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设计问题（第一辑） [:1700029028]
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设计问题（第一辑） 6. 科学研究与发展局
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1940年6月，罗斯福总统建立了国防研究委员会（NDRC），其目的是开展与兵器相关的科学研究。卡内基（Carnegie）公司总裁范内瓦·布什（Vannevar Bush）先前是麻省理工学院的知名工程师，向总统提议设立该委员会。事实上，布什曾率领一个实验室制作了一台微分分析仪，这是一种早期用于数学计算的机械装置。NDRC在其第一年运作中建立了一个研究架构，虽然在把科学研究转化为军用技术方面出现了问题，但这一架构（虽有些调整）持续贯穿了整个二战。布什认为，如果把国防研究委员会（NDRC）变成一个新机构，即1941年6月创立的科学研究与发展局（OSRD），问题就可以得到缓解。OSRD的最主要动议包括进一步研发雷达、高射炮火力控制的先进方法以及原子弹。[80]
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NDRC和OSRD与全美国大约300家研究和工业实验室合作，承包了2000多个项目，并生产了200多种新设备。[81]在各大学实验室中，麻省理工学院的三个实验室是非常杰出的。麻省理工辐射实验室发明了一种系统，可以让飞机用电磁波探测到其他物体的位置。基于英国的技术，这后来成为大家熟知的雷达。雷达是塞缪尔·塔克（Samuel Tucker）造的新词，当时他是海军军械局防空部门的负责人。[82]美国第一个成功使用的雷达装置是SCR-720机载雷达，安装在英国和美国的飞机上，在夜战中大派用场，对英国基本空中防御也非常有用。改进后的SCR-584系统是第一个引导高射炮的自动微波跟踪系统。1944年，该系统帮助英国炮手击落了大约85%的德国发射到伦敦的V-1火箭。
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除了SCR-584，该实验室还生产了更先进的雷达系统和其他产品。1942年，研发SCR-584的工程师之一伊万·凯丁（Ivan Getting）成为辐射实验室一个新系统部门的负责人。凯丁一反常规，不按一般做法将火力控制问题分割成几个部分交给承包商解决，而是建议采用一体化系统的做法，将雷达、计算机和火力控制装置等所有部分一起设计，这引出了各个部件制造的技术兼容性问题。如何把雷达连接到火力控制机械装置上是一个挑战，凯丁的解决办法是将辐射实验室升级为“系统整合团队”。[83]利用新办法产出的产品是Mark 56炮火控制系统，要求两个操作员在甲板上定位目标和调整雷达天线，而另外两个操作员在下面的计算机上进行运算。虽然采用了先进的设计方法，但是Mark 56却没能赶在二战结束前投产。[84]
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系统设计的早期工作是由另一个麻省理工学院的工程师哈罗德·汉森（Harold Hazen）实施的，他更强调系统中的人机交互，而不是系统技术部件的设计条件。汉森不是让人来适应已有设备，而是通过设计让设备适应人的能力。1941年5月，他就这个主题写了一篇意义深远的备忘录，认为操作人员的能力是系统的机械部件设计的必要决定因素。[85]他要求在系统设计过程中建立仿真模型来模拟人类行为。[86]
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伺服系统实验室由电气工程师戈登·布朗（Gordon S. Brown）负责，他是伺服控制研究方面的先驱，也参与系统设计。[87]该实验室专门设计自动瞄准和火力控制系统，帮助炮手击中目标。这项工作始于海军对伺服传感器系统的兴趣，该系统可以通过回馈过程校正机械装置的性能。由于飞机速度加快要求火炮具有更快的运动速度，所以实验室的早期研究侧重于高射炮遥控的伺服操作。
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仪器仪表实验室由机械工程师查尔斯·斯塔克·德雷珀（Charles Stark Draper）负责，该实验室专注于制导和控制系统。20世纪20年代末，德雷珀开始在麻省理工学院教授航空器仪表，成为这个领域的领军专家。该实验室的一项重要发明是与伺服实验室联合设计的Mark 14火炮瞄准器，这是一个小型光学设备，使用陀螺装置提高高射炮的精准度。
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OSRD最大的计划是曼哈顿项目—生产原子弹。该项目实际上是科学家专注研究引爆和爆破力问题，他们所关注的并不是需要人工操作的兵器。但是，除了曼哈顿项目，OSRD的研究都是面向需要人工操作的设备，很多这样的设备安装在舰船、飞机或坦克上。相当多的研究致力于火力控制，目的是使火炮击中快速移动的目标。OSRD的第7部门生产了大量的火炮瞄准器，而第14部门则专攻雷达测距仪。有了测距仪，炮塔炮手不再需要估计射程，追踪目标的能力提高了四倍。[88]
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OSRD的航空医学部门研究飞机事故的原因，建议重新设计飞机座椅、控制面板、安全带和逃生舱口等。此外，还通过了解飞机设备设计与使用者之间的关系来补充这项研究。陆军航空部队在俄亥俄州代顿市的航空医学实验室是此类研究的一个重要中心。该实验室研究的一个问题是B-17控制面板的设计：因为副翼和起落架的开关很靠近、形状也差不多，飞行员有时会把两者搞错，从而造成跑道坠毁事故。实验室的心理学家阿尔丰斯·查帕尼斯（Alphonse Chapanis）是工效学（即人因工程学）领域的先驱，他设计出一个解决方案：形状代码。在起落架控制器底部贴了一个轮形，在副翼控制器上贴了一个三角形，飞行员只需触摸就可以轻易辨别。这个办法消除了飞行员的困惑，进而终止了坠毁事故。[89]
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NDRC和OSRD主要研发规模适中的技术系统或装置。但是，OSRD也负责研制一种重要的战斗车辆：DUKW，这种登陆艇水陆两栖，俗称“鸭子”，其发明人是游艇设计师罗德·斯蒂芬（Rod Stephens，Jr.）、英国水手丹尼斯·普利斯顿（Dennis Puleston）和弗兰克·斯皮尔（Frank W. Speir）。DUKW是一种六轮驱动水陆两用卡车，主要用来运载货物和士兵以及两栖作战。DUKW是与通用汽车合作完成的，其设计理念始于对通用汽车公司一种叫作“deuce”的军用卡车的改造，后来又加上经过改进的底盘和推进器，以及一种能让司机改变轮胎压力的装置，根据车辆所行驶的道路或像沙滩一样柔软的表面等情况来调整轮胎软硬。[90]最终产品的设计是由通用汽车公司卡车部门的工程师完成的。
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设计问题（第一辑） 7. 运筹学
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1940年9月，一个英国代表团向美国传授了运筹学，作为与美国共享英国军事技术的部分任务，以便美国能够进一步发展军事技术，使英美两国都能受益。[91]这项任务还带来了一项技术，促成了雷达的研发。范内瓦·布什（Vannevar Bush）认为，研究人员和军官之间的紧密合作不符合他自己在OSRD推行的管理策略，力图隔绝军队或政府对民用科学研究的干预，因而对运筹学持迟疑的态度。[92]因此，OSRD几乎没有涉及运筹学在勤务部门的应用。
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海军军械局最早应用运筹学的分析技术，重点研究反潜战，成立了反潜战运筹学小组（ASWORG），提高对北大西洋敌方潜艇的打击效果。该小组很快发表了一份搜索与攻击手册，并对另外两个领域进行了研究：深水炸弹的投掷和阻栅巡逻的建立，以便更好地探测从日本航行到德国的潜水艇。ASWORG的成功使海军成立了运筹学小组，细分为与潜水艇、飞机、防空、两栖作战和反击神风特攻队战略等相关的各个子组。
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虽然其他空军指挥部也都配有运筹学部（OAS），但是陆军航空部队最初却把运筹学用来提高驻扎在英国的第八空军的轰炸精准度。这些运筹学部与各指挥部只保持着松散的合作关系，而不像海军那样作为独立小组行动。在利比亚的OAS提出了一种称为“朝尾巴打”的防御性空中打击的重要概念，即瞄准敌方飞机的尾部而不是前部进行攻击。OAS还帮助陆军信号兵研究无线定位和雷达。虽然运筹学在美国军方得到有效应用，但并没有像在英国那样起到非常重要的作用。运筹学是英国防空系统发展和改良的核心。
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设计问题（第一辑） 8. 第一代计算机
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早在二战之前，人们就对研发进行大规模数据运算的计算机产生了兴趣，但战时处理复杂运算的需求加速了计算机的开发进程。其主要动力之一就是炮手在射击数英里外的目标时需要达到一个合理的精准度。发射表向炮手提供了合适的仰角参数，并标注了对应火炮的射程。这种为特定火炮和炮弹定制的发射表还能够确定炮弹击中目标时的速度。
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虽然布什的微分分析仪缩短了运算时间，但其速度还不够快。自动程序控制计算机（ASCC，也称为Mark 1）加速了这一进程，不仅体积更大，而且是向公众发布的首台计算机。其设计者霍华德·艾肯（Howard Aiken）在哈佛攻读博士时就开始探索机械计算装置。[93]很多学者认为，这标志着计算机时代的开端。艾肯带着他的计算机构想找到IBM，IBM总裁托马斯·沃森（Thomas Watson）组织了IBM工程师来继续其设计工作，虽然资金大部分来自海军。艾肯专注于研究计算机的运算功能，而由沃森决定其外观。沃森执意要用抛光钢和玻璃罩住长51英尺、高8英尺的计算机，这就确定了未来同规模计算机的视觉样式（见图15）。Mark 1在所有已建造的同类机器中是最大的，能够正确无误地完成一系列程控运算。Mark 1在1943年初建成，后被移到哈佛大学，并于1944年初开始为海军舰船局服务，几个月后转为公众服务。后来，Mark 1还被用于建造原子弹方面的计算工作。
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图15 霍华德·艾肯、IBM工程师和哈佛Mark1计算机（1944年）由IBM公司提供，版权归IBM公司所有。http://omi2000.glogster.com/firs-generationof-computers/
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虽然IBM在Mark 1上下了很大功夫，沃森把它的研发更多地看作是为军用，而非商用。相关研究在其他地方也在进行。贝尔电话实验室的工程师开发了一系列使用金属装置也就是继电器的计算机，用继电器的开关状态来控制电流。实验室的关键人物是数学家史提必兹（George R. Stibitz），他在1937年建造了一台用继电器技术进行数学运算的计算机。公司高管同意出资开发一个更大的模型，于是，1940年完成了复杂数字计算器（CNC），这标志着计算领域的一个重大飞跃。其工作原理是，电传打字机作为第一台计算机终端，可以通过电话线将其指令传给计算机，而完成的运算结果可以通过同一条电话线回传给打字机。虽然一次只能使用一个终端，但是该系统可以容纳数台终端。尽管获得了成功，但是贝尔实验室对建造通用计算机不感兴趣，而是专攻战时项目，例如可以帮助炮手跟踪移动目标的M-9火炮射击指挥仪。[94]
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