- Globus INK trên tàu vũ trụ Soyuz là một bộ hiển thị dẫn đường analog cơ điện, dùng quả địa cầu xoay để cho biết vị trí phía trên Trái Đất và tính toán vị trí quỹ đạo bằng bánh răng, cam và bánh răng vi sai
- Khác với Apollo Guidance Computer, nó không nhận đầu vào từ IMU hay hệ thống dẫn đường bên ngoài; phi hành gia phải tự đặt vị trí ban đầu và chu kỳ quỹ đạo, sau đó thiết bị hiển thị vị trí dự đoán
- Trục quả địa cầu được cố định ở 51,8° để mô phỏng quỹ đạo chuẩn của Soyuz, nhưng điều đó tạo ra hạn chế lớn: chỉ hỗ trợ quỹ đạo tròn và góc nghiêng cố định
- Chế độ dự đoán hạ cánh cho biết vị trí hạ cánh nếu kích hoạt động cơ đẩy ngược ngay lúc đó; bằng góc hạ cánh, mô-tơ và công tắc hành trình, nó xoay quả địa cầu thêm một phần quỹ đạo và đạt độ chính xác khoảng 150km
- Globus INK cung cấp hiển thị Trái Đất đầy màu, độ phân giải cao mà máy tính điện tử thập niên 1960 khó làm được, nhưng do phải thiết lập thủ công và bị giới hạn quỹ đạo, nó đã được thay thế bằng màn hình số trên Soyuz-TMA năm 2002
Vị trí của Soyuz được hiển thị bằng quả địa cầu xoay
- Globus INK, tên chính thức là “space navigation indicator” theo viết tắt tiếng Nga ИНК, hiển thị vị trí trên bề mặt Trái Đất bên dưới tàu Soyuz bằng một quả địa cầu xoay
- Quả địa cầu di chuyển bên dưới dấu chữ thập cố định trên vòm nhựa, cho phép phi hành gia so sánh địa hình nhìn thấy ngoài cửa sổ với vị trí được hiển thị
- Các thiết bị xung quanh quả địa cầu cũng cung cấp thông tin dẫn đường
- Các mặt số bên trái và phía trên lần lượt hiển thị vĩ độ và kinh độ bằng số
- Mặt số sáng/tối ở phía dưới cho biết các đoạn tàu vũ trụ nhận ánh sáng Mặt Trời và các đoạn đi vào bóng tối, dùng để đánh giá việc ghép nối
- Bộ đếm quỹ đạo hiển thị số vòng quỹ đạo của tàu vũ trụ
- Ở chế độ thứ hai, thiết bị xoay quả địa cầu sao cho vị trí hạ cánh sẽ nằm dưới dấu chữ thập nếu kích hoạt động cơ đẩy ngược ngay lúc đó để bắt đầu quy trình hạ cánh
- Phi hành gia có thể đánh giá địa hình tại vị trí đó có phù hợp để hạ cánh hay không
Không phải cảm biến dẫn đường thực tế, mà là bộ hiển thị vị trí dự đoán
- Phi hành gia dùng các núm xoay để đặt vị trí ban đầu và chu kỳ quỹ đạo; sau đó Globus theo dõi tiến trình quỹ đạo bằng cơ cấu cơ điện
- Khác với Apollo Guidance Computer, vì không nhận thông tin từ IMU hay nguồn dẫn đường nào khác, nó không phải thiết bị đo vị trí thực tế mà gần hơn với một bộ hiển thị vị trí dự đoán dựa trên các giá trị đã đặt
- Thiết bị được phân tích là một trường hợp Globus thuộc sở hữu của một nhà sưu tập, được mở ra để sửa chữa và đảo ngược kỹ thuật; bên trong không chỉ có bánh răng, cam và bánh răng vi sai mà còn có rơ-le, solenoid và linh kiện điện
- Thiết bị này đã bị hư hỏng
- Phía sau vỏ có một vết lõm lớn, trục quả địa cầu bị lệch khỏi vị trí và không ăn khớp với bánh răng
- Quả địa cầu va vào các bộ phận bên trong, gây trầy xước ở khu vực châu Phi
- Nếu lắp quả địa cầu tùy tiện, thời điểm vĩ độ/kinh độ sẽ bị sai, nên phải căn thời điểm bánh răng và khôi phục về đúng vị trí
Bản đồ quả địa cầu và cách mô phỏng quỹ đạo 51,8°
- Quả địa cầu nhỏ có thể hiện chi tiết địa hình như núi, hồ và sông, để phi hành gia đối chiếu địa hình nhìn thấy bằng mắt với hiển thị dẫn đường
- Thông tin địa hình cũng quan trọng khi chọn điểm hạ cánh và được dùng để kiểm tra địa hình khu vực hạ cánh dự kiến
- Hầu như không có ranh giới chính trị, nhưng các đường đỏ và tím đậm thể hiện ranh giới Liên Xô và ranh giới giữa khối cộng sản/phi cộng sản
- Các vòng tròn đánh số 1–8 biểu thị điểm liên lạc vô tuyến có thể liên lạc với tàu vũ trụ
-
Hai chiều quay được tạo bằng trục cố định
- Quả địa cầu không phải một khối cầu lơ lửng tự do để xoay, mà được điều khiển bằng trục và bánh răng cố định trong thiết bị
- Xích đạo của quả địa cầu là một chi tiết kim loại cứng và quay quanh trục ngang của thiết bị
- Cơ cấu bánh răng thứ hai bên trong xoay quả địa cầu quanh trục Bắc Cực–Nam Cực
- Hai chuyển động quay được truyền qua các trục đồng tâm cố định vào thiết bị, tạo ra hai bậc tự do quay chỉ bằng các trục cố định
-
Quỹ đạo Soyuz chuẩn được tạo bởi góc 51,8°
- Trục quả địa cầu được đặt ở 51,8° để hỗ trợ độ nghiêng quỹ đạo chuẩn của Soyuz
- Nhờ góc này, chỉ cần xoay quả địa cầu quanh trục ngang là dấu chữ thập sẽ đi theo quỹ đạo Soyuz chuẩn
- Khi Trái Đất tự quay, nếu xoay hai bán cầu của quả địa cầu quanh trục cực, các quỹ đạo 51,8° khác nhau trên bề mặt sẽ được tạo ra
- 51,8° lớn hơn vĩ độ 45,97° của Baikonur Cosmodrome, vì tên lửa phải nghiêng về phía bắc để đường phóng không đi qua miền tây Trung Quốc
- Phần giải thích liên quan được liên kết trong câu trả lời trên Space Stack Exchange
Những hạn chế lớn do thiết kế vật lý tạo ra
- Độ nghiêng quỹ đạo được cố định bởi góc vật lý của cơ cấu quả địa cầu, nên các quỹ đạo khác nhau cần các thiết bị Globus khác nhau
- Thiết kế này chỉ xử lý được quỹ đạo tròn, nên trở nên vô dụng trong các tình huống quỹ đạo thay đổi như hẹn gặp và ghép nối
- Vì các giới hạn này, một số phi hành gia muốn tháo Globus khỏi bảng điều khiển, nhưng nó vẫn được giữ cho đến khi Soyuz-TMA thay bằng màn hình máy tính vào năm 2002
Chu kỳ quỹ đạo và cơ cấu tốc độ biến thiên
- Một quỹ đạo của Soyuz dài khoảng 90 phút, nhưng thời gian thay đổi theo độ cao
- Globus có các núm để điều chỉnh chu kỳ quỹ đạo theo đơn vị phút, 0,1 phút và 0,01 phút; phạm vi có thể chỉnh là ±5 phút so với giá trị chuẩn 91,85 phút
- Thiết bị hoạt động bằng xung cố định 27V, 1Hz, nhưng tốc độ quay của trục quỹ đạo của quả địa cầu phải thay đổi theo chu kỳ quỹ đạo
- Cách giải quyết là cộng ba mức tăng vào tốc độ chuẩn
- Mức tăng thiết lập theo phút
- Mức tăng thiết lập theo 0,1 phút
- Mức tăng thiết lập theo 0,01 phút
- Nhiều bánh răng vi sai được dùng để cộng hoặc trừ tốc độ quay
- Tốc độ quay biến thiên được tạo bằng một cam hình nón có tiết diện xoắn ốc
- Ba follower trên cam nằm ở các vị trí khác nhau; phía hẹp tạo ra chuyển động quay nhỏ, phía rộng tạo ra chuyển động quay lớn
- Khi di chuyển vị trí follower, tốc độ quay của follower tương ứng sẽ được chọn
- Khi cam quay hết một vòng, nó quay đột ngột về đường kính ban đầu, nên follower bật trở về vị trí gốc
- Để quả địa cầu không bật ngược, follower được nối với bánh răng vi sai qua ly hợp trượt và bánh cóc
- Bánh cóc giữ cố định trục dẫn động tại thời điểm quay ngược, giúp đầu ra tiếp tục là chuyển động quay tương đối mượt
Tính vĩ độ, kinh độ và sáng/tối
- Các chỉ báo bên trái và phía trên quả địa cầu lần lượt thể hiện vĩ độ và kinh độ của tàu vũ trụ
- Vĩ độ và kinh độ được định nghĩa là các hàm phức tạp của phép chiếu quỹ đạo lên quả địa cầu, và các hàm này được hiện thực bằng hình dạng của cam kim loại
- Mỗi hàm dùng hai cam
- Một cam hiện thực hàm mong muốn
- Cam còn lại có hình dạng đối nghịch để duy trì lực căng trong cơ cấu dò dạng hàm kẹp
- Cam vĩ độ dẫn động mặt số vĩ độ, khiến nó đi qua lại giữa 51,8°B và 51,8°N
- Kinh độ phức tạp hơn do Trái Đất tự quay; đầu ra của mặt số kinh độ được tạo bằng cách cộng chuyển động tự quay của Trái Đất vào giá trị cam qua bánh răng vi sai
- Dưới dạng công thức, vĩ độ là
arcsin(sin i * sin(2πt/T)), còn kinh độ làarctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0 -
Hiển thị sáng và tối
- Globus có một chỉ báo cho biết thời điểm tàu vũ trụ đi vào vùng sáng hoặc vùng tối
- Mặt số gồm hai mặt số đồng tâm và được đặt bằng hai núm xoay
- Các mặt số này di chuyển cùng quỹ đạo tàu vũ trụ, còn chú giải màu đỏ thì cố định
- Có khả năng mặt số này được nối bằng bánh răng với mặt số kinh độ, nhưng phần này vẫn đang được điều tra
Chế độ dự đoán vị trí hạ cánh
- Globus có thể hiển thị vị trí tàu vũ trụ sẽ hạ cánh nếu bắt đầu đốt tái nhập ngay lúc đó
- Độ chính xác tính toán vị trí hạ cánh là 150km
- Cách tính là chiếu quỹ đạo hiện tại tiến thêm một phần quỹ đạo tương ứng với thời gian đến khi hạ cánh
- Phi hành gia chỉ định tỷ lệ phần quỹ đạo này dưới dạng “góc hạ cánh”
- Chỉ báo điện phát quang ở góc trên bên trái của thiết bị hiển thị “Место посадки” trong chế độ này
- Để có vị trí hạ cánh, mô-tơ xoay quả địa cầu và dừng lại khi đạt góc đã chỉ định
- Núm chỉnh trên bảng điều khiển di chuyển công tắc hành trình đến góc mong muốn qua bánh vít
- Khi mô-tơ chạy, quả địa cầu và tay đòn xoay quay cùng nhau
- Khi tay đòn xoay chạm công tắc hành trình góc, mô-tơ dừng và quả địa cầu đã quay đúng góc được chỉ định
- Công tắc hành trình cố định được dùng khi đưa quả địa cầu trở lại vị trí quỹ đạo bình thường
- Công tắc xoay 3 vị trí điều khiển chế độ góc hạ cánh
- “МП” chọn điểm hạ cánh
- “З” hiển thị vị trí phía trên Trái Đất
- “Откл” đưa chuyển động quay góc hạ cánh trở lại và tắt cơ cấu
Mạch điện tử và truyền động solenoid
- Globus phần lớn là cơ khí, nhưng cũng có bo mạch điện tử
- Bo mạch điện tử có 4 rơ-le, 1 transistor, điện trở và diode
- Phần lớn rơ-le có vẻ dùng để dẫn động mô-tơ theo chiều thuận/ngược trong cơ cấu vị trí hạ cánh và dừng ở công tắc hành trình
- Hai diode nối tiếp được mắc vào hai đầu cuộn rơ-le, đóng vai trò flyback diode để khử xung cảm ứng phát sinh khi ngắt cuộn dây
- Chiết áp 360° chuyển đổi vị trí quỹ đạo của tàu vũ trụ thành điện áp
- Globus cung cấp tín hiệu điện áp này cho các thiết bị khác của tàu vũ trụ
- Giả thuyết rằng transistor trên bo mạch điện tử khuếch đại điện áp này vẫn đang được điều tra
- Thiết bị có nhiều bó dây đối với một thiết bị cơ khí
- Tất cả dây đi ra đầu nối bên ngoài đều đã bị cắt
- Đầu nối là thiết kế chuẩn quân sự Liên Xô RS32TV 32 chân
- Việc cắt dây có thể là một phần của quy trình loại biên
- Tuy nhiên, niêm phong sáp chống can thiệp trên vỏ vẫn nguyên vẹn, để lại điểm không khớp với trạng thái được niêm phong lại chính thức
- Thiết bị được dẫn động bằng hai solenoid bánh cóc
- Một cái dùng cho quay quỹ đạo, một cái dùng cho tự quay của Trái Đất
- Solenoid nhận xung 27V, 1Hz
- Mỗi xung đẩy bánh răng tiến một răng, còn lẫy giữ để bánh răng không bị đẩy ngược
Dấu vết của nhiệm vụ Apollo-Soyuz
- Trên quả địa cầu có thêm các chấm màu hồng và nhãn 3 chữ cái Latin
- Các ký hiệu như GDS, MIL, BDA, NFL chỉ các trạm theo dõi của NASA
- GDS là Goldstone
- MIL là Merritt Island
- BDA là Bermuda
- NFL là Newfoundland
- Những dấu hiệu này cho thấy Globus này được chế tạo cho Apollo-Soyuz Test Project, nơi tàu Apollo và khoang Soyuz ghép nối vào năm 1975
- Nhãn dán VAN ở giữa Thái Bình Dương cũng củng cố mối liên hệ với Apollo-Soyuz
- USNS Vanguard là tàu theo dõi của NASA được dùng trong chương trình Apollo để lấp các khoảng trống liên lạc vô tuyến
- Trong nhiệm vụ Apollo-Soyuz, Vanguard được bố trí tại 25°N, 155°T, trùng khớp chính xác với vị trí điểm VAN trên quả địa cầu
- Các trạm theo dõi NASA được liệt kê gồm CYI, ACN, MAD, TAN, GWM, ORR, HAW, GDS, MIL, QUI, AGO, BDA, NFL, VAN
Phả hệ từ Vostok đến Soyuz-TMA
- Lịch sử của Globus có từ những ngày đầu của chuyến bay vũ trụ có người lái của Liên Xô
- Phiên bản đầu tiên là IMP đơn giản hơn, bắt đầu được phát triển vào năm 1960 cho các chuyến bay Vostok 1961 và Voshod 1964
- Globus IMP đời đầu cũng có các chức năng cơ bản tương tự INK: hiển thị vị trí tàu vũ trụ và vị trí hạ cánh
- IMP có bộ đếm quỹ đạo ở góc dưới bên phải, còn hiển thị vĩ độ/kinh độ được thêm vào cho chuyến bay Voshod
- IMP và INK có một số khác biệt
- IMP không có hiển thị Mặt Trời/bóng tối ở phía dưới
- Không có điều khiển thiết lập góc hạ cánh
- Chế độ quỹ đạo và chế độ vị trí hạ cánh được chọn bằng công tắc bên ngoài, không phải công tắc trong thiết bị
- Mẫu INK phức tạp hơn được chế tạo từ năm 1967 cho các chuyến bay Soyuz và là một phần của hệ thống hiển thị thông tin “Sirius”
- Neptun IDS trên Soyuz-T năm 1976 và Neptun-M trên Soyuz-TM năm 1986 đã hiện đại hóa phần lớn bảng điều khiển, nhưng vẫn giữ Globus INK
- Soyuz-TMA năm 2002 được nâng cấp lên hệ thống Neptun-ME, dùng màn hình số và Globus được thay bằng màn hình đồ họa
- Tài liệu liên quan được liên kết tại Information Display Systems for Soyuz Spaceships
Hiệu năng và giới hạn
- Globus INK là một máy tính analog tính toán quỹ đạo bằng hệ thống tinh vi gồm bánh răng, cam và bánh răng vi sai
- Nó cung cấp cho phi hành gia hiển thị vị trí đầy màu, độ phân giải cao mà máy tính vũ trụ điện tử thập niên 1960 khó có thể cung cấp
- Các giới hạn chức năng cũng rất rõ ràng
- Phải thiết lập thủ công toàn bộ vị trí ban đầu của tàu vũ trụ, tốc độ quỹ đạo, đoạn sáng/tối và góc hạ cánh
- Không nhận đầu vào dẫn đường bên ngoài như IMU, nên độ chính xác không cao
- Chỉ hỗ trợ quỹ đạo tròn ở góc cố định
- Màn hình số hiện đại không có sức hấp dẫn vật lý của quả địa cầu xoay, nhưng cung cấp nhiều chức năng hơn hẳn
- Việc đảo ngược kỹ thuật vẫn đang tiếp diễn; vì phần diễn giải tiếng Nga dùng Google Translate, các chi tiết mô tả có thể thay đổi
1 bình luận
Các bình luận trên Hacker News
https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-electroni...
https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-globus-in...
https://www.youtube.com/watch?v=dmHaCQ8Ul6E
https://www.youtube.com/watch?v=CP5dfjxdkQ4
https://www.youtube.com/watch?v=eG29HrU6Slw
Vì vậy nghe nói cả việc đi bộ ngoài không gian cũng gặp vấn đề. Bởi nếu để bên trong khoang capsule tiếp xúc với không gian vũ trụ thì thiết bị điện tử có thể phát nổ
The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned của John Strausbaugh
https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
Trên thực tế, tác giả cũng không sử dụng nghiêm túc tư liệu nguồn cấp một: https://www.thespacereview.com/article/4851/1
Nó giống như việc giới thiệu một cuốn sách về chương trình Apollo do một người Nga chưa đọc tài liệu của Mỹ viết. Nếu nhất thiết phải là tác giả phương Tây thì tiểu sử Korolev của James Harford tổng hợp chương trình không gian Liên Xô tốt hơn, và cũng có các bài bình duyệt học thuật đàng hoàng
https://hackaday.com/2014/10/28/retrotechtacular-fire-contro...
https://meshok.net/en/item/275902733_%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9...
https://www.righto.com/2024/09/f4-attitude-indicator.html
https://www.popularmechanics.com/space/rockets/a19966/russia...