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

Vanaf 1947 werd op het Physisch Laboratorium onderzoek gedaan aan digitale rekentechniek, een techniek die op dat moment nog in de kinderschoenen stond. De techniek leek aanvankelijk weinig kans te bieden op toepassing op grotere schaal vanwege het grote aantal elektronenbuizen dat daarin nodig is. In 1951 werd een klein rekenapparaat gemaakt dat twee getallen bij elkaar kon optellen als de som maar onder zestien bleef. Het hele laboratorium kwam kijken. Volgens Van Soest konden we nu dus digitaal rekenen en zou het laboratorium dus een digitale vuurleiding voor de krijgsmacht kunnen ontwikkelen.
 

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

 

Eerste flip-flop bord
Eerste flip-flop bord

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 in juni 1954 met succes beproefd op het oefenschip onderzeebootbestrijding Hr.Ms. Marnix (D807) waarbij de onderzeeboot Hr.MS. O27 als doel functioneerde. Daarna werd DICO tussen november 1955 en februari 1956 gebruikt op de onderzeebootjager Hr.Ms. Gelderland (D811). In 1956 is de DICO na enige wijzigingen overgedragen aan Hollandse SignaalApparaten (HSA) voor het maken van een productieserie.

Diepterekenapparaat (DICO), 1952
Diepterekenapparaat (DICO), 1952

 

De buizen van nabij
De buizen van de DICO van nabij

 

DICO rekenschijf
DICO instelparameters en metalen codeschijf

 

DICO codeschijf
DICO metalen codeschijf

Digitale vuurleiding voor torpedo’s

De vuurleidingsradar die bepaalt in welke richting zich een doel (schip, vliegtuig) bevindt, levert deze informatie in de vorm van twee hoeken, namelijk een draaiing in het horizontale vlak en een in het verticale vlak. Evenzo krijgt het geschut de schietrichting in de vorm van twee hoeken toegevoerd. Om te kunnen rekenen moeten deze hoeken vertaald worden in getallen waar de rekeneenheid mee kan werken. Daarom is tweemaal een conversie nodig: 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 gelijktijdig voor meer dan één vuurmond de schietgegevens te berekenen.

In de jaren ’50 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.

In 1954 was het laboratorium ervan overtuigd in staat te zijn een digitaal werkende vuurleiding te construeren omdat inmiddels oplossingen waren gevonden voor:

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

Een eerste stap in analoog-digitaal omzetting gebruikte grote fotografische glasplaten die gehaald werden bij Gevaert in Antwerpen. Langs de omtrek werden fotografisch binaire getallen aangebracht in de vorm van kleine zwarte en doorschijnende blokjes. Een 1 is een doorschijnend hokje en een 0 een zwart vlakje. Een voldoende hoeknauwkeurigheid wordt verkregen door het aantal getallen groot genoeg te kiezen, of te wel de hoekverdraaiiing tussen twee getallen klein genoeg te maken. 

Met een reeks heel kleine door het Laboratorium zelfgemaakte fotocelletjes waren deze getallen zeer snel af te lezen. De getallencode gaf de sinuswaarde aan, waardoor meteen goniometrische hoekgegevens door de computer konden worden uitgelezen als zulke schijven gekoppeld waren aan de assen van radar en geschut (kaarthoek, elevatie en tempering). Dit onderdeel van de vuurleidingsapparatuur die we hoopten te bouwen, was essentieel voor ons succes.

Oplopende binaire waarden (9 bits) voor 0 - 360 graden (0-511) op een fotografische glasplaat
Oplopende binaire waarden (9 bits) voor 0 – 360 graden (0-511) op een fotografische glasplaat

De Koninklijke Landmacht gaf echter aan geen belangstelling te hebben voor een digitale vuurleiding: “De mechanische systemen van de NV Hollandsche Signaalapparaten (HSA) voldeden immers prima en de omzetting van asdraaiiing naar computergetallen was maar omslachtig“. HSA gaf eenzelfde reactie.
Admiraal Pinke, een bekend vlootvoogd uit de strijd in de Stille Oceaan en gewezen onderzeebootcommandant was hoofd geworden van het Bureau Wetenschappelijk Onderzoek van de Koninklijke Marine. Hij wilde een demonstratie, liefst met iets wat op torpedovuurleiding leek. Die demonstratie mocht niet mislukken.
De Directeur kreeg in Engeland voorlichting over een nieuw type bestuurbare torpedo’s die de Koninklijke Marine wilde aanschaffen. Ook maakte hij aan boord van een onderzeeboot het lanceren van oefentorpedo’s mee.

Daarna bouwde het laboratorium een klein rekentoestel dat de baan van een torpedo kon berekenen. Het doelschip werd een kartonnen model dat in de kantine over de vloer werd gesleept. De torpedo was een lichtvlek die ook over de vloer voortbewoog. Admiraal Pinke mocht alles instellen zoals hij dat op een onderzeeboot gewend was. Hij kroop enthousiast achter de lichtvlek op de vloer aan. Dit prototype leidde tot de opdracht aan het Physisch Laboratorium om een digitale torpedovuurleiding voor de onderzeeboot Hr.Ms. O27 te ontwerpen. De vuurleiding moest voor vier torpedo’s tegelijk een baanberekening kunnen uitvoeren. Dit omdat de ruimte aan boord te klein was om vier vuurleidingsapparaten te plaatsen. Met mechanische toestellen zou dat niet mogelijk zijn, waarmee een duidelijk voordeel van de elektronische vuurleiding zou worden aangetoond.

Deze VUTOR-opdracht (1954) gaf de mogelijkheid om een laboratoriummodel te bouwen van een digitaal rekentoestel voor de berekening van de baangegevens van meer torpedos tegelijkertijd . Dit bood de mogelijkheid om de in de voorgaande jaren ontwikkelde digitale en analoog-digitale technieken in de praktijk toe te passen.
Het VUTOR laboratoriummodel werd vooralsnog met de toen gebruikelijke elektronenbuizen gemaakt. De vuurleiding werd in mei 1954 succesvol beproefd aan boord van de onderzeeboot Hr.Ms. O27 nabij Torquai, Engeland.
Het doelschip was Hr.Ms. Marnix (F801). De oefening met de VUTOR verliep foutloos. Op de laatste dag gaf de commandant van de onderzeeboot toestemming om een oefentorpedo te lanceren. De periscoopinformatie over de Marnix werd verwerkte alles in de VUTOR. Het bevel vuren werd gegeven. ‘s-Avonds in de haven van Torquay werden de TNO medewerkers met een sloep naar de Marnix gebracht waar men nog wat bleek zag. De oefentorpedo was niet op een diepte van 10 meter gebleven, maar had steeds een sprong boven water gemaakt en kwam daarbij recht op het schip af. De commandant gaf alle commando’s voor het ontwijken van een torpedo. HIj slaagde daarin tot grote opluchting van de bemanning. Al heeft zo’n oefentorpedo geen lading, hij kan het schip flink beschadigen. 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.

VUTOR voor torpedoberekeningen
VUTOR voor torpedoberekeningen (1955)

Inmiddels kwamen in 1954 de eerste transistoren op de markt. Voor die tijd moesten de transistoren voor experimentele schakelingen zelf gemaakt worden. De transistoren waren nog niet erg betrouwbaar. Geprobeerd werd er eenvoudige rekenapparatuur mee te maken. Soms traden vreemde effecten op. Op een morgen werkte een ontwikkeld rekenapparaat vlekkeloos, dat wil zeggen tot aan de koffiepauze. Daarna werkte het apparaat niet meer goed. De volgende dag hetzelfde fenomeen.
Na enige tijd was het duidelijk dat die eerste commerciële transistoren gevoelig waren voor zonlicht zodat ze als fotocellen gingen werken. Na de koffiepauze scheen de zon op het rekenapparaat… De volgende generatie transistoren had een zwarte laklaag zodat dit probleem uit de wereld was.

Met transistoren was een snelheid van 30.000 optelling per seonde haalbaar. Naar schatting zou een vuurleidingscomputer zo’n 50 Watt vermogen vergen. 

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

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 tegen luchtdoelen. 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. Zo’n twintig medewerkers werkten aan dit project. 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 computer (1960). Deur verwijderd. De vier output servo's zijn te zien rechts van het midden. Links het paneel met de schakelaars.
DiPhySa computer (1960). Deur verwijderd. De vier output servo’s zijn te zien rechts van het midden. Links het paneel met de schakelaars.

 

Parameterinvoerpaneel van de DiPhySa: loopafwijking, mondingsvuursnelheid, temperatuur en windrichting en -snelheid
Parameterinvoerpaneel van de DiPhySa: loopafwijking, mondingsvuursnelheid, temperatuur en windrichting en -snelheid
DiPhySa
DiPhySa computer

 

DiPhySa computer: binnenzijde
DiPhySa computer: binnenzijde

 

HSA SRG 108/03 AA fire control radar
HSA SRG 108/03 AA fire control radar

 

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’.

Bronnen
  1. Deze tekst is grotendeels ontleend aan een tekst van de overleden Prof. ir. Ij. (Ijsbrand) Boxma en aan zijn memoires ‘Wat ik mij nog herinner’.
  2. Daarnaast:  ir. Boxma (1958), “Digitale Rekentechnieken voor Vuurleidingsproblemen“, de Militaire Spectator nr 11,  nov. 1958.