Torpedy z odchyleniem żyroskopowym

Pierwsze torpedy (nawet te ze stabilizowanym żyroskopowo kursem) mogły biec jedynie prostoliniowo - w kierunku, w którym wycelowana była wyrzutnia torpedowa. Nie było to zbyt wielkim ograniczeniem w przypadku obrotowych wyrzutni torpedowych, instalowanych na pokładach krążowników i niszczycieli lub też w przypadku stałych wyrzutni torpedowych instalowanych na niewielkich i zwrotnych kutrach torpedowych. Jednak stałe wyrzutnie torpedowe montowane były także na okrętach podwodnych oraz pancernikach - przeddrednotach i pierwszych drednotach. W przypadku okrętów podwodnych montaż stałych wyrzutni torpedowych na dziobie i rufie okrętu był podyktowany ograniczeniami konstrukcyjnymi. W przypadku pancerników wyrzutnie torpedowe instalowano jako wyrzutnie podwodne. Nawodne wyrzutnie torpedowe instalowane na pokładach pancerników, wraz z załadowanymi torpedami oraz składowanymi nieopodal torpedami zapasowymi byłyby bowiem niezwykle groźne dla żywotności okrętu w przypadku trafienia nieprzyjacielskim pociskiem w trakcie walki artyleryjskiej. Dlatego wyrzutnie torpedowe oraz magazyny torped przesuwano pod linię wodną, gdzie były chronione pancerzem burtowym oraz warstwą wody. Praktycznie wszystkie podwodne wyrzutnie na pancernikach były wykonane jako wyrzutnie stałe ze względu na problemy ze szczelnością wyrzutni obrotowej wbudowanej w burtę okrętu.

Podwodna wyrzutnia torpedowa na pancerniku USS Oregon

Fot. 1. Podwodna wyrzutnia torpedowa na pancerniku USS Oregon [1]


W przypadku okrętów podwodnych i pancerników, stałe wyrzutnie torpedowe w połączeniu z torpedami biegnącymi jedynie w kierunku, w którym wycelowana była wyrzutnia, stanowiły poważne ograniczenie. Okręty te bardzo często nie miały dużej swobody manewru w celu zajęcia dogodnej pozycji do strzału.
Wyposażenie torped w urządzenie do nastawy odchylenia żyroskopowego (czyli wielkości zwrotu, jaki musi wykonać torpeda po opuszczeniu wyrzutni) usunęło ograniczenia wynikające ze stosowania stałych wyrzutni torpedowych. Od tego momentu, torpeda mogła biec w dowolnym kierunku, nie pokrywającym się z osią wyrzutni torpedowej. Oznacza to, że kąt pomiędzy osią wyrzutni a linią celowania mógł być różny od kąta pomiędzy torem torpedy a linią celowania.

Trójkąt torpedowy dla torpedy bez odchylenia żyroskopowego oraz z odchyleniem żyroskopowym

Rys. 1. Trójkąt torpedowy dla torpedy bez odchylenia żyroskopowego oraz z odchyleniem żyroskopowym

 

Ogólna zależność:

\[\begin{aligned} ρ = β ± ω \end{aligned} \]

gdzie:

ρ - kąt odchylenia żyroskopowego (niem. Schußwinkel, ang. gyro angle) - kąt pomiędzy ostatecznym torem torpedy a osią wyrzutni torpedowej

β - kąt strzału torpedy (niem. Vorhaltwinkel, ang. deflection angle) – kąt pomiędzy linią namiaru na cel a linią toru torpedy

ω - namiar na cel (niem. Zielwinkel, ang. target bearing) - kąt pomiędzy linią namiaru na cel a osią wyrzutni torpedowej


Pierwsze próby z torpedami z odchyleniem żyroskopowym prowadzili Amerykanie w pierwszych latach XX wieku. W momencie wybuchu Wielkiej Wojny, w arsenałach morskich większości państw znajdowały się już takie torpedy.
Balistyka torped  odchyleniem żyroskopowym jest bardziej skomplikowana od balistyki torped biegnących prostoliniowo. Bardziej złożone jest także celowanie. Główne problemy zostaną przedstawione poniżej, na przykładzie strzału torpedy z przedniej, sterburtowej wyrzutni pancernika typu Helgoland - SMS Thüringen.
SMS Thüringen - jeden z pierwszych niemieckich drednotów - był uzbrojony w sześć stałych wyrzutni torpedowych umieszczonych pod linią wodną. Rozmieszczenie wyrzutni było następujące:
jedna wyrzutnia znajdowała się na dziobie, druga na rufie - umieszczone wzdłuż osi podłużnej okrętu. Na każdej z burt umieszczone były po dwie wyrzutnie - przednia - tuż przed pierwszą wieżą artyleryjską - i tylna - za rufową wieżą artyleryjską. Osie wyrzutni burtowych nie są równoległe do trawersu okrętu, ale odchylone o 20° od niego - do przodu w przypadku wyrzutni przednich i do tyłu - w przypadku tylnych. Wyrzutnie torpedowe były kalibru 50 cm i przystosowane były do torped typu G/7 (masa 1395 kg, długość 7,020 m, zasięg 4000 m przy prędkości 37 węzłów oraz 9300 m przy prędkości 27 węzłów, napęd parogazowy, paliwo: dekalina, masa ładunku wybuchowego: 195 kg heksanitu).

Pancernik SMS Ostfriesland typu Helgoland z widocznymi otworami sterburtowych wyrzutni torpedowych poniżej linii wodnej

Rys. 2. Pancernik SMS Ostfriesland typu Helgoland z widocznymi otworami
 sterburtowych wyrzutni torpedowych poniżej linii wodnej [2]

 

Pokrywa przedniej, sterburtowej wyrzutni torpedowej pancernika SMS Ostfriesland

Fot. 2. Pokrywa przedniej, sterburtowej wyrzutni torpedowej pancernika SMS Ostfriesland [3]


Jednym z głównych problemów powstających podczas strzału z burtowej, podwodnej wyrzutni torpedowej okrętu który znajduje się w ruchu jest to, że prąd wody opływający burty oddziałuje na wysuwającą się z wyrzutni torpedę, prowadząc do jej uszkodzenia lub zablokowania w wyrzutni.
Problem ten starano się rozwiązać przez instalowanie specjalnych wysuwanych szyn. Szyny te były wysuwane tuż przed planowanym strzałem poza burtę okrętu i w pewnym stopniu osłaniały wystrzeliwaną torpedę przed prądem opływającej kadłub wody. Jednak pomimo tego rozwiązania, prędkość okrętu podczas wystrzeliwania torpedy musiała być zredukowana do wartości około 15-20 węzłów.

 

Wysuwane szyny z przedniej, sterburtowej wyrzutni torpedowej pancernika SMS Ostfriesland

Fot. 3. Wysuwane szyny z przedniej, sterburtowej wyrzutni torpedowej pancernika SMS Ostfriesland [3]

 

Wysuwane szyny z przedniej, sterburtowej wyrzutni torpedowej pancernika SMS Ostfriesland

Fot. 4. Wysuwane szyny z przedniej, sterburtowej wyrzutni torpedowej pancernika SMS Ostfriesland [3]


Torpeda po opuszczeniu wyrzutni, zanim zaczęła wykonywać zwrot, przebywała drogę o długości kilku metrów (niem. gerade Vorlauf, ang. reach), zależnej od typu torpedy (C/06 i G/6 - 10 m, G/7 - 15 m, G7a i G7e - 9,5 m). Następnie zaczynała wykonywać zwrot po łuku o promieniu, który również zależał od rodzaju torpedy (C/06 - 145 m, G/6 - 100 m, G/7 - 105 m, G7a i G7e - 95 m). Po zakończeniu zwrotu torpeda płynęła w kierunku celu. Kąt pomiędzy torem torpedy a osią podłużną wyrzutni torpedowej jest równy kątowi odchylenia żyroskopowego, wprowadzonemu do żyroskopowego urządzenia sterującego torpedy. Pomiędzy linią wyznaczającą tor torpedy a linią równoległą, ale przebiegającą przez wylot wyrzutni torpedowej istnieje przesunięcie (niem. Winkeleinsteuerungsversetzung, ang. advance), którego wielkość jest funkcją długości początkowego prostoliniowego biegu torpedy oraz kąta odchylenia żyroskopowego.
Wielkość tego przesunięcia przy zwrocie torpedy o 90º dla różnych rodzajów torped wynosi:
C/06: 155 m
G/6: 110 m
G/7: 120 m
G7a i G7e: 104,5 m
Ponieważ długość początkowego biegu torpedy jest rzędu 10% wielkości przesunięcia dla 90º, wielkość przesunięcia dla dowolnego kąta ρ można z dużym przybliżeniem opisać zależnością:

\[\begin{aligned} V_{ρ} = V_{90} * (1 - cos  ρ) \end{aligned} \]

gdzie:
ρ - kąt odchylenia żyroskopowego
Vρ - przesunięcie przy zwrocie o kąt ρ 
V90 - przesunięcie przy zwrocie o 90º, R+L (gdzie L - długość początkowego prostoliniowego biegu torpedy, R - promień skrętu torpedy)

 

Przesunięcie toru torpedy wynikające z wykonanego zwrotu

Rys. 3. Przesunięcie toru torpedy wynikające z wykonanego zwrotu [4]



Nie uwzględniając tego przesunięcia podczas celowania, torpeda przetnie kurs celu w odległości
\[\begin{aligned} d = \frac{V_{ρ}}{sin α} \end{aligned} \]
gdzie:
α - kąt uderzenia torpedy w cel

Zatem aby torpeda trafiła w cel, należy wybrać punkt celowania w odległości d przed celem (na kursie celu).

Kolejnym czynnikiem komplikującym balistykę torped z odchyleniem żyroskopowym jest fakt, że zarówno w przypadku pancerników jak i okrętów podwodnych, celownik torpedowy nie znajduje się w miejscu wyrzutni torpedowych. Zatem należy uwzględnić dodatkową paralaksę, wynikającą z przesunięcia pomiędzy celownikiem a wyrzutnią torpedową. Poprawka P wynikająca z tej paralaksy oraz z przesunięcia toru torpedy podczas zwrotu jest nazywana poprawką paralaksy kątowej (niem. Winkelparalaxverbesserung, ang. paralax correction). 

 

Paralaksa wynikająca z przesunięcia pomiędzy celownikiem a wyrzutnią torpedową

Rys. 4. Paralaksa wynikająca z przesunięcia pomiędzy celownikiem a wyrzutnią torpedową [4]


Analitycznie poprawka ta jest wyliczana na podstawie tzw. idealnego punktu startu torpedy E1 (niem. ideeller Torpedoeintrittsort, ang. equivalent point of fire). Punkt ten znajduje się na przedłużeniu toru torpedy, w odległości równej sumie długości początkowego prostoliniowego biegu torpedy oraz długości łuku torpedy, licząc od punktu zakończenia zwrotu A. Innymi słowy, długość odcinka E1A jest równa długości odcinka EA. Budując trójkąt strzału torpedowego w oparciu o punkt E1 oraz znając jego położenie względem celownika, można wyliczyć poprawkę P. Położenie punktu E1 jest funkcją kąta odchylenia żyroskopowego ρ. 

Trójkąt torpedowy w oparciu o idealny punkt startu torpedy

Rys. 5. Trójkąt torpedowy w oparciu o idealny punkt startu torpedy [4]


Opisany proces obliczeniowy był skomplikowany, dlatego przed wprowadzeniem elektromechanicznych kalkulatorów torpedowych przygotowywano tablice które dla wybranych parametrów strzału zawierały odpowiednie poprawki paralaksy kątowej.
Przykładowa tablica dla przedniej, sterburtowej wyrzutni torpedowej pancernika SMS Thüringen jest przedstawiona na rysunku.

Tablica poprawek paralaksy dla przedniej, sterburtowej wyrzutni torpedowej pancernika SMS Thüringen

Rys. 6. Tablica poprawek paralaksy dla przedniej, sterburtowej
wyrzutni torpedowej pancernika SMS Thüringen [4]

Zawiera ona dwie kolumny: poprawki do strzału podczas walki w szyku torowym (laufendes Gefecht) oraz podczas walki w szyku kołowym (Passier Kreisgefecht).
Przedstawione są poprawki dla czterech ustawień kąta odchylenia żyroskopowego (Winkeleinstellung): 30º w lewo, 0º, 15º w prawo, 45º w prawo, co odpowiada następującym odchyleniom od osi podłużnej okrętu (Schußrichtung): 40º, 70º, 85º i 115º.
Dla każdego ustawienia kąta odchylenia żyroskopowego sporządzona jest mała tabelka, z której - dla danej prędkości celu (Fahrt des Gengers) oraz kąta uderzenia w cel (Schneidungswinkel) można odczytać wielkość poprawki w metrach. Sufiks 'l' lub 'r' wskazuje, czy poprawka ma być odłożona przed, czy za celem.

Procedura celowania i wystrzeliwania torpedy z wyrzutni podwodnej pancernika wyglądała następująco: po wstępnym oszacowaniu parametrów ruchu celu, przy pomocy celownika torpedowego ustalano szacunkowy kurs torpedy. Następnie wybierano odpowiednią wyrzutnię torpedową oraz polecano nastawić kąt odchylenia żyroskopowego na wartość najbardziej zbliżoną do szacunkowego kursu torpedy. Z odpowiedniej tabeli odczytywano wartość poprawki kąta  paralaksy oraz dokonywano korekt kursu pancernika w zakresie ~20º, tak aby nastawiony kurs torpedy pokrywał się z kursem obliczonym przy pomocy celownika. Torpedę odpalano w momencie, gdy cel znajdował się w odległości równej wyznaczonej poprawce od punktu celowania.

W przypadku niemieckich okrętów podwodnych procedura wyglądała nieco inaczej. Używano jedynie dwóch nastaw odchylenia żyroskopowego (poza strzałem "na wprost"): 90º na sterburtę i 90º na bakburtę. Zmiany nastaw można było dokonywać bezpośrednio przed strzałem - gdy torpeda była załadowana do wyrzutni i gotowa do wystrzelenia.
Strzał kątowy z wyrzutni dziobowych był stosowany jedynie w przypadku, gdy okręt podwodny i cel poruszają się w tym samym kierunku, natomiast strzał kątowy z wyrzutni rufowych stosowany był w przypadku poruszania się w kierunkach przeciwnych. Na strzał tego rodzaju dowódcy decydowali się zwykle w przypadku, gdy podejście do standardowego ataku (z torpedą biegnącą "na wprost") nie zostało przeprowadzone poprawnie lub zostało zakłócone poprzez wykonanie przez cel niespodziewanego zwrotu.

Strzał kątowy z wyrzutni dziobowych - jeżeli podczas wykonywania standardowego ataku dowódca zorientuje się, że zbliżył się zbyt bardzo, może on podjąć decyzję o strzale kątowym. Wydany zostaje rozkaz nastawy kątowej 90º na odpowiednią burtę i w odległości około 200 metrów od celu okręt podwodny zmienia kurs na równoległy do kursu celu. Gdy cel znajdzie się na trawersie, następuje odpalenie torpedy.

05_rys_07.jpg

Rys. 7. [5]


Strzał kątowy z wyrzutni rufowych - może być użyty zamiast standardowego strzału z wyrzutni rufowych. Wtedy - zamiast wykonywać zwrot na kurs prostopadły do kursu celu, okręt podwodny płynie kursem równoległym, ale w kierunku przeciwnym. Strzał następuje w momencie, gdy cel znajdzie się na trawersie okrętu.

05_rys_08.jpg

Rys. 8. [5]


W sytuacji gdy okręt podwodny zbliży się zbyt bardo do celu podczas podchodzenia od dziobu, łatwo jest wykonać zwrot na kurs przeciwny i strzelać z wyrzutni rufowych - podobnie jak w poprzednim wypadku, strzał następuje w momencie, gdy cel znajdzie się na trawersie okrętu.

05_rys_09.jpg

Rys. 9. [5]

 

Podsumowując, już w czasie Wielkiej Wojny istniały techniczne możliwości używania torped z odchyleniem żyroskopowym. Torpedy zostały wyposażone w żyroskopy umożliwiające nastawę kąta odchylenia żyroskopowego, a wyrzutnie torpedowe - w urządzenia umożliwiające wprowadzenie nastawy do załadowanej torpedy. Głównym problemem - który spowodował, że strzały z odchyleniem żyroskopowym były stosowane bardzo rzadko - była złożoność obliczeń. Obliczenie paralaksy wynikającej ze zwrotu torpedy po opuszczeniu wyrzutni oraz z różnej lokalizacji celownika torpedowego oraz wyrzutni torpedowej było skomplikowanym problemem matematycznym, trudnym do rozwiązania bez zastosowania elektromechanicznych urządzeń liczących, które pojawiły się dopiero kilkanaście lat później. Dodatkową trudność sprawiało przekazywanie wyliczonej wartości kąta odchylenia żyroskopowego z centrali do obsługi wyrzutni torpedowych - w tamtych latach robiono to ustnie, a obsługa wyrzutni ręcznie wprowadzała otrzymaną wartość do torped. Cały ten proces był czasochłonny i podatny na błędy i zakłócenia. W trakcie dynamicznie zmieniającej się sytuacji taktycznej wyliczony z mozołem kąt odchylenia żyroskopowego był najczęściej wprowadzany do torped zbyt późno, aby oddać celny strzał. Problemy te zostały rozwiązane dopiero kilkanaście lat później, kiedy to wraz z elektromechanicznymi kalkulatorami torpedowymi wprowadzono selsynowe łącza do przekazywania wartości kąta odchylenia żyroskopowego oraz serwomechanizmy sprzężone z urządzeniami nastawczymi torped, które na bieżąco i dokładnie wprowadzały aktualnie wyliczony kąt odchylenia żyroskopowego. Do tego czasu strzały z odchyleniem żyroskopowym (za wyjątkiem stosunkowo prostych przypadków dla wartości kąta odchylenia 90°) były stosowane rzadko i traktowane były jako ciekawostka taktyczna.

 

Źródła:

[1] United States of America Torpedoes Pre-World War II
[2] Schlachtschiffe - SMS Ostfriesland
[3] Schlachtschiffe - SMS Ostfriesland - Overall and Hull Detail Photos
[4] Handbuch des Torpedowesens, 1924
[5] German submarine attacks - ONI 44