- Chỉ báo tư thế của F-4 Phantom II bổ sung góc phương vị (yaw) bên cạnh pitch và roll như trên chân trời nhân tạo thông thường, giúp phi công quan sát nhanh tư thế 3 trục và hướng bay khi cơ động tốc độ cao
- Quả cầu quay không phải là một hình cầu kín hoàn chỉnh mà được chia thành 2 vỏ bán cầu rỗng ở trên và dưới; cơ cấu bên trong được cố định gần đường xích đạo, chỉ có các vỏ chuyển động
- Roll, pitch và góc phương vị được dẫn động bằng các mô-tơ riêng; trong hệ điện tử hàng không thập niên 1960, tín hiệu synchro 3 dây và bộ biến áp điều khiển tạo ra sai số góc để khép kín vòng servo
- Việc dây điện bị xoắn trong kết cấu quay được giải quyết bằng vòng trượt trên trục roll và trục pitch; còn trục phương vị không cần vòng trượt riêng vì chỉ vỏ cầu quay, không phải phần điện tử
- Dù các tiêm kích hiện đại như F-35 đã chuyển sang glass cockpit với màn hình trung tâm, thiết bị này vẫn là một ví dụ về việc kết hợp kết cấu điện cơ tinh vi với điều khiển tương tự để hiển thị cơ khí 3 trục
Vai trò của chỉ báo tư thế trên F-4
- Thiết bị này là chỉ báo tư thế dành cho tiêm kích F-4, dùng một quả cầu quay để hiển thị tư thế và hướng của máy bay
- Chân trời nhân tạo trên máy bay thông thường hiển thị 2 trục pitch và roll, nhưng chỉ báo của F-4 bổ sung cả phương vị để hiển thị tư thế 3 trục
- F-4 Phantom II là tiêm kích siêu thanh được sản xuất từ năm 1958 đến 1981, với hơn 5.000 chiếc được chế tạo, là mẫu máy bay siêu thanh Mỹ được sản xuất nhiều nhất
- Đây là thiết bị đủ quan trọng để được đặt ở trung tâm bảng điều khiển phi công, ngay dưới màn hình radar màu đỏ; ở ghế sau có một chỉ báo tư thế 2 trục đơn giản hơn
- F-4 là máy bay 2 chỗ ngồi, và sĩ quan đánh chặn radar ở ghế sau điều khiển radar cùng vũ khí
Kết cấu cơ khí giúp quả cầu quay theo 3 trục
- Quả cầu hiển thị không phải là một hình cầu kín duy nhất mà gồm hai vỏ bán cầu rỗng
- Các vỏ bán cầu được gắn vào phía trên và dưới của trục dọc bên trong
- Cơ cấu bên trong tại vị trí đường xích đạo có thể giữ cố định, khác với các vỏ cầu
- Ba trục được dẫn động theo những cách khác nhau
- Mô-tơ roll được gắn vào khung chỉ báo, quay khung gimbal roll và toàn bộ quả cầu theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ
- Mô-tơ pitch nằm bên trong quả cầu, quay toàn bộ cơ cấu bên trong quanh trục pitch nằm ngang
- Mô-tơ phương vị quay trục dọc để làm các vỏ bán cầu trên và dưới quay quanh trục phương vị
- Gimbal roll được nối với các điểm pivot trên và dưới của cơ cấu quả cầu để đỡ toàn bộ quả cầu
- Bộ biến áp điều khiển roll cung cấp phản hồi vị trí, và trên gimbal roll có nhiều dây nối đi vào cơ cấu bên trong quả cầu
Vì sao dây điện không bị xoắn
- Để duy trì kết nối điện trong kết cấu quay, thiết bị dùng hai bộ vòng trượt
- Bộ vòng trượt thứ nhất xử lý chuyển động quay của trục roll
- Nó tạo kết nối điện giữa thân đồng hồ cố định và gimbal roll đang quay
- Trục trung tâm quay cùng vỏ của cụm quả cầu, còn dây bên trong trục đi từ các tiếp điểm kim loại hình tròn tới gimbal roll
- Bộ vòng trượt thứ hai nằm bên trong quả cầu, nối dây của gimbal roll với cơ cấu quả cầu
- Nó đảm nhiệm kết nối điện cho chuyển động quay theo trục pitch
- Vòng trượt thực tế nằm ở bên trong nên không thấy trong ảnh
- Trục phương vị không cần vòng trượt
- Vì khi quay theo phương vị, chỉ các vỏ bán cầu quay còn phần điện tử vẫn đứng yên
Synchro và vòng servo
- Chỉ báo nhận tín hiệu điện từ con quay hồi chuyển bên ngoài để biểu thị vị trí roll, pitch và phương vị
- Synchro, vốn rất phổ biến trong điện tử hàng không thập niên 1960, truyền góc bằng 3 dây
- Bộ phát synchro biến vị trí góc của một trục thành tín hiệu AC
- Rotor bên trong được dẫn động bằng AC 400Hz, còn 3 cuộn stator cố định tạo ra 3 tín hiệu đầu ra có pha và điện áp thay đổi theo góc
- Mô-tơ trên mỗi trục được điều khiển bằng vòng servo
- Bộ biến áp điều khiển so sánh góc đầu vào 3 dây với góc quay thực tế của trục để tạo tín hiệu sai số
- Bộ khuếch đại điều khiển mô-tơ theo hướng thích hợp cho đến khi tín hiệu sai số về 0
- Tín hiệu tachometer từ cụm mô-tơ/tachometer được dùng làm điện áp phản hồi âm để giảm tốc độ mô-tơ khi tiến gần vị trí mục tiêu
- Cụm mô-tơ/tachometer phức tạp hơn mô-tơ điện thông thường
- Mô-tơ nhận nguồn 115V AC, 400Hz nhưng bản thân như vậy vẫn chưa quay
- Khi kích một trong hai cuộn điều khiển AC điện áp thấp, mô-tơ sẽ quay theo một chiều hoặc chiều ngược lại
- Tachometer tạo ra tín hiệu AC điện áp thấp tỉ lệ với tốc độ quay, và tùy theo chiều quay mà nó đồng pha với tín hiệu dẫn động 400Hz hoặc lệch pha 180 độ
Cụm khuếch đại
- Mô-tơ được dẫn động bởi cụm khuếch đại gắn ở phía sau thiết bị
- Cụm khuếch đại gồm 3 bộ khuếch đại sai số riêng cho ba trục
- Có một bo khuếch đại riêng cho roll, pitch và phương vị
- Ngoài ra còn có bo cấp nguồn DC, biến áp AC và các biến trở tinh chỉnh
- Ba bo khuếch đại có cùng cấu trúc
- Một số linh kiện được xếp chồng lên nhau để tiết kiệm không gian
- Một số chân dẫn dài và được bảo vệ bằng ống nhựa trong suốt
- Bo được phủ conformal coating để chống ẩm và chất bẩn
- Mỗi bo khuếch đại dùng tín hiệu sai số và đầu ra tachometer để dẫn động hai cuộn điều khiển của mô-tơ
- Đầu vào là AC 400Hz, trong đó pha biểu thị sai số dương hoặc âm
- Đầu ra quyết định cuộn điều khiển nào sẽ được kích hoạt, từ đó xác định chiều quay của mô-tơ
- Trong cùng họ chỉ báo tư thế này có hai phiên bản dùng bộ khuếch đại không tương thích với nhau
- Mô-tơ ở chỉ báo đời mới dường như chỉ có một cuộn điều khiển
- Khóa cơ khí của đầu nối khác nhau để ngăn cắm nhầm bộ khuếch đại
Mạch pitch trim
- Ở góc dưới bên phải chỉ báo có núm pitch trim, nhưng trên thiết bị được phân tích thì núm này đã bị thiếu
- Khi bay ngang, máy bay có thể phải chúc mũi lên hoặc xuống một chút để đạt góc tấn mong muốn
- Phi công muốn chỉ báo tư thế hiển thị bay ngang ngay cả khi máy bay thực tế hơi nghiêng
- Núm pitch trim dùng để áp dụng hiệu chỉnh đó
- Khi tiêm kích thực hiện tư thế như leo thẳng đứng 90 độ, hiệu chỉnh trim phải bị bỏ qua để hiển thị đúng tư thế thực
- Bằng sáng chế năm 1957 dùng phương pháp giảm dần hiệu chỉnh trim khi máy bay rời xa trạng thái bay ngang
- Một biến trở đa vùng đặc biệt điều chỉnh tín hiệu trim theo góc pitch
- Tín hiệu pitch trim cũng là AC 400Hz như phần lớn các tín hiệu bên trong khác
- Khi gần trạng thái ngang, cần gạt của biến trở nhận AC cùng pha dương để áp dụng hiệu chỉnh trim do phi công đặt
- Khi gần leo thẳng đứng hoặc bổ nhào gấp, cần gạt đi vào vùng 0V nên pitch trim bị loại bỏ
- Khi ở trạng thái lộn ngược, nó nhận AC pha âm nên hiệu chỉnh trim được áp dụng theo hướng ngược lại
Mẫu, thông số và các thiết bị liên quan
- Chỉ báo tư thế 3 trục này khá giống FDAI dùng trong các chuyến bay Apollo ở nhiều khía cạnh, nhưng FDAI có nhiều chỉ thị và kim hơn
- Soyuz Globus được dùng cho dẫn đường, quay theo hai trục và đơn giản hơn chỉ báo F-4 này
- Có tiêu chuẩn quân sự liên quan là MIL-I-27619, đề cập đến ba chỉ báo tương tự ARU-11/A, ARU-21/A và ARU-31/A
- ARU-11/A được dùng trên F-111A
- ARU-21/A được dùng trên A-7D Corsair
- ARU-31/A được dùng trên RF-4C Phantom II, biến thể trinh sát của F-4
- Chỉ báo là một phần của AN/ASN-55 Attitude Heading Reference Set, và bộ này được quy định trong MIL-A-38329
- Thiết bị được phân tích không có dấu nhận dạng và thiếu một số linh kiện nên khó xác định chính xác model
Giới hạn và sức hấp dẫn của thiết bị điện cơ
- Chỉ báo tư thế máy bay là thiết bị quan trọng để duy trì bay an toàn, đặc biệt khi tầm nhìn kém
- Chỉ báo tư thế của F-4 hiển thị thêm một trục so với chân trời nhân tạo thông thường, nhưng đổi lại hệ cơ khí và mạch điện phức tạp hơn rất nhiều
- Các tiêm kích hiện đại dùng glass cockpit thay cho những thiết bị điện cơ phức tạp như vậy
- Ví dụ, bảng điều khiển F-35 thay nhiều đồng hồ bằng một panoramic touchscreen lớn để hiển thị thông tin màu sắc
- Xét về tính thực dụng, các thiết bị cơ khí có thể kém ưu thế hơn, nhưng khi mở bên trong ra sẽ thấy một thiết kế độc đáo vừa đỡ chắc quả cầu quay 3 trục vừa cho phép nó chuyển động tự do
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Thật thích vì bài có hình ảnh độ phân giải siêu cao, và thật đáng kinh ngạc khi thấy nhiều mẹo analog được dùng đến như vậy
Nhìn như kiểu ngày nay chỉ cần vài dòng code là xong
Vì khi đó chưa có cách sản xuất hàng loạt vi điện tử và bộ điều khiển vừa đáng tin cậy, vừa nhanh, vừa rẻ, nên trong các lĩnh vực đòi hỏi độ tin cậy cao, điện toán analog là lời giải
Năm 1954, Rex Rice từng viết rằng ông thích lập trình máy tính bằng plugboard đơn giản hơn là bằng các lớp trừu tượng như ngôn ngữ lập trình (https://dl.acm.org/doi/10.1145/1455270.1455272)
Vì vậy, vào thời đó, việc ngôn ngữ lập trình bậc cao có phải là lời giải phù hợp cho vấn đề trước mắt hay không vẫn còn là chủ đề tranh luận; và tôi nghĩ những người đi trước biết thao túng thế giới vật lý để tạo ra phép tính toán học thật sự là thiên tài
Thuở mới vào nghề, cha tôi từng phải tháo rời và reverse engineering các thiết bị hàng không vũ trụ của Liên Xô, và đến giờ ông vẫn nhớ tích cực về mức độ hoàn thiện kỹ thuật và độ chính xác xuất sắc của các thiết bị Liên Xô
Tôi ước có nhiều tài liệu hơn về điện toán Liên Xô, nhưng rốt cuộc lịch sử luôn do người chiến thắng viết
Tôi từng muốn gắn một bộ hiển thị kiểu này lên bảng táp-lô ô tô
Tôi đã gắn một la bàn thuyền rồi, khá hữu ích và nhìn cũng đẹp
Tiếc là các bộ hiển thị điện tử hiếm hơn nhiều so với loại chạy bằng chân không hoặc buồng lái kính hoàn toàn
Đại khái là đặt động cơ bước, encoder quay từ tính, và IMU la bàn/con quay hồi chuyển 6 bậc tự do bên trong một nửa quả cầu in 3D
Nếu đặt Arduino hoặc ESP32 bên trong để điều khiển, có vẻ chỉ cần slip ring đơn giản để cấp điện qua các trục roll và pitch là được
Nhưng hiện chỉ mới là ý tưởng; sau khi đọc bài khác của Ken https://www.righto.com/2023/01/inside-globus-ink-mechanical-..., tôi cũng từng mơ mộng làm một thiết bị dẫn đường cơ khí kiểu Soyuz của Nga
Tuy nhiên dạo này ý tưởng làm bản sao công nghệ Liên Xô cổ điển không còn hấp dẫn tôi như vài năm trước nữa
Có khá ít máy bay không có hệ thống chân không nhưng lại dùng đồng hồ tư thế cơ điện
Lựa chọn thực tế nhất là các đồng hồ dự phòng cơ điện được dùng trong những cấu hình buồng lái kính hoàn toàn G1000 đời đầu
Muốn xem đồng hồ tư thế dự phòng điện thì nhìn Diamond DA40 và DA42; các mẫu sau đó như DA50 và DA62 dùng đồng hồ dự phòng buồng lái kính hoàn toàn
Tôi cũng muốn bắt chước, nhưng không biết có gặp vấn đề nhiễu từ chính chiếc xe không
Nếu có điều gì thắc mắc, tôi sẽ trả lời
Tôi tự hỏi liệu điều đó có phải do độ chính xác và thang đo của đồng hồ tư thế cơ khí, cũng như vùng bay rộng hơn của máy bay quân sự hay không
Những máy bay kiểu này hiện vẫn là lực lượng nòng cốt của Không quân Iran, và cùng thiết bị này đã được dùng liên tục cho đến khi một số biến thể được nâng cấp avionics vài năm trước
Chỉ là tò mò thôi: bài viết nói F-35 có màn hình cảm ứng hoàn toàn số xử lý gần như mọi thứ trong máy bay
Nếu một khẩu pháo mạnh làm hỏng nó, phi công sẽ xử lý thế nào khi màn hình bị treo hoàn toàn?
Với F-4 thì có lẽ chỉ những đồng hồ nằm trên đường đạn mới hỏng; tôi có cảm giác khác biệt là một bên coi như tiêu tùng hoàn toàn, còn bên kia chỉ mất một phần đồng hồ
Chắc tôi đang bỏ sót điều gì đó, hoặc rất nhiều điều, về F-35, nhưng trong đầu tôi một máy bay 100% số nghe khá đáng sợ
Trong không chiến bằng pháo ngày xưa, đường bắn thường đến từ phía sau, hoặc xuyên qua canopy từ phía trên
Cả hai trường hợp, nếu đủ để bắn trúng đồng hồ thì rất có khả năng sẽ đi qua phi công
Xa xưa hơn nữa thì cũng có trường hợp bị bắn trực diện, nhưng đối đầu trực diện giữa các tiêm kích là việc rất khó ngoài game, và chủ yếu là do xạ thủ đuôi của máy bay ném bom
Vì vậy trên một số máy bay rất cũ thời Thế chiến II có kính chống đạn phía trước phi công
Nếu F-35 phải lao vào đấu pháo thì phi công đã phạm sai lầm lớn, và F-35 không được thiết kế làm máy bay dogfight
Ngay cả thời hiện đại, nếu mảnh vỡ từ tên lửa hoặc pháo phòng không nổ cạnh buồng lái và làm hỏng đồng hồ, thì các mảnh vỡ đó rất có thể cũng làm phi công bị thương, khiến chuyến bay trở về ngày hôm đó trở nên khó khăn
Đây cũng là cách F-35 nhiều khả năng bị hư hại nhất trong chiến tranh hiện đại
Kịch bản bảng đồng hồ hỏng nhưng phi công vẫn bình an không phải là không có, nhưng xác suất quá thấp nên có lẽ rủi ro đó được đánh giá là ít gây hại hơn lợi ích của buồng lái kính
Ví dụ, hệ thống điều khiển bay nằm phía sau phi công
Dù vậy, xét về an toàn bay, tôi nghĩ màn hình của F-35 ít nhất cũng được dự phòng kép
Có thể hình dung nó như hai màn hình được ghép liền mạch thành một
ISIS thường có cảm biến riêng và pin dự phòng, nên vẫn phải tiếp tục hoạt động ngay cả khi màn hình chính hỏng
https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_standby_instrument_...
Đây là loại màn hình chuyên dụng, được gia cường cao, cấu hình dự phòng, và bản thân nó đã là cả một ngành công nghiệp
Có những công ty làm màn hình có thể đặt lớp dẫn điện trong suốt lên trên để gia nhiệt, nhờ đó vẫn dùng và giữ chức năng được trên boong tàu sân bay ở vùng Bắc Cực
Cũng có công ty đến nay vẫn sản xuất CRT cho các mục đích quân sự nhất định
Những màn hình như vậy an toàn hơn, đáng tin cậy hơn và bền chắc hơn các hệ thống cơ khí mà chúng thay thế
Trên F-35 có một màn hình vuông nhỏ ở console trung tâm để hiển thị đồng hồ tư thế và các tham số bay
Khỏi phải nói, nếu màn hình chính tắt thì phi công sẽ quay đầu ngay và tìm sân bay gần nhất
kens@ là một báu vật mà chúng ta không xứng đáng được hưởng
Khoan đã, ông có phải người làm Linux/4004 không?
Dự án đó thật sự quá đỉnh
Thật đáng kinh ngạc khi nghĩ rằng tất cả công nghệ này được tạo ra bởi những người dùng thước tính trượt
Tôi nghĩ các kỹ sư làm ra thứ này hẳn sẽ rất phấn khích khi biết có ai đó đã tìm ra cách họ giải quyết tất cả những vấn đề này
Thật tuyệt khi thấy các chi tiết kỹ thuật bên trong
Là người làm phần mềm, tôi luôn tò mò họ đã xử lý lỗi và đảm bảo chất lượng thế nào khi tạo ra phần cứng phức tạp như vậy
Bản thân nó là một lĩnh vực đáng để học
Nếu muốn tìm hiểu các ứng dụng siêu tin cậy, Design for Six Sigma là điểm khởi đầu tốt
https://www.youtube.com/watch?v=_g6UswiRCF0
Khi phải xuất xưởng dưới những ràng buộc như vậy, nó tạo ra mức độ tập trung mà thiết kế hiện đại hiếm khi trải nghiệm được