- Máy tính điều khiển hỏa lực của Hải quân Mỹ nhận thông tin về tàu mình, mục tiêu, đạn đạo và khí tượng, tối đa tới 25 yếu tố, rồi liên tục tính toán lệnh quay ngang và góc nâng cho pháo
- Độ chính xác tính toán không chỉ phụ thuộc vào bản thân thiết bị, mà còn phụ thuộc lớn vào độ thành thạo của người vận hành: người gửi khoảng cách và phương vị mục tiêu từ director, cũng như người nhập các giá trị khác
- Phần 1 trình bày cách các trục và bánh răng, thanh răng và bánh răng nhỏ, cam, bộ vi sai được dùng lặp lại bên trong để đảm nhiệm việc truyền giá trị số, nhân với hằng số, tính hàm, tính tổng đại số
- Cam biến đầu vào quay thành đầu ra tuyến tính hoặc giá trị hàm; reciprocal cam, square cam, tangent cam, time-of-flight cam, barrel cam được dùng trong tính toán đạn đạo và lượng giác
- Bộ vi sai liên tục tạo ra tổng đại số ngay cả khi hai đầu vào thay đổi nhanh, trở thành linh kiện cốt lõi trong tính toán điều khiển hỏa lực cho tàu và mục tiêu đang chuyển động
Các phép tính mà máy tính điều khiển hỏa lực giải quyết
- Máy tính điều khiển hỏa lực nhận đồng thời nhiều giá trị đầu vào để giải bài toán điều khiển hỏa lực, rồi gửi kết quả tới pháo dưới dạng lệnh quay ngang (train) và góc nâng (elevation)
- Đầu vào bao gồm hướng đi và tốc độ của tàu mình, khoảng cách và phương vị mục tiêu, hướng đi và tốc độ của mục tiêu, tốc độ và hướng gió, vận tốc ban đầu của đạn pháo; số yếu tố có thể tăng lên tối đa 25
- Vì nhiều yếu tố xảy ra đồng thời và liên tục thay đổi, máy tính phải giải bài toán một cách liên tục và tức thời
- Máy tính không thể chính xác nếu không có con người
- Người vận hành director gửi khoảng cách và phương vị mục tiêu tới máy tính
- Những người khác tại vị trí máy tính nhập phần thông tin còn lại
- Độ chính xác tính toán phụ thuộc vào chất lượng thông tin mà máy tính nhận được, và chất lượng đó phụ thuộc vào kỹ năng cũng như mức độ hiểu biết của người vận hành
Trục, thanh răng và bánh răng nhỏ, bánh răng
- Bên trong máy tính có nhiều cơ chế cơ bản, một số được lặp lại nhiều lần trong cùng một máy tính
- Trục (shaft) thường được dùng để truyền giá trị trong máy tính
- Một giá trị số nhất định được gán cho một vòng quay của trục
- Quay theo một chiều có thể được quy ước là số dương, quay theo chiều ngược lại là số âm
- Thanh răng và bánh răng nhỏ cho thấy cách giá trị của trục được diễn giải thành số
- Nếu một vòng quay được hiệu chỉnh là +10, thì một vòng rưỡi là +15, hai vòng là +20
- 1/5 vòng theo chiều ngược lại có hiệu ứng cộng -2; cộng -2 vào +20 cho kết quả +18
- Quay hai vòng theo chiều âm có hiệu ứng trừ 20
- Trong thiết bị thực tế, thanh răng và bánh răng nhỏ có thể được dùng để biến giá trị của trục thành chuyển động tuyến tính tương ứng, hoặc ngược lại để thanh răng truyền giá trị vào trục
- Bánh răng truyền giá trị từ một trục sang trục khác
- Với tỉ số truyền 1:1, giá trị số được giữ nguyên nhưng chiều quay bị đảo
- Các bánh răng có kích thước khác nhau có thể nhân hoặc chia giá trị trục với một hằng số
- Với tỉ số truyền 2:1, một vòng quay của trục dẫn động có thể tạo ra hai vòng quay ở trục bị dẫn
Tạo giá trị hàm bằng cam
- Cam (cam) có thể được dùng như một cơ chế tính toán; nói chung, nó biến chuyển động đơn giản như quay thành chuyển động không đều hoặc gián đoạn
- Mọi cam đều có bề mặt làm việc và follower
- Bề mặt làm việc có thể là biên dạng ngoài hoặc thành của rãnh
- Follower có thể là con lăn, bi, chốt hoặc một cơ cấu khác trượt hay lăn trên bề mặt làm việc
- Bề mặt làm việc được thiết kế theo quan hệ đầu vào-đầu ra mong muốn
- Ví dụ, có thể gán giá trị 10 cho một vòng quay của trục, rồi làm cho follower di chuyển quãng đường gấp 1 lần, 2 lần, 3 lần tương ứng với các giá trị đầu vào 1·2·3
- Quan hệ này áp dụng không chỉ cho số nguyên mà còn cho mọi giá trị ở giữa
- Cam dùng biên dạng ngoài làm bề mặt làm việc thường bị giới hạn dung lượng trong một vòng quay
- Để xử lý thêm các vòng quay, cần mở rộng bề mặt làm việc; trong trường hợp này, bề mặt làm việc có dạng rãnh (groove)
- constant lead cam là ví dụ trong đó chốt di chuyển dọc theo rãnh
- Trong máy tính điều khiển hỏa lực, đầu vào quay của tốc độ tàu được truyền thành chuyển động tuyến tính của follower
Các loại cam dùng trong điều khiển hỏa lực
- reciprocal cam được thiết kế sao cho đầu ra là nghịch đảo của đầu vào, tức 1/input
- Bề mặt làm việc được tạo bằng cách đánh dấu các điểm trên bán kính
- Khoảng cách ứng với 1, nghịch đảo của 2 là 1/2, nghịch đảo của 3 là 1/3, v.v. được tạo thành một đường cong
- Cắt đường cong này thành rãnh của cam đĩa và thêm follower, đầu ra sẽ là nghịch đảo của đầu vào
- Cam thường có các đoạn run out ở hai đầu đường cong đã vẽ, không được dùng trong tính toán
- square cam xuất ra bình phương của đầu vào
- Đầu vào có thể là số dương hoặc số âm
- tangent cam là một ví dụ về cam hàm lượng giác
- Đầu vào có thể là một góc từ 40 độ đến 70 độ
- Đầu ra là tangent của góc đó
- time-of-flight cam là một ví dụ về cam đạn đạo phẳng
- Bề mặt làm việc là biên dạng ngoài của chi tiết
- Đầu vào là tầm bắn, đầu ra là thời gian bay
- Một sector type follower được ép tiếp xúc với cam bằng lò xo sẽ quay bánh răng đầu ra
- barrel cam hay cam ba chiều tính một đầu ra từ hai đầu vào
- Thiết bị ví dụ tính superelevation
- Góc nâng của pháo là tổng của superelevation và advance elevation của mục tiêu
- Superelevation tăng khi advance range tăng, nhưng không tỉ lệ thuận
- Superelevation giảm khi advance elevation tăng, nhưng điều này cũng không tỉ lệ thuận
- Vì vậy superelevation được xác định bởi hai đầu vào là advance range và advance elevation
- Barrel cam có thể được xem là cấu trúc mở rộng từ cam chỉ xét một góc nâng
- Ở một góc nâng nhất định, có thể có nhiều tầm bắn và mỗi tầm bắn đòi hỏi một superelevation khác nhau
- Để xử lý mọi góc nâng, barrel có dạng như chứa vô số cam như vậy
- Bất kỳ mặt cắt nào cũng trở thành cam cho một advance elevation nhất định
- Đầu vào elevation chọn mặt cắt cần thiết, còn đầu vào range định vị barrel theo tầm bắn cần thiết
Bộ vi sai và tổng đại số
- Bộ vi sai (differential) được dùng trong máy tính để liên tục thu được tổng đại số của hai đại lượng
- Khi hai đầu vào thay đổi, bộ vi sai tạo ra đáp án đồng thời bất kể tốc độ thay đổi của đầu vào
- Một ví dụ thường dùng trong máy tính điều khiển hỏa lực là bộ vi sai bánh răng côn
- Hai trục được ghép cứng với nhau; các trục này cùng bánh răng tạo thành spider assembly
- Bao gồm spider gear, spider shaft và end gear
- Bốn bánh răng không được cố định vào trục riêng lẻ, mà được lắp tự do trên ổ bi
- Kết nối với các cơ chế khác được thực hiện thông qua spur gear cố định vào mỗi end gear và spider shaft
- Về mặt toán học, chỉ cần một spider gear, nhưng một spider gear thứ hai được thêm vào để cân bằng
- Nguyên lý hoạt động dễ thấy hơn qua mô hình thanh răng-bánh răng nhỏ
- Có thể hình dung một bánh răng nhỏ nằm giữa hai thanh răng
- Thanh răng A và B, hoặc bánh răng nhỏ, có thể là đầu ra; hai phần còn lại là đầu vào
- Trong ví dụ, các thanh răng được dùng làm đầu vào, bánh răng nhỏ làm đầu ra
- Độ dịch chuyển của tâm bánh răng nhỏ luôn bằng một nửa tổng đại số của độ dịch chuyển hai thanh răng
- Nếu A dịch chuyển +4 inch, B dịch chuyển +2 inch, tổng là +6 inch và tâm bánh răng nhỏ dịch chuyển +3 inch
- Nếu A là +1, B là +3, tổng là +4 và tâm bánh răng nhỏ nằm ở +2
- Nếu A là -4, B là +2, tổng đại số là -2 và tâm bánh răng nhỏ dịch chuyển đến -1
- Nếu gán thang đo giá trị mong muốn cho các thanh răng và gán cho bánh răng nhỏ thang đo bằng một nửa, bánh răng nhỏ có thể biểu thị tổng đại số của các giá trị trên thanh răng
- Bộ vi sai kiểu bánh răng côn về cơ bản không khác bộ vi sai thanh răng-bánh răng nhỏ
- Thanh răng có chiều dài hữu hạn được thay bằng end gear, và end gear hoạt động như một thanh răng vô tận
- Bánh răng nhỏ được thay bằng spider gear
- Chuyển động theo đường tròn của tâm spider gear được truyền thành chuyển động quay của spider shaft
- Đầu ra có thể là một trong hai end gear hoặc spider shaft, còn hai phần còn lại là đầu vào
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Năm 1989, tôi là kỹ thuật viên hệ thống dữ liệu trên một tàu khu trục đang được bảo trì tại xưởng đóng tàu Pascagoula, Mississippi, và ngay bên cạnh là thiết giáp hạm Wisconsin đang neo đậu
Đó là một di vật khổng lồ từ thời Thế chiến II nhưng vẫn đang được hiện đại hóa, và vài người phụ trách hệ thống tác chiến đã được mời đi tham quan hệ thống điều khiển hỏa lực
Hóa ra toàn bộ việc tính nghiệm bắn cho pháo chính 16 inch được thực hiện bằng máy tính cơ khí, còn những người hướng dẫn đều đã lớn tuổi hơn rất nhiều so với tuổi nghỉ hưu quân đội thông thường
Sau đó mới biết kiến thức thực chiến về chiếc máy tính cơ khí đó đã biến mất khỏi hải quân, nên tất cả họ đều là những người được triệu tập trở lại, và đó thực sự là một ngày tuyệt vời
Phần tính toán nặng do máy tính điều khiển hỏa lực trên tàu đảm nhiệm, còn chiếc máy tính đơn giản trên ngư lôi có dẫn đường quán tính sẽ dùng các giá trị thiết lập đó
Thật khó tưởng tượng người ta đã thiết kế những thứ như vậy chỉ với bút chì và thước trượt như thế nào
Tôi ở trong nhóm đại tu máy tính điều khiển hỏa lực cho tàu ngầm; nó trông giống hệt một máy game thùng dựng đứng đang thịnh hành ở các khu arcade khi đó, chỉ khác là vỏ máy làm từ nhôm nguyên khối
Bên trong là một máy tính analog đầy bánh răng và resolver, các thiết bị hiển thị cũng hoàn toàn là analog, và tất cả đều đang được thay bằng bánh răng và resolver mới
Tôi vẫn nhớ một nhóm khác gần đó đang thử nghiệm máy vi tính bằng các hộp S-100 kiểu IMSAI 8080
Thực sự là thứ vượt ngoài sức tưởng tượng, và nếu bạn ở gần Norfolk thì rất đáng ghé thăm thiết giáp hạm Wisconsin
Khi ông ấy nói mình từng dùng “máy tính cơ khí”, tôi phải nhìn vào khoảng không một lúc mới hiểu ông ấy muốn nói gì
Tài liệu đào tạo cũ của Hải quân Mỹ rất tuyệt để học nhiều kỹ năng
Kiệt tác trong số đó là “Basic Hand Tools”, về cơ bản là một cuốn sổ tay giải thích bằng tiếng Anh đơn giản cách dùng gần như mọi loại dụng cụ cầm tay từng được phát minh
Ngay cả về búa, sách cũng viết rằng: “Người nảy ra ý tưởng dùng đá để đập vỡ hạt mà không hề biết đã phát minh ra một công cụ. Khi một thiên tài nào đó về sau buộc một cán vào hòn đá ấy, chiếc búa đầu tiên đã ra đời. Từ khởi đầu mộc mạc đó đã có rất nhiều cải tiến.”
Bản hiện đại “Tools and Their Uses” còn đề cập cả máy công cụ, nhưng kém vui hơn
Ví dụ tôi thích nhất là video này giải thích bộ vi sai của xe: https://m.youtube.com/watch?v=yYAw79386WI
Những đứa trẻ 18–20 tuổi cho máy bay cất và hạ cánh trên tàu sân bay, đồng thời thực hiện cả tiếp tế trên biển, và đó lại chỉ là một ngày bình thường
Đây đúng nghĩa là một cẩm nang full-stack về điện tử, bắt đầu từ những kiến thức cơ bản nhất của vật chất
Rất khuyến nghị Between Human and Machine: Feedback, Control, and Computing before Cybernetics của David A. Mindell
Đây là tài liệu nhập môn tốt để hiểu một khía cạnh của Hải quân và “công nghệ”
Phần lớn điện toán thời kỳ đầu có liên hệ với hải quân, và việc Grace Hopper là đô đốc hải quân chứ không phải tướng lục quân không phải là chuyện ngẫu nhiên
Trong các công trình đầu tiên của Cray cũng xuất hiện rất nhiều chữ “Navy”, kể cả lịch sử chuyển từ châu Âu sang Thái Bình Dương
Đó là một giai đoạn lịch sử Thế chiến II và hậu chiến rất thú vị, đáng để tìm hiểu
Tuy vậy, cũng không nên xem nhẹ tầm quan trọng của pháo binh mặt đất, trắc địa quân sự và bản đồ học
Các máy tính cơ khí cho pháo hạm tầm xa, vốn phải tính đến những yếu tố như hải trình, tốc độ và độ lắc ngang, được xây dựng dựa trên nền tảng pháo binh mặt đất tĩnh đời đầu, vốn sử dụng bảng và nomogram tạo ra từ những phép tính phức tạp
Một phần công trình về máy sai phân của Babbage cũng liên quan đến việc tính bảng pháo thuật
Có thể xem chúng như GPS nguyên thủy
“Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi khoản tài trợ XXX-YYY-ZZZZZZZZZZ từ Naval Research Laboratory”
Cũng thường thấy những dòng tương tự ghi các cơ quan tài trợ khác như DARPA hay NSF
Nếu muốn trực tiếp cảm nhận việc làm việc với những “máy tính” kiểu này, hãy xem game UBOAT trên Steam
Đây là hậu duệ tinh thần của dòng Silent Hunter, và gần đây đã bổ sung máy tính dữ liệu ngư lôi dùng trên tàu ngầm Đức Type VII
https://store.steampowered.com/news/app/494840/view/3712713813599539942
Giao diện người dùng của nó trực quan đến mức đáng ngạc nhiên, ngay cả khi so theo tiêu chuẩn UX ngày nay
Video rất tuyệt
Cách giải thích đơn giản, thẳng vào vấn đề truyền tải khái niệm cực kỳ tốt, và các ứng dụng đa dạng của cam lần nào xem cũng thấy ấn tượng
Các nguyên lý cơ bản của máy tính cơ khí còn cổ hơn nhiều, ngược sâu về tận những năm 1800, có lẽ còn sớm hơn nữa, và phần lớn bắt nguồn từ cơ cấu đồng hồ
Với tư cách là người luôn gặp khó khăn với đại số truyền thống và cả việc học toán ở mức cao hơn, khi được trình bày theo cách vật lý thì tôi thấy dễ tiếp cận hơn rất nhiều
Tôi tự hỏi liệu đã từng có ai dạy đại số hay các khái niệm toán học nâng cao theo cách này chưa
Nếu thời trung học và đại học có một cỗ máy bánh răng để có thể chạm tay, quay tay quay và “nhìn thấy toán học vận hành”, có lẽ cuộc đời tôi đã khác
Sau khi bị tụt lại từ phần cơ bản của đại số ở trung học, tôi không thể bắt kịp ở đại học nên thực tế là đã bỏ học giữa chừng; trong lớp BASIC 101 ở đại học tôi nhận ra mình thích máy tính, nhưng để học tiếp về máy tính sau đó thì phải chuyển sang khoa toán, mà vào đầu thập niên 80 tôi không vượt qua được các môn tiên quyết nên đành bỏ cuộc
Dù vậy, tôi lập tức mua một máy tính 8-bit với RAM 4KB và trở thành lập trình viên hoàn toàn tự học, cuối cùng mọi thứ diễn ra rất tốt, nhưng cảm giác “giá như” vẫn còn đó
Trong đầu tôi, cách thế giới Dune phản ứng sau Butlerian Jihad là phát triển các máy tính cơ khí tốt hơn nữa
Cụ thể là theo hướng thu nhỏ hóa xuống tới mức nanomet
Không phải mọi thứ đều khớp hoàn hảo, dù vẫn có những câu hỏi như lá chắn Holtzmann có hoàn toàn là analog hay không, nhưng như vậy có vẻ đủ để tương ứng với các bộ điều khiển analog thực dụng, vốn tạo ra hầu hết mọi vật thể bằng các máy tính analog quy mô nanomet
Nếu bỏ qua fan fiction của Brian Herbert, có thể lúc đó điện toán chủ lưu vẫn là cơ khí
Dù sao thì khác biệt đó có lẽ cũng không quan trọng
Phim giáo dục quân sự hay newsreel thì không thể thiếu nhạc mở đầu theo nhịp hành khúc
Về bản chất nó nói rằng: “Ngồi yên, tập trung nghe đi. Đúng, chính là anh đó!”
Kèn túi cũng có vai trò tương tự, và ngày nay nếu mở đầu hay kết thúc không có kèn túi thì trông không giống một sự kiện trang trọng
Liên kết liên quan:
Mechanical Computer – Basic Mechanisms in Fire Control Computers (1953) [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=29471331 - tháng 12 năm 2021, 12 bình luận
Basic Mechanisms In Fire Control Computers (1953) [video] - https://news.ycombinator.com/item?id=7831923 - tháng 6 năm 2014, 6 bình luận
“Dĩ nhiên độ chính xác của máy tính phụ thuộc vào chất lượng của thông tin nó nhận vào”
Quả thật rất đúng
Tôi tự hỏi liệu đây có phải là một ám chỉ có chủ ý hay không
“Đã có hai lần tôi được hỏi: ‘Thưa ông Babbage, nếu người ta đưa những con số sai vào máy, liệu câu trả lời đúng có bật ra không?’ Một lần là từ một thành viên Thượng viện, và lần còn lại là từ một thành viên Hạ viện. Tôi không thể nào nắm bắt đúng loại sự lẫn lộn ý niệm có thể dẫn tới một câu hỏi như vậy”
— Charles Babbage, Passages from the Life of a Philosopher (1864)