Digitale techniek: Digitale vuurleiding

Digitale vuurleiding (1947 – 1960)

Een vuurleidingstoestel voor luchtdoelgeschut is een rekenapparaat dat uit een serie waarnemingen over de positie van een vijandelijk vliegtuig de vermoedelijke baan van dit vliegtuig berekent. Vervolgens berekent het toestel naar welk punt van deze vermoedelijke baan een projectiel moet worden afgeschoten, zodanig dat dit projectiel daar gelijktijdig met het vliegtuig aankomt. De gegevens over de positie van het vliegtuig worden met de radar ontvangen als hoeken en afstanden. Ook de richting waarin het projectiel moet worden afgeschoten, moet in de vorm van hoekmaten aan het geschut worden meegedeeld.
Direct na de Tweede Wereldoorlog leek het daarom voor de hand te liggen om een dergelijk rekentoestel in zogenaamde analoge vorm tot stand te brengen. De N.V. Hollandse Signaalapparaten (HSA) te Hengelo was al voor de Tweede Wereldoorlog zeer succesvol in het construeren van dergelijke vuurleidingstoestellen.

Digitale vuurleiding
Digitale vuurleiding

Digitale rekentechniek in de kinderschoenen

Sinds 1947 werd op het Physisch Laboratorium onderzoek gedaan aan digitale rekentechniek, een techniek die nog in de kinderschoenen stond. De techniek leek aanvankelijk weinig kans te bieden op toepassing op grotere schaal wegens het grote aantal elektronenbuizen dat daarin nodig was. Hierin kwam verandering toen in 1955 transistoren beschikbaar kwamen, waardoor de omvang van deze apparatuur sterk afnam en de betrouwbaarheid toenam. Voor toepassing van digitale rekentechniek in vuurleiding zou echter tweemaal een conversie nodig zijn: eerst analoog-digitaal, en na de berekening van de schietgegevens weer digitaal-analoog. Maar tegenover dit nadeel zou het voordeel staan dat met digitale rekentechniek bij de vele berekeningen die voor vuurleiding nodig zijn de vereiste nauwkeurigheid beter kon worden gehandhaafd. Bovendien zou, waar dat gewenst was, één rekentoestel in staat zijn voor meer dan één vuurmond de schietgegevens tegelijkertijd te berekenen. Ook liep de vuurleiding met analoge techniek tegen grenzen aan, waardoor de gewenste grotere nauwkeurigheid onbereikbaar was. Iets dat met digitale techniek wel te bereiken zou zijn.

Een eerste flip-flop van discrete componenten
Een eerste flip-flop van discrete componenten

Bepalen juiste positie onderwaterdoelen

In 1952 kwam als eerste een Diepterekenapparaat (DICO) gereed voor het vaststellen van de juiste richting van onderwaterdoelen (onderzeeërs). Bij de berekening van de diepte wordt de invloed van de akoestische breking als gevolg van de snelheidsgradiënten in het water in rekening gebracht. Geluidtransport in water gaat namelijk niet rechtlijnig, maar wordt volgens de wetten van Snellius beïnvloed door temperatuurverschillen, verschillen in zoutgehalte en druk. Deze waarden werden van te voren op verschillende dieptes gemeten en als parameter ingesteld op de DICO.
DICO werd uitgevoerd in elektronenbuizentechniek: 20 bits rekentechniek met 370 elektronenbuizen en 50 voltage reference tubes (CV2213) die tezamen 1500 Watt op soepeerden (120 A). DICO had vijf 20 bits-woorden kerngeheugen en drie registers. De omrekenparameters voor de baks- en domphoek (ofwel kaarthoek resp. elevatie) met digitale getalswaarden waren als digitale getalswaarden opgeslagen in optisch uitleesbare metalen codeschijven (1953). Een 10-bits vermenigvuldiging kostte 850 microseconden.
DICO werd met succes beproefd op de Hr.Ms. Marnix. In 1956 is de DICO na enige wijzigingen overgedragen aan Hollandse Signaal Apparaten voor het maken van een productieserie.

DICO
DICO
DICO rekenschijf
DICO instelparameters en codeschijf

 

DICO codeschijf
DICO codeschijf

Digitale vuurleiding voor torpedo’s

Het Physisch Laboratorium TNO was er in 1954 van overtuigd in staat te zijn een digitaal werkend vuurleidingstoestel te construeren, omdat inmiddels oplossingen waren gevonden voor:

  • de elektronica, het geheugen en de besturing,
  • de analoog/digitaal-omzetting van hoekgegevens,
  • de digitale filters voor de baanvoorspelling,
  • het opslaan van de schootstafels en de berekeningswijze van de schietgegevens, en later nog:
  • de servosturing van asstanden vanuit het rekentoestel.

De VUTOR-opdracht die de Koninklijke Marine in 1954 gaf om een laboratoriummodel te bouwen van een digitaal rekentoestel voor de berekening van de baangegevens van torpedo’s bood de mogelijkheid de in de voorgaande jaren ontwikkelde techniek in de praktijk toe te passen. Het laboratoriummodel werd met de toen gebruikelijke elektronenbuizen gemaakt en in 1955 succesvol beproefd aan boord van de onderzeeboot Hr.Ms. O27. Uiteindelijk waren het grote aantal buizen, meer dan 600, te bezwaarlijk voor de Koninklijke Marine om tot productie en operationalisatie van het systeem over te gaan.

In 1956 werd de ontwikkeling van een digitale torpedovuurleiding gestart gebaseerd op transistortechniek, waarbij Signaal in Huizen voor het mechanische deel zou zorgen. In 1959 werd dat project met goed gevolg voltooid. De Marine besloot echter de torpedo waarvoor de vuurleiding ontworpen was wegens slechte prestaties niet aan te schaffen.  

VUTOR voor torpedoberekeningen
VUTOR voor torpedoberekeningen (1955)

Vuurleidingstoestel DiPhySa

In 1954 gaf de Amerikaanse regering in het kader van het ‘Mutual Weapons Development Project’ steun aan Europese landen bij het ontwikkelen van nieuwe wapensystemen. Het Physisch Laboratorium TNO bood, tezamen met de Koninklijke Landmacht, een project aan voor het ontwikkelen van een digitaal vuurleidingstoestel voor luchtdoelgeschut. Dit project werd in 1955 geaccepteerd met de omschrijving: ‘Development of an anti-aircraft fire-control equipment using digital computing techniques’. Er werd de voorwaarde aan verbonden, dat een Nederlandse industrie in dit project zou participeren. HSA besloot mee te doen, zodat tussen de Nederlandse regering, RVO-TNO en HSA op 3 april 1956 een door de VS ondersteund contract kon worden getekend. Dit project kreeg de naam Diphysa, een naam bestaande uit letters van de woorden ‘digitaal’, ‘Physisch’ en ‘Signaalapparaten’. De Koninklijke Landmacht werd de opdrachtgever en het project diende een gezamenlijke inspanning van het Physisch Laboratorium en Hollandse Signaalapparaten te zijn.

Inmiddels was in 1956 bij TNO een studie gestart naar de mogelijkheden om zeer kleine magnetische ringetjes toe te passen als geheugens. Er werden goede resultaten bereikt. Daarom werd magnetische ringkerngeheugen gebruikt in het DiPhySa project. Van het laboratoriummodel van een digitale vuurleiding werd het rekendeel dat de radargegevens verwerkte op het Physisch Laboratorium TNO gemaakt. Het deel dat de vuurmondgegevens verwerkte werd bij HSA gebouwd. In 1960 werd het project succesvol afgerond. DiPhySa werd de basis voor de L4/5-vuurleiding die Signaalapparaten (HSA) ontwikkelde voor de Koninklijke Landmacht.

DiPhySa
DiPhySa (1960)

 

HSA radar van de DiPhySa
HSA radar van de DiPhySa

Internationale belangstelling

De digitale vuurleidingstechniek trok internationaal de aandacht. In april 1957 bezocht een delegatie van het Physisch Laboratorium TNO, bestaande uit drie ingenieurs, op uitnodiging van het Office Chief of Ordnance, US Army, zes Amerikaanse militaire researchinstellingen om de voordelen van digitale vuurleiding toe te lichten. Zij kregen daarbij de gelegenheid hun inzichten te toetsen aan die in de VS. En in 1965 noemde de Noorse vertegenwoordiger in de ‘Defence Research Directors’ van de NATO het project Diphysa een geslaagd voorbeeld van een ‘hardware project of magnitude developed in a small country’.

Bron

Deze tekst is ontleend aan een tekst van de overleden Prof. Ir. IJ. (IJsbrand) Boxma.