mit diesen beiden Werten Q und R bildet der Kurvenkörper 14a, 14b die Funktionen S und S'. Sie werden als Hubbewegungen durch Stößel an die Differentiale 35 und 36 übertragen und mit den Komponenten der Zielentfernung zu den Binomen e · cos(Q − ω) + S(R, Q) und e · sin(Q − ω) − S'(R, Q) vereinigt. Hiermit sind die rechten Seiten der Gleichungen (11) und (12) durch Getriebe realisiert.
Der Kurvenkörper 30 hat die Aufgabe, die Komponenten des Zielweges zu ermitteln. Nach dem Aufbau der Hauptgleichungen (11) und (12) ist hierbei das Produkt λ · s_T logarithmisch zu bilden. Mit Hilfe der Handräder 22 und 26 stellt man an den logarithmisch geteilten Skalen 23 und 27 die Werte von v_a und v_T ein. Die Handräder 22 und 26 führen dann die Größen ln v_a und ln v_T, die durch die Differentiale 18 und 28 mit der von der Kurvenscheibe 16 abgenommenen Größe ln s_T zu dem Ausdruck
ln(λ · s_T) = ln v_a − ln v_T + ln s_T
vereinigt werden. Um diesen Wert wird der Kurvenkörper 30 durch eine Spindel in Richtung seiner Drehachse verschoben. Der Lagerwinkel γ setzt sich nach Fig. 1 aus dem Schneidungswinkel α und der Winkeldifferenz Q − ω, die als Torpedovorhaltwinkel bezeichnet werden soll, zusammen. Dieser geschätzte oder sonstwie ermittelte Lagenwinkel γ wird mit Hilfe des Handrades 24 an der Skala 25 eingestellt und in dem Differential 29 mit der vom Differential 11 gelieferten Winkeldifferenz Q − ω zu dem Ausdruck
α = γ + ω − Q
vereinigt. Um diesen Winkel wird der Kurvenkörper 30 gedreht. Er bildet aus den Eingangswerten ln(λ · s_T) und α nach den Identitäten
e^(ln λ + ln s_T) · cos α = λ · s_T · cos α
e^(ln λ + ln s_T) · sin α = λ · s_T · sin α
die Komponenten des Zielweges.
Vorzugsweise wird nicht der Lagenwinkel γ, sondern der Gegnerkurs φ_g in das Gerät eingeführt; denn der Lagenwinkel ist eine zeitlich veränderliche Größe und müßte, damit überhaupt der Treffpunkt in jedem Moment errechnet werden kann, laufend ermittelt werden. Unter der für die meisten Gefechtsbilder sicher zutreffenden Annahme, daß das Ziel sich mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig bewegt, gilt nach Fig. 2 die Beziehung
φ_g = γ + φ_e + ω (13)
wenn mit φ_g der Gegnerkurs und mit φ_e der Eigenkurs bezeichnet wird. Da der eigene Kurs φ_e laufend durch den Kreiselkompaß und die Zielrichtung ω durch Messung bekannt ist, so ist es möglich, bei bekanntem Gegnerkurs φ_g den Lagenwinkel γ automatisch zu bestimmen, wie es auch in den bisherigen Torpedovorhaltrechnern getan wurde.
Die Komponenten λ · s_T · sin α und λ · s_T · cos α werden von dem Sinus-Kosinus-Kurvenkörper 30 mit Hilfe von zwei zueinander senkrecht angeordneten Stößeln als Hubbewegungen abgenommen. Während die erste Komponente dem Kontaktwerk 33 unmittelbar zugeführt wird, gelangt die zweite Komponente an das Differential 32, welches in Verbindung mit der Schußweite s_T den Ausdruck s_T · (1 − λ · cos α) bildet und diesen an das Kontaktwerk 34 leitet. Damit sind auch die linken Seiten der Gleichungen (11) und (12) durch Getriebe realisiert. Die Kontaktwerke 33 und 34 und die von ihnen betätigten Steuermotoren 6, 21 haben die Aufgabe, die beiden Seiten der Gleichungen in Übereinstimmung zu bringen. Damit wird der Steuermotor 6 von dem Kontaktwerk 33 und der Steuermotor 21 von dem Kontaktwerk 34 geregelt.
Der vom Kontaktwerk 34 geregelte Steuermotor 21 bildet die Schußweite s_T nach. Das Differential 17 faßt diese Schußweite s_T mit der mittels des Handrades 19 an der Skala 20 eingestellten Kommandoverbesserung Δs_T zu der Summe s_T + Δs_T zusammen, die durch den einteiligen Geber 15 an das Torpedostellgerät übertragen wird. In derselben Weise bildet der von dem Kontaktwerk 33 geregelte Steuermotor 6 die Schußrichtung Q nach, die in dem Differential 12 durch die mit Hilfe des Handrades 10 an der Skala 9 eingestellte Kommandoverbesserung ΔQ zu der totalen Schußrichtung Q + ΔQ vereinigt und durch den zweiteiligen Geber 13 an den Schußwinkelempfänger übertragen wird.
Die Ausführung nach Fig. 4 ist im wesentlichen mit elektrischen Mitteln aufgebaut. Die Komponenten der Entfernung e in und quer zur Schußrichtung werden in dem Drehtransformator 51 gebildet. Sein Läufer 51a wird von dem die Größe ω führenden Geber erregt, derart, daß der Feldvektor eine Richtung gemäß der Größe Q einnimmt. Darüber hinaus wird aber der Rotor mechanisch gemäß der Größe Q gedreht, so daß der vom Rotor erzeugte, einen konstanten Betrag aufweisende Feldvektor zum Ständer die Richtung Q − ω einnimmt. Demgemäß wird in die eine der beiden elektrisch um 90° gegeneinander versetzten Ständerwicklungen eine Spannung proportional cos(Q − ω) und in die andere der beiden Ständerwicklungen eine Spannung proportional sin(Q − ω) induziert. Diese Spannungen werden den Potentiometern 54 und 55 zugeleitet, die ihrerseits durch das nach der Skala 52 einzustellende Handrad 53 gemäß der Größe e eingestellt werden, so daß sie ausgangsseitig die Größen e · cos(Q − ω) und e · sin(Q − ω) liefern.
Zur Bildung der Größen S(R, Q) und S'(R, Q) dienen die beiden Kurvenkörper 81 und 84; sie werden über das Handrad 43 gemäß der Größe R längs verschoben und von dem Motor 40 nach der Größe Q gedreht. Die Hubbewegungen ihrer Stößel stellen die Größen S und S' dar. Von den beiden Stößeln werden die von dem Transformator 80 bzw. 85 mit konstanter Spannung gespeisten Potentiometer 82 und 83 eingestellt, die demgemäß ausgangsseitig elektrisch die Größen S und S' liefern. Durch die aus der Zeichnung zu entnehmende elektrische Reihenschaltung werden diese Größen zu den Entfernungskomponenten addiert, womit die rechten Seiten der Grundgleichungen gebildet sind.
Zur Darstellung des Verhältnisses λ dienen die Potentiometer 74 und 69. Das erste Potentiometer wird über das Handrad 70 nach der Skala 71 gemäß der Größe v_a und das zweite Potentiometer über das Handrad 67 nach der reziprok geteilten Skala 68 gemäß der Größe v_T eingestellt. Da das Potentiometer 69 an die vom Potentiometer 74 abgegriffene Spannung gelegt ist, so wird von dem Potentiometer 69 das Produkt der beiden Größen, also das Verhältnis λ als Spannung abgenommen. Diese Größe wird über den Übertrager 66 dem Potentiometer 60 zugeleitet und dort mit der vom Motor 64 gelieferten Größe s_T multipliziert zu dem Ausdruck λ · s_T.
Durch das Potentiometer 59 wird die vom Motor 64 mechanisch geführte Größe s_T umgewandelt in eine proportionale elektrische Spannung, die durch Reihenschaltung zu dem bereits elektrisch gebildeten Ausdruck e · cos(Q − ω) + S(R, Q) elektrisch addiert wird.
Zur Bildung der Komponenten der Größe s_T · λ dient der Drehtransformator 56. Die Wicklung des Rotors 56a wird von dem Potentiometer 60 mit der Spannung λ · s_T erregt und durch die Ausgangswelle des Differentials 79 mechanisch gemäß der Größe α gedreht. In die beiden elektrisch um 90° gegeneinander versetzten Wicklungen des Ständers 56b werden die Spannungen s_T · λ · sin α und s_T · λ · cos α induziert. Durch Gegenschaltung dieser Spannung gegen die die bisherigen Ergebnisse darstellenden Spannungen wird in den Verstärkern 41 und 65 die Differenz gebildet; gemäß der Differenz wird der Motor 40 bzw. der Motor 64 gesteuert, derart, daß die Differenzen selbsttätig zu Null gemacht werden. Ist dieser Zustand erreicht, so sind die beiden zugrunde gelegten Gleichungen erfüllt; der Getriebeschluß ist hergestellt, die Motoren führen die gesuchten Größen Q bzw. s_T.
Die Größe Q wird durch das nach der Skala 44 einzustellende Handrad 45 um die Kommandoverbesserung ΔQ in dem Differential 47 ergänzt; die Summe Q + ΔQ wird durch den zweiteiligen elektrischen Geber 46 an die übrigen Verbraucher geleitet.
Zur Darstellung der Gefechtsbildwerte β und ω sind die Empfänger 50 und 48, 49 vorgesehen. Der Empfänger 50 ist als Differentialempfänger ausgebildet und stellt auf Grund der zugeleiteten Größen Q und ω die Größe β dar. Der zweiteilige Empfänger 48 und 49 (Grob und Fein) zeigt die Größe ω an.
Die Bildung des Schneidungswinkels α erfolgt durch Subtraktion der Größe Q von der Kurswinkeldifferenz φ_g − φ_e in dem Differential 79. φ_g wird durch das Handrad 72 nach der Skala 73 eingeführt, die elektrisch vom Mutterkompaß zugeführte Größe φ_e wird durch den Empfänger 76 mechanisch in das Differential 77 eingedreht. Hinter diesem Differential erscheint also die Kurswinkeldifferenz φ_g − φ_e, die den Geber 78 und ferner das Differential 79 einstellt. Der Geber 78 ist auf den Differentialempfänger 75 geschaltet, der eingangsseitig ferner noch an den ω-Geber angeschlossen ist und demgemäß den Lagenwinkel γ anzeigt. Der Geber 58 überträgt den Schneidungswinkel α an die zugehörigen Empfänger der Anlage.
Die von dem Motor 64 geführte Größe s_T wird in dem Differential 61 durch die über das Handrad 62 nach der Skala 63 eingeführte Kommandoverbesserung Δs_T ergänzt und durch den Geber 57 an die Empfänger der Anlage geleitet.
Die beiden Ausführungsbeispiele nach Fig. 3 und 4 zeigen, daß verschiedene Möglichkeiten für den getriebemäßigen Aufbau des Rechners bestehen, daß der Rechner aber infolge des zugrunde gelegten einfachen Gleichungspaares äußerst einfach wird, und daß somit das Wesen der Erfindung in der Auffindung der Gleichungen und in der Erkenntnis besteht, daß mit Hilfe dieser Gleichungen sich ein einfacher Rechner aufbauen läßt. In der mehr oder weniger schematischen Darstellung der Ausführungsbeispiele sind die Verbindungen, insbesondere die elektrischen Verbindungen, nur insoweit voll gezeigt, als es für das Verständnis erforderlich ist; so sind die elektrischen Leitungen zum Teil nur durch eine einzige Linie dargestellt, dem Fachmann ist aber geläufig, daß die auf dem vorliegenden Gebiet ja häufig verwendeten elektrischen Geräte, wie z. B. die Motoren, die Geber und Empfänger, mehrere Zuleitungen bzw. Ausgangsleitungen haben.
1. Torpedovorhaltrechner, dadurch gekennzeichnet, daß ihm die Gleichungen
s_T · (1 − λ · cos α) = e · cos(Q − ω) + R · (Q − sin Q) − (a + l) · cos Q + l
s_T · λ · sin α = e · sin(Q − ω) − R · (1 − cos Q) − (a + l) · sin Q
zugrunde gelegt sind und die Auflösung der Gleichungen nach dem Prinzip der Kreislaufrechnung durch Rechengetriebe mit zwei den Getriebeschluß herbeiführenden und damit zugleich die gesuchten Größen Q und s_T liefernden Steuerungen erfolgt.
Es bedeutet:
| Zeichen | Bedeutung |
|---|---|
| s_T | die Schußweite |
| λ | = v_g / v_T |
| v_g | die Zielgeschwindigkeit |
| v_T | die Torpedogeschwindigkeit |
| α | den Schneidungswinkel |
| e | die Zielentfernung |
| Q | die Schußrichtung des geradlinigen Torpedobahnteiles |
| ω | den Zielseitenwinkel |
| R | den Einlaufradius |
| a | Abstand Beobachter — Torpedoabkommpunkt |
| l | die geradlinige Torpedovorlaufstrecke |
2. Rechner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Sinus-Kosinus-Funktionen, ferner zur Bildung der Funktionen, die den Einfluß des Einsteuerbogens beim Winkelschuß berücksichtigen, Kurvenkörpergetriebe verwendet sind.
3. Rechner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichungen durch elektrische Hilfsmittel, wie Drehmelder und Potentiometer, gelöst werden, jedoch zur Bildung der Funktionen, die den Einfluß des Einsteuerbogens beim Winkelschuß berücksichtigen, Kurvenkörpergetriebe benutzt sind.