当机械模拟计算机统治海浪时

为了让您在这个假期的周末阅读，我们从2014年开始重新呈现这一特色。

Zumwalt号驱逐舰是目前正在进行验收试验的最新驱逐舰，它配备了一种新型的海军火炮：先进火炮系统(AGS)。自动AGS每分钟可以向100英里外的目标发射10枚火箭辅助的精确制导炮弹。

这些炮弹使用GPS和惯性制导将枪支的精确度提高到50米(164英尺)的可能误差圈-这意味着它的GPS制导炮弹的一半将落在距离目标的这个距离内。但除去花哨的GPS炮弹，AGS及其数字火控系统的精确度并不比已有近百年历史的机械模拟技术高出多少。

我们现在谈论的是机电模拟火控计算机，如福特仪器公司的Mark1A火控计算机和Mark8的RangeKeeper。这些机器一直实时地解决了20多个变量微积分问题，远远早于数字计算机的航程。上世纪80年代末，当我在爱荷华号航空母舰上服役时，它们还在使用。

在我访问期间，有几次尝试将这些较旧的系统与数字技术结合起来，或用数字技术取代它们，其中一项(名为“先进枪支武器系统技术计划”(Advanced Gun Weapon System Technology Program))与AGS的100英里炮弹非常相似：一种GPS和惯性制导的11英寸飞镖形状的炮弹，包裹在16英寸的可剥离夹克或靴子中，由于战舰上的大炮，这种炮弹在没有火箭辅助的情况下几乎可以飞到同样远的地方。

那么，为什么海军从未将战舰上的大炮数字化呢？我向退役海军上尉、海军战术嵌入式计算机项目办公室前主任大卫·博斯格鲁(David Boslaugh)提出了这个问题。如果有人知道的话，那就是博斯鲁普。他在海军战术数据系统(今天宙斯盾系统的前身，所有数字传感器和火控系统之母)的开发中发挥了作用。

“有一段时间，我的办公室被要求做一项关于将爱荷华级战舰火控系统从模拟计算机升级到数字计算机的研究，”博斯鲁克回答说。“我们发现，将计算机数字化既不会提高系统的可靠性，也不会提高系统的精确度，因此我们建议，‘别费心了。’”即使没有数字计算机，爱荷华州号也可以在内陆近30英里的地方以致命的精度发射2700磅的“哑弹”，在大约80米的可能误差范围内。它的一些炮弹的破坏圈比这个更大。

一盒齿轮、凸轮、齿条和大头针是如何实时处理基于微分方程的弹道计算的呢？首先，它是如何设法将一块与大众甲壳虫一样重的金属放在地平线上的目标之上的呢？而这种金属和润滑脂是如何计算出这么长时间的数字系统的呢？让我们从战舰弹道学的一点历史开始吧--用老旧的海军训练影片来精确地展示机械模拟计算是如何工作的。

从船上用枪射击并非易事。除了弹道学面临的常见问题-计算要施加多少冲击力，在一定距离内瞄准目标的高度有多高，要补偿多少风和科里奥利效应-你还必须考虑到这样一个事实，即你是在一个不断变化的俯仰、偏航和位置不断变化的平台上射击的。如果你足够幸运地拥有一个固定的目标，这些变量仍然可以与试图从跳跃的袋鼠的背部用水球击中什么东西相提并论。

拍摄船只视线范围内的东西是一个反馈回路。瞄准目标，计算其相对运动和其他弹道条件，射击，观察子弹落在哪里，并进行调整。在地平线上射击目标就更棘手了。它需要一名前向观察者，他可以给出精确的地理定位，然后根据炮弹落地的位置进行修正，以便将他们带到目标上。

在炮塔出现之前的日子里，船只向侧面开枪。调整通常是根据炮弹落下的位置和等待射击，直到面对敌人的一方处于滚动的上侧。但随着20世纪初无畏舰和战斗巡洋舰的到来，舰炮的射程和杀伤力都大幅上升。现在对准确性的要求也更高了。

这些需求与模拟计算机的兴起相对应。几个世纪以来，天文学家一直使用机械模拟计算机来预测恒星的位置、日食和月球的相位-已知的最早的机械模拟计算机，被称为安提基瑟拉机制，可以追溯到公元前100年。但直到很久以后，才有人抽出时间用电脑试图杀人。

模拟计算机使用一套通用的机械设备来进行计算--与将汽车发动机产生的扭矩转换为转轮、升降阀和移动活塞的设备相同。数据被连续地“输入”到模拟计算机中，通常是通过轴输入的旋转。为轴的一次360度完整旋转指定一个数学值。

在古希腊时代，数据录入是通过转动轮子来进行的。在更现代的模拟计算机中，来自传感器数据的变量(如速度、方向、风速和其他因素)通过机电连接传递-来自陀螺罗盘和陀螺“稳定垂直”的同步信号、跟踪系统和速度传感器。常量，如流逝时间，由特殊的恒速电机输入。

将所有轴连接在一起以将它们转换为一组连续的计算输出是齿轮、凸轮、齿条、销和其他机械元素的集合，这些机械元素通过几何和三角原理将运动转换为数学。这也是通过“硬编码”函数来实现的，这些函数将更复杂的计算结果存储在精确加工的形状中。这些部件一起工作，即时计算出一组非常具体的问题的非常精确的答案：当我从68英尺长的膛线枪管中推出的巨大子弹到达那里时，目标会在哪里，我需要瞄准哪里才能把它送到那里？

当精确组装时，在这些类型的问题上，模拟计算机可以比数字计算机精确得多。因为它们使用的是物理输入和输出，而不是数字输入和输出，所以它们可以无限分辨率地表示计算的曲线和其他几何元素(尽管这些计算的精度是基于其零件的加工程度以及摩擦和滑动造成的损失)。没有丢弃最低有效位，答案是连续的，而不是依赖于“下一个”时钟驱动的计算周期。