ギアーズ・オブ・ウォー：機械式アナログコンピューターが海を支配していた時代

更新: この休日の週末に読者の皆様にお楽しみいただけるよう、2014 年からこの機能を再公開しています。

現在、承認試験中の最新鋭駆逐艦「ズムウォルト」には、新型艦砲「先進砲システム（AGS）」が搭載されています。自動化されたAGSは、100マイル（約160キロメートル）以上離れた標的に向けて、毎分10発のロケット支援精密誘導弾を発射できます。

これらの砲弾はGPSと慣性誘導を利用して、砲の精度を50メートル（164フィート）の誤差円まで向上させます。つまり、GPS誘導砲弾の半数は目標からその距離内に着弾するということです。しかし、高性能なGPS砲弾がなければ、AGSとそのデジタル射撃管制システムは、ほぼ100年前の機械式アナログ技術と同等の精度しか得られません。

フォード・インストゥルメンツ社のマーク1A火器管制コンピュータやマーク8レンジキーパーのような、電気機械式アナログ火器管制コンピュータのことです。これらの機械は、デジタルコンピュータが実用化されるずっと前から、20以上の変数微積分問題をリアルタイムで、しかも絶えず解いていました。1980年代後半に私が戦艦アイオワに乗艦していた頃も、まだ使われていました。

私の任務中、これらの旧式システムをデジタル技術と組み合わせたり、置き換えたりする取り組みがいくつかありましたが、そのうちの 1 つ (Advanced Gun Weapon System Technology Program と呼ばれるもの) は、AGS の 100 マイル砲弾に驚くほど似ていました。11 インチのダーツ型砲弾が GPS と慣性誘導で 16 インチの剥離式ジャケット (サボ) に包まれており、戦艦の巨大な砲のおかげで、ロケットの補助なしでもほぼ同じ距離を飛行することができました。

では、なぜ海軍は戦艦の主砲のデジタル化を最後までやり遂げなかったのだろうか？ 海軍戦術組み込みコンピュータプログラムオフィスの元所長、元海軍大佐のデイビッド・ボスロー氏にこの疑問を尋ねてみた。誰よりも詳しい人物といえば、ボスロー氏だろう。彼は海軍戦術データシステム（現在のイージス・システムの前身であり、あらゆるデジタルセンサー・射撃管制システムの母体）の開発に携わった人物だ。

「かつて私の部署は、アイオワ級戦艦の射撃管制システムをアナログからデジタルコンピュータにアップグレードする調査を依頼されました」とボスローは答えた。「コンピュータをデジタル化してもシステムの信頼性も精度も向上しないことが分かり、『やめておこう』と勧告しました」。デジタルコンピュータがなくても、アイオワは2,700ポンドの「ダム」砲弾を内陸約30マイルに、約80メートルの誤差範囲内で、致命的な精度で発射することができた。砲弾の中には、それよりも大きな破壊円を持つものもあった。

ギア、カム、ラック、ピンが詰まった箱が、数十もの変数を含む微分方程式に基づく弾道計算をリアルタイムで処理できるのは一体どういった仕組みなのでしょうか？そもそも、フォルクスワーゲン・ビートルほどの重さの金属塊を、地平線の彼方の標的にどうやって載せることができるのでしょうか？そして、この金属とグリースが、なぜこれほど長きにわたってデジタルシステムの計算力を凌駕してきたのでしょうか？まずは、戦艦の弾道学の歴史を少し振り返ってみましょう。機械式アナログ計算の仕組みを正確に示す、海軍の訓練用映像も併せてご紹介します。

激怒

船から銃で何かを撃つのは、決して簡単ではありません。弾道学でよくある問題――どれだけの威力をかけるか、特定の距離の標的に命中させるにはどれだけ高く狙うか、風やコリオリの力をどれだけ補正するか――に加えて、常にピッチ、ヨー、そして位置が変化するプラットフォームから射撃しているという事実も考慮しなければなりません。たとえ幸運にも標的が静止していたとしても、その変動性は、跳ねるカンガルーの背中から水風船で何かを撃とうとするのと同等です。

艦船の視界内にあるものを射撃することは、フィードバックループです。目標を狙い、その相対的な動きやその他の弾道条件を計算し、射撃し、着弾位置を観察し、調整します。地平線を越​​えた目標を射撃するのはさらに困難です。正確な地理的位置を特定し、砲弾の着弾位置に基づいて修正を行い、目標まで誘導できる前方観測員が必要です。

砲塔が登場する以前の時代、艦艇は舷側砲で砲撃を行っていました。砲弾の着弾位置と、敵艦に面する側がロールの上昇側になるまで射撃を待つことで、砲弾の射程を調整していました。しかし、20世紀初頭に弩級戦艦や巡洋戦艦が登場すると、艦艇の砲の射程距離と威力は飛躍的に向上しました。同時に、精度に対する要求も高まりました。

そのニーズはアナログコンピュータの台頭と呼応する形で現れました。機械式アナログコンピュータは、何世紀にもわたって天文学者によって星の位置、日食、月の満ち欠けを予測するために使用されていました。最古の機械式アナログコンピュータとして知られるアンティキティラ島の機械は、紀元前100年に遡ります。しかし、コンピュータを使って人を殺そうとする者は、ずっと後になってから現れました。

アナログコンピュータは、一般的な機械装置を用いて計算を行います。車のエンジンが生み出すトルクを、車輪の回転、バルブの開閉、ピストンの運動に変換するのと同じ種類の装置です。データは、通常、シャフト入力の回転によってアナログコンピュータに連続的に「入力」されます。シャフトの360度回転ごとに、ある数値が割り当てられます。

古代ギリシャの時代、データ入力は車輪を回すことで行われていました。より近代的なアナログコンピュータでは、速度、方向、風速などのセンサーデータから得られる変数は、電気機械接続、つまりジャイロコンパスやジャイロスコープによる「安定鉛直」、追跡システム、速度センサーからの同期信号を介して入力されます。経過時間などの定数は、特殊な定速電気モーターによって入力されます。

すべてのシャフトを連結し、連続した計算出力に変換するのは、ギア、カム、ラック、ピンなどの機械要素の集合体です。これらの要素は、幾何学と三角法の原理を用いて運動を数学的表現に変換します。これはまた、「ハードコード」された関数によっても行われ、より複雑な計算結果を精密に機械加工された形状に格納します。これらの部品が連携することで、非常に具体的な一連の質問に対する非常に正確な答えを瞬時に算出します。68フィートのライフル銃身から発射した巨大な弾丸が標的に到達したとき、標的はどこにあるのか、そしてそこに到達するにはどこに狙う必要があるのか​​？

精密に組み立てられたアナログコンピュータは、この種の問題においてデジタルコンピュータよりもはるかに高い精度を実現します。デジタルではなく物理的な入出力を使用するため、曲線やその他の幾何学的要素を無限の解像度で表現できます（ただし、これらの計算の精度は、部品の機械加工精度、摩擦や滑りによる損失に左右されます）。最下位桁の欠落はなく、答えは「for-next」クロック駆動の計算サイクルに依存するのではなく、連続的です。

金属へのコーディング

機械式アナログコンピュータの最も基本的な部分はギアです。様々な種類のギアを組み合わせることで、アナログコンピュータは加算、減算、乗算、除算といった基本的な数学関数を実行できます。

ギア比（円周が互いに一定の倍数または分数である2つのギアを使用する）は、機械で計算を行う最も基本的な方法です。入力または出力をスケールアップまたはスケールダウンしたり、入力の定数倍を別の計算に適用したりするために使用できます。例えば、2対1のギア比で接続されたシャフトを回転させると、出力を得るシャフトは半分の回転数になります。

車のステアリングに使用されるラックアンドピニオン システムは、アナログ コンピューターでも回転運動を線形出力に変換するために使用されています。つまり、弾道問題における他の種類の計算を幾何学的に解くために、読み取り装置を移動したり、コンポーネントを配置したりします。

1953 年の海軍の射撃管制コンピューターの訓練用フィルムの次のクリップを見ると、アナログ コンピューターでこのようなギアベースのシステムがどのように動作するかがわかります。

自動車では、差動歯車装置は車輪を異なる速度で回転させるために使われています。しかし、アナログコンピュータでは異なる機能を果たし、加算と減算を機械的な方法で実行します。2つの入力軸の間に、対応するギアを持つ差動歯車装置を設置すれば、常に2つの入力軸の回転数の平均となる回転数が得られます。この平均を2倍にすると、2つの入力軸の代数和が得られます。例えば、一方の入力軸が3回転し、もう一方の入力軸が1回転すると、差動歯車装置は接続された軸を2回転します。これは合計4回転の半分です。

基本的な数学であれば、これらはすべて問題ありません。しかし、弾道曲線の計算や、コリオリの力が長距離を飛ぶ砲弾に与える影響など、より高度な機能を扱うには、アナログコンピューターはより複雑な部品を必要とします。こうした機能の一部は、カムによって処理できます。カムとは、様々な値に対する応答を「記憶」するために機械加工された回転面です。シンプルなカムは、ラックに接続されたピンの動きによって、入力回転を三角関数や対数関数の出力に変換するなど、単一の変数に基づく様々な応答を記憶できます。より複雑な3次元の「樽型」カムは、以下の動画で示されているように、複雑な2変数関数の応答を回転体として記憶できます。

これらの部品はすべて、初期の天体計算機の製作者たちにはよく知られていましたが、その加工精度は産業革命時代の工具ほどには精密ではなかったかもしれません。しかし、弾道計算において標的の位置を予測するために必要な高度な計算を全て統合した最後の機械部品が一つあります。それが積分器です。これは、回転する円盤の回転速度の違いを利用して、無限に可変できる差動歯車として機能する装置です。

積分器は 1876 年にベルファストのジェームズ・トンプソン教授によって初めて完全に開発され、その後、彼の兄弟であるケルビン卿によって「高調波分析装置」の要素としてさらに改良されました。

ケルビン卿は、高調波分析装置を用いて潮汐パターンに影響を与える複数の要因を分離し、将来の予測を可能にしました。このコンピューターは2つの入力を受け取りました。時間は定常回転として入力され、潮位は機械針で記録された記録からトレースされました。ワイヤーと滑車が出力を生成し、ロール紙に曲線を描きました。英国海軍はケルビン卿の潮汐コンピューターを高く評価しました。なぜなら、世界中のどこで記録された過去の潮汐データも取り込み、わずかな労力で潮汐表を作成できたからです。半世紀以上経った後、ケルビン卿の潮汐コンピューターはノルマンディー上陸作戦の計画に役立ち、第二次世界大戦の帰結に直接貢献しました。

1990年代まで運用されていた射撃管制コンピュータのインテグレータは、艦上運用の厳しい条件下での信頼性を高めるための改良を除けば、ケルビン卿が使用したインテグレータと基本的に同じ機能でした（下のビデオをご覧ください）。レンジキーパーとマーク1射撃管制コンピュータを設計したハンニバル・フォードが、この改良型インテグレータを発明しました。このインテグレータは、キャリッジ内の2つのボールを用いて回転ディスクからの回転情報を伝達します。

ネットワークは（射撃管制）コンピュータである

第一次世界大戦の射撃管制「システム」は、主に独立した装置で、電話や音声管で人が叫ぶことで接続されていました。レンジキーパー・マークIに自動的に送られる唯一のデータは、ジャイロコンパス中継器による船の針路だけでした。しかし、その後10年間で世界の海軍が電気という新しい技術に慣れていくにつれて、状況は変化しました。

1922年のワシントン海軍軍縮条約により、海軍の発展は10年近く停滞しましたが、フォードは1920年代を通してレンジキーパーの開発を続け、1930年にレンジキーパー・マーク8を完成させました。マーク8は大型艦砲射撃管制の頂点を極めるものとなりました。アイオワ級戦艦に搭載され、艦艇の16インチ砲を統制するために使用されたこのシステムは、第二次世界大戦での就役以来、1991年2月の湾岸戦争におけるイラク軍への砲撃まで、4隻の艦艇からのすべての舷側砲撃をこのシステムで計算しました。

レンジキーパー・マーク8は、センサーとの接続に不具合が生じた場合に備えて、オペレーターが手動でデータを入力できるオプションを備えていました。また、射撃結果やその他の修正に基づいてデータを上書きまたは調整することもできました。この機械は、手動クランクを回すことで電力なしでも操作可能でした。目標の方位と距離は、砲座誘導装置からの電気入力として入力されました。船速は、船のピトー管からのデータに基づいて自動的に入力され、風速は風速計から直接入力されました。

システムが目標に「ロック」すると、マーク8は配電盤を介して砲塔と砲架に信号を送り、正確な照準を維持する。次に、艦のヨーとピッチングに合わせて砲の仰角を調整するための安定化データを送信した。マーク8自体は電気機械的にネットワーク化されており、5つのアナログ計算ハードウェアボックスをボルトで固定して1つのユニットに構成されていた。

マーク8は大型砲用で、その大きさと発射速度から、水上目標のみを対象としていました。アイオワをはじめとする第二次世界大戦中の小型艦艇の5インチ38口径連装砲のような小型砲は、より高速で小型の目標、つまり航空機を三次元的に狙う必要がありました。これにははるかに複雑な計算が必要となり、電気機械式アナログ計算の最高峰、フォード・インストゥルメンツ社製のマーク1射撃管制コンピュータが誕生しました。

マーク1の重量は3,000ポンドを超えました。レンジキーパーと同様に、マーク1は砲指揮装置からの入力を受けました。砲指揮装置は、光学センサー（後にレーダーセンサーも）を備えた電気機械駆動の砲塔状の「バルベット」で、方位と距離の情報を電気同期信号で継続的に送信していました。

コンピューターは、誘導装置とそれが制御する砲の間の視差を考慮しました。また、砲弾が目標の近くで爆​​発するように、機械式信管の信管時間も計算する必要がありました。（とはいえ、1980年代の砲術訓練では、故意ではなかったものの、アイオワが曳航された空中目標に直撃したケースが数回ありました。）

戦時中最も高精度な対空コンピュータと評されたマーク1型対空コンピュータですが、それでも重大な限界がありました。空中目標付近で砲弾を爆発させるには機械式の信管に依存しており、水平速度400ノット未満、垂直速度250ノット未満の飛行目標の計算しか処理できませんでした。そのため、ジェット機や神風特攻隊の攻撃には効果を発揮しませんでした。

ギアに別れを告げる

では、なぜ私たちはこれらの機械の驚異を使って物体をロックオンして爆破することをやめてしまったのでしょうか？高精度な機械式アナログコンピューターには、いくつかの制約があります。重い。多くのスペースを必要とする。自動化が進んだ後も、依然として多くの監視員が必要でした。電気信号を回転に変換するサーボモーターを含め、コンピューターを動かすために必要なトルクは、ピーク時には16キロワットという膨大な電力を必要としました。

一般的に信頼性は高いものの、最大の敵は摩擦と機械的疲労です。射撃管制コンピューターを適切に潤滑し、ギアの摩耗を監視するのは、近所の整備工場でオイル交換をするよりも少し面倒です。さらに、アナログコンピューターの「再プログラミング」という問題もあります。処理する入力範囲を変更したり、新しい変数を考慮して出力を修正したりするには、トランスミッションの再構築に相当する作業が必要になります。

アナログコンピュータが開発されたほとんどのアプリケーションでは、これは問題ではありませんでした。射撃管制の変数は、前世紀の大半においてほぼ一定でした。ジェット機の登場と、地上目標へのより長距離の砲撃に対応する必要性が高まり、アナログシステムにおける新たな革新の波が起こり、1970年代半ばまで続きました。それが電気アナログシステムです。

これらの電子計算システムはデジタルではなく、アナログ電子部品を用いてギアやカムと同じような機能を果たしていました。しかし、電子部品は完全な機械システムよりも軽量でメンテナンスが容易であり、他のセンサーを統合するために使用されるシンクロと同様の信号出力を介して機械システムと統合することができました。

第二次世界大戦中、ベル研究所は世界初の全電子式射撃管制コンピュータ、ベル・マーク8を開発しました。このコンピュータは実戦には投入されませんでしたが、その技術の一部はフォード・マーク1の改良版と組み合わされ、マーク1Aと命名されました。改良されたシステムは、より高速な航空機の追尾と標的への照準に役立ちました。

朝鮮戦争中、Mark 1AとRangekeeper Mark 8には陸上目標に対する追加の電気的な支援も提供された。Mark 48の「沿岸攻撃」コンピューターは特に「間接射撃」、すなわち偵察機、前線観測員、または（1980年代後半から）パイオニアのドローンからの情報に基づいて艦船から見えないものを射撃することを処理するように設計された。このコンピューターは既存の指揮システムを使用して既知の参照点（通常は海図で識別される地理的特徴）を指示した。また、無線または衛星航法信号を使用して艦船の位置を特定することもできた。Mark 48は、その位置と目標の位置に基づいて射撃管制解を計算し、反対側の不運な目標への砲撃にどの砲が使用されているかに応じて、データをRangekeeperまたはMark 1Aにプッシュした。

レガシーシステム

アイオワ級戦艦4隻は、マーク48を搭載した唯一の艦艇でした。艦隊の残りの艦艇では、艦艇の設計がより軽量化され、他の艦艇の射撃よりも潜水艦や航空機の掃討に重点が置かれたため、1970年代半ばにデジタル射撃管制システムへの移行が始まりました。

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私は1987年と1988年にアイオワの甲板部に勤務し、名目上は甲板長補佐と下級水兵125名を統括していました。私の部署の隊員の多くは第2砲塔や艦の5インチ砲台に配属されていたため、私は艦内の作業手順に強い関心を持っていました。砲塔のシェルデッキを這いずり回り、全員が所定の位置にいることを確認するのにかなりの時間を費やしました。

私が艦上にいた間、艦の16インチ砲から発射した砲弾の数は、アイオワが朝鮮戦争全体で発射した砲弾の数を上回りました。砲システムにデジタル技術を導入するためのあらゆる実験が行われたにもかかわらず、私が着任する直前に設置されたシンプルなセンサーの一つが、砲弾の精度をこれまで以上に向上させました。それは、砲身から発射された砲弾の速度を検知できるドップラーレーダーセンサーでした。

このレーダーは、1980年代初頭にニュージャージーが急遽再就役した後に設置されたもので、ベイルート危機の際に砲の命中精度に大きな問題を抱えました。主な原因は、艦内で使用されていた火薬袋が再混合され、爆発特性が変化していたことでした。

特定のロットの火薬袋を用いて初弾の砲口速度を正確に測定することで、射撃管制員はその後の射撃速度を予測し、それに応じてコンピューターへの速度入力値を調整できました。私はアイオワ号に乗艦し、プエルトリコのビエケス島沖での一夜限りの砲撃訓練など、その精度を何度か目の当たりにしました。不活性訓練弾を用いて砲手たちは金属製の標的に正確に命中させ、私は数マイル離れた場所から衝突による火花が飛び散るのを見ることができました。

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