- O indicador de atitude do F-4 Phantom II acrescenta azimute (yaw) ao pitch e roll mostrados por um horizonte artificial comum, permitindo que o piloto veja de relance a atitude em 3 eixos e a direção de deslocamento durante manobras em alta velocidade
- A esfera giratória não é uma esfera completa, mas sim dividida em duas cascas hemisféricas ocas, e o mecanismo interno permanece fixo perto do equador enquanto apenas as cascas se movem
- Roll, pitch e azimute são acionados por motores separados, e os sinais synchro de 3 fios usados na aviônica dos anos 1960, junto com transformadores de controle, geram o erro angular para fechar o loop servo
- O problema de torção da fiação na estrutura rotativa é resolvido com anéis coletores nos eixos de roll e pitch, enquanto o eixo de azimute não precisa de um anel coletor separado porque apenas a casca da esfera gira, e não a parte eletrônica
- Caças modernos como o F-35 migraram para um glass cockpit centrado em telas, mas este instrumento é um exemplo de combinação entre estrutura eletromecânica sofisticada e controle analógico para exibição mecânica em 3 eixos
O papel do indicador de atitude do F-4
- Este dispositivo é um indicador de atitude para o caça F-4 e usa uma esfera giratória para mostrar a atitude e a direção da aeronave
- O horizonte artificial de uma aeronave comum mostra 2 eixos, pitch e roll, mas o indicador do F-4 acrescenta o azimute para exibir atitude em 3 eixos
- O F-4 Phantom II é um caça supersônico produzido de 1958 a 1981, com mais de 5.000 unidades fabricadas, o modelo supersônico dos EUA mais produzido
- Era um instrumento importante o suficiente para ficar no centro do painel do piloto, abaixo do radar scope vermelho, e no assento traseiro havia um indicador de atitude mais simples, de 2 eixos
- O F-4 é uma aeronave de dois lugares, e o oficial de interceptação por radar no assento traseiro controla o radar e os armamentos
A estrutura mecânica da esfera girando em 3 eixos
- A esfera de indicação não é uma esfera fechada única, mas composta por duas cascas hemisféricas ocas
- As cascas hemisféricas são presas acima e abaixo do eixo vertical interno
- O mecanismo interno na região do equador pode permanecer fixo, ao contrário das cascas da esfera
- Os três eixos são acionados de maneiras diferentes
- O motor de roll é fixado à estrutura do indicador e gira o gimbal de roll e toda a esfera no sentido horário ou anti-horário
- O motor de pitch fica dentro da esfera e gira todo o mecanismo interno em torno do eixo horizontal de pitch
- O motor de azimute gira o eixo vertical para fazer as cascas hemisféricas superior e inferior rodarem em torno do eixo de azimute
- O gimbal de roll se conecta aos pontos de pivô superior e inferior do mecanismo da esfera e sustenta a esfera
- O transformador de controle de roll fornece realimentação de posição, e há muita fiação ligada ao gimbal de roll, seguindo para o mecanismo interno da esfera
Por que os fios não se enrolam
- Para manter as conexões elétricas dentro da estrutura rotativa, são usados dois conjuntos de anéis coletores
- O primeiro conjunto de anéis coletores lida com a rotação do eixo de roll
- Ele faz a ligação elétrica entre o corpo fixo do instrumento e o gimbal de roll em rotação
- O eixo central gira junto com a carcaça do conjunto da esfera, e a fiação interna do eixo segue dos contatos metálicos circulares até o gimbal de roll
- O segundo anel coletor conecta, dentro da esfera, a fiação do gimbal de roll ao mecanismo da esfera
- Ele responde pela conexão elétrica durante a rotação do eixo de pitch
- O anel coletor real fica no interior e por isso não aparece nas fotos
- O eixo de azimute não precisa de anel coletor
- Isso porque, na rotação em azimute, apenas as cascas hemisféricas da esfera giram, enquanto a parte eletrônica permanece fixa
Synchro e loop servo
- O indicador recebe sinais elétricos de um giroscópio externo que representam as posições de roll, pitch e azimute
- O synchro, comum na aviônica dos anos 1960, transmite ângulos por 3 fios
- O transmissor synchro converte a posição angular do eixo em sinais AC
- O rotor interno é acionado por AC de 400Hz, e os três enrolamentos fixos do estator geram três sinais de saída cuja fase e tensão variam conforme o ângulo
- Os motores de cada eixo são controlados por um loop servo
- O transformador de controle compara o ângulo de entrada de 3 fios com a rotação real do eixo e gera um sinal de erro
- O amplificador aciona o motor na direção adequada até que o sinal de erro chegue a 0
- O sinal do tacômetro da unidade motor/tacômetro é usado como tensão de realimentação negativa para reduzir a velocidade do motor à medida que ele se aproxima da posição-alvo
- A unidade motor/tacômetro é mais complexa que um motor elétrico comum
- O motor recebe alimentação de 115V AC, 400Hz, mas isso por si só não o faz girar
- Ao energizar um dos dois enrolamentos de controle AC de baixa tensão, ele gira em um sentido ou no outro
- O tacômetro gera um sinal AC de baixa tensão proporcional à velocidade de rotação, em fase com o sinal de acionamento de 400Hz ou com fase invertida em 180 graus, conforme o sentido de rotação
Conjunto do amplificador
- Os motores são acionados por um conjunto de amplificador montado na parte traseira do instrumento
- O conjunto do amplificador inclui 3 amplificadores de erro separados para os três eixos
- Há uma placa amplificadora para roll, uma para pitch e uma para azimute
- Também há uma placa de alimentação DC, um transformador AC e potenciômetros de ajuste fino
- As três placas amplificadoras têm a mesma estrutura
- Alguns componentes são empilhados sobre outros para economizar espaço
- Alguns terminais são longos e protegidos por mangas plásticas transparentes
- As placas recebem revestimento conformal para proteção contra umidade e contaminantes
- Cada placa amplificadora usa o sinal de erro e a saída do tacômetro para acionar os dois enrolamentos de controle do motor
- A entrada é AC de 400Hz, e a fase indica erro positivo ou negativo
- A saída determina qual enrolamento de controle será ativado e, assim, o sentido de rotação do motor
- Há duas versões desta família de indicadores de atitude que usam amplificadores incompatíveis
- O motor do indicador mais recente parece ter apenas um enrolamento de controle
- As chaves dos conectores são diferentes, impedindo a conexão do amplificador errado
Circuito de trim de pitch
- No canto inferior direito do indicador há um knob de trim de pitch, mas ele estava ausente no dispositivo analisado
- Em voo nivelado, a aeronave pode apontar o nariz ligeiramente para cima ou para baixo para obter o ângulo de ataque desejado
- O piloto quer que o indicador de atitude mostre voo nivelado mesmo quando a aeronave real estiver ligeiramente inclinada
- O knob de trim de pitch aplica essa correção
- Quando o caça assume uma atitude como subida vertical de 90 graus, a correção de trim deve ser ignorada para mostrar a atitude real
- A patente de 1957 usa um método que remove gradualmente o ajuste de trim à medida que a aeronave se afasta do voo nivelado
- Um potenciômetro especial de múltiplas zonas ajusta o sinal de trim conforme o ângulo de pitch
- O sinal de trim de pitch também é AC de 400Hz, como a maioria dos sinais internos
- Perto do nivelado, o cursor do potenciômetro recebe AC em fase positiva e aplica a correção de trim definida pelo piloto
- Em subida quase vertical ou mergulho acentuado, o cursor entra na região de 0V e o trim de pitch é removido
- Em voo invertido, recebe AC em fase negativa e a correção de trim é aplicada na direção oposta
Modelo, especificações e dispositivos relacionados
- Este indicador de atitude de 3 eixos é parecido em vários aspectos com o FDAI usado nas missões Apollo, embora o FDAI tenha mais marcadores e ponteiros
- O Soyuz Globus era usado para navegação, gira em dois eixos e é mais simples que este indicador do F-4
- Há a especificação militar relacionada MIL-I-27619, que trata de três indicadores semelhantes: ARU-11/A, ARU-21/A e ARU-31/A
- O ARU-11/A era usado no F-111A
- O ARU-21/A era usado no A-7D Corsair
- O ARU-31/A era usado no RF-4C Phantom II, a versão de reconhecimento do F-4
- O indicador faz parte do AN/ASN-55 Attitude Heading Reference Set, definido em MIL-A-38329
- O indicador analisado não tem marcações de identificação e está sem algumas peças, o que dificulta confirmar o modelo exato
Limites e fascínio dos instrumentos eletromecânicos
- O indicador de atitude de uma aeronave é um instrumento crítico para manter o voo, especialmente em condições de baixa visibilidade
- O indicador de atitude do F-4 mostra um eixo a mais que um horizonte artificial comum, mas isso também torna o conjunto mecânico e elétrico muito mais complexo
- Caças modernos usam glass cockpit no lugar desses complexos instrumentos eletromecânicos
- Por exemplo, o console do F-35 substitui vários instrumentos por uma ampla panoramic touchscreen, exibindo informações em cores
- Instrumentos mecânicos são menos vantajosos do ponto de vista prático, mas ao abrir seu interior aparece um projeto singular que sustenta firmemente uma esfera rotativa em 3 eixos e ao mesmo tempo permite seu movimento livre
1 comentários
Comentários do Hacker News
Gostei de terem incluído imagens em altíssima resolução, e é surpreendente ver quantos truques analógicos foram usados
Hoje em dia parece o tipo de coisa que seria resolvida com algumas linhas de código
Como ainda não havia um jeito de produzir em massa microeletrônica e controladores confiáveis, rápidos e baratos, em áreas de alta confiabilidade a resposta era a computação analógica
Em 1954, Rex Rice escreveu que preferia programar computadores com um painel de conexões simples, em vez de abstrações como linguagens de programação (https://dl.acm.org/doi/10.1145/1455270.1455272)
Então ainda se discutia se linguagens de programação de alto nível eram mesmo a solução adequada para os problemas da época, e acho que os antecessores que manipulavam o mundo físico para produzir cálculos matemáticos eram realmente gênios
Meu pai, no início da carreira, teve de desmontar e fazer engenharia reversa de equipamentos aeroespaciais soviéticos, e até hoje guarda boas lembranças da excelente qualidade de engenharia e da precisão dos equipamentos soviéticos
Eu queria que houvesse mais material sobre a computação soviética, mas no fim das contas a história é escrita pelos vencedores
Eu queria colocar um indicador desses no painel de um carro
Já instalei uma bússola náutica, e ela é bem útil e também fica bonita
Infelizmente, indicadores eletrônicos são muito mais raros do que os acionados a vácuo ou os totalmente glass cockpit
Algo como colocar motores de passo, encoders magnéticos de rotação e uma IMU com bússola/giroscópio de 6 graus de liberdade dentro de duas metades de uma esfera impressa em 3D
Se for acionado por um Arduino ou ESP32 dentro dele, parece que daria para fazer isso até com um anel deslizante simples que forneça apenas energia pelos eixos de roll e pitch
Mas por enquanto é só uma ideia, e depois de ver outro texto do Ken https://www.righto.com/2023/01/inside-globus-ink-mechanical-... também fantasiei em construir um dispositivo mecânico de navegação da Soyuz russa
Só que hoje em dia a ideia de fazer réplicas de tecnologia vintage soviética não me atrai tanto quanto alguns anos atrás
Há relativamente poucas aeronaves sem sistema a vácuo, mas com horizonte artificial eletromecânico
A opção mais realista são os instrumentos mecânicos elétricos de backup usados nas primeiras instalações glass cockpit do G1000
Para horizontes artificiais elétricos de backup, veja o Diamond DA40 e o DA42; já os modelos posteriores, DA50 e DA62, usam instrumentos de backup totalmente glass cockpit
Também tenho vontade de fazer isso, mas fico curioso se não houve problema de interferência do próprio veículo
Se alguém tiver perguntas, eu respondo
Fico me perguntando se isso se deve à precisão e à escala dos horizontes artificiais mecânicos, e à faixa de voo mais ampla das aeronaves militares
Essas aeronaves ainda são usadas como parte central da Força Aérea do Irã, e até a atualização da aviônica de algumas variantes alguns anos atrás, o mesmo dispositivo continuava em uso
É pura curiosidade, mas o texto diz que o F-35 tem uma tela sensível ao toque totalmente digital que cuida de quase tudo na aeronave
Se um canhão potente danificar isso, fico pensando como o piloto reagiria caso a tela travasse completamente
Num F-4, parece que só os instrumentos na linha de impacto seriam destruídos, então imagino se não seria a diferença entre um lado ficar totalmente inutilizado e o outro perder apenas alguns instrumentos
Certamente estou deixando passar alguma coisa, ou muitas coisas, sobre o F-35, mas na minha cabeça uma aeronave 100% digital parece bem assustadora
Nos antigos combates aéreos com canhões, muitos disparos vinham por trás ou entravam por cima, perfurando a capota
Em ambos os casos, se chegou a atingir os instrumentos, provavelmente também passou pelo piloto
Indo ainda mais para trás no tempo, também havia ataques frontais, mas duelos frontais entre caças são muito difíceis fora dos jogos e aconteciam mais por causa dos artilheiros traseiros dos bombardeiros
Por isso algumas aeronaves bem antigas da Segunda Guerra tinham vidro blindado na frente do piloto
Se um F-35 entrou numa briga de canhão, o piloto já cometeu um grande erro, e o F-35 não foi projetado como dogfighter
Mesmo hoje, se um míssil ou estilhaços de artilharia antiaérea explodirem ao lado do cockpit e danificarem os instrumentos, provavelmente os estilhaços também vão ferir o piloto e tornar difícil qualquer voo de retorno naquele dia
Essa também é a forma mais plausível de um F-35 sofrer danos em combate moderno
Não é impossível haver um cenário em que o painel seja destruído e o piloto saia ileso, mas a probabilidade é tão baixa que talvez tenham considerado isso um risco menor do que as vantagens de um cockpit de vidro
Por exemplo, o sistema de controle de voo fica atrás do piloto
Mesmo assim, por segurança de voo, imagino que os displays do F-35 sejam pelo menos redundantes
Pense em dois displays combinados de forma contínua para funcionar como se fossem um só
O ISIS normalmente tem seus próprios sensores e bateria de backup, então deve continuar funcionando mesmo se o display principal falhar
https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_standby_instrument_...
São displays altamente reforçados, redundantes e feitos para fins específicos; isso por si só já é uma indústria inteira
Há empresas que fabricam displays com condutor transparente sobre a tela para permitir aquecimento, de modo que possam ser usados e continuar funcionando até no convés de um porta-aviões no Ártico
Também existem empresas que ainda fabricam CRT para finalidades militares específicas
Essas telas são mais seguras, mais confiáveis e mais robustas do que os sistemas mecânicos que substituem
No F-35 há uma pequena tela quadrada no console central que mostra o horizonte artificial e os parâmetros de voo
Nem é preciso dizer que, se a tela principal apagar, a primeira coisa a fazer é dar meia-volta e procurar o aeroporto mais próximo
kens@ é um tesouro que nós não merecemos
Espera, você é o cara do Linux/4004, não é?
Aquele projeto foi realmente incrível
É impressionante pensar que toda essa tecnologia foi criada por pessoas que usavam régua de cálculo
Os engenheiros que fizeram isso provavelmente teriam ficado realmente empolgados em saber que alguém descobriu como eles resolveram todos esses problemas
É muito legal ver todos os detalhes de engenharia envolvidos
Como alguém da área de software, sempre fico curioso sobre como lidavam com bugs e garantia de qualidade ao construir hardware tão complexo
Isso por si só já é uma área que vale a pena estudar
Se você quiser entender aplicações de altíssima confiabilidade, Design for Six Sigma é um bom ponto de partida
https://www.youtube.com/watch?v=_g6UswiRCF0
Quando se precisa entregar sob esse tipo de restrição, surge um nível de foco que é difícil de experimentar em projetos modernos