- Le calculateur de conduite de tir de l’US Navy reçoit des informations sur son propre navire, la cible, la balistique et la météo — jusqu’à 25 facteurs — et calcule en continu les ordres de rotation et d’élévation des canons
- La précision des calculs dépend fortement non seulement de l’équipement lui-même, mais aussi de l’habileté des opérateurs qui envoient au calculateur la distance et le relèvement de la cible depuis le director, et saisissent les autres valeurs
- La première partie explique comment les arbres, engrenages, crémaillères et pignons, cames et différentiels, utilisés à plusieurs reprises à l’intérieur, assurent la transmission de valeurs numériques, la multiplication par une constante, le calcul de fonctions et le calcul de sommes algébriques
- Les cames transforment une entrée rotative en sortie linéaire ou en valeur de fonction ; les reciprocal cam, square cam, tangent cam, time-of-flight cam et barrel cam sont utilisées pour les calculs balistiques et trigonométriques
- Le différentiel produit en continu une somme algébrique même lorsque deux entrées varient rapidement, ce qui en fait une pièce essentielle des calculs de conduite de tir pour des navires et des cibles en mouvement
Les calculs résolus par le calculateur de conduite de tir
- Le calculateur de conduite de tir reçoit simultanément plusieurs valeurs d’entrée, résout le problème de conduite de tir et envoie les résultats aux canons sous forme d’ordres de rotation (train) et d’élévation (elevation)
- Les entrées comprennent le cap et la vitesse de son propre navire, la distance et le relèvement de la cible, le cap et la vitesse de la cible, la vitesse et la direction du vent, la vitesse initiale du projectile, etc. ; le nombre de facteurs possibles peut aller jusqu’à 25
- Comme de nombreux facteurs interviennent simultanément et changent en permanence, le calculateur doit résoudre le problème de façon continue et immédiate
- Le calculateur ne peut pas être précis sans intervention humaine
- L’opérateur du director envoie au calculateur la distance et le relèvement de la cible
- D’autres personnes situées auprès du calculateur saisissent les informations restantes
- La précision des calculs dépend de la qualité des informations reçues par le calculateur, et cette qualité dépend de l’habileté et de la compréhension des opérateurs
Arbres, crémaillères et pignons, engrenages
- L’intérieur du calculateur contient de nombreux mécanismes de base, dont certains sont répétés plusieurs fois dans un même calculateur
- Un arbre (shaft) est couramment utilisé pour transmettre une valeur dans le calculateur
- Une valeur numérique donnée est attribuée à un tour complet de l’arbre
- Une rotation dans un sens peut représenter une valeur positive, et une rotation dans l’autre une valeur négative
- La crémaillère et le pignon montrent comment la valeur d’un arbre est interprétée numériquement
- Si un tour est calibré à +10, un tour et demi vaut +15, et deux tours valent +20
- Un cinquième de tour dans le sens opposé a pour effet d’ajouter -2 ; ajouter -2 à +20 donne +18
- Deux tours dans le sens négatif ont pour effet de retrancher 20
- Dans un dispositif réel, une crémaillère et un pignon peuvent servir à convertir la valeur d’un arbre en mouvement linéaire correspondant, ou inversement à transmettre la valeur de la crémaillère à un arbre
- Les engrenages transmettent la valeur d’un arbre à un autre
- Avec un rapport de 1:1, la valeur numérique est conservée, mais le sens de rotation est inversé
- Des engrenages de tailles différentes peuvent multiplier ou diviser la valeur de l’arbre par une constante
- Avec un rapport de 2:1, un tour de l’arbre moteur peut produire deux tours de l’arbre entraîné
Produire des valeurs de fonction avec des cames
- Une came (cam) peut être utilisée comme mécanisme de calcul ; en général, elle transforme un mouvement simple, comme une rotation, en mouvement irrégulier ou intermittent
- Toutes les cames possèdent une surface de travail et un suiveur
- La surface de travail peut être le contour extérieur ou la paroi d’une rainure
- Le suiveur peut être un galet, une bille, une goupille, ou un autre dispositif qui glisse ou roule sur la surface de travail
- La surface de travail est conçue selon la relation entrée-sortie souhaitée
- Par exemple, on peut attribuer la valeur 10 à un tour d’arbre et faire en sorte que, pour les valeurs d’entrée 1, 2 et 3, le suiveur se déplace respectivement d’une distance 1 fois, 2 fois et 3 fois plus grande
- Cette relation s’applique non seulement aux nombres entiers, mais aussi à toutes les valeurs intermédiaires
- Une came utilisant le contour extérieur comme surface de travail est généralement limitée en capacité à un seul tour
- Pour traiter des rotations supplémentaires, il faut étendre la surface de travail ; dans ce cas, elle prend la forme d’une rainure (groove)
- La constant lead cam est un exemple où une goupille se déplace le long d’une rainure
- Dans un calculateur de conduite de tir, l’entrée rotative de la vitesse du navire est transmise sous forme de mouvement linéaire du suiveur
Les cames utilisées dans la conduite de tir
- La reciprocal cam est conçue pour que la sortie soit l’inverse de l’entrée, c’est-à-dire 1/input
- La surface de travail est construite en plaçant des points sur un rayon
- La distance pour 1, l’inverse de 2, soit 1/2, l’inverse de 3, soit 1/3, etc., forment une courbe
- En découpant cette courbe en rainure dans une came à disque et en ajoutant un suiveur, l’inverse de l’entrée devient la sortie
- La came comporte généralement, aux deux extrémités de la courbe tracée, des sections de run out qui ne sont pas utilisées dans le calcul
- La square cam produit le carré de l’entrée
- L’entrée peut être positive ou négative
- La tangent cam est un exemple de came de fonction trigonométrique
- L’entrée peut être un angle compris entre 40 et 70 degrés
- La sortie est la tangente de cet angle
- La time-of-flight cam est un exemple de came balistique plane
- La surface de travail est le contour extérieur de la pièce
- L’entrée est la portée et la sortie est le temps de vol
- Un suiveur de type secteur, maintenu en contact avec la came par un ressort, fait tourner l’engrenage de sortie
- La barrel cam, ou came tridimensionnelle, calcule une sortie à partir de deux entrées
- L’exemple de dispositif calcule la superelevation
- L’élévation du canon est la somme de la superelevation et de l’advance elevation de la cible
- La superelevation augmente lorsque l’advance range augmente, mais pas proportionnellement
- La superelevation diminue lorsque l’advance elevation augmente, mais là encore pas proportionnellement
- La superelevation est donc déterminée par deux entrées : l’advance range et l’advance elevation
- La barrel cam peut être vue comme une extension d’une came ne prenant en compte qu’une seule élévation
- Pour une élévation donnée, plusieurs portées sont possibles, et chaque portée exige une superelevation différente
- Pour traiter toutes les élévations, le barrel prend la forme d’un ensemble infini de telles cames
- Chaque section transversale devient une came correspondant à une advance elevation donnée
- L’entrée d’elevation sélectionne la section nécessaire, et l’entrée de range positionne le barrel en fonction de la portée requise
Différentiels et sommes algébriques
- Un différentiel (differential) est utilisé dans le calculateur pour obtenir en continu la somme algébrique de deux quantités
- Lorsque deux entrées changent, le différentiel fournit simultanément la réponse, indépendamment de la vitesse de variation des entrées
- Dans les calculateurs de conduite de tir, un exemple fréquent est le différentiel à engrenages coniques
- Deux arbres sont solidement assemblés, et ces arbres avec les engrenages forment le spider assembly
- Il comprend des spider gears, un spider shaft et des end gears
- Les quatre engrenages ne sont pas fixés à leurs arbres respectifs, mais montés librement sur des paliers
- La connexion avec d’autres mécanismes se fait par des spur gears fixés à chaque end gear et au spider shaft
- Mathématiquement, un seul spider gear suffit au problème, mais un second spider gear est ajouté pour l’équilibrage
- Le principe de fonctionnement se comprend plus facilement avec un modèle crémaillère-pignon
- On peut l’imaginer comme un pignon placé entre deux crémaillères
- La crémaillère A, la crémaillère B ou le pignon peut servir de sortie, les deux autres éléments étant les entrées
- Dans l’exemple, les crémaillères sont utilisées comme entrées et le pignon comme sortie
- Le déplacement du centre du pignon est toujours égal à la moitié de la somme algébrique des déplacements des deux crémaillères
- Si A se déplace de +4 pouces et B de +2 pouces, la somme est de +6 pouces et le centre du pignon se déplace de +3 pouces
- Si A vaut +1 et B +3, la somme est de +4 et le centre du pignon se trouve à +2
- Si A vaut -4 et B +2, la somme algébrique est de -2 et le centre du pignon se déplace à -1
- En attribuant aux crémaillères des graduations de la valeur souhaitée et au pignon des graduations correspondant à la moitié, le pignon peut représenter la somme algébrique des valeurs des crémaillères
- Un différentiel à engrenages coniques n’est pas fondamentalement différent d’un différentiel crémaillère-pignon
- Les crémaillères de longueur limitée sont remplacées par des end gears, qui fonctionnent comme des crémaillères sans fin
- Le pignon est remplacé par un spider gear
- Le déplacement circulaire du centre du spider gear est transmis sous forme de rotation du spider shaft
- La sortie peut être l’un des deux end gears ou le spider shaft, les deux autres éléments devenant les entrées
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Commentaires sur Hacker News
En 1989, j’étais technicien systèmes de données sur un destroyer en maintenance au chantier naval de Pascagoula, dans le Mississippi, et le cuirassé Wisconsin était amarré juste à côté.
C’était un gigantesque vestige de la Seconde Guerre mondiale, mais il était encore en cours de modernisation, et quelques personnes chargées des systèmes de combat ont été invitées à visiter le système de conduite de tir.
Il s’agissait entièrement d’un ordinateur mécanique qui calculait les solutions de tir des canons de 16 pouces, et les personnes qui nous guidaient avaient largement dépassé l’âge normal de la retraite militaire.
Il s’est avéré que le savoir pratique autour de cet ordinateur mécanique avait disparu de la Navy, et que toutes ces personnes avaient été rappelées. C’était une journée vraiment formidable.
Les calculs lourds étaient effectués par l’ordinateur de tir du navire, et les valeurs de réglage étaient utilisées par le simple calculateur de la torpille, dotée d’un dispositif de guidage inertiel.
Il est difficile d’imaginer comment des gens ont pu concevoir tout cela avec seulement des crayons et des règles à calcul.
J’étais dans un groupe qui remettait à neuf des ordinateurs de conduite de tir pour sous-marins ; ils ressemblaient aux bornes de jeux vidéo verticales qui sont devenues populaires peu après dans les salles d’arcade, mais le caisson était en aluminium massif.
L’intérieur était un ordinateur analogique rempli d’engrenages et de résolveurs ; les afficheurs étaient eux aussi entièrement analogiques, et tout était remplacé par des engrenages et des résolveurs neufs.
Je me souviens qu’un autre groupe, à proximité, expérimentait des micro-ordinateurs dans des boîtiers S-100 du genre IMSAI 8080.
C’est vraiment quelque chose qui dépasse l’imagination, et si vous êtes près de Norfolk, le cuirassé Wisconsin vaut la visite.
Quand il a dit qu’il utilisait un « ordinateur mécanique », j’ai dû fixer le vide un instant pour comprendre ce que cela voulait dire.
Les anciens supports de formation de l’US Navy sont excellents pour apprendre de nombreuses techniques.
Parmi les chefs-d’œuvre, il y a “Basic Hand Tools”, un manuel qui explique en anglais simple l’utilisation de pratiquement tous les outils à main jamais inventés.
À propos du marteau, il écrit même : « Celui qui a eu l’idée de casser des noix avec une pierre a inventé un outil sans le savoir. Quand un génie ultérieur a attaché un manche à cette pierre, le premier marteau a été inventé. Depuis ces modestes débuts, de nombreuses améliorations ont été apportées. »
La version moderne, “Tools and Their Uses”, couvre aussi les machines-outils, mais elle est moins amusante.
Mon exemple préféré est cette vidéo qui explique le différentiel d’une voiture : https://m.youtube.com/watch?v=yYAw79386WI
Des jeunes de 18 à 20 ans font décoller et apponter des avions sur un porte-avions tout en menant des ravitaillements en mer, et cela devient une journée tout à fait ordinaire.
C’est littéralement un guide full-stack de l’électronique, qui commence par les bases de la matière.
Je recommande vivement Between Human and Machine: Feedback, Control, and Computing before Cybernetics de David A. Mindell.
C’est une bonne porte d’entrée pour comprendre un aspect de la Navy et de la « technologie ».
Une grande partie des débuts de l’informatique est liée à la Navy, et ce n’est pas un hasard si Grace Hopper était amirale dans la Navy, et non générale dans l’armée de terre.
Les premiers travaux de Cray font aussi souvent apparaître “Navy”, avec même un parcours allant de l’Europe au Pacifique.
C’est une histoire fascinante de la Seconde Guerre mondiale et de l’après-guerre, qui mérite d’être explorée.
Cela dit, il ne faut pas sous-estimer non plus l’importance de l’artillerie terrestre, de la topographie militaire et de la cartographie.
Les ordinateurs mécaniques destinés au tir naval à longue portée, qui prenaient en compte des facteurs comme la route, la vitesse et le roulis, se sont construits sur les premières méthodes statiques de tir terrestre qui utilisaient des tables et des nomogrammes issus de calculs complexes.
Une partie du travail de Babbage sur la machine à différences était également liée au calcul de tables de tir.
En quelque sorte, les ancêtres du GPS.
« Cette recherche a été en partie financée par la subvention XXX-YYY-ZZZZZZZZZZ du Naval Research Laboratory. »
On voit aussi fréquemment des mentions similaires d’autres organismes de financement comme la DARPA ou la NSF.
Si vous voulez ressentir directement ce que c’est que de travailler avec de tels « ordinateurs », regardez le jeu UBOAT sur Steam.
C’est un successeur spirituel de la série Silent Hunter, et il a ajouté assez récemment l’ordinateur de données de torpilles utilisé dans les sous-marins allemands Type VII.
https://store.steampowered.com/news/app/494840/view/3712713813599539942
L’interface utilisateur est étonnamment intuitive, même selon les critères UX actuels.
La vidéo est excellente
Sa manière d’expliquer, simple et directe, transmet très bien les concepts, et les nombreuses applications des cames sont impressionnantes à chaque fois qu’on les voit
Les principes de base des ordinateurs mécaniques sont bien plus anciens : ils remontent loin dans les années 1800, voire avant, et trouvent en grande partie leurs racines dans l’horlogerie
Ayant toujours eu du mal avec l’algèbre traditionnelle et les mathématiques au-delà, les voir présentées sous une forme physique les rendait beaucoup plus accessibles
Je me demande si quelqu’un a déjà enseigné l’algèbre ou des concepts mathématiques avancés de cette façon
Si, au lycée et à l’université, les cours de maths avaient eu des machines à engrenages qu’on pouvait manipuler et dont on pouvait tourner la manivelle pour « voir les maths fonctionner », ma vie aurait peut-être été différente
Après avoir pris du retard sur les bases de l’algèbre au lycée, je n’ai pas réussi à rattraper à l’université et j’ai en pratique abandonné ; en cours de BASIC 101 à la fac, j’ai découvert que j’aimais les ordinateurs, mais ensuite, pour utiliser des ordinateurs, il fallait passer en filière maths, et comme c’était le début des années 80, je n’ai pas réussi à valider les prérequis et j’ai renoncé
Malgré tout, j’ai immédiatement acheté un ordinateur 8 bits avec 4 Ko de RAM, je suis devenu programmeur entièrement en autodidacte, et au final les choses se sont très bien passées, mais il reste ce « et si »
Dans ma représentation mentale de l’univers de Dune, la réponse après le Jihad butlérien a été de développer de meilleurs ordinateurs mécaniques
Notamment grâce à la miniaturisation, jusqu’à l’échelle du nanomètre
Cela ne colle pas parfaitement à tout — on peut se demander par exemple si les boucliers Holtzmann sont entièrement analogiques —, mais cela semble suffisant pour faire correspondre la plupart des objets à des contrôleurs analogiques pratiques constitués d’ordinateurs analogiques à l’échelle nanométrique
Si l’on met de côté la fanfiction de Brian Herbert, il est même possible que l’informatique dominante de l’époque ait été mécanique
Quoi qu’il en soit, cette distinction n’aurait pas eu d’importance
Dans les films d’instruction militaire ou les actualités filmées, impossible de se passer de la musique d’introduction au pas de marche
Elle dit en substance : « reste assis et écoute attentivement. Oui, toi ! »
La cornemuse joue le même rôle, et de nos jours, s’il n’y a pas de cornemuse au début ou à la fin, on n’a pas vraiment l’impression d’assister à une cérémonie officielle
Liens connexes :
Mechanical Computer – Basic Mechanisms in Fire Control Computers (1953) [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=29471331 - décembre 2021, 12 commentaires
Basic Mechanisms In Fire Control Computers (1953) [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=7831923 - juin 2014, 6 commentaires
« Bien entendu, la précision de l’ordinateur dépend de la qualité des informations qu’il reçoit »
C’est tout à fait exact
Je me demande si c’était une référence volontaire
« À deux reprises, on m’a demandé : “Monsieur Babbage, si l’on introduit de mauvais nombres dans la machine, les bonnes réponses en sortiront-elles ?” Une fois, c’était un membre de la Chambre haute, l’autre fois un membre de la Chambre basse qui avait posé cette question. Je suis incapable de saisir correctement la confusion d’idées qui peut provoquer une telle question »
— Charles Babbage, Passages from the Life of a Philosopher (1864)