Jump to content
  • Sign in to follow this  

    El nacimiento de las miras inteligentes

       (1 review)

    Galahad

    Hola a todos chicos. ¿Nunca os habéis preguntado como han nacido esas miras que corrigen la puntería para alcanzar a un objetivo en movimiento?
    El equipo de Il-2 nos trae una descripción de ello. He traducido y adaptado el texto. Es muy técnico pero se pueden captar unos detalles muy interesantes aunque se desconozca completamente sobre el tema. Comencemos

    Veamos una descripción general de por qué este dispositivo se desarrolló en la realidad. Obviamente, la precisión de disparo es primordial en un enfrentamiento aéreo, es por eso que los futuros pilotos de combate pasaron mucho tiempo mejorando sus habilidades de puntería. Primero, los cadetes aprendieron la teoría de estimar la deflexión requerida para golpear un objetivo en movimiento y luego lo practicaron atacando un objetivo aéreo. A mediados del siglo pasado, por lo general practicaban con una tela remolcada que estaba conectada a otro avión usando un cable largo. Estas telas solían ser remolcadas por un avión de baja velocidad que no intentaba realizar maniobras bruscas, por lo que un novato podía planear su ataque cómodamente. Por supuesto, esto condujo a una disminución dramática en la precisión de disparo cuando los nuevos pilotos se encontraron con un enemigo real en lugar de conos de tela. Incluso Winston Churchill, notó este problema en 1939. Un piloto de caza promedio a menudo elegía una desviación mucho más pequeña de la requerida. Los artilleros de bombarderos tenían las mismas dificultades para alcanzar a los aviones enemigos.

    Como resultado de esto, los ingenieros de varios países fueron asignados a una tarea difícil para hacer una mira que eliminse las conjeturas de los disparos. Finalmente, los británicos encontraron la solución más elegante y confiable, una que fue bastante efectiva:

    La mira con giroscopio (Gyro), es decir, G.G.S Mk. II. C (para las torretas) o D (para los aviones más pequeños). Más tarde fueron copiados con cambios mínimos por los ingenieros estadounidenses y se llamaron Mk.18 y K-14A.

    Vamos a dividir la siguiente descripción en las siguientes partes para facilitar la comprensión:

    1. Construcción de mira;

    2. Cómo se calcula la deflexión del objetivo;

    3. Procesos dinámicos que ocurren en la mira.

    Construcción de la mira

    Comenzamos el trabajo en cualquier avión o sus instrumentos con una búsqueda de su documentación técnica. Como fuente principal para modelar la G.G.S Mk. IID elegimos el manual para su contraparte estadounidense, la K-14A, ya que era la descripción más simiilar de esa mira que podríamos obtener en la fecha requerida. Sus núcleos son iguales.

    Bien, echemos un vistazo a las partes principales de la mira K-14A que se muestran en las imágenes 1 y 2.

    1.jpg?resize=1024%2C661&ssl=1

    2.jpg?resize=694%2C704&ssl=1

    Inmediatamente podemos ver que se trata de una doble mira: hay dos retículas en el cristal reflectante, cada una proyectada por su propio sistema óptico, la distancia entre ellas es cercana a la distancia entre las pupilas del usuario. Cada ojo podía ver solo una retícula, de modo que si un piloto movía su cabeza hacia cualquier lado lo suficiente, podía ver desaparecer la primera marca y luego otra. Queríamos modelar esta peculiaridad también, pero es imposible mostrar este comportamiento en un monitor plano y mientras estamos en realidad virtual nos encontramos con las limitaciones del motor de gráficos. Por lo tanto, hemos decidido omitir esta función a pesar de querer tenerla para completarla.

    La retícula visible por el ojo izquierdo es fija, es proyectada por un sistema de colimador regular. Sirve como una vista de respaldo en caso de falla del sistema giroscópico o para disparar en un ataque frontal, configurando la mira del arma y para preparar las armas en el suelo.

    La segunda retícula es mucho más interesante: como se puede ver en los dibujos, su posición en el cristal reflector depende del ángulo entre el espejo móvil y el eje lateral de la mira (Imagen 3). Este espejo está unido al rotor del giro que tiene tres grados de libertad. La semiesfera de aluminio del rotor gira en el campo magnético creado por las bobinas de inductancia, por lo que el ángulo del espejo está controlado por estos campos magnéticos (imágenes 4 y 5). Estos procesos se muestran en detalle en la tercera parte de este artículo.

    Imágenes 3, 4 y 5.

    3.jpg?resize=621%2C371&ssl=1

    4.jpg?resize=640%2C580&ssl=1

    5.jpg?resize=384%2C532&ssl=1

    Además del hecho de que la segunda retícula es movible, también sirve como un telémetro óptico. Hay dos juegos de ranuras que giran independientemente una de la otra (Imagen 6). Las aberturas resultantes forman una imagen de la retícula de un tamaño variable. El conjunto con hendiduras rectas se controla mediante la perilla de la base del objetivo (que se puede ajustar para establecer el tamaño de un objetivo) mientras que el conjunto con hendiduras curvas se controla mediante el mando de distancia del objetivo. Cuando un piloto cambia la base del objetivo (envergadura), las hendiduras rectas se mueven a lo largo de las hendiduras curvas y la marca de retícula visible cambia su tamaño y gira ligeramente al mismo tiempo. Por otro lado, cuando ajusta la distancia, solo las ranuras curvas se mueven y ve que solo el tamaño de la retícula cambia sin rotación.

    Imagen 6

    6.jpg?resize=470%2C473&ssl=1

    Veamos cómo funciona el telémetro óptico (Fotos 7 y 8). Nuestro objetivo será un caza Bf 109 G-6, su base objetivo es de aproximadamente 32 pies. Lo colocaremos en el punto C de nuestro esquema, a 400 yardas del ojo del piloto (punto O). Dibujemos un círculo alrededor del objetivo y luego dibujemos un cono con su vértice en O y su base en ese círculo. La apertura angular del cono depende de la distancia entre el objetivo y el ojo y también en el círculo base objetivo, esta apertura angular se denomina tamaño angular del objetivo. Si la base objetivo sigue siendo la misma, el tamaño angular del objetivo disminuirá a medida que aumente la distancia C-O.

    Imágenes 7 y 8.

    7.jpg?resize=985%2C595&ssl=18.jpg?resize=1002%2C905&ssl=1

    Para el ojo humano, los diferentes objetos que tienen los mismos tamaños angulares parecen ser del mismo tamaño. Por ejemplo, una moneda que sostiene una mano estirada parece tener el mismo tamaño que la Luna. El telémetro óptico se basa en este principio. Se debe tener en cuenta que las miras del colimador tienen una característica importante: el tamaño angular de la retícula visible depende del sistema óptico y casi no depende de la distancia entre el ojo del usuario y el espejo reflector, por lo que no es necesario mantener la cabeza en una cierta posición. Como vimos anteriormente, el tamaño resultante de la marca de retícula giroscópica en la mira K-14A es ajustable, por lo que un usuario puede ajustar el tamaño de la marca para que sea igual al tamaño objetivo visible (la envergadura Bf 109 G-6 colocada en 400 yardas). Si un piloto identifica el tipo de objetivo y establece correctamente la base objetivo, ajustar el tamaño de la marca de retícula para que sea el mismo que el tamaño del objetivo visible da como resultado la medición precisa de la distancia hasta el objetivo.

    Se debe tener en cuenta que la coincidencia exacta entre el tamaño de la retícula y la envergadura del objetivo es posible si se mira el objetivo directamente desde el frente, atrás, arriba o abajo. En otros casos, el tamaño angular de la envergadura del objetivo será menor que el tamaño de la retícula debido a las razones geométricas obvias. Las reglas de corrección al determinar la distancia al objetivo se muestran en la Imagen 9.

    imagen 9

    9.jpg?resize=1024%2C726&ssl=1

    El tamaño angular máximo de la retícula giroscópica que se puede establecer en esta mira a la corresponde a un objetivo con una base de 120 pies colocada a 300 yardas. La perilla de distancia objetivo tiene un alcance de 200-800 yardas, por lo que si configura la perilla de la base de destino en 120 pies y gira la perilla de distancia objetivo para reducir la distancia, la marca de retícula visible no aumentará de tamaño más allá 300 yardas, pero la distancia establecida se tendrá en cuenta correctamente. Para que la mira funcione correctamente en tales circunstancias, hay un enlace de resorte en espiral entre la perilla de distancia y los engranajes que controlan los juegos de ranuras. Cuando los juegos de hendiduras alcanzan su límite, el resorte helicoidal se estira, lo que permite que el piloto ajuste más la perilla. Siempre que la distancia que se conozca se establezca en menos de 300 yardas, el muelle helicoidal permanecerá estirado, empujando la hendidura hasta su tope. Si la perilla de la base del objetivo está ajustada a menos de 120 pies, el límite del juego de hendidura también disminuirá (el tope mecánico está vinculado a la posición angular actual del juego de hendidura).

    Calculando la deflexión

    El método exacto para calcular la deflexión requerida que se ha utilizado en la construcción K-14A falta en todas las fuentes que pudimos encontrar. Sin embargo, después de analizar su manual y su construcción interna, ideamos un método que es similar al original, incluso si no se corresponde con él por completo.

    Según el manual, para calcular una deflexión correcta, se debe mantener el objetivo dentro de la marca en movimiento durante al menos 1 segundo, corrigiendo simultáneamente la distancia establecida si es necesario (la base del objetivo debe establecerse correctamente antes ) En resumen, necesitas guiar al objetivo con la mira por un corto tiempo.

    Entonces, imaginemos que nos enfrentamos a ese desafortunado Bf 109 G-6 nuevamente: vuela en un giro más o menos constante a cierta distancia por delante de nuestro aparato. Suponemos que ya identificó el objetivo y estableció la base objetivo correcta (Imagen 10).

    imagen 10

    10.jpg?resize=1018%2C687&ssl=1

    Para comprender los principios del cálculo de la deflexión correcta, inviertiremos esta tarea y la simplifícaremos:

    1. Un piloto apunta al objetivo durante el tiempo requerido, la deflexión ya está calculada y la línea de puntería está posicionada de modo que cuando disparamos las armas alcanzamos el objetivo al 100%;
    2. No tomamos en cuenta la gravedad que afecta el vuelo de los proyectiles;
    3. El propio avión está en el centro del avión objetivo cuando gira;
    4. Después de disparar, un piloto continúa apuntado al objetivo hasta que los proyectiles golpeen y la deflexión cambie durante este tiempo es insignificante.

    El objetivo de invertir la tarea es expresar la deflexión calculada como una función de algunas características dinámicas o parámetros que podemos medir antes de disparar.

    Echemos un vistazo al esquema que muestra la trayectoria del objetivo que viaja entre el momento en que se dispara y el momento en el que impacta. Dibujaremos la línea del objetivo visible que atraviesa el centro de la retícula móvil y la línea de puntería que atraviesa el centro de la retícula estacionaria (en el momento del disparo). El ángulo entre estas líneas es el ángulo de deflexión calculado por la mira del arma. Además, la línea de puntería corresponde al eje lateral del avión que dispara.

    La primera conclusión que podemos hacer en esta tarea simplificada es que todos los procesos dinámicos en este sistema ocurren en el plano del avión objetivo. También es evidente que, mientras el proyectil está en vuelo, la dirección del vector de velocidad objetivo cambiará exactamente según el ángulo de deflexión previo al disparo. Dado que un piloto con la mira con giróscopo continúa apuntando al objetivo y durante el tiempo de disparo su propio avión estaba ubicado en el centro del giro del avión objetivo, la línea de apuntamiento gira aproximadamente en el mismo ángulo mientras el proyectil está en vuelo. Por lo tanto, podemos concluir que las velocidades angulares de ambas aeronaves son más o menos las mismas.

    Gracias a la cinemática, sabemos que un objeto que gira alrededor de un centro fijo con una velocidad angular constante, en un tiempo dado, gira al ángulo que se puede calcular multiplicando la velocidad angular por el tiempo. Si aplicamos esto a nuestra situación, podemos decir que el ángulo de deflexión se puede calcular multiplicando la velocidad objetivo angular por el tiempo de vuelo del proyectil. Teniendo en cuenta nuestras simplificaciones anteriores, podemos reemplazar la velocidad objetivo angular con la velocidad angular de su propia aeronave, lo que nos permite resolver esta tarea: podemos determinar todos los datos requeridos antes de disparar para calcular un ángulo de deflexión correcto. Así es: el tiempo del vuelo del proyectil puede calcularse a partir de las tablas de balística si conocemos la distancia objetivo mientras que la velocidad angular de la propia aeronave es la misma que la velocidad angular de la propia mira, naturalmente.

    Esta solución puede parecer difícil ya que hemos realizado varias simplificaciones para la tarea invertida. Sin embargo, en un giro sostenido cuando persigue su objetivo, sus trayectorias son aproximadamente las mismas y estas simplificaciones pueden considerarse insignificantes. También se debe tener en cuenta que la mira no tiene datos adicionales del mundo exterior: solo la distancia al objetivo, la base del blanco y la velocidad angular de la mira misma. Por lo tanto, esta solución es la única posible con esta cantidad limitada de datos disponibles.

    Para comprender completamente los principios de funcionamiento de la mira a la vista, debemos descubrir cómo se puede “esconder” una tabla balística en su construcción y cómo la velocidad angular de la mira se puede convertir en el ángulo correspondiente entre el eje lateral de la mira y el espejo giratorio para mostrar la retícula móvil en el lugar correcto.

    Procesos dinámicos en el conjunto de giroscopios.

    En la descripción general de la construcción de la mira, hemos notado que el espejo está unido al rotor del giroscopio que tiene tres grados de libertad (en realidad es una parte del rotor) que gira en el campo magnético. Hay un hemisferio de aluminio en el otro lado del rotor. El rotor está equilibrado en relación con su suspensión cardánica. Veamos qué procesos ocurren en este sistema electromecánico.

    Para simplificar la explicación, imaginemos que el hemisferio se reemplaza por una parte plana y se eliminan todos los electroimanes excepto uno (que se encuentra a cierta distancia del eje del rotor). Cuando un material conductor se mueve en un campo magnético, las corrientes de Foucault (Eddy currents) se generan en él y su fuerza es proporcional a la velocidad de este movimiento. Si un disco delgado hecho de material conductor gira en el campo magnético de un solo electroimán, las corrientes de Foucault se ven como se muestra en la Figura 11 Estas corrientes generadas interactúan con el campo magnético, induciendo la fuerza de Lorentz distribuida a lo largo de la superficie del disco que fluye a través. La fuerza total de Lorentz se encuentra en el punto A y está dirigida en el sentido de ralentizar la rotación del disco: los frenos magnéticos modernos funcionan utilizando este principio. El motor del giroscopio compensa este movimiento de desaceleración, manteniendo las RPM constantes. Es importante que la fuerza de Lorentz esté en proporción directa a la distancia entre el eje de rotación del rotor y el punto A: cuanto más lejos del centro del disco, la velocidad de rotación lineal es más alta y las corrientes de Foucault son más fuertes.

    Tenga en cuenta que el punto de aplicación de la fuerza de Lorentz está ubicado a cierta distancia del centro de la suspensión de cardán (punto O), que crea fuerza que resulta en precesión: el eje del rotor comienza a cambiar su posición de acuerdo con la Imagen 12. al igual que el eje de rotación se dibuja en el centro del electroimán (el eje ‘intenta’ moverse a través del punto A y anula la fuerza de Lorentz y el momento creado).

    Imágenes 11 y 12

    11.jpg?resize=589%2C569&ssl=112.jpg?resize=1016%2C765&ssl=1

     

    Si agregamos otro electroimán desde el lado opuesto del eje de rotación, los momentos resultantes de la fuerza de Lorentz se compensarán entre sí y el rotor del giro permanecerá justo en el medio de los electroimanes. Un efecto interesante sucederá si comenzamos a girar ambos electroimanes en un círculo en el plano OA1A2 como se muestra en la Imagen 13. La distancia desde un electroimán al eje del rotor aumentará mientras que la distancia desde otro electroimán al eje del rotor disminuirá y los momentos de la fuerza de Lorentz ya no se compensarán entre sí. El momento precesional total se dirigirá de tal forma que el eje del rotor precederá hacia el electroimán que se aleja. La desalineación angular entre el centro del sistema magnético y el eje del rotor se acumulará hasta que la velocidad de precesión alcance la velocidad de rotación de los electroimanes alrededor del punto O. La dependencia entre el valor de la desalineación angular y la velocidad de rotación puede considerarse lineal con alta precisión.

    Imagen 13

    13.png?resize=736%2C765&ssl=1

    El sistema de cuatro electroimanes y rotor hemisférico en la mira con giróscopo K-14A opera con los mismos principios. Tal sistema hace que el rotor se comporte como se describió anteriormente para cualquier orientación de la rotación del sistema magnético en el espacio 3D, mientras que el rotor hemisférico mejora la linealidad de la dependencia. Cuando su propia aeronave y su mira entran en un viraje, los electroimanes unidos al cuerpo de la mira cambian sus posiciones en relación con el giróscopo giratorio, lo que induce su precesión. La desalineación angular acumulada mueve el espejo giratorio de tal manera que muestra la deflexión requerida usando una distancia dada para el usuario de la mira de arma.

    Pero, ¿cómo la perilla de distancia influye en la posición de la retícula del giro? La distancia al objetivo está regulada por la corriente eléctrica que fluye a través de las bobinas electromagnéticas, y la dependencia es cuadrática: tanto la intensidad del campo magnético como la intensidad de las corrientes de Foucault en el rotor dependen del amperaje en las bobinas electromagnéticas. La perilla de distancia controla la resistencia ajustable que regula ese amperaje.

    Es algo irónico (o genial) que una de las claves de la función de la mira del arma esté justo delante de tus ojos: la escala de distancia en la perilla no es lineal (Imagen 14). Gracias a esta no linealidad, la mira tiene en cuenta los valores de la tabla balística para proyectiles y también el hecho de que la dependencia entre distancia y amperaje es cuadrática. La perilla de la base del objetivo también tiene una escala no lineal (Imagen 15) y esto también es necesario para que la mira funcione correctamente.

    Imágenes 14 y 15

    14.jpg?resize=749%2C983&ssl=1

    15.jpg?resize=370%2C365&ssl=1

    Intentamos modelar la mira a la luz con todas las peculiaridades descritas anteriormente, para tener todas las respuestas transitorias auténticas y el movimiento microdinámico de la retícula giroscópica, de modo que el modelo matemático del rotor con la cúpula hemisférica que gira en el campo magnético de cuatro electroimanes ha sido creado. El desplazamiento angular del rotor sigue las ecuaciones diferenciales de vectores que tienen en cuenta todos los procesos y valores físicos descritos.

    La única simplificación notable que fue dictada por las razones de rendimiento es que el movimiento giroscópico entre los electroimanes está limitado por un espacio piramidal en lugar de un cono, debido a esto la retícula del giro tiene límites cuadrados en lugar de circulares. En el futuro, es probable que podamos encontrar una manera de modelar el límite cónico sin un impacto adicional en el rendimiento. Además, desde la salida del Spit IX con esta mira telescópica giroscópica en la actualización 3.003, hemos mejorado el modelado de la influencia de la tensión en la suspensión de cardán en la dinámica de todo el sistema. Esta peculiaridad que empuja la mira virtual aún más cerca de la realidad se publicará en una de las próximas actualizaciones.

    En conclusión, nos gustaría señalar que la G.G.S. Mk.II D fue creada por los mejores ingenieros británicos de la época y es poco probable que un equipo de ingenieros modernos pueda fabricar dicho dispositivo sin usar computadoras. Su diseño final que divierte a cualquier ingeniero ha sido desarrollado durante varios años con muchos experimentos, pruebas y errores en el camino. Hicimos nuestro mejor esfuerzo para reconstruir su diseño y darle la sensación de operar un instrumento real y en vivo.

    Nota de autor:
    Con esta explicación completa pero compleja nos da que pensar. Ahora todo está automatizado y es electrónico pero estos inventos, las bases de hoy fueron hechas a “mano” esta mira no es menos, junto como un montón de invenciones que tuvieron lugar durante la primera mitad del S.XX

    Como dice el dicho “mas vale maña que fuerza”

    • Like 2
    Sign in to follow this  


    User Feedback

    Recommended Comments



    Join the conversation

    You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

    Guest
    Add a comment...

    ×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

      Only 75 emoji are allowed.

    ×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

    ×   Your previous content has been restored.   Clear editor

    ×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.


×
×
  • Create New...