Bên trong FDAI (“8-ball”) của Apollo
(righto.com)- FDAI của Apollo Lunar Module là thiết bị hiển thị bay cốt lõi, gom việc hiển thị tư thế tàu vũ trụ, chỉ thị điều khiển và tốc độ quay vào trong một đồng hồ duy nhất
- Nhìn bề ngoài, toàn bộ quả cầu có vẻ như quay tự do theo 3 trục roll·pitch·yaw, nhưng thực tế cơ chế cố định tại vùng xích đạo và các vỏ bán cầu rỗng đảm nhiệm các vai trò khác nhau
- Tín hiệu vị trí được xử lý bằng synchro và vòng lặp servo vốn được dùng trong avionics thập niên 1950~60, với cấu trúc control transformer·amplifier·motor/tachometer để giảm sai số
- Thiết bị được xem xét là Model 4068F dùng cho Apollo, nhưng đã được cải tạo cho simulator Space Shuttle nên có đầu vào synchro, chiếu sáng bằng bóng sợi đốt, mặt số kiểu Shuttle và các cơ cấu điều chỉnh bổ sung
- Thiết kế này nằm trong dòng dõi Lear Siegler kéo dài từ X-15, F-4 ARU/11-A, Gemini, Apollo đến Space Shuttle; FDAI của Apollo gần như là một giai đoạn trung gian, giữ lại thiết kế sẵn có nhưng lược bỏ các chức năng không cần thiết cho tàu vũ trụ
Vai trò của FDAI trên Apollo Lunar Module
- FDAI(Flight Director / Attitude Indicator) là thiết bị hiển thị tư thế của tàu vũ trụ trong các chuyến bay Mặt Trăng của Apollo
- Phần hiển thị hình cầu thể hiện tư thế của tàu vũ trụ
- Do quả cầu có một nửa màu đen nên nó có biệt danh là “8-ball”
- Ba kim màu vàng cho biết phi hành gia phải điều khiển tàu vũ trụ như thế nào
- Ba kim bổ sung hiển thị tốc độ quay của tàu vũ trụ
- Lunar Module có 2 FDAI
- Bên trái dành cho Commander, bên phải dành cho Lunar Module Pilot
- Với Apollo 11, Commander là Neil Armstrong và Lunar Module Pilot là Buzz Aldrin
- Do kích thước lớn và được đặt ở vị trí trung tâm, FDAI chiếm vai trò nổi bật trên bảng điều khiển của Lunar Module
- FDAI của Lunar Module có thể chọn nhiều nguồn đầu vào bằng công tắc trên panel
- Quả cầu hiển thị tư thế có thể nhận tín hiệu từ Inertial Measurement Unit hoặc hệ thống dự phòng Abort Guidance System
- Tư thế pitch cũng có thể được cấp từ ORDEAL(Orbital Rate Display Earth And Lunar), hệ thống mô phỏng quỹ đạo tròn
- Chỉ thị sai số có thể đến từ Apollo Guidance Computer, Abort Guidance System, landing radar và rendezvous radar
- Chỉ thị tốc độ pitch·roll·yaw được điều khiển bởi Rate Gyro Assembly
- Hiển thị tốc độ dùng công tắc bên dưới FDAI để chọn thang 25°/sec hoặc 5°/sec
Cơ chế bên trong tạo ra chuyển động quay 3 trục
- Quả cầu của FDAI hiển thị chuyển động quay theo 3 trục roll, pitch, yaw
- roll là chuyển động nghiêng trái phải dọc theo trục hướng bay
- pitch là chuyển động ngẩng lên hoặc chúi xuống
- yaw là chuyển động đổi hướng sang trái hoặc phải
- attitude indicator của máy bay thông thường thường bỏ qua yaw
- FDAI thực tế dùng 3 motor để di chuyển hiển thị quả cầu
- roll motor gắn vào khung FDAI và quay roll gimbal thông qua bánh răng
- pitch motor và yaw motor nằm bên trong quả cầu
- roll gimbal nối với hai điểm ở “xích đạo” của cơ cấu quả cầu, và hai điểm này xác định trục pitch
- Điểm mấu chốt khiến quả cầu trông như quay tự do theo 3 trục là cấu trúc vỏ bán cầu
- pitch motor quay cơ cấu quả cầu bên trong theo trục pitch
- yaw motor quay một trục đứng, và làm quay hai vỏ bán cầu gắn ở phía trên và dưới trục đó
- Khi quay yaw, bản thân cơ cấu bên trong không di chuyển, chỉ có lớp vỏ quay theo trục yaw
- Slip ring được dùng để tránh dây điện bị xoắn
- Cụm slip ring thứ nhất xử lý chuyển động quay của trục roll, duy trì kết nối điện giữa phần đứng yên và roll gimbal đang quay
- 23 cặp chổi than đảm nhiệm 23 kết nối
- Bộ slip ring thứ hai xử lý chuyển động quay theo trục pitch bên trong quả cầu
- Trục yaw chỉ làm quay các vỏ bán cầu nên không cần đi dây và cũng không dùng slip ring
Điều khiển bằng synchro và vòng lặp servo
- Trong thập niên 1950~60, synchro được dùng rộng rãi như phương thức tiêu chuẩn để truyền tín hiệu vị trí quay bằng điện
- synchro gửi đầu ra thay đổi theo vị trí quay của trục qua 3 dây
- Nếu nối hai synchro với nhau, trục của synchro thứ hai có thể quay đến cùng góc với trục thứ nhất
- Nó được dùng cho nhiều mục đích, từ đồng hồ avionics đến tháp pháo quay của chiến hạm hải quân
- Do synchro không tạo mô-men xoắn lớn, FDAI kết hợp vòng lặp servo với motor mạnh hơn
- control transformer so sánh góc đầu vào với vị trí trục đầu ra để tạo tín hiệu sai số
- amplifier điều khiển motor quay theo hướng thích hợp dựa trên tín hiệu sai số
- motor tiếp tục di chuyển cho đến khi sai số về 0 và đạt đúng vị trí mục tiêu
- Tín hiệu tachometer được dùng làm điện áp phản hồi âm để làm chậm motor khi đến gần vị trí mục tiêu, giảm overshoot và dao động
- Motor của FDAI là thiết bị motor/tachometer thường dùng trong vòng lặp servo avionics
- Nó nhận nguồn 115V AC, 400Hz nhưng bản thân không tự quay chỉ với nguồn đó
- Nếu đặt điện áp vào hai control winding điện áp thấp với pha thích hợp, motor sẽ quay theo một chiều hoặc chiều ngược lại
- Tachometer bên trong tạo ra tín hiệu AC điện áp thấp tỉ lệ với tốc độ quay của motor
- Tín hiệu tachometer sẽ cùng pha với tín hiệu điều khiển 400Hz hoặc lệch pha 180º, tùy theo chiều quay
Bo mạch amplifier và mạch điều khiển 400Hz
- FDAI có tổng cộng 3 vòng lặp servo, mỗi trục một vòng
- Mỗi vòng có control transformer, motor và amplifier riêng
- Bo mạch amplifier có cấu trúc đặc biệt với các linh kiện chồng lấn lên nhau để tiết kiệm không gian
- Một số chân linh kiện khá dài và được bảo vệ bằng ống nhựa trong suốt
- Bo mạch amplifier khuếch đại tín hiệu sai số để motor quay đúng hướng
- Đầu vào là tín hiệu AC 400Hz, trong đó biên độ biểu thị độ lớn của sai số hoặc tốc độ, còn pha biểu thị hướng
- Hai đầu ra điều khiển hai control winding của motor để quyết định chiều quay
- Đầu ra tachometer cũng được dùng để làm chậm motor khi sai số giảm, ngăn overshoot
- Mạch dựa trên germanium transistor
- Hai transistor bên trái khuếch đại tín hiệu error và tachometer để điều khiển pulse transformer
- Đầu ra của pulse transformer điều khiển các transistor đầu ra theo hai nửa chu kỳ 400Hz với pha ngược nhau
- Hoạt động này kích hoạt control winding của motor để tạo ra chuyển động quay theo hướng mong muốn
Dòng dõi thiết bị của Lear Siegler
- Bill Lear là nhà phát minh sinh năm 1902, sở hữu hơn 150 bằng sáng chế và nổi tiếng với 8-track tape cùng Learjet
- Trong thập niên 1920 ông lập nhiều công ty và phát minh ra một trong những radio ô tô đời đầu cho Motorola
- Sau đó ông thành lập Lear Avionics, công ty chuyên về thiết bị hàng không vũ trụ
- Lear Avionics chế tạo các thiết bị hàng không và hệ thống điều khiển bay như F-5 automatic pilot
- Công nghệ attitude indicator của Lear phát triển từ vấn đề bay góc cao
- F-102 Delta Dagger có thể leo dốc rất gắt, nhưng attitude indicator truyền thống gần như không xử lý được bay gần phương thẳng đứng
- Lear phát triển một nền tảng 2-gyro đặt từ xa và cockpit indicator để tránh gimbal lock khi bay thẳng đứng
- Trên máy bay tên lửa X-15, thiết kế này được cải tiến để xử lý cả 3 trục roll, pitch và yaw
- Attitude indicator của X-15 trở thành nền tảng cho ARU/11-A trên tiêm kích F-4
- Sau đó nó được dùng cho chương trình không gian Gemini như attitude-director indicator với “những sửa đổi tối thiểu”
- Thiết bị của Gemini tiếp tục được chỉnh sửa thành FDAI cho Apollo Lunar Module
- Lear Siegler cũng cung cấp nhiều linh kiện cho chương trình Apollo như directional gyro của Lunar Rover và electroluminescent display cho DSKY của Apollo Guidance Computer
- Năm 1974, Lear Siegler giành hợp đồng phát triển ADI(Attitude-Director Indicator) cho Space Shuttle và sản xuất 12 bộ ADI
- Khi đó Lear Siegler đã giảm hứng thú với avionics vũ trụ sản xuất số lượng nhỏ
- Bộ phận sản xuất từ chối xử lý các quy trình đặc biệt cần cho chế tạo thiết bị không gian, nên các bộ Shuttle được chế tạo bởi engineering department
- Sau đó Lear Siegler không còn tham gia đấu thầu avionics cho Space Shuttle và ADI của Shuttle trở thành sản phẩm không gian cuối cùng của hãng
- Đầu những năm 2000, thiết bị trên Shuttle được nâng cấp thành “glass cockpit” MEDS(Multi-function Electronic Display System) dựa trên 11 màn hình phẳng, do Honeywell sản xuất
Điểm giống và khác giữa ARU/11-A và FDAI của Apollo
- FDAI của Apollo và ARU/11-A cho F-4 có cùng cơ cấu cơ bản và amplifier điện tử, nhưng khác biệt lớn về cấu trúc
- ARU/11-A đặt phần điện tử trong một mô-đun riêng cắm phía sau indicator
- FDAI tích hợp phần điện tử vào bên trong và gắn bo mạch lên khung đồng hồ
- Bo mạch amplifier của ARU/11-A và FDAI là giống nhau, đều dùng germanium transistor
- Transformer 11 chân khá đặc biệt cũng giống nhau
- Có khác biệt ở bo nguồn và cấu trúc cơ khí
- Bo nguồn khác nhau do scaling resistor riêng cho từng thiết bị và cách bố trí không gian
- Ball assembly gần như giống hệt về motor assembly và slip ring mechanism
- Hệ truyền bánh răng có khác biệt nhỏ; FDAI có 2 plastic gear, còn ARU/11-A dùng hoàn toàn metal gear
- Chức năng pitch trim của ARU/11-A phần lớn đã bị loại bỏ trên FDAI của Apollo
- Máy bay khi bay ngang thường có angle of attack nghiêng lên vài độ, nên núm pitch trim để hiệu chỉnh hiển thị về ngang là hữu ích
- Khi tiêm kích bay thẳng đứng, hiệu chỉnh pitch trim không được phép áp dụng, nên ARU/11-A dùng một 8-zone potentiometer đặc biệt trên trục pitch
- Với tàu vũ trụ, hiệu chỉnh này không có ý nghĩa nên không được triển khai trên thiết bị của Apollo và Space Shuttle
- Trên FDAI được xem xét, bản thân potentiometer và dây nối đã không còn, nhưng vỏ hình trụ vẫn còn lại
- FDAI của Apollo không phải là việc tái sử dụng đơn thuần ARU/11-A, cũng không phải là một thiết kế lại hoàn toàn
- Những phần có thể dùng lại thì vẫn được giữ nguyên
- Các chức năng không cần thiết như pitch trim bị loại bỏ
- Cụm amplifier và cơ khí riêng biệt của ARU/11-A được tích hợp vào bên trong FDAI lớn hơn
Dấu vết cải tạo cho simulator Space Shuttle
- Thiết bị được xem xét được chế tạo cho Apollo nhưng là một bộ đặc biệt đã được cải tạo cho simulator Space Shuttle
- Nó được ghi là Model 4068F, tức số hiệu linh kiện của Lunar Module
- Bên trong có đóng dấu ngày “Apr. 22 1968”, sớm hơn hơn một năm so với lần hạ cánh Mặt Trăng đầu tiên
- Phương thức đầu vào khác với nguyên bản Apollo
- FDAI của Apollo và ADI của Shuttle dùng resolver làm đầu vào điều khiển quả cầu
- FDAI được xem xét lại dùng synchro
- Có khả năng NASA đã thay 3 resolver control transformer bằng synchro control transformer để dùng trong simulator
- Hệ thống chiếu sáng và mặt số cũng được thay đổi để phù hợp simulator Shuttle
- FDAI của Apollo dùng electroluminescent lighting cho display, nhưng thiết bị được xem xét dùng 8 bóng đèn sợi đốt nhỏ
- Trên vỏ kim loại có dán nhãn Dymo embossed tape “INCANDESCENT LIGHTING”
- Bên trong có step-down transformer hạ đầu vào 115VAC xuống 5VAC cho bóng đèn
- Mặt số đã được sơn lại để khớp với FDAI của Shuttle, và vẫn còn dấu sơn đen phủ lên dải đỏ của mặt số Apollo
- Thay vì crosshair ở giữa như FDAI của Apollo LM, nó có indicator hình chữ U màu trắng giống FDAI của Shuttle và Command Module
- Không thấy các vùng tròn đỏ ở cực dùng để cảnh báo gimbal lock trên FDAI của Apollo
- Cũng có thêm các cải tạo về điện
- Giữa slip ring và motor, trên cánh tay gimbal có thêm một đầu nối Micro-D MDB1 màu xanh nhỏ
- Đầu nối được gắn bằng keo khá thô, không giống thiết bị bay thực tế
- Có thể nó được thêm vào để dễ tháo lắp và cải tạo
- Elapsed time indicator cũng được gắn bằng keo
- Cấu trúc mặt sau hoàn toàn khác Apollo
- Connector pinout hoàn toàn khác
- Cả 6 kim chỉ thị đều có cơ cấu điều chỉnh cơ khí và trimpot riêng
- Mỗi trong 3 trục cũng có adjustment potentiometer riêng
Khác biệt với ADI của Space Shuttle
- Space Shuttle có 3 ADI; tên gọi khác nhưng rất giống FDAI của Apollo
- Trên flight deck phía trước có 2 ADI hình bát giác trước mặt Commander và Pilot
- Trạm aft flight deck cũng có ADI thứ ba
- FDAI được xem xét dù đã bị cải tạo mạnh cho simulator Shuttle nhưng vẫn gần với FDAI của Apollo hơn là ADI Shuttle thực tế
- Có giả thuyết rằng simulator được chế tạo trước khi ADI của Shuttle hoàn thành, nên FDAI của Apollo đã được đưa vào sử dụng
- ADI của Shuttle phức tạp hơn nhiều về điện so với FDAI của Apollo và thiết bị đang được xem xét
- FDAI của Apollo có cờ “OFF” đơn giản để báo mất nguồn
- ADI của Shuttle có voltage level monitor kiểm tra 5 power supply
- ADI của Shuttle dùng 3 nguồn DC và 2 nguồn AC, còn Apollo dùng một AC supply duy nhất
- Nó cũng giám sát position error của ball servo
- Nó còn nhận tín hiệu “Data OK” từ bên ngoài
- Nếu bất kỳ monitor nào phát hiện lỗi, cờ “OFF” sẽ hạ xuống để báo rằng không thể tin cậy ADI
- Sáu kim của ADI Shuttle giống Apollo nhưng dùng feedback để tăng độ chính xác vị trí
- Mỗi kim trên Shuttle có cảm biến phản hồi LVDT(Linear Variable Differential Transformer)
- Đầu ra LVDT điều khiển servo feedback loop để đưa kim đến đúng vị trí
- FDAI của Apollo dùng điện áp đầu vào của kim để điều khiển galvanometer làm kim di chuyển theo tỉ lệ, chứ không có closed loop bảo đảm độ chính xác
Tổng kết
- “8-ball” của FDAI là thiết bị cốt lõi của Apollo để hiển thị tư thế 3 trục của tàu vũ trụ
- Cấu trúc khiến quả cầu trông như quay tự do thực ra là phần lớn cơ cấu bên trong chỉ quay theo 2 trục, còn các vỏ bán cầu rỗng cung cấp trục quay thứ ba
- Thiết bị này thuộc dòng attitude director của Lear Siegler kéo dài từ máy bay tên lửa X-15, tiêm kích F-4, Gemini, Apollo đến Space Shuttle
- FDAI được xem xét bắt đầu từ Apollo rồi được cải tạo cho simulator Space Shuttle, vì vậy nó cho thấy đồng thời đặc điểm của cả thiết bị Apollo lẫn Shuttle
- Có thể xem video ngắn FDAI chuyển động trong bài đăng Bluesky
1 bình luận
Bình luận trên Hacker News
Tôi là tác giả. Nếu có câu hỏi về Apollo thì tôi sẽ trả lời :-)
Tuy nhiên, xin đính chính nhỏ là sau khi kiểm tra thì bộ lái tự động F-5 của Bill Lear có vẻ không liên quan đến tiêm kích Northrop F-5
Tôi tự hỏi liệu có yêu cầu các bộ phận phải khác nhau hay chỉ đơn giản là Grumman và North American đã chọn các nhà cung cấp khác nhau nên mới thành ra như vậy
Nếu là trước đây thì đây có lẽ sẽ là một bài tập rất hay cho môn điều khiển analog điện-điện tử
Đây là kunst của UI, một món đồ quý như châu báu. Chỉ cần liếc qua là có thể biết ngay tư thế của phi thuyền
Với tư cách một phi công vũ trụ nghiệp dư đã chơi KSP 1000 giờ và Flight of Nova hơn 200 giờ, thứ tôi nhớ nhất từ kiểu thiết bị bay Apollo trong KSP khi ngồi trong buồng lái hiện đại của tàu đẩy nhiệt hạch trong FoA chính là Nav-Ball
Kiểu chỉ báo tư thế dạng “thang” của máy bay chiến đấu không thể đọc trong nháy mắt; phải tập trung nhìn các con số bên cạnh vạch thang, rồi lại nhìn la bàn để nắm được tổng thể. Đó là khác biệt giữa việc rời mắt khỏi thao tác lái để tập trung 3 giây, và 0,5 giây mà tiềm thức có lẽ đã nội hóa sẵn
Để hình dung 3 giây ấy là bao lâu: theo đồng hồ thiết bị, Apollo 11 còn chưa đến 20 giây nhiên liệu vào thời điểm hạ cánh xuống Mặt Trăng
Bài viết rất tuyệt. Tôi gần như là dân mê đầu nối, nhưng đây là lần đầu nghe đến loại MDB1. Ảnh ở đây: https://www.digikey.com/en/products/detail/itt-cannon-llc/MD...
Cannon nổi tiếng đến mức các đầu nối tròn vỏ kim loại của hãng này gần như đã trở thành danh từ chung kiểu như Kleenex. Tôi cứ nghĩ “ai cũng” biết “Cannon connector” trông như thế nào, nhưng không ngờ nó lại có dạng D-sub
Năm ngoái tôi đã thấy trên HN một bài viết về thiết bị thời Liên Xô tương tự. Đó là một quả địa cầu cho thấy tàu vũ trụ đang ở đâu so với Trái Đất
Như bạn nói, quả cầu đó hiển thị vị trí của tàu trên Trái Đất chứ không phải tư thế của tàu trong không gian, nên nó trông như một quả địa cầu có vẽ cả các lục địa. Quả cầu quay theo hai trục chứ không phải ba trục
Hơn nữa, Globus không có đầu vào từ bên ngoài; nó quay quả cầu theo một quỹ đạo được định sẵn từ trước, bất kể vị trí thực tế là gì
Ba cuộc thảo luận trên HN về các bài viết của tôi liên quan đến Globus như sau:
https://news.ycombinator.com/item?id=34468212
https://news.ycombinator.com/item?id=35311300
https://news.ycombinator.com/item?id=35038710
Hình như nội dung này cũng từng được nhắc đến trong một bài giảng gần đây của Freya Holmér. Có lẽ là video này:
https://www.youtube.com/watch?v=hUlvxaQBW78
Tôi tự hỏi liệu bộ mô phỏng đó có phải là OV-095 của SAIL không
https://spaceflightblunders.wordpress.com/2017/03/31/ov-095-...
Sửa: À, có vẻ gần như chắc chắn là đúng:
https://www.superstock.com/asset/oct-astronauts-frederick-ri...
Ảnh bộ mô phỏng trong bài của tôi là một trong các Shuttle Mission Simulator (SMS), hiện đang ở Stafford Museum tại Oklahoma
Shuttle Avionics Integration Laboratory (SAIL) là một bộ mô phỏng khác, dùng cho thử nghiệm điện tử hàng không chứ không phải huấn luyện phi hành gia, và hiện ở Houston
Tôi đã đọc nhiều về những công nghệ đáng kinh ngạc được tạo ra cho Apollo, nhưng tôi thích bài này vì nó đi sâu giải thích một trong số đó
Tôi lo rằng do gia công thuê ngoài trong vài thập kỷ qua, không chỉ những kỹ thuật như thế này mà ngay cả các kỹ năng kỹ thuật chế tạo cơ bản cũng đang dần biến mất
Chi tiết bộ phận sản xuất không muốn đụng vào nó nên đội kỹ sư phải tự chế tạo thiết bị là một đoạn thú vị, và cũng không quá đáng ngạc nhiên
Tốc độ phát triển của thời đại không gian trong thập niên 1950~60 là điều gần như khó hiểu nhất nếu xét về mức độ tiến bộ công nghệ
Từ điện toán analog, điện toán số rất sơ khai, pin nhiên liệu, kỹ thuật tên lửa trình độ cao đạt được mà không có phần mềm mô phỏng FEA/CFD, cho đến việc thực sự giảm tốc để đáp xuống Mặt Trăng rồi lại cất lên bằng lực đẩy, như một bình luận khác về công nghệ trong bài gốc đã nói, danh sách này là vô tận