בקר מטוטלת והידרוסטט

בקר מטוטלת והידרוסטט הוא מערכת בקרה שמשמשת לשמירה על עומק קבוע בסוגים שונים של טורפדו. בקר זה הוא דוגמה מוקדמת למה שנקרא בקר PD (באנגלית: proportional and derivative controller) – מנגנון בעל יכולת אקטיבית מובנית לרסן את האוסצילציות של המערכת עליה הוא מבקר, ללא שימוש בגורם מרסן חיצוני (כמו חיכוך). בקר המטוטלת והידרוסטט הומצא ב-1867 על ידי רוברט וייטהד לצורך בקרת עומק של הטורפדו החדשני שהגה. המצאת המערכת הייתה מהפכנית בזמנה והובילה לפיתוח הטורפדו הממונע האוטומטי היעיל הראשון; בתקופה בה המציא אותה וייטהד, תורת הבקרה הייתה בוסרית למדי, כך שהן העיקרון הרעיוני מאחוריה והן היישום המכני שלו היו מבריקים. ההידרוסטט הוא מנגנון שחש את הלחץ ההידרוסטטי; עומק הטורפדו פרופורציונלי ללחץ. עם זאת, כאשר רק ההידרוסטט שולט בהגאי העומק של הטורפדו, הטורפדו נוטה להתנודד מסביב לעומק הרצוי במקום להתייצב עליו. ההוספה של מטוטלת מאפשרת לטורפדו "לחוש" את זווית העלרוד של גוף הטורפדו. מדידת העלרוד, כשהיא משולבת עם מדידת העומק, מאפשרת להסיט את הגאי העומק בזווית נכונה יותר, מה שעוזר לטורפדו להתייצב בעומק הרצוי. מדידת העלרוד מספקת איבר ריסון לבקרת העומק ומדכאת את התנודות בעומק. בשפה של תורת הבקרה ניתן להסביר את האפקט של הוספת המטוטלת כהפיכת הבקר הפרופורציונלי הפשוט לבקר פרופורציה-נגזרת מכיוון שבקרת העומק לא נשלטת יותר על ידי העומק בלבד אלא גם על ידי הנגזרת (קצב השינוי) של העומק, שבאופן גס פרופורציונלית לזווית העלרוד של הטורפדו (בזוויות קטנות); קצב שינוי העומק יחסי למכפלת מהירות הטורפדו (שמניחים שהיא קבועה) בסינוס זווית העלרוד. באמצעות שימוש במטוטלת, העובדה שתחת פעולת הכבידה המטוטלת נוטה להיות במצב אנכי מאפשרת למנגנון למדוד את זווית העלרוד של הטורפדו. ניתן להיווכח בדרכי פעולת המנגנון באיור לעיל. אילו לא הייתה מטוטלת במערכת הבקרה, השסתום ההידרוסטטי היה נע כתוצאה משינוי הלחץ ההידרוסטטי (כשהטורפדו משנה את עומקו), וכיוון שהוא מפקד ישירות על הגה העומק (דרך מנגנון פנאומטי), הגה העומק היה מוסט בזווית משתנה. התוצא של סכמה זו הוא, הודות לאינרציה של תנועת הטיל בכיוון האנכי, שהטיל פשוט יבצע תנודות הרמוניות מסביב לעומק הרצוי (בזוויות עלרוד קטנות וכן זווית התקפה קטנה של הגה העומק). לעומת זאת, אם נחבר את משקולת המטוטלת למכניזם שתואר מקודם באמצעות מנגנון תמסורת המבוסס על מנוף, משקל המטוטלת יפעל כנגד השסתום הנע ו"ירסן" את תנודות השסתום (וכך גם את תנודות הטורפדו). אם הטיפוס/צלילה של הטורפדו יהיה תלול מספיק, המומנט שיוצר משקל המשקולת על המנוף יאזן את המומנט כתוצאה מהכוח שפועל על השסתום (הנובע מהלחץ החיצוני) באופן מושלם, והגה העומק יהיה במצב נייטרלי. כבקר PD, למעשה הערכים האופטימליים של מקדמי האיברים בפונקציית הבקרה הם כאלה שהמערכת נמצאת בדיוק בריסון קריטי – כך הטורפדו לא מבצע תנודות סביב העומק הממוצע, ומנגד הריסון חלש מספיק כדי שההתייצבות על העומק הרצוי תיארך בזמן קצר מספיק. ההגבר היחסי של איברי הפרופורציה והנגזרת בפונקציית הבקרה ניתן לשינוי באמצעות התאמת אורכי המנופים, מנגנוני הקישור השונים ומשקל המשקולת. לאחר ההמצאה וייטהד עמל רבות לשכלל את המערכת – בפניו עמדו הבעיות המעשיות של יצירת טורפדו אמין שמסוגל לשמור על עומק קבוע גם בים סוער יותר. בעיה זו משמעותית במיוחד קרוב לפני המים, שם פעולת הגלים היא החזקה ביותר ויכולה בקלות לשבש את הקריאה של השסתום ההידרוסטטי הרגיש. במערכת נעשה שימוש כדי לשלוט בעומק של טורפדות עד סוף מלחמת העולם השנייה, והיא הפחיתה את השגיאה בעומק מ-±40 רגל (בערך 12 מטרים) ל-±6 אינץ (בערך 0.15 מטר). המערכת הייתה כה יעילה בהצבת מסלול הטורפדו על העומק הרצוי שהיא נשמרה שנים רבות בסוד, ואף כונתה "הסוד" (The Secret). טורפדו Edward Monroe Jones and Shawn S. Roderick, Submarine Torpedo Tactics: An American History, Jefferson, NC: McFarrland & Company, 2015, p. 9.