O sistema Astro-Nav do SR-71 Blackbird que rastreava estrelas até durante o dia
(theaviationgeekclub.com)- O SR-71 Blackbird precisava realizar reconhecimento de alta velocidade por longos períodos antes das redes de navegação por satélite, e o Nortronics NAS-14V2 ANS corrigia sua posição usando estrelas
- O equipamento atrás do cockpit do RSO observava estrelas pela lente superior para atualizar o sistema de navegação inercial, e a precisão mínima de guiagem de rota era de 90 m, ou 300 pés
- Com voos de até 10 horas, o SR-71 precisava manter sua própria posição dentro de 1.885 pés e permanecer a até 300 pés do centro da rota de voo, e o ANS era responsável por essa navegação de precisão
- O ANS rastreava pelo menos duas estrelas de uma lista estelar embarcada e calculava a posição em relação ao solo com um cronômetro, podendo ver estrelas até de dia graças a uma janela especial de quartzo e a um rastreador estelar
- Em um voo de treinamento do SR-71A #17972 em 2 de julho de 1967, uma falha no ANS fez Jim Watkins e Dave Dempster entrarem por engano no espaço aéreo mexicano
Navegação baseada em estrelas, essencial para o SR-71
- O SR-71 era uma aeronave estratégica de reconhecimento Mach 3+ de longo alcance, desenvolvida a partir do Lockheed A-12 e do YF-12A
- O primeiro voo do SR-71 ocorreu em 22 de dezembro de 1964, e a primeira aeronave de implantação operacional foi entregue em janeiro de 1966 à 4200th, depois 9th Strategic Reconnaissance Wing, na Beale Air Force Base, Califórnia
- Kelly Johnson relembrou em um texto da Lockheed Martin que o Blackbird era uma categoria totalmente diferente das aeronaves anteriores e que “tivemos que inventar tudo”
- Com a experiência acumulada no programa A-12, a Força Aérea dos EUA concluiu que eram necessários dois tripulantes para operar o SR-71 com segurança
- O piloto ficava responsável por pilotar a aeronave e monitorar os sistemas automáticos
- O Reconnaissance Systems Officer, ou RSO, cuidava das câmeras, sensores, sistemas de defesa e sistema de navegação
O R2-D2 instalado atrás do RSO
- O RSO operava os equipamentos de vigilância e defesa instalados na aeronave
- Isso incluía um sofisticado sistema de Electronic Counter Measures capaz de interferir na maioria dos radares de aquisição e de direcionamento
- O Nortronics NAS-14V2 Astroinertial Navigation System, ou ANS, também era um dos equipamentos operados pelo RSO
- Segundo a Smithsonian Institution, o ANS fornecia ao SR-71 correções rápidas de posição por navegação astronômica
- O ANS era instalado atrás do cockpit do RSO e, depois do lançamento do filme Star Wars em 1977, passou a ser apelidado de R2-D2
- Ele calculava a posição de navegação usando as estrelas observadas pela lente no topo do equipamento, e esses valores eram usados para atualizar o sistema de navegação inercial e orientar a rota
- A precisão mínima de guiagem de rota era de 90 m, 300 pés
- Algumas aeronaves e sistemas de mísseis atuais usam versões aprimoradas dele como backup do GPS
O ANS funcionava como um GPS dos anos 1960
- O ANS era algo próximo de um GPS dos anos 1960, mas usava estrelas em vez de satélites para descobrir sua posição
- Antes das redes modernas de navegação por satélite, não havia outra forma de substituir a navegação de precisão exigida nas áreas de operação do SR-71
- O SR-71 precisava manter sua posição com grande precisão mesmo durante voos de alta velocidade de até 10 horas
- Ele precisava ser capaz de manter sua própria posição dentro de 1.885 pés, 575 m
- E permanecer dentro de 300 pés, 91 m do centro da rota de voo
- O ANS fornecia alvos específicos de alta precisão em áreas hostis
- O equipamento também era uma girobússola capaz de detectar a rotação da Terra enquanto o SR-71 ainda estava na pista antes da decolagem
- O RSO podia comparar as coordenadas de um ponto na pista com os valores do ANS, e os dois quase sempre coincidiam exatamente
Programação pré-voo e observação de estrelas durante o dia
- O ANS rastreava simultaneamente pelo menos duas estrelas de sua lista embarcada e, com a ajuda de um cronômetro, calculava a posição do SR-71 em relação ao solo
- Antes de cada voo, o alinhamento básico da aeronave e o plano de voo eram gravados em uma fita perfurada
- A fita perfurada fornecia à aeronave as seguintes informações
- Para onde ir
- Quando virar
- Quando ligar e desligar os sensores
- As estrelas eram observadas por uma janela especial de quartzo atrás do cockpit do RSO
- Um rastreador estelar especial conseguia ver estrelas até durante o dia
- Nem todas as missões usavam as mesmas estrelas, e as estrelas selecionadas variavam conforme a área de voo
- Se voasse no hemisfério sul, usaria apenas as estrelas visíveis dali, embora não esteja confirmado se o SR-71 realmente voou no hemisfério sul
Confiabilidade e limites revelados na operação real
- Quando o SR-71 atingia velocidade e altitude de cruzeiro, a missão passava a se concentrar na coleta de informações sobre países hostis ou potencialmente hostis por meio de câmeras e sensores
- O coronel da Força Aérea Jim Watkins descreveu voar a 85.000 pés e Mach 3 como “uma experiência quase religiosa”
- Entre os RSOs, havia um ditado sobre o ANS: “ninguém pode interferir nem derrubar o Sol, a Lua, os planetas ou as estrelas”
- Em 2 de julho de 1967, Jim Watkins e Dave Dempster realizaram sua primeira saída internacional no SR-71A #17972
- Nessa missão de treinamento, ocorreu uma falha no ANS, e a tripulação entrou por engano no espaço aéreo mexicano
1 comentários
Opiniões do Hacker News
No começo dos anos 1990, criei um aplicativo de carta celeste e efemérides chamado Pocket Stars para Windows Mobile, que teve uma breve onda de popularidade.
Originalmente, era para navegadores oceânicos calcularem a posição geográfica a partir de três ou mais observações com sextante, como contingência em caso de falha do GPS, mas, por razões difíceis de entender, uma contratada militar israelense comprou em grande quantidade.
Imagino que fosse para orientar tanques e tropas depois que todos os outros equipamentos eletrônicos tivessem falhado; foi meu envolvimento de 15 minutos ao estilo Dr. Strangelove.
Era um conhecimento organizacional que havia desaparecido na Marinha, mas ainda existia na Guarda Costeira, e o objetivo era navegação em áreas onde não fosse possível usar GPS.
https://slate.com/technology/2015/10/u-s-naval-academy-reins...
Brincadeiras à parte, quase não tenho vergonha de também ter desenvolvido para WinMo no passado.
Reconstituindo só de memória, sem pesquisar no Google, parece aquele clima de fim do século 20 em que se trocavam fatos impossíveis de verificar em bares.
Um velho amigo da minha falecida mãe era um engenheiro aposentado; ele dizia ter inventado a lata de atum de dois níveis e costumava distribuir pontas de peças fundidas de titânio que sobravam do negócio que administrava.
Ele tinha o que provavelmente eram dois cilindros de cristal de quartzo polido, de cerca de 8x4 polegadas, tão planos que, se você colocasse uma gota de álcool entre eles, era difícil separá-los puxando na vertical.
Ele afirmava que aquilo vinha do sistema de navegação do míssil nuclear Polaris e que a navegação era feita olhando para as estrelas, comparando com timestamps ultraprecisos e usando algo como uma tabela de logs em memória de núcleo.
Desculpem se houver partes erradas, mas ele soava bastante convincente, e desta vez estou escrevendo com o Google desligado.
Havia muita geometria envolvida.
Durante a Guerra Fria, lançavam mísseis de teste de submarinos ao largo da Califórnia, e os mísseis cruzavam o território continental dos EUA e caíam no mar ao largo da Flórida.
Os soviéticos sempre enviavam “barcos de pesca” para medir os testes, mas a Guarda Costeira não os expulsava; pelo contrário, queriam que os soviéticos soubessem o quão precisos esses mísseis eram.
É impressionante pensar no que era possível com tecnologia analógica.
https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_flat#Wringing
Não sei por que planos ópticos seriam usados em um sistema de navegação de mísseis, mas fiquei curioso.
Depois que um operador de empilhadeira derrubou um sistema de guiagem Trident, ela precisava rodar uma simulação para decidir se ele teria de ser enviado de volta à Marinha para remanufatura.
A caixa de transporte parecia ter detectores de manuseio brusco embutidos; imagino que talvez funcionassem suspendendo pesos calibrados por fios finos em três eixos, estimando a faixa de aceleração máxima a partir de quais fios se romperam.
Disseram-me que, depois de sair da maior parte da atmosfera, o sistema de guiagem do ônibus MIRV abria a tampa da lente e fotografava estrelas.
Naquele momento, o ônibus MIRV estava girando, então o telescópio varria uma região bastante ampla do céu, mas as fotos eram tiradas em momentos muito específicos e a área de interesse era apenas um pedaço bem pequeno do céu.
Disseram-me que a constelação observada era comparada com uma aparência de referência armazenada para recalibrar a unidade de medição inercial; em uma rotação, confirmava-se o campo estelar, na rotação seguinte validava-se a correção e, logo depois, começava a separação das ogivas individuais.
Parece estranho recalibrar a unidade de medição inercial com uma janela de observação tão curta, mas também é bem possível que tenham me dado informações deliberadamente erradas para não vazar acidentalmente dados TS/SCI a um estagiário não autorizado.
Os detalhes do sistema de guiagem são fascinantes, mas é uma pena que o principal uso de guiagem ultraprecisa seja armamento.
Na vitrine de vidro do laboratório havia um acelerômetro de giroscópio integrador pendular da unidade de medição inercial da Apollo, e era uma pena que pouquíssimas pessoas pudessem entrar para vê-lo.
Também é possível ver de perto sistemas de navegação, como giroscópios.
É interessante porque raramente há oportunidades de observar de perto e em detalhes esse nível de engenharia.
Tirei algumas fotos quando visitei, há uns 10 anos.
É um museu pequeno e meio bagunçado, mas também tem peças únicas, como uma maquete do Miles M.52 e um Fairey Jet Gyrodyne real.
https://museumofberkshireaviation.co.uk/html/exhibits/cheval...
https://www.flickr.com/photos/stevecargill/albums/7217772030...
Parece algum tipo de navegação estimada; alguém poderia explicar como a observação de estrelas se relaciona com discos achatados de quartzo?
A expressão “era potente o suficiente para ver estrelas mesmo durante o dia” é bem estranha
A 85.000 pés, que também era a altitude de cruzeiro do SR-71, o conceito de um “céu diurno” azul bloqueando a visão do espaço existe apenas abaixo, não acima
Nessa altitude, não há espalhamento de Rayleigh suficiente para atrapalhar uma câmera procurando estrelas para comparar com uma carta celeste
Na prática, quando se está mais ou menos no meio do caminho para o espaço, as estrelas estão sempre visíveis, então era por isso que se usava navegação estelar
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html
Há algumas patentes interessantes relacionadas ao sensor de estrelas desse dispositivo, especialmente no que diz respeito ao gradiente do fundo do céu
Pessoalmente acho as patentes da Northrop mais interessantes que as da Lockheed, e em todos os casos as patentes mencionam o uso de filtros passa-infravermelho para aumentar o contraste
O sensor é basicamente um detector analógico lock-in/síncrono com um obturador giratório e um prisma em cunha que faz o campo estelar precessionar em torno do eixo de visada
Na maioria das patentes, o componente essencial é o obturador, com padrões diferentes, e a Northrop apresentou um projeto bem engenhoso
Do fotomultiplicador sai um sinal modulado em frequência: a portadora vem do obturador, e a frequência de modulação vem da diferença entre o prisma e o obturador
Medindo a fase e a amplitude do sinal modulado, é possível apontar o telescópio para a estrela, e o ganho de codificação vindo do lock-in é considerável
Comentários anteriores:
https://news.ycombinator.com/item?id=27084261
https://news.ycombinator.com/item?id=23238437
https://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/NAS-14...
Como o espalhamento é proporcional à quarta potência da frequência, ao descer para a faixa do infravermelho a luz espalhada fica bem menor
Isso também é o motivo de o céu ser azul; se conseguíssemos enxergar nessa faixa, na verdade ele estaria mais próximo do ultravioleta
Softwares de identificação para astrofotografia também ficaram bem bons, então era divertido pegar capturas de tela de filmes e descobrir se as estrelas eram reais e se estavam no hemisfério correto
Só que, sem saber a hora e a direção da câmera, isso não serve para determinar a posição
Se você for ao Evergreen Aerospace Museum, em McMinnville, Oregon, dá para ver esse dispositivo e o avião de perto
Também há outro payload do Blackbird em exposição, marcado como DEF-H; ele parece uma caixa branca comum, e dá para vê-lo, mas não há como saber o que ele faz
Só por fotos é difícil ter noção de escala, mas pessoalmente era um avião gigantesco
Não sou especialista, mas entendo que o A-12 acabou sendo algo como uma versão beta da aeronave que levou ao SR-71
https://sandiegoairandspace.org/collection/item/lockheed-a-1...
Além desse dispositivo, também há o Spruce Goose, o maior avião de madeira da história, que é realmente enorme
https://www.evergreenmuseum.org/exhibit/the-spruce-goose/
http://www.sr71.us/sr_sensors_pg3.htm
Fugindo um pouco do assunto: ontem a Hokulea, uma réplica de uma canoa oceânica polinésia tradicional, chegou a São Francisco
Ela navegou usando métodos não instrumentais, incluindo observação das estrelas
https://www.sfchronicle.com/bayarea/article/hokulea-polynesi...
A primeira viagem da Hokulea foi em 1975 e, desde então, ela tem navegado pelo mundo para demonstrar e preservar os antigos métodos polinésios de orientação
Um canal de notícias local também cobriu uma viagem anterior, em 2014, com um vídeo que resume como os antigos navegadores usavam as estrelas como pontos de referência
https://youtu.be/dla3RoQo37M
É relativamente conhecido que esse conhecimento, idealmente ensinado no mar, quase desapareceu
Mas hoje já há pessoas na casa dos 30 anos capazes de navegar observando estrelas, sons, o formato e os padrões das ondas, a disposição das nuvens e as aves
https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/nav...
De modo parecido, também há pessoas capazes de se orientar no deserto, mesmo com a maioria das dunas mudando o tempo todo
Por coincidência, eu estava conversando com colegas sobre as melhores condições para ondas de surfe
As boas ondas da Califórnia começam em tempestades do outro lado do Pacífico, e as ondas viajam por milhares de milhas durante vários dias sem enfraquecer de forma perceptível
Se você se interessa pelo SR-71 e por outras aeronaves de reconhecimento da Guerra Fria, o Skunk Works de Ben Rich é um livro interessante, com muitos detalhes divertidos sobre o processo de desenvolvimento.
Outro fato curioso é que, em 2025, o primeiro voo do SR-71 passará para um período histórico em que estará mais próximo do Wright Flyer do que do presente.
Fiz um sextante digital/computador de navegação de exemplo em JavaScript.
A utilidade prática é limitada, porque o suporte do navegador ao controle da câmera é restrito, mas normalmente ele consegue chegar a menos de 10 milhas da posição real.
Criei principalmente como exemplo para mostrar como o algoritmo funciona, para uma apresentação na Louisville Astronomical Society.
App:
https://www.celestialprogramming.com/apps/celestialfix/sexta...
Vídeo da apresentação; o áudio está muito baixo:
https://www.youtube.com/watch?v=5kAqcZYmWjA&t=5s
Fiz uma implementação em nível de brinquedo de uma câmera de estrelas: https://nickp.svbtle.com/star-cameras
Ela aparece no código-fonte, mas parece usar apenas duas estrelas; fico curioso para saber como isso funciona.
Pelo que sei, o ASTAP e o Astrometry.Net usam três ou quatro estrelas e calculam os ângulos e distâncias entre elas.
É interessante que não tenha sido confirmado se o SR-71 voou no hemisfério sul.
Se de fato não voou e o sistema não foi projetado para isso, teria sido um projeto bastante ousado.
Portanto, talvez seja melhor assumir que aquilo que não foi testado simplesmente não funciona e viver dentro dessa limitação.
É um problema previsível demais para eu acreditar que ouvi uma história real, e também é difícil encontrar no Google as palavras-chave certas para pesquisar.
Mas isso talvez signifique apenas que era preciso usar duas estrelas visíveis somente no hemisfério sul.
https://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/NAS-14...
Quando ouvi falar pela primeira vez de navegação astronômica para mísseis, pareceu algo futurista, tipo Star Trek.
Mas agora que faço astrofotografia com frequência, virou apenas mais uma ferramenta que uso.
O método é muito simples: se você tira uma foto do céu noturno e sabe a distância focal da câmera e o tamanho dos pixels, em poucos segundos consegue saber exatamente para onde meu telescópio está apontando, com precisão de 2,5 segundos de arco.
Também é possível fazer isso em modo cego, sem nenhuma informação sobre o telescópio ou a câmera, mas nesse caso leva alguns minutos.
Hoje, uma pessoa comum, com hardware comum, consegue estimar instantaneamente coisas que, no passado, exigiriam grande esforço dos melhores observatórios do mundo.
https://en.wikipedia.org/wiki/Fundamental_ephemeris