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[转贴煞破狼]这里放一篇德国历史上研究V2导弹子系统的文章

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1941年一台全电子非机械的通用模拟计算诞生了这个东西是由helmuthoelzer设计的,一个德国电子工程师和遥控导航专家。他和助手一起在佩内明德制造该设备,在那里他们是冯。布劳恩的远程火箭研发团队中的一份子。这台模拟计算机基于hoelzer在1935年概念发展而来的电子积分器和微分器(晕死那时候还没运算发大器都是机械微分器和积分器的天下,战列舰的火控系统是一堆齿轮黄铜盘和黄铜球),并且第一次作为导航控制系统被用在A-4火箭上。这台计算机在历史上如此重要,不仅仅是由于它是一台模拟计算机而且代表了仿真技术的发端。它带动了火箭系统的发展,最终使得登陆月球成为可能。
对A4的航向控制系统来说有2大影响因素:准确精度和能大规模制造。第一个因素压倒第二个,因为如果准确精度不能确保,那大规模制造是毫无意义的。A4的基本任务是沿着弹道击中目标。很明显需要沿着发射点和目标点划一条直线,这条飞行线上可能会出现2种误差:第一种是沿着飞行线的误差,可能飞过头或者没到目标就掉下去了,还有一种是相对直线来说的横向误差。第一种可以用调节火箭发动机关闭时间里调整,比如装正好够航程的燃料。这些因素最终能控制火箭的最终速度,它弹道的最高高度和航程。创造一个适当的攻击角度在弹道的上升过程是控制横向误差的姿态控制系统和导航系统的主要目的。
德军采用引导轰炸机用的波束制导来控制V2的横向误差,波束制导beamrider是一束沿着最优化路线的无线电波,一旦偏离路线将被带接收机的复合控制系统或者人工检测到并校正。hoelzer在去佩内明德前是在柏林的德律风根为飞机的无线电控制系统工作的,1939年他作为平民被军队征用。他,ottohirschler,ottohoberg还有其他一些人被分配去做知道A4的无线电导航系统的工作,稍后hoelzer被制定负责全部导航和控制系统。
为了校正横向漂移,必须获得飞行路线上的横向偏差,横向速度,和偏差的积累。对于姿态控制系统,速率陀螺仪是可行的并且可以得到飞行角度的1次导数,但对于横向控制,那时候还没还没设备可以测量横向速度。横向速度可以通过对横向加速度积分或者对横向位移积累微分来获得。第一种方法做出的设备是helmutschlitt负责细化的惯性导航系统,他是hoelzer手下。第二个是hoelzer自己负责的,他看到能把他1935年想到的使用电容的微分方法用在这里。这个电容也能被用作积分器,返回生成电压的积分。这些模拟电路就是无线电导航系统的心脏。
横向导航问题基本上1940年左右解决掉了,更多的注意力被放在姿态控制系统上了。4个公司在竞标(askania,kreiselgeraete,anschuetz,andsiemens),他们要求有更多的时间和更多的钱来解决问题都被拒绝了。在此期间hoelzer开始扩展他的电子微分器来解决姿态控制问题。他通过微分速率陀螺仪得信号得到角速度和加速度,最终速率陀螺仪被取消掉了,因为电子回路被加进了姿态控制和横向控制系统。hoelzer甚至使用了双重微分在系统的最终版本里因为他能取消叶片伺服系统的反馈位置。(估计就是战争末期狗急跳墙缺少物资的应急简化设计了)这个复合系统称作mischgeraet(mixing***puter混合计算机)这是第一个箭载电子导航计算机。从实用的角度来说,这种设计能大量制造。速率陀螺仪大约$7000,电子系统只要$2.5。hoelzer的装置满足了精度和批量制造的要求。下一个阶段就是把它更适于通用。


IP属地:四川1楼2015-12-16 14:52回复
    hoelzer的模拟计算机的第二个用武之地是解决A4的仿真问题。这最终诞生了真正通用的计算机。hoelzer这样描述他下一步的创举。
    一旦习惯于用电子回路来实现导航和控制方程(就是把方程转化成硬件模式),那对我来说把火箭的其他动作也转成硬件控制就很简单了.我们已经找到将数学微分方程转成模拟电子回路的方法。如果2个不同的系统却有这同一个方程,他们一定有同样的行为动作,因为方程结果是一样的。
    我不就把A4火箭上的综合设备替换成分离部件例如积分器,微分器,乘法器,除法器,平方根,还有其他函数。
    使用微分方程当做配方来把不同的单元组合在一起让他们运行这样能解很多种微分方程。这个今天叫做模拟计算机。
    这表面上简单明了的过程实现它走了一条十分坎坷的道路。A4的导航系统仿真需要做各种时态阶段的姿态和横向控制试验,这开始的非常早。A4和A5都留下了多的不得了的试验记录,一卷又一卷的电影胶片显示那些壮观无比的场面,不是爆炸,就是机械和控制系统失去控制。这些问题是可以被预估的,毕竟德国火箭研发团队是第一使用大规模液体推进发动机。他们实际上在做最烦人的基础工作现在叫做应用工程。很明显,火箭扭扭歪歪的摔进波罗的海的那几秒钟到底控制系统出了啥问题没法知道,东西都摔的找不到了。必须找到一个办法,在地面上进行实际测试。
    第一个对于姿态测试的解决办法是造一个包含姿态控制系统的试验台。那是一个用弹簧悬挂在刀口支架上的平台,平台上有伺服马达来模拟火箭叶片实际比例动作(图2),这个全机械的仿真器后来证明太粗糙了。hoelzer取消速率陀螺仪用电子设备替换后,他们用钟摆来做姿态控制的仿真模拟。但这个办法也不能满足导航控制系统的其他测试要求(总不能测一个系统就做个专用仿真装置吧,那样太多了)尤其不太适合无线电波速导航的仿真。
    这时hoelzer开始把他的电子装置用于火箭箭体仿真和实时解动作方程。这时,出现了一些奇怪的反对意见(hoelzer你都搞定了,别人还要不要活了)甚至弹道和空间动态部门的头头steuding都开始反对他,要是实验室仿真必须使用机械仿真台,他吼叫着不要用电子设备解运动方程。steuding有自己的计算人员来做数学计算。当hoelzer向他展示他的模拟计算机概念时,steuding说,年青人,我算的结果始终是对的,我不需要一台机器来确认结果。steuding上了点年纪而且相当傲慢。hoelzer再也没有和他走近过。甚至连布劳恩也加入到反对方,他高诉hoelzer,如果他要算东西去找steduing,而且应该在一边默默的摆弄他的电子玩具。
    尽管有反对意见,hoelzer还是打算抓紧做他的仿真装置。他办公室后面有间没窗的小屋是用来测试各种设备的,他偷偷在那里面用实验用面包板搭造他的模拟计算机。ottohirschler实验室的另一个工程师,志愿来做接线工作,只有他和hoelzer能进那个房间。组里其他人也想尽办法帮他保守秘密。
    用面包板搭的计算机最终在1941年完成了,在他们偷偷干活的这段时间里,其实他们部门的头头steinhoff对此睁一只眼闭一只眼.完成后他们给steinhollf做了一次演示,随后steinhollf组织了一次类似的演示给布劳恩和dornberger看,这次演示后,hoelzer被告知他可以继续干并且让人把设备正式装进一个控制台(图6),这个控制台一共做了2个,其中一个后来运到了美国用了将近20年。


    IP属地:四川2楼2015-12-16 14:53
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      hoelzer的模拟计算机在不但在计算机历史上占有一席之地,在火箭技术发展上也占了个坑。hozler从1935年到41年,不停的探索他的模拟计算机,他应用了反馈电路来补偿做微分器和积分器的电容的损耗。就像他论文里记录的那样,他理解了harrynyquist在bell实验室搞出来的反馈原理,并将此整合入他的最初关于测量滑翔机绝对速度的模拟计算机中去。这些基本原理成分最终让他设计出了A4的导航计算机这个装置能解很广的不同范围的方程。hoelzer的机器在1942年前是绝无仅有的,其他的也是战后才出现的。
      hoelzer的模拟计算机实际是火箭设计中出现的新科技,20~30年代火箭组装和测试的速度令人痛心的慢结局一般是爆炸,连同导致失败的原因也一块炸的粉碎。火箭仿真技术的出现是布劳恩火箭小组基础研究结果的一部分。这项技术后来应用的美国的一系列大型火箭上。运载阿波罗的土星1号火箭就是活生生的例子,十次发射全部不可思议的成功。土星1号在当时应用了仿真技术,使用了新型的Dc直流放大器和ibm7090.除了这些仿真手段外,导航和控制系统都用上了星载计算机,当然50年代末期开始都用数字计算了。但设计概念是一样的。


      IP属地:四川4楼2015-12-16 14:54
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