魚雷データコンピュータ

魚雷の照準を合わせる問題は、ロバート・ホワイトヘッドが1860年代に現代の魚雷を開発して以来、軍事技術者たちの関心事であった。これらの初期の魚雷は、あらかじめ設定された深度で直線コースを進んだ（そのため、しばしば「直線魚雷」と呼ばれる）。これは、第二次世界大戦後半にホーミング魚雷が開発されるまで、魚雷誘導の最先端技術であった。^{[ 11 ]}第二次世界大戦中の潜水艦魚雷の大部分は直線魚雷であり、これらは第二次世界大戦後も長年にわたって使用され続けた。^{[ 12 ]}実際、第二次世界大戦時代の直線魚雷2発（イギリスの原子力潜水艦HMSコンカラーから発射されたもの）が、1982年にARAジェネラル・ベルグラノを撃沈した。  

第一次世界大戦中、魚雷の目標迎撃コースを計算するのは手作業で行われ、射撃管制班は機械式計算機/照準器^{[ 13 ]}や各種計算尺^{[ 14 ]}の助けを借りていた。米国の例としては、マークVIIIアングルソルバー（その形状から俗に「バンジョー」と呼ばれた）や、目標の現在位置と過去の位置に基づいて目標の位置を予測する「Is/Was」円形計算尺（ Nasmith Director ）などがあった^{[ 15 ]} 。これらはしばしば「ひどく不正確」であった^{[ 16 ]}ため、魚雷の散布が推奨された理由が説明できる。

第二次世界大戦中、ドイツ^{[ 17 ]} 、日本^{[ 18 ]}、米国はそれぞれ、必要な魚雷の進路を計算するプロセスを自動化するためにアナログコンピュータを開発した^{[ 19 ] 。}

1932年、兵器局（BuOrd）はアーマ社とフォード・インスツルメンツ社とともにTDCの開発を開始した。^{[ 20 ]}これは1938年に「非常に複雑な」マーク1として結実した。^{[ 20 ]}これはドルフィンから最新のサーモンまで、古いボートに後付けされた。^{[ 20 ]}

TDCを使用するように設計された最初の潜水艦はタンバー^{[ 21 ]}で、1940年にマークIIIを搭載して進水し、司令塔に設置された[ 20 ^]（これは以前の装備とは異なっていた）^{[ 22 ]} 。これは第二次世界大戦で最高の魚雷射撃管制システムであることが証明された^{[ 23 ]}。

1943年、 Mark 18魚雷を支援するために魚雷データコンピュータMark IVが開発された。^{[ 24 ] [ 25 ]}

Mk IIIとMk IV TDCはどちらもArma Corporation（現American Bosch Arma）によって開発された。

直進魚雷は、魚雷が直進することを保証するジャイロスコープベースの制御システムを備えています。 ^{[ 26 ]}魚雷は、潜水艦の進路に対する魚雷の進路を設定するジャイロ角と呼ばれるパラメータを調整することで、潜水艦とは異なる進路で進むことができます（図2参照）。TDCの主な役割は、魚雷が目標に命中することを確実にするために必要なジャイロ角の設定を決定することです。

ジャイロ角度を決定するには、複雑な三角方程式をリアルタイムで解く必要がありました（簡略化した例については式1を参照）。TDCは、潜水艦の航行センサーとTDCのターゲットトラッカーからのデータ更新を使用して、この方程式の連続的な解を提供しました。TDCはまた、魚雷のジャイロ角度設定をすべて射撃管制ソリューションと同時に自動的に更新することができ、魚雷のコースを手動で更新する必要があったシステムよりも精度が向上しました。^{[ 27 ]}

TDCにより、潜水艦は潜水艦の進路とは異なる進路で魚雷を発射することができ、これは戦術的に重要である。そうでなければ、魚雷を発射するために潜水艦は予測される迎撃地点に向けなければならない。^{[ 28 ]}魚雷を発射するために艦全体を向ける必要があるとすれば、時間がかかり、潜水艦の精密な進路制御が必要となり、魚雷発射プロセスが不必要に複雑になる。目標追跡機能を備えたTDCにより、潜水艦は魚雷に必要な目標迎撃コースとは独立して操縦することができる。

図2に示すように、一般的に、魚雷は発射直後に直線的に移動したり、瞬時に最高速度まで加速したりするわけではなく、これらは魚雷の弾道特性と呼ばれます。弾道特性は、到達距離、旋回半径、補正魚雷速度の3つのパラメータで表されます。また、目標方位角は、潜望鏡の視点と魚雷の視点では異なり、これは魚雷発射管の視差と呼ばれます。^{[ 29 ]}これらの要因は、ジャイロ角の計算において重大な複雑さを生じさせるため、TDCはこれらの影響を補正する必要があります。

直進魚雷は、角度、目標距離、目標速度、魚雷の軌道角度、魚雷速度の測定における不正確さを考慮して目標に命中する確率を高めるために、通常は斉射（つまり短時間に複数回発射）[30]または拡散（つまりわずかに角度をずらして複数回発射）^{[ 30} ]^{で発射され}た。

標的を確実に破壊するために、斉射や拡散射撃も複数回実施された。^{[ 31 ]} TDCは、各魚雷のジャイロ角度に小さな角度オフセットを加えることで、発射と魚雷拡散の間に短い時間オフセットを許容し、魚雷斉射を支援した。 2010年に北朝鮮によって韓国のROKS天安が撃沈される前、潜水艦魚雷攻撃で最後に撃沈された軍艦は、1982年のARAヘネラル・ベルグラーノで、3発の魚雷拡散射撃のうち2発が命中した。^{[ 32 ]} 

一般的な交戦シナリオで魚雷のジャイロ角を正確に計算するには、目標のコース、速度、距離、方位を正確に知る必要があります。第二次世界大戦中、目標のコース、距離、方位の推定は、非常に主観的で誤差が生じやすい潜望鏡観測を使用して生成されることが多かった。TDCは、目標のコース、距離、方位の推定を、以下のプロセスを通じて改良するために使用されました。

• 観測に基づいて、目標の進路、速度、距離を推定する。
• TDCを使用して、目標の進路、速度、および距離の推定値に基づいて、将来の時点における目標の位置を予測する。
• 予測位置と実際の位置を比較し、予測と観測が一致するように必要に応じて推定パラメータを修正する。予測と観測が一致するということは、目標の進路、速度、および距離の推定値が正確であることを意味する。

目標の進路を推定することは、一般的に観測任務の中で最も難しいと考えられていた。結果の精度は艦長の経験に大きく依存していた。戦闘中、目標の実際の進路は通常決定されず、代わりに艦長は「艦首角」と呼ばれる関連量を決定した。艦首角とは、目標の進路と潜水艦への視線によって形成される角度である。リチャード・オケインのような艦長は、目盛りの付いた回転台に載せた大日本帝国海軍の艦船模型を逆さまにした双眼鏡の筒を通して見て、艦首角を決定する練習をした。 ^{[ 33 ]}

目標位置データを時間に対して生成するために、TDCは潜水艦に対する目標の運動方程式を解く必要があった。運動方程式は微分方程式であり、TDCは機械式積分器を使用してその解を生成した。^{[ 34 ]}

TDCは、電気機械的な相互接続を最小限に抑えるため、他の射撃管制装置の近くに配置する必要があった。潜水艦の耐圧殻内の空間は限られていたため、TDCはできるだけ小さくする必要があった。第二次世界大戦の潜水艦では、TDCと他の射撃管制装置は司令塔に設置されていたが、司令塔は非常に狭い空間だった。^{[ 35 ]} パッケージングの問題は深刻で、初期の魚雷射撃管制装置の中には、小型化の必要性から性能が制限されたものもあった。^{[ 36 ]}データ入力と表示のために、多数の手回しクランク、ダイヤル、スイッチを備えていた。^{[ 37 ]}射撃管制ソリューションを生成するには、入力が必要だった。

• 潜水艦の進路と速度は、潜水艦のジャイロコンパスとピトメーターログから自動的に読み取られた。
• 推定目標コース、速度、距離情報（潜水艦の潜望鏡、目標方位送信機（TBT）^{[ 38 ]}レーダー、ソナーからのデータを使用して取得）
• 魚雷の種類と速度（種類は、異なる魚雷の弾道特性に対応するために必要だった）

TDCは、魚雷の目標迎撃コースを計算するために必要な三角関数計算を実行した。また、魚雷との電気機械的なインターフェースを備えており、魚雷が発射管内にあり発射準備が整っている状態でも、自動的にコースを設定することができた。

TDCの目標追跡機能は、潜水艦が操縦中でも射撃管制班が射撃管制ソリューションを継続的に更新するために使用された。また、TDCの目標追跡機能により、潜水艦は目標が煙や霧で一時的に視界を遮られた場合でも、魚雷を正確に発射することができた。

TDCは目標位置推定と魚雷発射角度計算という2つの独立した機能を実行していたため、2種類のアナログコンピュータで構成されていた。

• 角度計算器：このコンピュータは、必要なジャイロ角度を計算します。TDCには、前部魚雷発射管と後部魚雷発射管それぞれに独立した角度計算器が搭載されていました。
• 位置保持装置：このコンピュータは、以前の目標位置測定に基づいて、目標位置の推定値を継続的に更新します。^{[ 39 ]}

角度ソルバー

角度ソルバーに実装されている方程式は、魚雷データコンピュータのマニュアルに記載されています。^{[ 40 ]}潜水艦魚雷射撃管制マニュアル^{[ 41 ]}では、計算について一般的な説明がなされており、ここではその説明を大幅に簡略化した形で示します。

魚雷の射撃管制に関する一般的な問題は図2に示されている。以下の仮定を置くと、この問題はより扱いやすくなる。

• 潜望鏡は、魚雷が進む経路によって形成される線上にある。
• 標的は一定のコースと速度で移動する
• 魚雷は一定の進路と速度で移動する

図 2 からわかるように、魚雷の弾道特性と魚雷発射管の視差のため、これらの仮定は一般的には正しくありません。弾道と視差による魚雷ジャイロ角の計算の補正方法の詳細を説明するのは複雑で、この記事の範囲を超えています。ジャイロ角の決定に関するほとんどの議論では、魚雷射撃管制三角形と呼ばれる図 3 を使用するより単純なアプローチを採用しています。^{[ 6 ] [ 7 ]}図 3 は、ジャイロ角が小さい場合、通常 30° 未満の場合のジャイロ角を計算するための正確なモデルを提供します。^{[ 42 ]}

視差と弾道の影響は、ジャイロ角が小さい発射では最小限です。なぜなら、それらが引き起こすコースのずれは通常無視できるほど小さいからです。第二次世界大戦中、米国の潜水艦は、TDCの射撃管制ソリューションが小さな角度で最も正確であったため、小さなジャイロ角で魚雷を発射することを好みました。^{[ 43 ]}

ジャイロ角度設定を計算する問題は三角法の問題であり、魚雷の弾道と視差を無視した偏向角の計算を最初に考慮することで簡略化されます。^{[ 44 ]} ジャイロ角度が小さい場合、θ _Gyro ≈ θ _Bearing − θ _Deflectionとなります。図 3 に正弦定理を直接適用すると、式1が得られます。

どこ

v_{ターゲット}はターゲットの速度です。

v _Torpedoは魚雷の速度です。

θBow_は、標的艦の艦首と潜望鏡の視線とのなす角である。

θ_偏向角とは、潜望鏡の視線に対する魚雷の進路の角度のことである。

式1では距離は関係ありません。これは、3 つの仮定が満たされている限り正しいです。実際、式1は、第一次世界大戦と第二次世界大戦中に水上艦艇で使用された操舵可能な魚雷発射管の機械式照準器によって解かれた方程式と同じです。操舵可能な魚雷発射管からの魚雷発射は、上記の 3 つの仮定を十分に満たしています。しかし、潜水艦からの正確な魚雷発射には、ジャイロ角が大きい場合、視差と魚雷の弾道補正が必要です。これらの補正には、距離を正確に知る必要があります。目標距離が不明な場合、大きなジャイロ角を必要とする魚雷発射は推奨されませんでした。^{[ 45 ]}

式1は、偏向角の代わりにトラック角を用いるように頻繁に修正される（トラック角は図2で定義され、θ _Track = θ _Bow + θ _{Deflectionとなる）。この修正は式}2で示される。

ここで、 θ _Trackは目標艦の針路と魚雷の針路との間の角度である。

複数の出版物^{[ 46 ] [ 47 ]}では、Mk 14（46ノットの兵器）の最適な魚雷軌道角は110°であると述べている。図4は、ジャイロ角が0°（つまり、θ_偏向＝θ_方位）の場合の偏向角と軌道角の関係を示したものである。^{[ 48 ]}最適な軌道角は、特定の目標速度に対する軌道角誤差に対する偏向角の感度が最小となる点として定義される。この最小値は、図4の曲線の傾きがゼロとなる点で発生する（これらの点は小さな三角形で示されている）。

図中の曲線は、目標速度と航路角の関数として偏向角に関する式2の解を示しています。図4は、一般的な船舶速度である16ノット（30 km/h）の目標に対して110°が最適な航路角であることを確認しています。^{[ 49 ]}