Globus INK, la computadora mecánica de navegación para vuelos espaciales soviéticos (2023)

 (righto.com)
1 puntos por GN⁺ 2024-10-07 | 1 comentarios | Compartir por WhatsApp
  • El Globus INK de la nave Soyuz era un indicador analógico electromecánico de navegación que mostraba la posición sobre la Tierra mediante un globo terráqueo giratorio, y calculaba la posición orbital con engranes, levas y engranes diferenciales
  • A diferencia de la Apollo Guidance Computer, no recibía datos de una IMU ni de entradas externas de navegación; los cosmonautas ajustaban manualmente la posición inicial y el período orbital, y luego el sistema mostraba una posición prevista
  • Implementaba la órbita estándar de Soyuz fijando el eje del globo terráqueo a 51.8°, pero eso imponía grandes restricciones: solo servía para órbitas circulares y con una inclinación fija
  • El modo de predicción de aterrizaje mostraba el lugar de aterrizaje si se encendían los cohetes de retroceso en ese momento; mediante el ángulo de aterrizaje, un motor y switches de límite, hacía girar el globo una fracción de órbita y ofrecía una precisión de unos 150 km
  • El Globus INK ofrecía una visualización de la Tierra en alta resolución y a todo color que era difícil de implementar con computadoras electrónicas en la década de 1960, pero fue reemplazado en 2002 por las pantallas digitales de Soyuz-TMA debido a sus ajustes manuales y restricciones orbitales

La posición de la Soyuz mostrada con un globo terráqueo giratorio

  • Globus INK era oficialmente un “indicador de navegación espacial”, llamado por la sigla rusa INK, y mostraba con un globo terráqueo giratorio la posición en la Tierra debajo de la nave Soyuz
  • El globo se movía bajo una retícula fija en la cúpula de plástico, lo que permitía a los cosmonautas comparar el terreno fuera de la ventana con la posición indicada
  • Los dispositivos alrededor del globo también proporcionaban información de navegación
    • Los diales de la izquierda y de la parte superior mostraban numéricamente la latitud y la longitud, respectivamente
    • El dial de luz/sombra de la parte inferior mostraba los tramos en los que la nave recibía luz solar y aquellos en los que entraba en sombra, y se usaba para decidir maniobras de acoplamiento
    • El contador orbital mostraba el número de órbitas completadas por la nave
  • En un segundo modo, el sistema hacía girar el globo para que bajo la retícula quedara el lugar de aterrizaje en caso de encender en ese momento los cohetes de retroceso e iniciar el procedimiento de aterrizaje
    • Los cosmonautas podían evaluar si el terreno de ese lugar era adecuado para aterrizar

Un indicador de posición prevista, no un sensor real de navegación

  • Los cosmonautas configuraban con perillas la posición inicial y el período orbital, y luego Globus seguía el avance de la órbita mediante un mecanismo electromecánico
  • A diferencia de la Apollo Guidance Computer, no recibía información de una IMU ni de otras fuentes de navegación, por lo que no era un dispositivo que midiera la posición real, sino más bien un indicador de posición prevista basado en valores configurados
  • El dispositivo analizado fue un caso en el que se abrió, reparó y sometió a ingeniería inversa un Globus en manos de un coleccionista; en su interior había engranes, levas y engranes diferenciales, además de relés, solenoides y componentes eléctricos
  • El dispositivo estaba dañado
    • Tenía una gran abolladura en la parte trasera de la carcasa, y el eje del globo se había salido de su lugar y no engranaba con los mecanismos
    • El globo había golpeado componentes internos, dejando rayones en la zona de África
    • Si se colocaba el globo de forma arbitraria, la sincronización de latitud y longitud quedaba desfasada, por lo que había que ajustar la temporización de los engranes y devolverlo a su posición correcta

El mapa del globo y la implementación de la órbita de 51.8°

  • El pequeño globo terráqueo mostraba con detalle accidentes geográficos como montañas, lagos y ríos, para que los cosmonautas pudieran contrastar el terreno observado a simple vista con la indicación de navegación
  • La representación del terreno también era importante para elegir el sitio de aterrizaje y se usaba para verificar la geografía de la zona prevista
  • Casi no hay fronteras políticas, pero líneas gruesas rojas y moradas señalan la frontera de la URSS y los límites entre el bloque comunista y el no comunista
  • Los círculos numerados del 1 al 8 representan puntos de comunicación por radio capaces de comunicarse con la nave

  • Dos rotaciones con ejes fijos

    • El globo no era una esfera que flotara y rotara libremente, sino que estaba controlado por ejes y engranes fijos en el dispositivo
    • El ecuador del globo era una pieza metálica rígida que giraba alrededor del eje horizontal del dispositivo
    • Un segundo mecanismo interno de engranes hacía girar el globo alrededor del eje norte-sur
    • Ambas rotaciones se transmitían mediante ejes concéntricos fijos al dispositivo, logrando dos grados de libertad de rotación solo con ejes fijos

  • La órbita estándar de Soyuz definida por 51.8°

    • El eje del globo estaba configurado a 51.8° para soportar la inclinación orbital estándar de Soyuz
    • Gracias a este ángulo, bastaba con girar el globo alrededor del eje horizontal para que la retícula siguiera la órbita estándar de Soyuz
    • Mientras la Tierra rotaba, girar los dos hemisferios del globo alrededor del eje polar generaba distintas órbitas de 51.8° sobre la superficie
    • 51.8° es mayor que la latitud de 45.97° del Cosmódromo de Baikonur porque el cohete debía inclinarse hacia el norte para que la trayectoria de lanzamiento no pasara sobre el oeste de China
    • La explicación relacionada está enlazada en una respuesta de Space Stack Exchange

Grandes limitaciones impuestas por el diseño físico

  • La inclinación orbital estaba fijada por el ángulo físico del mecanismo del globo, por lo que distintas órbitas requerían distintos dispositivos Globus
  • Este diseño solo podía manejar órbitas circulares, de modo que dejaba de ser útil en situaciones donde la órbita cambiaba, como en un rendezvous o acoplamiento
  • Debido a estas limitaciones, algunos cosmonautas querían retirar el Globus del panel de control, pero permaneció allí hasta que Soyuz-TMA lo reemplazó por una pantalla computarizada en 2002

Período orbital y mecanismo de velocidad variable

  • Una órbita de Soyuz dura unos 90 minutos, pero el tiempo varía según la altitud
  • Globus tenía perillas para ajustar el período orbital en unidades de minutos, 0.1 minutos y 0.01 minutos, con un rango de ±5 minutos respecto del valor de referencia de 91.85 minutos
  • El dispositivo se movía con pulsos fijos de 27 V a 1 Hz, pero la velocidad de rotación del eje orbital del globo debía variar según el período orbital
  • La solución consistía en sumar tres incrementos a la velocidad base
    • Incremento de ajuste en minutos
    • Incremento de ajuste en 0.1 minutos
    • Incremento de ajuste en 0.01 minutos
  • Se usaban varios engranes diferenciales para sumar o restar velocidades de rotación
  • La velocidad de rotación variable se generaba con una leva cónica de sección en espiral
    • Tres seguidores sobre la leva se ubicaban en posiciones distintas; en la parte estrecha producían una rotación pequeña, y en la parte ancha una rotación mayor
    • Al cambiar la posición de un seguidor, se seleccionaba la velocidad de rotación correspondiente
  • Al completar una vuelta, la leva volvía bruscamente al diámetro inicial, haciendo que el seguidor saltara de regreso a su posición original
    • Para evitar que el globo retrocediera de golpe, el seguidor estaba conectado al engrane diferencial mediante un embrague deslizante y un trinquete
    • El trinquete bloqueaba el eje motriz en el instante del retorno, haciendo que la salida continuara como una rotación relativamente suave

Cálculo de latitud, longitud y luz/sombra

  • Los indicadores a la izquierda y arriba del globo mostraban la latitud y longitud de la nave, respectivamente
  • La latitud y la longitud se definen como funciones complejas de la proyección de la órbita sobre el globo, y esas funciones se implementaban mediante la forma de levas metálicas
  • Cada función usaba dos levas
    • Una implementaba la función deseada
    • La otra tenía la forma inversa para mantener la tensión del mecanismo seguidor con forma de mordaza
  • La leva de latitud accionaba el dial de latitud, haciendo que oscilara entre 51.8°N y 51.8°S
  • La longitud era más compleja por la rotación de la Tierra, y la salida del dial de longitud se obtenía sumando con un engrane diferencial la rotación terrestre al valor de la leva
  • En forma de ecuaciones, la latitud se resume como arcsin(sin i * sin(2πt/T)), y la longitud como arctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0

  • Indicador de luz y sombra

    • Globus tenía un indicador que mostraba cuándo la nave entraba en luz o en sombra
    • El dial estaba formado por dos diales concéntricos y se configuraba con dos perillas
    • Estos diales se movían junto con la órbita de la nave, mientras que la leyenda roja permanecía fija
    • Es posible que este dial estuviera conectado por engranes al dial de longitud, pero esa parte aún está bajo investigación

Modo de predicción del lugar de aterrizaje

  • Globus podía mostrar dónde aterrizaría la nave si comenzaba en ese momento la ignición de reentrada
  • La precisión del cálculo del lugar de aterrizaje era de 150 km
  • El método de cálculo consistía en proyectar la órbita actual hacia adelante una fracción de órbita, según el tiempo hasta el aterrizaje
  • Los cosmonautas especificaban esa fracción orbital como “ángulo de aterrizaje”
  • En este modo, el indicador electroluminiscente de la parte superior izquierda del dispositivo mostraba “lugar de aterrizaje”
  • Para obtener el lugar de aterrizaje, un motor hacía girar el globo y se detenía al alcanzar el ángulo especificado
    • La perilla de ajuste del panel movía el switch de límite al ángulo deseado mediante un tornillo sin fin
    • Al activarse el motor, el globo y el brazo oscilante giraban juntos
    • Cuando el brazo oscilante tocaba el switch de límite del ángulo, el motor se detenía y el globo quedaba girado el ángulo especificado
    • Un switch de límite fijo se usaba para devolver el globo a la posición orbital normal
  • Un switch giratorio de tres posiciones controlaba el modo de ángulo de aterrizaje
    • “MP” seleccionaba el punto de aterrizaje
    • “Z” mostraba la posición sobre la Tierra
    • “Off” revertía la rotación del ángulo de aterrizaje y apagaba el mecanismo

Circuitos electrónicos y accionamiento por solenoides

  • Globus era en su mayor parte mecánico, pero también incluía una placa electrónica
  • La placa electrónica tenía cuatro relés, un transistor, resistencias y diodos
  • La mayoría de los relés parecían encargarse de accionar el motor del mecanismo de lugar de aterrizaje hacia adelante y hacia atrás, y de detenerlo mediante los switches de límite
  • En ambos extremos de las bobinas de los relés había dos diodos en serie, que funcionaban como diodos flyback para eliminar el pico inductivo que se produce al desconectar la bobina
  • Un potenciómetro de 360° convertía la posición orbital de la nave en voltaje
    • Globus proporcionaba esta señal de voltaje a otros dispositivos de la nave
    • La hipótesis de que el transistor de la placa electrónica amplificaba este voltaje aún está bajo investigación
  • El dispositivo contenía muchos mazos de cables para tratarse de un aparato mecánico
  • Todos los cables que iban al conector externo estaban cortados
    • El conector era un diseño militar soviético estándar RS32TV de 32 pines
    • Es posible que cortar los cables haya sido parte del proceso de retiro de servicio
    • Sin embargo, el sello de cera antimanipulación de la carcasa estaba intacto, lo que no coincide del todo con un resellado oficial
  • El dispositivo se accionaba mediante dos solenoides de trinquete
    • Uno era para la rotación orbital y el otro para la rotación de la Tierra
    • Los solenoides recibían pulsos de 27 V a 1 Hz
    • Cada pulso hacía avanzar el engrane un diente, y un fiador impedía que el engrane retrocediera

Rastros de la misión Apollo-Soyuz

  • Al globo se le habían agregado puntos rosados y etiquetas de tres letras en alfabeto latino
  • Marcas como GDS, MIL, BDA y NFL indican estaciones de rastreo de NASA
    • GDS es Goldstone
    • MIL es Merritt Island
    • BDA es Bermuda
    • NFL es Newfoundland
  • Estas marcas sugieren que este Globus fue fabricado para el Apollo-Soyuz Test Project, en el que la nave Apollo y la cápsula Soyuz se acoplaron en 1975
  • La etiqueta VAN en medio del Pacífico también respalda la conexión con Apollo-Soyuz
    • El USNS Vanguard era un buque de rastreo de NASA usado en el programa Apollo para cubrir vacíos de comunicaciones por radio
    • Durante la misión Apollo-Soyuz, el Vanguard se ubicó en 25°S, 155°W, exactamente coincidente con el punto VAN en el globo
  • Las estaciones de rastreo de NASA listadas son CYI, ACN, MAD, TAN, GWM, ORR, HAW, GDS, MIL, QUI, AGO, BDA, NFL y VAN

Linaje desde Vostok hasta Soyuz-TMA

  • La historia de Globus se remonta a los inicios de los vuelos espaciales tripulados soviéticos
  • La primera versión fue el IMP, más simple, cuyo desarrollo comenzó en 1960 para los vuelos de Vostok en 1961 y Voskhod en 1964
  • El Globus IMP inicial también tenía funciones básicas similares al INK: mostraba la posición de la nave y el lugar de aterrizaje
  • El IMP tenía un contador orbital en la parte inferior derecha, y las indicaciones de latitud y longitud se agregaron para los vuelos Voskhod
  • Había varias diferencias entre IMP e INK
    • El IMP no tenía el indicador inferior de sol/sombra
    • No tenía controles para configurar el ángulo de aterrizaje
    • Los modos de órbita y de lugar de aterrizaje se seleccionaban mediante un switch externo, no con un switch dentro del dispositivo
  • El modelo INK, más complejo, se fabricó para los vuelos Soyuz a partir de 1967 y formaba parte del sistema de visualización de información “Sirius”
  • El Neptun IDS de Soyuz-T en 1976 y el Neptun-M de Soyuz-TM en 1986 modernizaron la mayor parte de la consola, pero conservaron el Globus INK
  • En 2002, Soyuz-TMA se actualizó al sistema Neptun-ME y pasó a usar pantallas digitales, por lo que Globus fue reemplazado por una pantalla gráfica

Rendimiento y límites

  • Globus INK era una computadora analógica que calculaba la órbita mediante un sofisticado sistema de engranes, levas y engranes diferenciales
  • Proporcionaba a los cosmonautas una visualización de posición en alta resolución y a todo color que las computadoras espaciales electrónicas de la década de 1960 difícilmente podían ofrecer
  • Sus límites funcionales también eran claros
    • Había que configurar manualmente la posición inicial de la nave, la velocidad orbital, los tramos de luz/sombra y el ángulo de aterrizaje
    • Al no recibir entradas externas de navegación como una IMU, su precisión no era alta
    • Solo admitía órbitas circulares con un ángulo fijo
  • Las pantallas digitales modernas no tienen el atractivo físico del globo giratorio, pero ofrecen muchas más funciones
  • La ingeniería inversa aún está en curso, y como se usó Google Translate para interpretar el ruso, los detalles de la explicación podrían cambiar

Lecturas relacionadas

1 comentarios

 
GN⁺ 2024-10-07
Opiniones en Hacker News
  • Puedo responder preguntas sobre computadoras mecánicas. P. D.: hay dos artículos más que tratan Globus con más detalle y explican los circuitos y los algoritmos
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-electroni...
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-globus-in...
  • CuriousMarc subió una serie de 3 videos restaurando este dispositivo, y vale la pena verla
    https://www.youtube.com/watch?v=dmHaCQ8Ul6E
    https://www.youtube.com/watch?v=CP5dfjxdkQ4
    https://www.youtube.com/watch?v=eG29HrU6Slw
    • Probablemente sea, de hecho, el mismo dispositivo. Hay una parte que dice: “Por suerte CuriousMarc pudo volver a colocar el globo en su lugar manteniendo sincronizados los engranajes. Si hubiera encajado el globo de forma arbitraria, la latitud y la longitud habrían quedado mal”
  • Leí un libro interesante sobre la carrera espacial vista desde el lado soviético, y una de las cosas que me llamó la atención fue que, por la falta de tecnología de transistores de estado sólido, estaban usando tubos de vacío en las naves espaciales
    Según eso, también hubo problemas con las caminatas espaciales, porque si se exponía el interior de la cápsula al espacio, los equipos electrónicos podían explotar
    The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned, de John Strausbaugh
    https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
    • Con solo ver el título se nota que ese libro busca ser sensacionalista y atacar a un lado, más que ofrecer precisión histórica
      De hecho, el autor ni siquiera usó bien las fuentes primarias: https://www.thespacereview.com/article/4851/1
      Es parecido a recomendar un libro sobre el programa Apollo escrito por un ruso que no leyó documentos estadounidenses. Si tiene que ser un autor occidental, la biografía de Korolev de James Harford organiza mucho mejor el programa espacial soviético y también tiene reseñas académicas serias
    • ¿Por qué tendrían que explotar los tubos de vacío al exponerse al vacío?
    • Eso es una tontería. La NASA también usó tubos de vacío en naves espaciales, y es muy probable que todavía los use. No explotan en el vacío y además son más resistentes a la radiación que los transistores
  • Las calculadoras mecánicas siempre me han parecido fascinantes, y aquí hay un artículo que explica en video la computadora de control de tiro naval MK1
    https://hackaday.com/2014/10/28/retrotechtacular-fire-contro...
  • El año pasado se vendió una por el módico precio de nada menos que 40 mil euros
    https://meshok.net/en/item/275902733_%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9...
  • Más allá de si era técnicamente inferior a la tecnología espacial estadounidense de la época, esa creatividad es digna de admiración
  • Las computadoras mecánicas todavía van a bordo de buques de guerra rusos. Están hechas para funcionar incluso en caso de un ataque de pulso electromagnético
  • Quizá sea una pregunta tonta, pero ¿cómo se interfiere con un dispositivo así? ¿Es posible siquiera? Por ejemplo, si quisieras que aterrizara en una ubicación incorrecta o que diera más vueltas en órbita de las previstas
    • No se puede interferir. Básicamente es más bien un indicador de reloj con perillas y diales adicionales. No tiene sensores ni entradas, salvo un pulso de 1 segundo
  • Imagínate ir al espacio usando un dispositivo que mueve un pin sobre un globo terráqueo con engranajes
  • Ahora también deberían cubrir el dispositivo con forma de esfera del Apollo 8
    • Si alguien me presta un FDAI, se puede hacer de inmediato