Rangekeeper Hannibala Forda

Za otce zaměřovacích přístrojů amerického námořnictva lze pokládat inženýra Hannibala C. Forda (1887–1955). V roce 1909 se stal šéfinženýrem (a prvním zaměstnancem) v čerstvě založené firmě Sperry, aby jejímu majiteli Elmerovi Sperrymu pomohl s konstrukcí gyrokompasu.

Již ve starověku se vědělo, že rotující setrvačník drží osu ve stále stejném směru, a pokud bude uložen v kardanově závěsu, zachová si tento směr bez ohledu na pohyby objektu, v němž bude umístěn. Když na začátku 20. století konstrukce velkých válečných lodí s obrovskými otáčejícími se masami oceli věží a dělových hlavní vedla k praktické nemožnosti vypracovat deviační tabulky, kterými by se anulovaly chyby magnetického kompasu dané lodním železem, byl to princip gyroskopu, pokud bude po roztočení jeho osa směřovat k zeměpisnému severnímu pólu, jenž se nabízel jako spolehlivá náhrada. To byla myšlenka Elmera Sperryho, k němuž se Hannibal C. Ford připojil.

V roce 1910 mohl být první gyrokompas již osazen k ověřovacím zkouškám na dreadnoughtu USS Delaware, a kromě obrovského přínosu k navigaci otevřel firmě Sperry dveře do oblasti řízení palby. V roce 1914 firma představila centrální systém pro řízení palby, který k přenosu dat používal datové vysílače vyvinuté o několik let dříve pro přenos údajů z mateřského gyrokompasu na opakovače na můstku a v kormidelně. Tím byly nahrazeny zvukovody, jež se doposud pro předávání povelů používaly. Systém však postrádal vlastní zdroj informací o pohybu cíle a používal k tomu Vickersovy „hodiny“, jež zavedlo americké námořnictvo v roce 1908.

V květnu 1914 si Ford založil vlastní firmu Ford Marine Appliance Corporation s úmyslem vyvinout vlastní konstrukci gyrokompasu, ale více ho zaujala zakázka US Navy na nový zaměřovací přístroj, jenž by nahradil nevyhovující Vickersovy „hodiny“. Pro tyto účely Ford zřídil koncem roku 1915 oddělení Ford Instrument Company, kde dokončil vývoj vlastního kalkulátoru. Ten se roku 1916 stal součástí modernizovaného systému Sperry. Fordův analogový počítač vykresloval průběh bitvy na odvíjející se papír a očividně byl inspirován vykreslovačem Argo Arthura Pollena. 

Zobrazení bojiště „z ptačího pohledu“, jak stálo ve firemním informačním bulletinu, umožňovalo dělostřeleckému důstojníkovi průběžně vyčítat vzdálenost a odměr cíle, takže někteří historici soudí, že Fordův Rangekeeper, jak Američané označují dělostřelecké zaměřovací přístroje, byl nelegální kopií Pollenova Arga. Nicméně hlubší zkoumání ukázalo, že se jednalo o kombinaci Fordova vlastního řešení se specifikacemi, jež zadalo americké námořnictvo. 

Po srovnání s nabízeným přístrojem firmy Sperry dalo americké námořnictvo přednost Fordovu analogovému počítači, který byl lepší ve všech existujících metodách vykreslování dráhy cíle. Vzápětí následovala objednávka Námořního výzbrojního úřadu a firma Ford Instrument Company začala sériově vyrábět Rangekeeper Mark 1. První kus byl osazen na dreadnoughtu USS Texas v roce 1917.

Zaměřovací počítač Ford Rangekeeper Mk 1

Fordův zaměřovací přístroj již cíleně kalkuloval s budoucí vzdáleností a náměrem cíle po uplynutí doby, během níž projektil letěl. Při maximálním dostřelu činila tato doba až minutu a půl a při rychlosti 20 uzlů se cíl posunul asi o 600 až 900 metrů, tedy přibližně o tři až čtyři lodní délky. Aby Ford zohlednil nejen tuto změnu, ale i změnu vzdálenosti, použil mechanický integrátor vlastní konstrukce (byť stále vycházel z principu „disku a kuličky“), který počítal vzdálenost z předchozích změn vzdálenosti, jež zaznamenávaly a zpracovávaly další mechanické prvky jeho přístroje, zkonstruovaného důsledně podle syntetického přístupu.

Rangekeeper Mark 1 a následující vylepšené verze se staly klíčovým prvkem řízení palby na amerických kapitálních lodích i v meziválečném období. Novátorský pak byl model Mark 2, určený pro menší lodě. „Baby“ Ford, jak se mu říkalo, se uplatnil na torpédoborcích a při řízení palby druhotného dělostřelectva na kapitálních lodích. A v roce 1926 zkonstruovala firma Ford jako první na světě dvouúčelový zaměřovač Mark 19, schopný řídit palbu jak na hladinové cíle, tak na letadla.⁴⁶

Řízení palby v Kaiserliche Marine

Němci se za první světové války spolehli na mnohem jednodušší prostředky, když předpokládali, že špatná viditelnost v Severním moři neumožní vést mířenou palbu na větší vzdálenost než 6 000 metrů. Koncem 19. století se v Kaiserliche Marine používal ke stanovení vzdálenosti nepřítele sextant a od roku 1897 přístroj Standgerät k určení odchylky (odměru). Kurzy, vlastní a nepřítele, se ručně vynášely na tabuli. V roce 1900 však začala firma Zeiss experimentovat s dálkoměry a první vzorek byl hotov v roce 1905.

O tři roky později, po srovnávacích zkouškách s britskými koincidenčními dálkoměry B&S, byly do výzbroje s velkým utajením zavedeny stereoskopické dálkoměry Zeiss. Měly být přesnější, neboť jejich stupnice byly cejchovány po deseti obloukových vteřinách, zatímco u ostatních námořnictev to bylo dvanáct a patnáct vteřin. V roce 1908 zavedli Němci obdobu dumaresqu pod názvem EU/SV-Anzeiger, jehož konstruktérem byl dr. Ing. Kurt Pannke, řadící se mezi německé průkopníky výpočetní techniky. Neměli však zájem o vykreslovače a po bitvách u Dogger Banku a Skagerraku jim přisuzovali britské meškání se zahájením palby a poté její pomalost.

Němci řídili palbu z velitelské věže, kde stál dělostřelecký důstojník vedle kapitána, od něhož přijímal rozkazy. Spolu s pozorovateli sledoval dopady granátů, stanovoval vzdálenost a udával opravy. Tyto opravy se kvůli odhadu tendence zapisovaly do tabulky. Pod velitelskou věží se nacházela malá vysílací stanice, kde se však neprováděly žádné výpočty. Údaje o vzdálenosti přicházely z dálkoměrů, náměr na cíl určovalo natočení periskopu ve velitelské věži a hodnota se přenášela na ručkové ukazatele v dělových věžích. Děla se pak odpalovala na znamení gongu poté, co byla nastavena podle údajů z EU/SV-Anzeigeru. Není známo, zda Němci měli obdobu britského konvergeru, který soustřeďoval palbu dělových věží na jeden cíl. Přesto s těmito jednoduchými, až primitivními prostředky docílili v bitvě u Skagerraku skvělých výsledků.⁴⁷

Přiložená ilustrace ukazuje na digitálním modelu můstek bitevního křižníku SMS Moltke s velitelskou věží, na jejíž střeše stojí hlavní dálkoměr, odměr se odečítal prostřednictvím pozorovacích periskopů.

Ústřední zaměřovací systémy

Zatím jsme se nezmínili o negativním vlivu, jaký mělo na zaměřování lodních děl vlnění moře. Vyvolává výkyvy lodního trupu ve dvou osách – příčné kolébání z boku na bok (rolling) a podélné houpání (pitching). Dobrou mnemotechnickou pomůckou je představa kolébky s bočním kýváním a houpačky, jejíž konce též střídavě klesají a stoupají jako příď a záď lodě. Vzhledem k taktice bočních salv představovalo mnohem závažnější problém kolébání, takže se v roce 1898 také stalo předmětem zájmu kapitána RN Percyho Scotta.

Scott si povšiml, že nejlepších výsledků dosahují miřiči, kteří neustále mění elevaci, aby i při kolébání udrželi cíl v zaměřovači, místo aby s výstřelem čekali, až se loď vznese na vrchol vlny, jak už bylo standardem v Nelsonových časech. Kromě použití zaměřovacích teleskopů Scott vylepšil i elevační mechanismus naklápěním hlavňových čepů, takže v roce 1914 docilovali dělostřelci na vzdálenost 10 000 yardů mnohonásobně více zásahů než na 1 000 yardů před rokem 1900. 

Ovšem to platilo pouze pro děla střední ráže (jaká měl Scott na svém křižníku), neboť úpravy lafet těžkých dvanáctipalcových děl by si vyžádaly astronomickou sumu. Místo toho se překonstruovalo hydraulické ovládání náměru; v roce 1912 dostal dreadnought Orion jako prvnívěže, kde elevaci ovládala hydraulická čerpadla s rotujícími válci, schopná podchytit kolébání lodě až do 12 stupňů. (Jak si námořnictva poradila s kolébáním a houpáním válečných lodí nejen metodicky, ale i technicky, bude uvedeno v dalším pokračování)

Kromě toho, že se Scott poté věnoval navazující metodice dělostřeleckého výcviku, přišel s další inovací, která zásadně změnila zaměřování těžkých lodních děl. Přestože se lodní děla na lodích Royal Navy odpalovala elektricky již od roku 1868, což umožňovalo odpalovat děla v salvách, neuplatnila se tato metoda ani na predreadnoughtech. I na nich se střílelo jednotlivě či po sekcích a obě věže hlavní ráže pálily nezávisle za pomoci vlastních zaměřovacích přístrojů.

To by však v případě HMS Dreadnought s deseti věžemi vedlo k chaosu, neboť miřičí v jednotlivých věžích by nedokázali rozeznat dopady vlastních střel od cizích, takže nezbylo než zavést palbu salvami a použít zařízení, které by palbu koncentrovalo. Takové zařízení, aby se docílilo seskupení zásahů salvy na malý prostor a tudíž většího ničivého působení, navrhl v roce 1829 tesař Královského námořnictva William Kennish (1799–1861), později vědec, výzkumník a vynálezce. Jeho „námořní teodolit“ s dalekohledem stabilizovaným kyvadlem byl vyzkoušen na fregatě HMS Hussar o 46 dělech a vžil se pro něj název director, který Scott znovu použil pro vynález svého direktoru palby, svého ústředního zaměřovače. 

V roce 1905 Scott již jako kontradmirál navrhl pro novou bitevní loď HMS Dreadnought ústřední řízení palby z plošiny na hlavním stěžni, ale při zkouškách, jichž se osobně zúčastnil, se ukázalo, že pozorovací a zaměřovací stanoviště na plošině je náchylné na poškození nepřátelskou palbou, takže Scott přišel s řešením, aby dálkoměr a další přístroje, které byly na plošině otočně namontovány, nahradil konstrukční opancéřovaný celek, který by se otáčel i s křesly obsluhy a jehož úhel k podélné ose lodě by sloužil k nastavení odchylky dělových věží. Také navrhl, aby řídící důstojník palby též seděl v direktoru a odtud děla odpaloval naráz v salvě. Veškerá výstroj direktoru – teleskopy, dálkoměry, úhloměrné přístroje, odpalovací zařízení a signalizace dopadů střel – mohla být umístěna do pancéřového válce osazeného na stěžni místo pozorovací plošiny, přičemž štěrbinami vyčnívaly pouze objektivy optických přístrojů. 

Jelikož admiralita považovala HMS Dreadnought za příliš důležitý pro testy s direktorem, první byl v roce 1906 zkušebně osazen na predreadnoughtu HMS Africa.Koncept direktoru vyvolal velkou polemiku a vedl k různým testům, které pokračovaly až do vypuknutí války. Namítalo se, že centrální zaměřování zpomaluje palbu a že zmenšení rozptylu není až tak významné. Admirál Jellicoe se v lednu 1915 vyjádřil, že za příznivých podmínek je individuální palba rychlejší než palba řízená direktorem a že direktor znamená výhodu jen za jistých, specifických podmínek – při ubývání světla, v noci a za špatného počasí, kdy vysoké vlnobití produkuje tříšť, oslepující miřiče ve věžích. Na počátku války byl však direktor palby jediným prostředkem k výběru cíle, avšak bitva u Skagerraku ukázala, že nedostatečným.⁵⁰

Americké námořnictvo direktory palby jednoznačně upřednostňovalo, jak ukazuje ilustrace mřížového stěžně bitevní lodě USS Texas z roku 1919, který nese na špici mohutný „klobouk“ ústředního zaměřovače. A zavedlo je i pro sekundární dělostřelectvo.

Zapomenutý otec datových sítí

Direktor palby přinesl nový problém s přenosem dat, řečeno moderním jazykem. Jednak nebylo jasné, která data posílat přímo z direktoru do dělových věží, a která do vysílací stanice s kalkulátory, které počítaly korekce – a odtud teprve do věží, jednak čím je posílat, protože v té době žádné datové sítě neexistovaly. Nezbylo než je rychle vynalézt. V Británii se tohoto úkolu podjal elektroinženýr Sydney Evershed (vůdčí osobnost elektrotechnického výzkumu v Británii na začátku 20. století), který pro Královské námořnictvo zkonstruoval systém elektrických náměrových indikátorů, což byla množina vysílačů, přijímačů a ukazatelů pro přenos údajů o odchylce z dálkoměrů k jednotlivým dělovým věžím. 

Evershedův elektrický strojní telegraf

Přenos odchylky (odměru děla) činil větší problém než přenos vzdálenosti, a Evershedovy přístroje to řešily vytvořením datové sítě v tom smyslu, jak ji známe dnes. Z hlediska námořní taktiky pak rozlišovací schopnost Evershedových indikátorů byla natolik dostatečná, že umožňovala posoudit, která nepřátelská loď je cílem. Potlačovaly tedy chyby jako zaměření špatného cíle nebo omyl pozorovatele, vyhodnocujícího palbu své lodě podle dopadů granátů jiné lodě. A ještě zohledňovaly rozdílnou polohu jednotlivých věží vzhledem k direktoru a umožňovaly soustředit salvu do jednoho místa.

Evershedovy přístroje vytvářely s vysílači, přijímači a indikátory jednotnou elektrickou synchronní síť. Vysílače byly osazeny na teleskopech a periskopech o pětinásobném zvětšení, jež měly osvětleny nitkové kříže, přijímače pak byly napojeny na otáčecí prstence dělových věží. Měly ukazatele polohy, kterou též ukazovaly indikátory, ale ty navíc plnily veledůležitou funkci zpětné vazby. Měly ručičku, jejíž výchylka ukazovala, kterým směrem má obsluha věž natočit, a když to bylo provedeno, ručička se vrátila do středové polohy.Tato informace se též přenášela do velitelské věže a na další místa, kde probíhalo řízení palby. 

K síti též příslušel panel přepojovačů, jenž umožňoval připojovat a odpojovat vysílače v žádoucích kombinacích. K elektrickému napájení sítě sloužil zvláštní generátor s motorem, napájeným elektřinou z hlavních parních či dieselových generátorů lodě. Tím bylo zaručeno galvanické oddělení od ostatních lodních okruhů, jež by mohly působit při přenosu dat poruchy. (Z přiložené ilustrace reklamního letáku Evershedovy firmy vyplývá, že pracovala i pro civilní sektor, konkrétně zabezpečovala elektrický přenos dat do lodních kotelen, včetně RMS Titanic.)

Začátkem války měly všechny britské kapitální lodě Evershedovy vysílače na zaměřovacích stanovištích přímo v dělových věžích nebo ve věži řízení palby (obvykle součást velitelské věže, pokud loď už neměla direktor palby) a jejich přínos za bitvy u Dogger Bank se ukázal být nedocenitelný. Od roku 1916 se tyto přístroje stěhovaly na vršky stěžňů, do direktorů palby, a v září 1916 byla tato zárodečná datová síť doplněna systémem Captain´s Local Control, který kapitánovi umožňoval stanovit řídícímu palby konkrétní cíl, což za bitvy u Skagerraku osudně chybělo a přinejmenším způsobilo ztrátu bitevního křižníku HMS Queen Mary. .

Postupně s tím, jak se direktory palby zaváděly na lehčí plavidla, přicházely s nimi též Evershedovy indikátory, jež dopracovaly ústřední systém řízení palby do úspěšného celku. Jako první jej z menších lodí dostala třída lehkých křižníků „Centaur“ a do konce války mělo ústřední systém řízení palby na 100 lodi Royal Navy. Pro nově stavěné jednotky se stal samozřejmostí a byl rozšířen i na zaměřování světlometů.⁵¹

Do roku 1918 se ustálilo klasické schéma řízení palby válečných lodí. Prvotní údaje o cíli se vedly do vysílací stanice (Transmitting Station, v americké terminologii Plotting Room), kde se přepočítávaly v závislosti na rychlosti a kurzu jak vlastní lodě, tak cíle. Odtud se signály vysílaly jako palebné prvky k dělům (do dělových věží) a pomocí indikátorů osádka dělo zamířila na místo, kde se bude cíl nacházet v okamžiku dopadu granátu. Jelikož se muselo předpokládat poškození v boji, zaměřovací systémy se zálohovaly. Standardně mívala kapitální loď dva direktory palby a později i záložní vysílací stanici. Kromě toho byla každá věž vybavena dálkoměrem a minimálně dumaresqem, aby v případě zničení ústředních zaměřovačů mohla vést samostatnou palbu. Sekundární dělostřelectvo pak mělo vlastní direktory a datovou síť s vlastními kalkulátory a později přibyl další zaměřovací systém pro protiletadlová děla.

Na vzniku zaměřovacích systémů se od konce 19. století a poté v prvních dekádách 20. století podílela řada špičkových vědců, vynálezců a nejnadanějších inženýrů, ale také invencí opatřených amatérů, prostě nejlepší mozky té doby. Vynálezy a inovace, které pak v oblasti zaměřování lodních děl do roku 1918 tito průkopníci realizovali, znamenaly první krůčky na cestě k dnešnímu počítačovému světu.

Odkazy:

46. https://www.usni.org/magazines/naval-history-magazine/2015/october/armaments-innovations-revolutionary-rangekeeper

47. Norman Friedman, Naval Firepower, Battleship Guns and Gunnery in the Dreadnought Era, Seaforth Publishing 2008, str. 158–163

50. Norman Friedman, Naval Firepower, Battleship Guns and Gunnery in the Dreadnought Era, Seaforth Publishing 2008, str. 72 – 81

51. http://dreadnoughtproject.org/tfs/index.php/Evershed_Bearing_Indicator

Příště: Metody zastřelování, gyroskopická stabilizace, opticko-radarové zaměřovače.