Por dentro do FDAI (“8-ball”) da Apollo
(righto.com)- O FDAI do Apollo Lunar Module era o principal instrumento de voo que reunia em um único mostrador a atitude da espaçonave, as indicações de pilotagem e a taxa de rotação
- Por fora, parece que a esfera inteira gira livremente nos três eixos roll, pitch e yaw, mas na prática o trabalho é dividido entre um mecanismo fixado no equador e cascas hemisféricas ocas
- Os sinais de posição eram tratados por synchros e laços de servo, comuns na aviônica dos anos 1950 e 1960, em uma estrutura em que control transformer, amplificador e motor/tachometer reduzem o erro
- A unidade examinada era um Model 4068F para Apollo, mas foi modificada para um simulador do Space Shuttle e passou a ter entrada por synchro, iluminação por lâmpadas incandescentes, mostradores no estilo Shuttle e ajustes adicionais
- Esse projeto faz parte da linhagem Lear Siegler que vai do X-15 ao F-4 ARU/11-A, Gemini, Apollo e Space Shuttle; o FDAI da Apollo está mais para uma etapa intermediária que preserva o projeto anterior, removendo funções desnecessárias para uma nave espacial
O papel do FDAI no Apollo Lunar Module
- O FDAI (Flight Director / Attitude Indicator) era o instrumento que mostrava a atitude da espaçonave durante os voos lunares Apollo
- O mostrador esférico indicava a atitude da espaçonave
- A esfera, com um dos lados preto, ganhou o apelido de “8-ball”
- Três ponteiros amarelos mostravam como os astronautas deveriam pilotar a espaçonave
- Outros três ponteiros mostravam a taxa de rotação da espaçonave
- O Lunar Module tinha dois FDAIs
- O da esquerda era para o Commander, e o da direita para o Lunar Module Pilot
- No Apollo 11, o Commander era Neil Armstrong e o Lunar Module Pilot era Buzz Aldrin
- Pelo tamanho grande e pela posição central, o FDAI tinha destaque no painel de instrumentos do Lunar Module
- O FDAI do Lunar Module podia selecionar várias fontes de entrada por meio de chaves no painel
- A esfera de atitude podia receber dados da Inertial Measurement Unit ou do sistema reserva Abort Guidance System
- A atitude de pitch também podia ser fornecida pelo ORDEAL (Orbital Rate Display Earth And Lunar), que simulava uma órbita circular
- As indicações de erro podiam vir do Apollo Guidance Computer, do Abort Guidance System, do landing radar e do rendezvous radar
- As indicações de velocidade em pitch, roll e yaw eram acionadas pelo Rate Gyro Assembly
- A escala da indicação de velocidade podia ser escolhida abaixo do FDAI entre 25°/sec e 5°/sec
O mecanismo interno que cria a rotação em 3 eixos
- A esfera do FDAI mostra rotação nos três eixos: roll, pitch e yaw
- Roll corresponde à inclinação lateral ao longo do eixo de direção de voo
- Pitch é o movimento de levantar ou baixar o nariz
- Yaw é a mudança de direção para a esquerda ou para a direita
- Indicadores de atitude de aeronaves comuns normalmente omitem o yaw
- No FDAI real, o mostrador esférico é movido por três motores
- O motor de roll fica preso à estrutura do FDAI e gira o roll gimbal por meio de engrenagens
- Os motores de pitch e yaw ficam dentro da esfera
- O roll gimbal se conecta a dois pontos no “equador” do mecanismo da esfera, e esses dois pontos definem o eixo de pitch
- O segredo para a esfera parecer girar livremente nos três eixos está na estrutura de cascas hemisféricas
- O motor de pitch gira o mecanismo interno da esfera em torno do eixo de pitch
- O motor de yaw gira um eixo vertical, que por sua vez gira as duas cascas hemisféricas presas acima e abaixo dele
- Na rotação de yaw, o mecanismo interno em si não se move; apenas as cascas giram em torno do eixo de yaw
- Para evitar que a fiação se torça, são usados slip rings
- O primeiro conjunto de slip ring lida com a rotação no eixo de roll, mantendo a ligação elétrica entre a parte fixa e o roll gimbal giratório
- 23 pares de escovas fazem as 23 conexões
- O segundo conjunto de slip ring trata da rotação no eixo de pitch dentro da esfera
- Como no eixo de yaw giram apenas as cascas hemisféricas, não é preciso fiação nem slip ring
Synchros e controle por laço de servo
- Nos anos 1950 e 1960, synchros eram amplamente usados como padrão para transmitir eletricamente sinais de posição rotacional
- Um synchro envia por três fios uma saída que varia conforme a posição angular do eixo
- Se dois synchros forem ligados entre si, o eixo do segundo pode girar até o mesmo ângulo do primeiro
- Eles eram usados em várias aplicações, de instrumentos aviônicos à rotação de torres de navios de guerra
- Como synchros não têm muito torque, o FDAI combina laços de servo com motores mais fortes
- O control transformer compara o ângulo de entrada com a posição do eixo de saída e gera um sinal de erro
- O amplificador aciona o motor na direção adequada de acordo com esse sinal de erro
- O motor se move até o erro chegar a zero, alinhando-se à posição desejada
- O sinal do tachometer é usado como tensão de feedback negativo para desacelerar o motor perto do alvo e reduzir overshoot e oscilações
- Os motores do FDAI são unidades motor/tachometer típicas de laços de servo de aviônica
- Recebem alimentação de 115V AC, 400Hz, mas não giram sozinhos apenas com isso
- Quando se aplica tensão com a fase apropriada a dois control windings de baixa tensão, eles giram em um sentido ou no outro
- O tachometer interno gera um sinal AC de baixa tensão proporcional à velocidade de rotação do motor
- Dependendo do sentido de rotação, o sinal do tachometer fica em fase com o sinal de acionamento de 400Hz ou 180º fora de fase
A placa amplificadora e o circuito de acionamento em 400Hz
- O FDAI tem três laços de servo, um para cada eixo
- Cada laço tem seu próprio control transformer, motor e amplificador
- A placa amplificadora tem uma construção incomum, com componentes montados sobrepostos para economizar espaço
- Alguns terminais de componentes são longos e protegidos por mangas transparentes de plástico
- A placa amplificadora amplifica o sinal de erro para fazer o motor girar na direção correta
- A entrada é um sinal AC de 400Hz, cuja amplitude representa a magnitude do erro ou da velocidade, e cuja fase representa a direção
- Duas saídas acionam os dois control windings do motor, determinando o sentido de rotação
- A saída do tachometer também é usada para desacelerar o motor quando o erro diminui e evitar overshoot
- O circuito é baseado em transistores de germânio
- Os dois transistores à esquerda amplificam os sinais de erro e do tachometer para acionar um pulse transformer
- A saída do pulse transformer aciona os transistores de saída em metades alternadas do ciclo de 400Hz, em fases opostas entre si
- Esse funcionamento ativa os control windings do motor e produz a rotação no sentido desejado
A linhagem dos instrumentos Lear Siegler
- Bill Lear foi um inventor nascido em 1902, com mais de 150 patentes, conhecido por coisas como a fita 8-track e o Learjet
- Nos anos 1920, fundou várias empresas e inventou um dos primeiros rádios automotivos para a Motorola
- Depois, criou a Lear Avionics, especializada em instrumentos aeroespaciais
- A Lear Avionics produziu instrumentos de aeronaves e sistemas de controle de voo, como o piloto automático do F-5
- A tecnologia de indicadores de atitude da Lear evoluiu a partir de problemas de voo em grande ângulo
- O F-102 Delta Dagger conseguia subir em ângulo muito acentuado, mas os indicadores de atitude tradicionais quase não lidavam com voo quase vertical
- Lear desenvolveu uma plataforma remota com dois giroscópios e um indicador de cockpit para evitar gimbal lock em voo vertical
- No avião-foguete X-15, o sistema foi melhorado para lidar com os três eixos: roll, pitch e yaw
- O indicador de atitude do X-15 serviu de base para o ARU/11-A do caça F-4
- Depois, com “modificações mínimas”, ele foi usado como attitude-director indicator no programa espacial Gemini
- O instrumento do Gemini foi então modificado de novo para virar o FDAI do Apollo Lunar Module
- A Lear Siegler também forneceu ao programa Apollo outros componentes, como o directional gyro do Lunar Rover e o display electroluminescent do DSKY do Apollo Guidance Computer
- Em 1974, a Lear Siegler ganhou o contrato para desenvolver o ADI (Attitude-Director Indicator) do Space Shuttle e produziu 12 unidades
- Na época, a empresa já estava menos interessada em aviônica espacial de baixa escala de produção
- A área de manufatura se recusou a lidar com os procedimentos especiais exigidos na fabricação espacial, e as unidades do Shuttle foram montadas pelo departamento de engenharia
- Depois disso, a Lear Siegler não voltou a disputar contratos de aviônica do Space Shuttle, e o ADI do Shuttle acabou sendo seu último produto espacial
- No começo dos anos 2000, os instrumentos do Shuttle foram atualizados para o “glass cockpit” MEDS (Multi-function Electronic Display System), com 11 telas planas, fabricado pela Honeywell
Semelhanças e diferenças entre o ARU/11-A e o FDAI da Apollo
- O FDAI da Apollo e o ARU/11-A do F-4 compartilham o mesmo mecanismo básico e o mesmo amplificador eletrônico, mas têm diferenças estruturais importantes
- No ARU/11-A, a eletrônica fica em um módulo separado encaixado atrás do indicador
- No FDAI, a eletrônica fica dentro da própria unidade, com as placas montadas na estrutura do instrumento
- As placas amplificadoras do ARU/11-A e do FDAI são idênticas e usam transistores de germânio
- O incomum transformer de 11 pinos também é o mesmo
- Há diferenças na placa de alimentação e na estrutura mecânica
- As placas de alimentação diferem entre si por causa dos resistores de escala e da disposição física dos componentes
- O conjunto da esfera é quase igual ao conjunto de motores e ao mecanismo de slip ring
- Há pequenas diferenças nas engrenagens: o FDAI tem duas engrenagens plásticas, enquanto o ARU/11-A usa apenas engrenagens metálicas
- A função de pitch trim do ARU/11-A foi praticamente removida no FDAI da Apollo
- Como aeronaves em voo nivelado voam com alguns graus de angle of attack, um knob de pitch trim para corrigir a indicação horizontal é útil
- Como essa correção não deve ser aplicada quando um caça voa na vertical, o ARU/11-A usa um potentiometer especial de 8 zonas no eixo de pitch
- Em uma espaçonave, essa correção não faz sentido, por isso ela não foi implementada nem no Apollo nem nos instrumentos do Space Shuttle
- No FDAI examinado, o próprio potentiometer e sua fiação não estavam presentes, mas a carcaça cilíndrica continuava lá
- O FDAI da Apollo não é nem um simples reaproveitamento do ARU/11-A nem um redesenho completo
- O projeto existente foi mantido onde era possível
- Funções desnecessárias, como pitch trim, foram removidas
- As unidades separadas de amplificador e mecanismo do ARU/11-A foram integradas ao interior do FDAI, que é maior
Marcas da modificação para simulador do Space Shuttle
- O aparelho examinado foi construído para o Apollo, mas é uma unidade especial modificada para um simulador do Space Shuttle
- Está identificado como Model 4068F, que é um número de peça do Lunar Module
- No interior, há a data “Apr. 22 1968”, mais de um ano antes do primeiro pouso lunar
- O método de entrada é diferente do original do Apollo
- Tanto o FDAI do Apollo quanto o ADI do Shuttle usam resolver para controlar a esfera
- O FDAI examinado usa synchro
- É possível que a NASA tenha substituído três resolver control transformers por synchro control transformers para uso em simulador
- A iluminação e os mostradores também foram alterados para combinar com o simulador do Shuttle
- O FDAI do Apollo usava iluminação electroluminescent no mostrador, mas o FDAI examinado usa oito pequenas lâmpadas incandescentes
- A caixa metálica traz uma etiqueta em fita Dymo em relevo com os dizeres “INCANDESCENT LIGHTING”
- Há um step-down transformer que reduz a entrada de 115VAC para 5VAC para as lâmpadas
- Os mostradores foram repintados para se adequar ao FDAI do Shuttle, e ainda restam vestígios de tinta preta sobre a faixa vermelha do mostrador original do Apollo
- No lugar da crosshair central do FDAI do LM Apollo, há um indicador branco em forma de U, como no FDAI do Shuttle e no do Command Module
- Não aparecem as áreas polares circulares vermelhas que serviam como aviso de gimbal lock no FDAI da Apollo
- Também foram feitas modificações elétricas adicionais
- Foi adicionado um pequeno conector verde Micro-D MDB1 no braço do gimbal, entre o slip ring e o motor
- O conector foi colado de maneira um tanto improvisada, sem aparência de peça de voo
- Ele pode ter sido colocado para facilitar desmontagem e modificação
- O elapsed time indicator também foi preso com cola
- A estrutura traseira é completamente diferente da do Apollo
- O pinout do conector é totalmente diferente
- Cada uma das seis indicator needles tem ajuste mecânico e trimpot
- Cada um dos três eixos também tem um adjustment potentiometer
Diferenças em relação ao ADI do Space Shuttle
- O Space Shuttle tinha três ADIs e, apesar do nome diferente, eles eram muito parecidos com o FDAI da Apollo
- No flight deck dianteiro havia dois ADIs octogonais, um diante do Commander e outro diante do Pilot
- Havia também um terceiro ADI na estação do aft flight deck
- O FDAI examinado foi bastante modificado para simulador do Shuttle, mas continua mais próximo do FDAI da Apollo do que do ADI real do Shuttle
- Uma hipótese é que o simulador tenha sido criado antes da fabricação do ADI do Shuttle, o que levou ao uso de um FDAI da Apollo
- O ADI do Shuttle era eletricamente muito mais complexo que o FDAI da Apollo e que o FDAI examinado
- O FDAI da Apollo tinha um simples indicador “OFF” para mostrar perda de alimentação
- O ADI do Shuttle incluía um voltage level monitor que verificava cinco power supplies
- O ADI do Shuttle usava três alimentações DC e duas AC, enquanto o Apollo usava uma única alimentação AC
- O erro de posição do servo da esfera também era monitorado
- Havia também um sinal externo “Data OK”
- Se qualquer monitor detectasse uma falha, o indicador “OFF” aparecia para mostrar que não se podia confiar no ADI
- Os seis ponteiros do ADI do Shuttle são iguais aos da Apollo, mas usam feedback para melhorar a precisão de posicionamento
- Cada ponteiro do Shuttle tem um sensor de feedback LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
- A saída do LVDT aciona um servo feedback loop para colocar o ponteiro na posição exata
- No FDAI da Apollo, a tensão de entrada do ponteiro acionava um galvanometer e movia o ponteiro de forma proporcional, sem um closed loop que garantisse precisão
Resumo
- O “8-ball” do FDAI era um instrumento central da Apollo para mostrar a atitude em 3 eixos da espaçonave
- A estrutura que faz a esfera parecer girar livremente usa um mecanismo interno que gira principalmente em dois eixos, enquanto cascas hemisféricas ocas fornecem o terceiro eixo de rotação
- Esse instrumento faz parte da linhagem Lear Siegler de attitude directors que passa pelo avião-foguete X-15, pelo caça F-4, pelo Gemini, pela Apollo e pelo Space Shuttle
- O FDAI examinado mostra características tanto do Apollo quanto do Shuttle, porque começou como um equipamento do Apollo e depois foi modificado para um simulador do Space Shuttle
- Um vídeo curto do FDAI em movimento pode ser visto em post no Bluesky
1 comentários
Comentários do Hacker News
Sou o autor. Se tiverem perguntas sobre a Apollo, posso responder :-)
Só uma pequena correção: pelo que verifiquei, o piloto automático F-5 de Bill Lear não parece ter relação com o caça Northrop F-5
Fico me perguntando se havia algum requisito para que fossem componentes diferentes, ou se isso aconteceu porque a Grumman e a North American escolheram fornecedores diferentes
Antigamente, isso teria sido uma boa tarefa para uma disciplina de controle analógico eletroeletrônico
Isso é kunst de UI, uma pequena joia. Com um olhar, você entende imediatamente a atitude da aeronave
Como piloto espacial amador com 1000 horas de KSP e mais de 200 horas de Flight of Nova, a coisa de que mais sinto falta, no cockpit moderno de uma nave de propulsão por fusão em FoA, entre os instrumentos de voo ao estilo Apollo do KSP, é a Nav-Ball
O indicador de atitude em “escada”, estilo caça, não é legível de relance; é preciso se concentrar para olhar os números ao lado das marcas da escada e depois olhar de novo para a bússola para entender o conjunto. É a diferença entre tirar os olhos da pilotagem e se concentrar por 3 segundos, e 0,5 segundo em que o inconsciente provavelmente já internalizou tudo
Para dar uma noção desses 3 segundos: pelos instrumentos, a Apollo 11 tinha menos de 20 segundos de combustível restantes no momento do pouso na Lua
Excelente texto. Sou quase um entusiasta de conectores, mas nunca tinha ouvido falar do tipo MDB1. Há uma foto aqui: https://www.digikey.com/en/products/detail/itt-cannon-llc/MD...
A Cannon é tão famosa por conectores circulares com carcaça metálica que o nome virou quase um termo genérico, como Kleenex. Eu achava que “todo mundo” sabia como era um “Cannon connector”, mas não esperava que fosse em formato D-sub
No ano passado, vi no HN um texto sobre um dispositivo da era soviética parecido. Era um globo que mostrava onde a espaçonave estava em relação à Terra
Como você disse, essa esfera mostra a posição sobre a Terra, não a atitude da espaçonave no espaço, então ela se parece com um globo terrestre com continentes desenhados. A esfera gira em dois eixos, não em três
Além disso, o Globus não tem entradas externas; ele gira a esfera de acordo com uma trajetória predeterminada, independentemente da posição real
As três discussões no HN sobre meus textos a respeito do Globus estão abaixo:
https://news.ycombinator.com/item?id=34468212
https://news.ycombinator.com/item?id=35311300
https://news.ycombinator.com/item?id=35038710
Acho que isso também foi abordado em uma palestra recente da Freya Holmér. Talvez seja este vídeo:
https://www.youtube.com/watch?v=hUlvxaQBW78
Fico me perguntando se aquele simulador era o OV-095 do SAIL
https://spaceflightblunders.wordpress.com/2017/03/31/ov-095-...
Edit: ah, quase certamente parece que sim:
https://www.superstock.com/asset/oct-astronauts-frederick-ri...
A foto do simulador no meu texto é de um dos Shuttle Mission Simulators (SMS), que hoje fica no Stafford Museum, em Oklahoma
O Shuttle Avionics Integration Laboratory (SAIL) era outro simulador, usado para testes de aviônica, não para treinamento de astronautas, e atualmente fica em Houston
Já li muito sobre as tecnologias incríveis criadas para a Apollo, mas gostei deste texto por explicar uma delas em detalhe
Fico preocupado que, por causa de décadas de terceirização, não só tecnologias assim, mas até competências básicas de engenharia e manufatura estejam desaparecendo
Achei divertida a parte em que o departamento de manufatura não queria lidar com isso e a equipe de engenharia acabou construindo o dispositivo por conta própria; também não foi muito surpreendente
O ritmo de avanço da era espacial nas décadas de 1950 e 1960 é quase o mais difícil de compreender em termos de progresso tecnológico
A lista não acaba: a computação analógica mencionada por outro comentário sobre a tecnologia do texto original, a computação digital extremamente primitiva, células a combustível, engenharia de foguetes avançada realizada sem softwares de simulação FEA/CFD, e até o fato de terem realmente desacelerado para pousar na Lua e depois decolado novamente usando empuxo