- O Globus INK da espaçonave Soyuz era um indicador analógico eletromecânico de navegação que mostrava a posição sobre a Terra com um globo giratório, calculando a posição orbital com engrenagens, cames e diferenciais
- Diferente do Apollo Guidance Computer, ele não recebia entrada de IMU nem de navegação externa, então o cosmonauta ajustava manualmente a posição inicial e o período orbital, e o sistema exibia uma posição prevista
- O eixo do globo era fixado em 51,8° para representar a órbita padrão da Soyuz, mas isso trazia uma grande limitação: só funcionava com órbitas circulares e inclinação fixa
- O modo de previsão de pouso mostrava o local de pouso caso os retrofoguetes fossem acionados naquele momento, girando o globo por uma fração da órbita com ângulo de pouso, motor e interruptores de fim de curso, oferecendo cerca de 150 km de precisão
- O Globus INK fornecia uma visualização da Terra em alta resolução e colorida que era difícil de implementar com computadores eletrônicos dos anos 1960, mas acabou substituído pelo display digital da Soyuz-TMA em 2002 por causa dos ajustes manuais e das limitações orbitais
A posição da Soyuz mostrada por um globo giratório
- Globus INK era oficialmente chamado pelo acrônimo russo ИНК, “space navigation indicator”, e mostrava com um globo giratório a posição na Terra abaixo da espaçonave Soyuz
- O globo se movia sob uma mira fixa em forma de cruz dentro de uma cúpula plástica, permitindo ao cosmonauta comparar o terreno visto pela janela com a posição indicada
- Instrumentos ao redor do globo também forneciam informações de navegação
- Os mostradores à esquerda e na parte superior exibiam latitude e longitude em números
- O mostrador de luz/sombra na parte inferior indicava os trechos em que a espaçonave recebia luz solar ou entrava na sombra, sendo usado para decidir acoplamentos
- O contador orbital mostrava o número de órbitas da espaçonave
- No segundo modo, o globo girava para colocar sob a mira o local de pouso caso os retrofoguetes fossem acionados naquele instante para iniciar o procedimento de aterrissagem
- O cosmonauta podia avaliar se o terreno daquele local era adequado para o pouso
Um indicador de posição prevista, não um sensor real de navegação
- O cosmonauta ajustava com botões a posição inicial e o período orbital, e depois o Globus acompanhava o progresso da órbita com um mecanismo eletromecânico
- Diferente do Apollo Guidance Computer, ele não recebia dados de IMU nem de outras fontes de navegação, então estava mais para um indicador de posição prevista baseado em valores configurados do que para um dispositivo que mede a posição real
- O aparelho analisado veio de um exemplar de colecionador que foi aberto para reparo e engenharia reversa; por dentro, havia não apenas engrenagens, cames e diferenciais, mas também relés, solenóides e componentes elétricos
- O aparelho tinha danos
- Havia um grande amassado na parte traseira da carcaça, e o eixo do globo tinha saído do lugar, deixando de engrenar com as rodas dentadas
- O globo batia nas peças internas e ficou arranhado na região da África
- Como recolocar o globo de forma arbitrária desajustaria o sincronismo de latitude e longitude, foi preciso restaurá-lo na posição correta acertando o sincronismo das engrenagens
O mapa do globo e a implementação da órbita de 51,8°
- O pequeno globo trazia detalhes de montanhas, lagos e rios, permitindo ao cosmonauta comparar o terreno visto a olho nu com a indicação de navegação
- A representação do relevo também era importante para a escolha do ponto de pouso e era usada para verificar o terreno da área prevista de aterrissagem
- Quase não havia fronteiras políticas, mas linhas grossas vermelhas e roxas marcavam a fronteira da URSS e a divisão entre bloco comunista e não comunista
- Os círculos numerados de 1 a 8 indicavam pontos de comunicação por rádio com a espaçonave
-
Duas rotações criadas por um eixo fixo
- O globo não era uma esfera livre flutuando e girando, mas sim controlada por eixos e engrenagens fixados ao aparelho
- O equador do globo era uma peça metálica rígida e girava em torno do eixo horizontal do dispositivo
- Um segundo mecanismo de engrenagens interno girava o globo em torno do eixo norte-sul
- As duas rotações eram transmitidas por eixos concêntricos fixos no aparelho, criando dois graus de liberdade de rotação apenas com eixos fixos
-
Como 51,8° definiu a órbita padrão da Soyuz
- O eixo do globo era configurado em 51,8° para suportar a inclinação orbital padrão da Soyuz
- Graças a esse ângulo, bastava girar o globo em torno do eixo horizontal para que a mira seguisse a órbita padrão da Soyuz
- Enquanto a Terra girava, a rotação dos dois hemisférios do globo em torno do eixo polar criava diferentes órbitas de 51,8° sobre a superfície
- 51,8° é maior que a latitude de 45,97° do Cosmódromo de Baikonur porque o foguete precisava inclinar a trajetória para o norte, evitando passar sobre o oeste da China
- A explicação relacionada está em uma resposta no Space Stack Exchange
Grandes limitações impostas pelo projeto físico
- Como a inclinação orbital era fixada pelo ângulo físico do mecanismo do globo, órbitas diferentes exigiriam aparelhos Globus diferentes
- O projeto só conseguia lidar com órbitas circulares, tornando-o inútil em situações em que a órbita muda, como rendezvous e acoplamento
- Por essas limitações, alguns cosmonautas queriam remover o Globus do painel de controle, mas ele permaneceu até ser substituído por um display de computador na Soyuz-TMA em 2002
Período orbital e mecanismo de velocidade variável
- Uma órbita da Soyuz dura cerca de 90 minutos, mas o tempo varia conforme a altitude
- O Globus tinha botões para ajustar o período orbital em minutos, 0,1 minuto e 0,01 minuto, permitindo ajustar uma faixa de ±5 minutos em torno do valor-base de 91,85 minutos
- O aparelho operava com pulsos fixos de 27V e 1Hz, mas a velocidade de rotação do eixo orbital do globo precisava variar de acordo com o período orbital
- A solução foi um sistema que somava três incrementos à velocidade de referência
- incremento do ajuste em minutos
- incremento do ajuste em 0,1 minuto
- incremento do ajuste em 0,01 minuto
- Vários diferenciais eram usados para somar ou subtrair velocidades de rotação
- A velocidade variável era gerada por um came cônico com seção helicoidal
- Três followers sobre o came ficavam em posições diferentes; na parte estreita produziam pequena rotação, e na parte larga, rotação maior
- Ao mover a posição do follower, selecionava-se a velocidade de rotação correspondente
- Quando o came completava uma volta, ele retornava bruscamente ao diâmetro inicial, fazendo o follower saltar de volta à posição original
- Para evitar que o globo desse um tranco para trás, o follower era ligado ao diferencial por uma embreagem deslizante e uma catraca
- A catraca travava o eixo motriz no momento do retorno, fazendo a saída resultar numa rotação em geral suave
Cálculo de latitude, longitude e luz/sombra
- Os indicadores à esquerda e na parte superior do globo mostravam a latitude e a longitude da espaçonave
- Latitude e longitude eram definidas por uma função complexa da projeção da órbita sobre o globo, implementada pela forma de cames metálicos
- Cada função usava 2 cames
- um implementava a função desejada
- o outro tinha a forma inversa para manter a tensão do mecanismo seguidor em formato de garfo
- O came de latitude acionava o mostrador correspondente, fazendo-o oscilar entre 51,8°N e 51,8°S
- A longitude era mais complexa por causa da rotação da Terra, e a saída do mostrador de longitude era produzida somando por diferencial o valor do came com a rotação terrestre
- Em fórmula, a latitude é
arcsin(sin i * sin(2πt/T))e a longitude éarctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0 -
Indicação de luz e sombra
- O Globus tinha um indicador que mostrava quando a espaçonave entraria em luz ou em sombra
- O mostrador era composto por dois discos concêntricos, ajustados com dois botões
- Esses discos se moviam junto com a órbita da espaçonave, enquanto a legenda vermelha permanecia fixa
- É possível que esse mostrador esteja ligado por engrenagens ao mostrador de longitude, mas essa parte ainda está em investigação
Modo de previsão do local de pouso
- O Globus podia mostrar onde a espaçonave pousaria caso a queima de reentrada começasse naquele momento
- A precisão do cálculo do local de pouso era de 150 km
- O cálculo consistia em projetar a órbita atual adiante por uma fração de órbita correspondente ao tempo até o pouso
- O cosmonauta definia essa fração de órbita como “ângulo de pouso”
- O display eletroluminescente no canto superior esquerdo do aparelho mostrava “Место посадки” nesse modo
- Para obter a posição de pouso, um motor girava o globo e parava ao atingir o ângulo especificado
- Um botão de ajuste no painel movia um interruptor de fim de curso até o ângulo desejado por meio de uma engrenagem sem-fim
- Quando o motor era acionado, o globo e um braço oscilante giravam juntos
- Quando o braço oscilante tocava o interruptor angular de fim de curso, o motor parava e o globo permanecia girado pelo ângulo especificado
- Um interruptor de fim de curso fixo era usado para devolver o globo à posição orbital normal
- Uma chave rotativa de três posições controlava o modo de ângulo de pouso
- “МП” selecionava o ponto de pouso
- “З” mostrava a posição sobre a Terra
- “Откл” desfazia a rotação do ângulo de pouso e desligava o mecanismo
Circuitos eletrônicos e acionamento por solenóide
- Embora o Globus fosse majoritariamente mecânico, ele também incluía placas eletrônicas
- As placas continham 4 relés, 1 transistor, resistores e diodos
- A maior parte dos relés parecia atuar no mecanismo de posição de pouso, controlando o motor em avanço e reverso e parando-o nos interruptores de fim de curso
- Em cada bobina de relé havia dois diodos em série ligados em paralelo, atuando como flyback diode para eliminar o pico indutivo gerado quando a bobina era desligada
- Um potenciômetro de 360° convertia a posição orbital da espaçonave em tensão
- O Globus fornecia esse sinal de tensão para outros equipamentos da espaçonave
- A hipótese de que o transistor da placa amplifica essa tensão ainda está em investigação
- O aparelho tinha uma quantidade surpreendente de chicotes elétricos para um dispositivo mecânico
- Todos os fios que iam para o conector externo estavam cortados
- O conector seguia o padrão militar soviético RS32TV de 32 pinos
- É possível que o corte dos fios fizesse parte do processo de desativação
- No entanto, o lacre de cera antiviolação da carcaça estava intacto, o que não combina com uma nova selagem oficial
- O aparelho era acionado por dois solenóides de catraca
- um para a rotação orbital
- outro para a rotação da Terra
- Os solenóides recebiam pulsos de 27V e 1Hz
- Cada pulso avançava a engrenagem um dente, e a lingueta impedia que ela recuasse
Vestígios da missão Apollo-Soyuz
- O globo tinha pontos rosa e rótulos adicionais com 3 letras latinas
- Marcas como GDS, MIL, BDA e NFL indicavam estações de rastreamento da NASA
- GDS era Goldstone
- MIL era Merritt Island
- BDA era Bermuda
- NFL era Newfoundland
- Essas marcações sugerem que esse Globus específico foi produzido para o Apollo-Soyuz Test Project, a missão de 1975 em que uma nave Apollo e uma cápsula Soyuz realizaram acoplamento
- Um adesivo VAN no meio do Pacífico também reforça a ligação com a Apollo-Soyuz
- O USNS Vanguard era um navio de rastreamento da NASA usado no programa Apollo para cobrir lacunas de comunicação por rádio
- Durante a missão Apollo-Soyuz, o Vanguard foi posicionado em 25°S, 155°W, exatamente onde fica o ponto VAN no globo
- As estações de rastreamento da NASA listadas eram CYI, ACN, MAD, TAN, GWM, ORR, HAW, GDS, MIL, QUI, AGO, BDA, NFL e VAN
Da Vostok à Soyuz-TMA
- A história do Globus remonta ao início dos voos espaciais tripulados soviéticos
- A primeira versão era o IMP, mais simples, cujo desenvolvimento começou em 1960 para os voos Vostok de 1961 e Voshod de 1964
- O Globus IMP inicial tinha funções básicas semelhantes às do INK para mostrar a posição da espaçonave e o local de pouso
- O IMP tinha um contador orbital no canto inferior direito, e a indicação de latitude e longitude foi adicionada para os voos da Voshod
- Havia algumas diferenças entre o IMP e o INK
- o IMP não tinha o indicador de sol/sombra na parte inferior
- não tinha controle de ajuste do ângulo de pouso
- os modos orbital e de local de pouso eram selecionados por um interruptor externo, não por uma chave no aparelho
- O modelo INK, mais complexo, passou a ser produzido para os voos da Soyuz a partir de 1967 e fazia parte do sistema de exibição de informações “Sirius”
- O Neptun IDS da Soyuz-T de 1976 e o Neptun-M da Soyuz-TM de 1986 modernizaram boa parte do console, mas mantiveram o Globus INK
- A Soyuz-TMA de 2002 foi atualizada com o sistema Neptun-ME e adotou telas digitais, substituindo o Globus por um display gráfico
- Como material relacionado, há Information Display Systems for Soyuz Spaceships
Desempenho e limitações
- O Globus INK era um computador analógico que calculava órbitas por meio de um sistema sofisticado de engrenagens, cames e diferenciais
- Ele oferecia aos cosmonautas uma visualização da posição em alta resolução e em cores, algo difícil de alcançar com computadores espaciais eletrônicos dos anos 1960
- As limitações funcionais também eram claras
- era preciso configurar manualmente a posição inicial da espaçonave, a velocidade orbital, os intervalos de luz/sombra e o ângulo de pouso
- ele não recebia entradas externas de navegação, como uma IMU, então sua precisão não era alta
- só suportava órbitas circulares com ângulo fixo
- Displays digitais modernos não têm o charme físico de um globo giratório, mas oferecem muito mais recursos
- A engenharia reversa ainda está em andamento, e como a interpretação do russo usou Google Translate, alguns detalhes podem mudar
1 comentários
Comentários no 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
Dizem que isso também causou problemas para caminhadas espaciais, porque expor o interior da cápsula ao espaço poderia fazer os equipamentos eletrônicos explodirem
The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned, de John Strausbaugh
https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
Na prática, o autor nem usou fontes primárias direito: https://www.thespacereview.com/article/4851/1
É parecido com recomendar um livro sobre o programa Apollo escrito por um russo que não leu documentos americanos. Se tiver que ser um autor ocidental, a biografia de Korolev escrita por James Harford organiza melhor o programa espacial soviético e também tem resenhas acadêmicas sérias
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...