- El indicador de actitud del F-4 Phantom II suma al cabeceo y al alabeo que muestra un horizonte artificial común el azimut (guiñada), lo que permite al piloto ver de un vistazo la actitud en 3 ejes y la dirección de avance durante maniobras a alta velocidad
- La esfera giratoria no es una esfera completa, sino que está dividida en dos carcasas semiesféricas huecas superior e inferior; el mecanismo interno queda fijo cerca del ecuador mientras solo se mueven las carcasas
- El alabeo, el cabeceo y el azimut son accionados cada uno por motores, y las señales synchro de 3 hilos y los transformadores de control usados en la aviónica de los años 60 generan el error angular para cerrar el lazo de servocontrol
- La torsión del cableado en la estructura giratoria se resuelve con anillos rozantes en los ejes de alabeo y cabeceo; el eje de azimut no necesita anillos rozantes separados porque solo gira la carcasa de la esfera, no la electrónica
- Aunque cazas modernos como el F-35 pasaron a una cabina de cristal centrada en pantallas, este instrumento es un ejemplo de una sofisticada estructura electromecánica combinada con control analógico para lograr una indicación mecánica de 3 ejes
Función del indicador de actitud del F-4
- Este dispositivo es un indicador de actitud para el caza F-4, que usa una esfera giratoria para mostrar la actitud y la dirección de la aeronave
- El horizonte artificial de una aeronave común muestra dos ejes, cabeceo y alabeo, pero el indicador del F-4 agrega también el azimut para mostrar una actitud de 3 ejes
- El F-4 Phantom II es un caza supersónico producido entre 1958 y 1981; se fabricaron más de 5000 unidades, lo que lo convirtió en el avión supersónico estadounidense más producido
- Era un instrumento lo bastante importante como para ubicarse en el centro del panel del piloto, debajo de la pantalla de radar roja; en el asiento trasero había un indicador de actitud más simple de 2 ejes
- El F-4 es una aeronave biplaza, y el oficial de interceptación por radar del asiento trasero controla el radar y el armamento
Estructura mecánica para que la esfera gire en 3 ejes
- La esfera de indicación no es una esfera cerrada única, sino que está formada por dos carcasas semiesféricas huecas
- Las carcasas semiesféricas van fijadas arriba y abajo del eje vertical interno
- El mecanismo interno ubicado en la zona del ecuador puede permanecer fijo, a diferencia de las carcasas de la esfera
- Los tres ejes se accionan de maneras diferentes
- El motor de alabeo está fijado al marco del indicador y hace girar el cardán de alabeo y toda la esfera en sentido horario o antihorario
- El motor de cabeceo está dentro de la esfera y hace girar todo el mecanismo interno alrededor del eje horizontal de cabeceo
- El motor de azimut hace girar el eje vertical para rotar las carcasas semiesféricas superior e inferior alrededor del eje de azimut
- El cardán de alabeo se conecta a los puntos de pivote superior e inferior del mecanismo de la esfera y la sostiene
- El transformador de control de alabeo proporciona realimentación de posición, y al cardán de alabeo llega una gran cantidad de cableado que continúa hacia el mecanismo interno de la esfera
Por qué el cableado no se retuerce
- Para mantener las conexiones eléctricas dentro de una estructura giratoria se usan dos juegos de anillos rozantes
- El primer conjunto de anillos rozantes maneja la rotación del eje de alabeo
- Conecta eléctricamente el cuerpo fijo del instrumento con el cardán de alabeo giratorio
- El eje central gira junto con la carcasa del conjunto de la esfera, y el cableado dentro del eje va desde contactos metálicos circulares hasta el cardán de alabeo
- El segundo anillo rozante conecta, dentro de la esfera, el cableado del cardán de alabeo con el mecanismo de la esfera
- Se encarga de la conexión eléctrica durante la rotación del eje de cabeceo
- El anillo rozante real está en el interior, por lo que no se ve en las fotos
- El eje de azimut no necesita anillo rozante
- Esto se debe a que, durante la rotación de azimut, solo giran las carcasas semiesféricas de la esfera y la electrónica permanece fija
Synchro y lazo de servocontrol
- El indicador recibe de un giroscopio externo señales eléctricas que representan las posiciones de alabeo, cabeceo y azimut
- El synchro, común en la aviónica de los años 60, transmite ángulos mediante 3 hilos
- El transmisor synchro convierte la posición angular de un eje en señales de CA
- El rotor interno se alimenta con CA de 400 Hz, y los 3 devanados fijos del estator generan 3 señales de salida cuya fase y voltaje varían según el ángulo
- El motor de cada eje se controla mediante un lazo de servocontrol
- El transformador de control compara el ángulo de entrada de 3 hilos con la rotación real del eje y genera una señal de error
- El amplificador acciona el motor en la dirección adecuada hasta que la señal de error llega a 0
- La señal del tacómetro del motor/tacómetro se usa como voltaje de realimentación negativa, reduciendo la velocidad del motor a medida que se acerca a la posición objetivo
- La unidad motor/tacómetro es más compleja que un motor eléctrico común
- El motor recibe alimentación de 115 V CA a 400 Hz, pero no gira solo con eso
- Al excitar uno de los dos devanados de control de CA de bajo voltaje, gira en una dirección o en la opuesta
- El tacómetro genera una señal de CA de bajo voltaje proporcional a la velocidad de rotación; según la dirección de giro, queda en fase con la señal de accionamiento de 400 Hz o desfasada 180 grados
Conjunto amplificador
- Los motores son accionados por un conjunto amplificador montado en la parte trasera del instrumento
- El conjunto amplificador incluye 3 amplificadores de error separados para los tres ejes
- Hay una placa amplificadora para alabeo, una para cabeceo y una para azimut
- También incluye una placa de alimentación de CC, un transformador de CA y potenciómetros de trimado
- Las tres placas amplificadoras tienen la misma estructura
- Algunos componentes están apilados sobre otros para ahorrar espacio
- Algunas patas son largas y están protegidas con fundas de plástico transparente
- Las placas tienen recubrimiento conformal para protegerlas de la humedad y los contaminantes
- Cada placa amplificadora usa la señal de error y la salida del tacómetro para accionar los dos devanados de control del motor
- La entrada es CA de 400 Hz, y la fase indica un error positivo o negativo
- La salida decide qué devanado de control activar y, con eso, la dirección de giro del motor
- En la misma familia de indicadores de actitud existen dos versiones que usan amplificadores incompatibles
- El motor del indicador más reciente parece tener un solo devanado de control
- Los conectores tienen llaves distintas, por lo que no se puede insertar el amplificador equivocado
Circuito de trimado de cabeceo
- En la parte inferior derecha del indicador hay una perilla de trimado de cabeceo, pero en el dispositivo analizado esa perilla faltaba
- Durante el vuelo nivelado, la aeronave puede llevar el morro un poco arriba o abajo para lograr el ángulo de ataque deseado
- El piloto quiere que el indicador de actitud muestre vuelo nivelado aunque la aeronave real esté ligeramente inclinada
- La perilla de trimado de cabeceo aplica esta corrección
- Cuando el caza adopta una actitud como un ascenso vertical de 90 grados, la corrección de trimado debe ignorarse para mostrar la actitud real
- Una patente de 1957 usa un método que elimina gradualmente el ajuste de trimado a medida que la aeronave se aleja del vuelo nivelado
- Un potenciómetro especial de múltiples zonas regula la señal de trimado según el ángulo de cabeceo
- La señal de trimado de cabeceo, como la mayoría de las señales internas, también es CA de 400 Hz
- Cerca de la horizontal, el cursor del potenciómetro recibe CA de fase positiva y aplica la corrección de trimado configurada por el piloto
- En un ascenso casi vertical o una picada pronunciada, el cursor recibe una zona de 0 V y se elimina el trimado de cabeceo
- En posición invertida, recibe CA de fase negativa y la corrección de trimado se aplica en la dirección opuesta
Modelos, especificaciones y dispositivos relacionados
- Este indicador de actitud de 3 ejes se parece en muchos aspectos al FDAI usado en los vuelos espaciales Apollo, pero el FDAI tiene más indicadores y agujas
- El Soyuz Globus se usaba para navegación y gira en dos ejes, por lo que es más simple que este indicador del F-4
- Como especificación militar relacionada está MIL-I-27619, que cubre tres indicadores similares: ARU-11/A, ARU-21/A y ARU-31/A
- El ARU-11/A se usó en el F-111A
- El ARU-21/A se usó en el A-7D Corsair
- El ARU-31/A se usó en el RF-4C Phantom II, la variante de reconocimiento del F-4
- El indicador forma parte del AN/ASN-55 Attitude Heading Reference Set, y este conjunto está definido en MIL-A-38329
- El indicador analizado no tiene marcas de identificación y le faltan algunas piezas, por lo que es difícil determinar el modelo exacto
Límites y atractivo de los instrumentos electromecánicos
- El indicador de actitud de una aeronave es un instrumento crítico para mantener el vuelo, especialmente cuando la visibilidad es baja
- El indicador de actitud del F-4 muestra un eje más que un horizonte artificial común, pero por eso la mecánica y los circuitos eléctricos se vuelven mucho más complejos
- Los cazas modernos usan cabinas de cristal en lugar de estos complejos instrumentos electromecánicos
- Por ejemplo, la consola del F-35 reemplaza varios instrumentos por una amplia pantalla táctil panorámica que muestra la información en color
- Aunque los instrumentos mecánicos tienen desventajas prácticas, al abrirlos se revela un diseño singular que sostiene firmemente una esfera giratoria de 3 ejes y, al mismo tiempo, le permite moverse con libertad
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Me gusta que hayan incluido imágenes de ultra alta resolución, y sorprende que se hayan usado tantos trucos analógicos.
Hoy en día parece algo que se resolvería con unas pocas líneas de código.
Como aún no había una forma de producir en masa microelectrónica y controladores confiables, rápidos y baratos, en los ámbitos de alta confiabilidad la respuesta era la computación analógica.
En 1954, Rex Rice escribió que prefería programar computadoras con un simple plugboard antes que con abstracciones como los lenguajes de programación (https://dl.acm.org/doi/10.1145/1455270.1455272).
Así que en ese momento todavía era debatible si los lenguajes de programación de alto nivel eran la solución adecuada para los problemas del momento, y creo que quienes nos precedieron y manipulaban el mundo físico para hacer cálculos matemáticos eran verdaderos genios.
Mi padre, al inicio de su carrera, tuvo que desarmar y hacer ingeniería inversa de dispositivos aeroespaciales soviéticos, y todavía recuerda con admiración el excelente nivel de ingeniería y precisión de esos equipos.
Me gustaría que hubiera más material sobre la computación soviética, pero al final la historia la escriben los vencedores.
Siempre quise poner un indicador de estos en el tablero de un auto.
Ya tengo instalada una brújula de barco, y es bastante útil además de verse bien.
Lamentablemente, los indicadores eléctricos son mucho más raros que los accionados por vacío o que las cabinas completamente de cristal.
La idea sería poner motores paso a paso, encoders rotativos magnéticos y una unidad de medición inercial con brújula/giroscopio de 6 grados de libertad dentro de media esfera impresa en 3D.
Si se mete un Arduino o un ESP32 adentro para controlarlo, parece posible alimentarlo con un simple anillo rozante que solo pase energía a través de los ejes de alabeo y cabeceo.
Aunque por ahora solo lo estoy pensando; con otro artículo de Ken https://www.righto.com/2023/01/inside-globus-ink-mechanical-... también fantaseé con construir un dispositivo mecánico de navegación del Soyuz ruso.
Pero hoy en día la idea de hacer réplicas de tecnología soviética vintage no me atrae tanto como hace unos años.
Hay relativamente pocos aviones sin sistema de vacío pero con indicador de actitud mecánico eléctrico.
La opción más realista son los instrumentos mecánicos eléctricos de respaldo que se usaban en las primeras instalaciones completamente de cristal con G1000.
Para indicadores eléctricos de actitud de respaldo, mira los Diamond DA40 y DA42; los modelos posteriores, DA50 y DA62, usan instrumentos de respaldo completamente de cristal.
Me gustaría copiarte la idea, pero me pregunto si no tuviste problemas de interferencia del propio vehículo.
Si tienen preguntas, las respondo.
Me pregunto si eso se debe a la precisión y escala de los indicadores mecánicos de actitud, y al rango de vuelo más amplio de los aviones militares.
Estos aviones todavía se usan como parte central de la Fuerza Aérea de Irán, y el mismo dispositivo siguió en uso hasta que hace algunos años se actualizaron los equipos de aviónica de algunas variantes.
Por pura curiosidad, el artículo dice que el F-35 tiene una pantalla táctil completamente digital que maneja casi todo en el avión.
Si un cañón potente la daña, me pregunto cómo se las arregla el piloto cuando la pantalla se congela por completo.
En un F-4, se dañaría solo el instrumento que estuviera en la línea de fuego; siento que la diferencia es que en un caso se pierde todo y en el otro solo algunos instrumentos.
Seguramente estoy pasando por alto algo, o muchas cosas, sobre el F-35, pero en mi cabeza un avión 100% digital se siente bastante aterrador.
En los antiguos combates aéreos con cañones, los disparos solían venir desde atrás o entrar desde arriba atravesando la cúpula.
En ambos casos, si llegan a impactar los instrumentos, es muy probable que también pasen por el piloto.
Si vamos más atrás en el tiempo, también había impactos frontales, pero los duelos frontales entre cazas son muy difíciles fuera de los videojuegos, y se debían sobre todo a artilleros traseros de bombarderos.
Por eso algunos aviones muy antiguos de la Segunda Guerra Mundial tenían vidrio blindado delante del piloto.
Si un F-35 termina en una pelea de cañones, el piloto cometió un error grave, y el F-35 no está diseñado como caza de dogfight.
Incluso hoy, si un misil o fragmentos de artillería antiaérea estallan junto a la cabina y dañan los instrumentos, es probable que esos fragmentos también hieran al piloto y hagan difícil el vuelo de regreso ese día.
Esa también es la forma más plausible en que un F-35 sufriría daños en una guerra moderna.
No es que sea imposible un escenario en el que el panel de instrumentos quede destruido pero el piloto esté intacto, pero probablemente se consideró un riesgo de tan baja probabilidad que pesaba menos que las ventajas de una cabina de cristal.
Por ejemplo, el sistema de control de vuelo está detrás del piloto.
Aun así, por seguridad de vuelo, supongo que las pantallas del F-35 al menos están duplicadas.
Piensa en una estructura con dos pantallas integradas de forma fluida como si fueran una sola.
El ISIS normalmente tiene sus propios sensores y batería de respaldo, así que debería seguir funcionando aunque falle la pantalla principal.
https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_standby_instrument_...
Es una pantalla altamente reforzada, redundante y de propósito especial, y eso por sí solo es toda una industria.
Hay empresas que colocan conductores transparentes sobre la pantalla para poder calentarla y fabricar pantallas que sigan funcionando incluso en la cubierta de un portaaviones en el círculo polar ártico.
También hay empresas que todavía fabrican CRT para ciertos usos militares.
Estas pantallas son más seguras, más confiables y más resistentes que los sistemas mecánicos que reemplazan.
En el F-35 hay una pequeña pantalla cuadrada en la consola central que muestra el indicador de actitud y los parámetros de vuelo.
Ni hace falta decir que, si se apaga la pantalla principal, das media vuelta de inmediato y buscas el aeropuerto más cercano.
kens@ es un tesoro que no merecemos.
Espera, ¿eres quien hizo Linux/4004?
Ese proyecto fue realmente impresionante.
Es increíble pensar que toda esta tecnología fue creada por gente que usaba reglas de cálculo.
Me imagino que los ingenieros que hicieron esto se habrían emocionado mucho al saber que alguien descubrió cómo resolvieron todos estos problemas.
Es realmente genial ver todos los detalles de ingeniería involucrados.
Como alguien del mundo del software, siempre me pregunto cómo manejaban los bugs y el aseguramiento de calidad al construir hardware tan complejo.
Es un campo que merece estudiarse por derecho propio.
Si quieres empezar a entender las aplicaciones de altísima confiabilidad, Design for Six Sigma es un buen punto de partida.
https://www.youtube.com/watch?v=_g6UswiRCF0
Cuando tienes que entregar bajo esas restricciones, aparece un nivel de concentración difícil de experimentar en el diseño moderno.