Dentro del FDAI “8-ball” del Apollo
(righto.com)- El FDAI del Apollo Lunar Module era el indicador de vuelo clave que reunía en un solo instrumento la actitud de la nave, las indicaciones de control y la velocidad de rotación
- Por fuera parece que toda la esfera gira libremente en los tres ejes de roll, pitch y yaw, pero en realidad el trabajo se reparte entre un mecanismo fijo en el ecuador y una carcasa hemisférica hueca
- Las señales de posición se procesan con synchro y lazos servo usados en la aviónica de las décadas de 1950 y 1960, con una estructura de control transformer, amplificador y motor/tachometer para reducir el error
- La unidad revisada era un Model 4068F para Apollo, pero fue modificada para un simulador del Space Shuttle y tenía entrada synchro, iluminación incandescente, diales estilo Shuttle y ajustes adicionales
- Este diseño forma parte de la línea de Lear Siegler que pasa por el X-15, el F-4 ARU/11-A, Gemini, Apollo y el Space Shuttle, y el FDAI de Apollo se parece a una etapa intermedia que conserva el diseño previo mientras elimina funciones innecesarias para una nave espacial
El papel del FDAI en el Apollo Lunar Module
- El FDAI (Flight Director / Attitude Indicator) era el instrumento que mostraba la actitud de la nave durante los vuelos lunares del Apollo
- La pantalla esférica indicaba la actitud de la nave
- Como una mitad de la esfera era negra, recibió el apodo de “8-ball”
- Tres agujas amarillas indicaban cómo debía maniobrar la nave el astronauta
- Otras tres agujas mostraban la velocidad de rotación de la nave
- El Lunar Module tenía dos FDAI
- El de la izquierda era para el Commander y el de la derecha para el Lunar Module Pilot
- En Apollo 11, el Commander era Neil Armstrong y el Lunar Module Pilot era Buzz Aldrin
- Por su gran tamaño y su ubicación central, el FDAI tenía mucho peso visual en el panel del Lunar Module
- El FDAI del Lunar Module podía seleccionar varias fuentes de entrada con interruptores del panel
- La esfera de actitud podía recibir datos de la Inertial Measurement Unit o del sistema de respaldo Abort Guidance System
- La actitud de pitch también podía venir de ORDEAL (Orbital Rate Display Earth And Lunar), que simulaba una órbita circular
- La indicación de error podía venir del Apollo Guidance Computer, del Abort Guidance System, del landing radar o del rendezvous radar
- Las indicaciones de velocidad de pitch, roll y yaw eran impulsadas por el Rate Gyro Assembly
- La escala de velocidad se seleccionaba con un interruptor debajo del FDAI entre 25°/sec y 5°/sec
El mecanismo interno que produce la rotación en 3 ejes
- La esfera del FDAI muestra rotación en los tres ejes: roll, pitch y yaw
- Roll corresponde a inclinarse hacia los lados alrededor del eje de dirección de vuelo
- Pitch es el movimiento de levantar o bajar la nariz
- Yaw es el cambio de dirección hacia izquierda o derecha
- Los attitude indicator de aeronaves normales por lo general omiten el yaw
- El FDAI real mueve la esfera con tres motores
- El motor de roll está montado en el bastidor del FDAI y hace girar el gimbal de roll mediante engranes
- Los motores de pitch y yaw están dentro de la esfera
- El gimbal de roll se conecta en dos puntos del “ecuador” del mecanismo esférico, y esos dos puntos definen el eje de pitch
- La clave para que parezca que la esfera gira libremente en 3 ejes es la estructura de carcasa hemisférica
- El motor de pitch hace girar el mecanismo interno de la esfera sobre el eje de pitch
- El motor de yaw gira un eje vertical, y ese eje hace rotar las dos carcasas hemisféricas montadas arriba y abajo
- En la rotación de yaw, el mecanismo interno no se mueve; solo gira la carcasa alrededor del eje de yaw
- Se usan slip rings para evitar que el cableado se enrede
- El primer conjunto de slip ring maneja la rotación sobre el eje de roll y mantiene la conexión eléctrica entre la parte fija y el gimbal de roll giratorio
- 23 pares de escobillas se encargan de 23 conexiones
- Un segundo conjunto de slip ring maneja la rotación sobre el eje de pitch dentro de la esfera
- Como en el eje de yaw solo gira la carcasa hemisférica, no hace falta cableado ni se usan slip rings
Control con synchro y lazos servo
- En las décadas de 1950 y 1960, el synchro se usaba ampliamente como método estándar para transmitir eléctricamente señales de posición rotacional
- Un synchro envía por tres cables una salida que cambia según la posición angular del eje
- Si se conectan dos synchro, el eje del segundo puede girar al mismo ángulo que el primero
- Se usaban en aplicaciones muy diversas, desde instrumentos de aviónica hasta la rotación de torretas de buques de guerra
- Como el synchro no tiene mucho torque, el FDAI combinaba lazos servo con motores más potentes
- El control transformer compara el ángulo de entrada con la posición del eje de salida y genera una señal de error
- El amplificador impulsa el motor en la dirección adecuada según esa señal de error
- El motor se mueve hasta que el error llega a 0 y así se alinea con la posición objetivo
- La señal del tachometer se usa como voltaje de retroalimentación negativa para frenar el motor cerca del objetivo y reducir overshoot y oscilación
- Los motores del FDAI son unidades motor/tachometer usadas en lazos servo de aviónica
- Reciben alimentación de 115V AC a 400Hz, pero no giran por sí solos
- Si se aplica voltaje con la fase adecuada a dos control winding de bajo voltaje, giran en una dirección o en la opuesta
- El tachometer interno genera una señal AC de bajo voltaje proporcional a la velocidad de giro del motor
- Según la dirección de giro, la señal del tachometer queda en la misma fase que la señal de accionamiento de 400Hz o en fase opuesta de 180º
Placa amplificadora y circuito de accionamiento a 400Hz
- El FDAI tiene tres lazos servo, uno por eje
- Cada lazo tiene su propio control transformer, motor y amplifier
- La placa amplificadora tiene una estructura poco común con componentes montados unos sobre otros para ahorrar espacio
- Algunos terminales de componentes son largos y están protegidos con mangas transparentes de plástico
- La placa amplificadora amplifica la señal de error para que el motor gire en la dirección correcta
- La entrada es una señal AC de 400Hz; su magnitud representa el tamaño del error o de la velocidad y su fase representa la dirección
- Dos salidas accionan los dos control winding del motor para determinar el sentido de giro
- También se usa la salida del tachometer para frenar el motor a medida que baja el error y evitar el overshoot
- El circuito está basado en germanium transistor
- Los dos transistores de la izquierda amplifican las señales de error y del tachometer para accionar el pulse transformer
- La salida del pulse transformer acciona los transistores de salida con medias ondas del ciclo de 400Hz en fases opuestas
- Esa operación activa los control winding del motor y produce la rotación en la dirección deseada
La línea histórica de los instrumentos Lear Siegler
- Bill Lear fue un inventor nacido en 1902 con más de 150 patentes, conocido por el 8-track tape y el Learjet
- Fundó varias empresas en la década de 1920 e inventó una de las primeras radios para automóvil de Motorola
- Más adelante creó Lear Avionics, especializada en instrumentos aeroespaciales
- Lear Avionics fabricó instrumentos aeronáuticos y sistemas de control de vuelo como el F-5 automatic pilot
- La tecnología de indicadores de actitud de Lear evolucionó a partir del problema del vuelo con gran ángulo
- El F-102 Delta Dagger podía hacer ascensos muy pronunciados, pero los attitude indicator existentes casi no podían manejar vuelo casi vertical
- Lear desarrolló una plataforma remota de dos giroscopios y un indicador en cabina para evitar el gimbal lock durante vuelo vertical
- En el avión cohete X-15 se mejoró para manejar los tres ejes de roll, pitch y yaw
- El attitude indicator del X-15 sirvió de base para el ARU/11-A del caza F-4
- Después, con “modificaciones mínimas”, se usó como attitude-director indicator en el programa espacial Gemini
- El instrumento de Gemini volvió a modificarse para convertirse en el FDAI del Apollo Lunar Module
- Lear Siegler también suministró varios componentes al programa Apollo, como el directional gyro del Lunar Rover y la pantalla electroluminescent del DSKY del Apollo Guidance Computer
- En 1974, Lear Siegler obtuvo el contrato para desarrollar el ADI (Attitude-Director Indicator) del Space Shuttle y produjo 12 unidades ADI
- En ese momento, Lear Siegler ya había perdido interés en la aviónica espacial de producción limitada
- La división de manufactura se negó a encargarse de los procedimientos especiales necesarios para fabricación espacial, así que las unidades del Shuttle fueron hechas por el engineering department
- Después, Lear Siegler ya no participó en licitaciones de aviónica del Space Shuttle, y el ADI del Shuttle fue su último producto espacial
- A principios de los 2000, los instrumentos del Shuttle se actualizaron a un “glass cockpit” MEDS (Multi-function Electronic Display System) basado en 11 pantallas planas, producido por Honeywell
Similitudes y diferencias entre el ARU/11-A y el FDAI de Apollo
- El FDAI de Apollo y el ARU/11-A del F-4 comparten el mecanismo básico y el amplificador electrónico, pero tienen diferencias estructurales importantes
- En el ARU/11-A, la parte electrónica está en un módulo aparte que se conecta detrás del indicador
- En el FDAI, la electrónica va integrada dentro de la unidad y la placa está montada en el bastidor del instrumento
- Las placas amplificadoras del ARU/11-A y del FDAI son idénticas y usan germanium transistor
- El inusual transformer de 11 pines también es el mismo
- Hay diferencias en la placa de alimentación y en la estructura mecánica
- Las placas de alimentación difieren por los scaling resistor y por la distribución del espacio de cada unidad
- El ball assembly tiene casi el mismo motor assembly y el mismo mecanismo de slip ring
- Hay pequeñas diferencias en el gearing; el FDAI tiene dos engranes plásticos y el ARU/11-A usa solo engranes metálicos
- La función de pitch trim del ARU/11-A fue eliminada casi por completo en el FDAI de Apollo
- Como los aviones tienen algunos grados de angle of attack en vuelo horizontal, resulta útil una perilla de pitch trim que corrige el instrumento para mostrar nivel
- Como esa corrección no debe aplicarse cuando un caza vuela en vertical, el ARU/11-A usa un 8-zone potentiometer especial en el eje de pitch
- En una nave espacial esa corrección no tiene sentido, así que no se implementó en los instrumentos de Apollo ni del Space Shuttle
- En el FDAI revisado no estaban el potentiometer ni el cableado, pero sí quedaba la carcasa cilíndrica
- El FDAI de Apollo no es ni una simple reutilización del ARU/11-A ni un rediseño total
- Conserva el diseño existente donde es posible
- Elimina funciones innecesarias como el pitch trim
- Integra dentro del FDAI más grande la unidad mecánica y el amplificador separados del ARU/11-A
Huellas de la modificación para simulador del Space Shuttle
- La unidad revisada fue fabricada para Apollo, pero es una unidad especial modificada para un simulador del Space Shuttle
- Está marcada como Model 4068F, que es un número de parte del Lunar Module
- En el interior lleva la fecha “Apr. 22 1968”, más de un año antes del primer alunizaje
- El método de entrada es distinto al del diseño original de Apollo
- Tanto el FDAI del Apollo como el ADI del Shuttle usan resolver para controlar la esfera
- El FDAI revisado usa synchro
- Es posible que NASA haya reemplazado tres resolver control transformer por synchro control transformer para uso en simulador
- La iluminación y los diales también fueron adaptados al simulador del Shuttle
- El FDAI de Apollo usaba electroluminescent lighting para la pantalla, pero el revisado usa ocho pequeños focos incandescentes
- La carcasa metálica lleva una etiqueta Dymo en relieve que dice “INCANDESCENT LIGHTING”
- Incluye un step-down transformer para bajar la entrada de 115VAC a 5VAC para los focos
- Los diales fueron repintados para coincidir con el FDAI del Shuttle, y aún quedan rastros de pintura negra sobre la banda roja del dial de Apollo
- En lugar de la mira central del Apollo LM FDAI, tiene un indicador blanco en forma de U como el del Shuttle y el FDAI del Command Module
- No se ven las zonas circulares rojas polares para advertencia de gimbal lock del FDAI de Apollo
- También hubo modificaciones eléctricas adicionales
- Se añadió un pequeño conector verde Micro-D MDB1 en el brazo del gimbal, entre el slip ring y el motor
- El conector está pegado de manera algo tosca, así que no parece una modificación para vuelo
- Es posible que se haya usado para facilitar el desmontaje y la modificación
- El elapsed time indicator también está montado con adhesivo
- La estructura trasera es completamente distinta a la de Apollo
- El connector pinout es completamente diferente
- Hay ajuste mecánico y trimpot para cada una de las seis agujas indicadoras
- También hay adjustment potentiometer para cada uno de los tres ejes
Diferencias con el ADI del Space Shuttle
- El Space Shuttle tenía tres ADI y, aunque el nombre era distinto, eran muy parecidos al FDAI de Apollo
- En la flight deck delantera había dos ADI octagonales, uno frente al Commander y otro frente al Pilot
- También había un tercer ADI en la estación de la aft flight deck
- El FDAI revisado fue modificado de forma importante para simulador del Shuttle, pero sigue estando más cerca del FDAI de Apollo que del ADI real del Shuttle
- Existe la hipótesis de que el simulador se construyó antes de que existiera el ADI del Shuttle, por lo que se usó un FDAI de Apollo
- El ADI del Shuttle era eléctricamente mucho más complejo que el FDAI de Apollo y que la unidad revisada
- El FDAI de Apollo tenía un simple indicador “OFF” para mostrar pérdida de alimentación
- El ADI del Shuttle incluía un voltage level monitor que verificaba cinco power supply
- El ADI del Shuttle usaba tres alimentaciones DC y dos AC, mientras que Apollo usaba una sola AC supply
- También supervisaba el position error del servo de la esfera
- Además recibía una señal externa “Data OK”
- Si cualquiera de los monitores detectaba una falla, bajaba el indicador “OFF” para mostrar que no se podía confiar en el ADI
- Las seis agujas del ADI del Shuttle eran iguales a las de Apollo, pero usaban retroalimentación para mejorar la precisión de posición
- Cada aguja del Shuttle tenía un sensor de retroalimentación LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
- La salida del LVDT impulsaba un servo feedback loop para asegurar que la aguja llegara a la posición correcta
- En el FDAI de Apollo, el voltaje de entrada de las agujas accionaba el galvanometer para moverlas proporcionalmente, sin un closed loop que garantizara precisión
Resumen
- El “8-ball” del FDAI era el instrumento clave de Apollo para mostrar la actitud en 3 ejes de la nave espacial
- La estructura que hace parecer que la esfera gira libremente consiste en que la mayor parte del mecanismo interno rota en 2 ejes, mientras una carcasa hemisférica hueca aporta el tercer eje de rotación
- Este instrumento forma parte de la línea de attitude director de Lear Siegler que pasa por el avión cohete X-15, el caza F-4, Gemini, Apollo y el Space Shuttle
- El FDAI revisado, al haber empezado en Apollo y luego ser modificado para un simulador del Space Shuttle, muestra rasgos de los instrumentos tanto de Apollo como del Shuttle
- Se puede ver un video corto del FDAI en movimiento en esta publicación de Bluesky
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Soy el autor. Si tienen preguntas sobre Apollo, las respondo :-)
Solo una pequeña corrección: al revisar, el piloto automático F-5 de Bill Lear no parece tener relación con el caza Northrop F-5
Me pregunto si había un requisito de que fueran componentes diferentes, o si simplemente Grumman/North American eligieron proveedores distintos
En otra época, esto habría sido una buena tarea para una clase de control analógico eléctrico/electrónico
Esto es kunst de UI, una joya. Con solo mirarlo, se puede saber de inmediato la actitud de la aeronave
Como piloto espacial amateur con 1000 horas en KSP y más de 200 en Flight of Nova, lo que más extraño de los instrumentos de vuelo estilo Apollo de KSP en la cabina moderna de una nave de propulsión por fusión de FoA es el Nav-Ball
El indicador de actitud tipo “escalera” de los cazas no se lee de un vistazo; hay que concentrarse para ver los números junto a las marcas de la escalera y luego volver a mirar la brújula para entender el panorama completo. Es la diferencia entre apartar la vista del pilotaje y concentrarse 3 segundos, frente a 0.5 segundos en los que probablemente el subconsciente ya lo tiene interiorizado
Para dimensionar esos 3 segundos: según los instrumentos, Apollo 11 tenía menos de 20 segundos de combustible restante al momento del alunizaje
Excelente artículo. Soy casi un fanático de los conectores, pero nunca había oído hablar del tipo MDB1. Hay una foto aquí: https://www.digikey.com/en/products/detail/itt-cannon-llc/MD...
Cannon es tan famoso por sus conectores circulares con carcasa metálica que el nombre se volvió casi genérico, como Kleenex. Creía que “todos” sabían cómo era un “Cannon connector”, pero no esperaba que tuviera forma de D-sub
El año pasado vi en HN un artículo parecido sobre un dispositivo de la era soviética. Era un globo que mostraba dónde estaba la nave espacial respecto de la Tierra
Como mencionas, esa esfera no muestra la actitud de la nave en el espacio, sino su posición sobre la Tierra, así que parece un globo terráqueo con continentes dibujados. La esfera gira sobre dos ejes, no sobre tres
Además, el Globus no tiene entrada externa; hace girar la esfera siguiendo una trayectoria predeterminada, independientemente de la posición real
Las discusiones en HN de mis tres artículos sobre el Globus son estas:
https://news.ycombinator.com/item?id=34468212
https://news.ycombinator.com/item?id=35311300
https://news.ycombinator.com/item?id=35038710
Creo que esto también se trató en una charla reciente de Freya Holmér. Probablemente sea este video:
https://www.youtube.com/watch?v=hUlvxaQBW78
Me pregunto si ese simulador era el OV-095 de SAIL
https://spaceflightblunders.wordpress.com/2017/03/31/ov-095-...
Edit: ah, casi seguro que sí:
https://www.superstock.com/asset/oct-astronauts-frederick-ri...
La foto del simulador en mi artículo es de uno de los Shuttle Mission Simulator (SMS), que ahora está en el Stafford Museum de Oklahoma
El Shuttle Avionics Integration Laboratory (SAIL) era otro simulador usado para pruebas de aviónica, no para entrenamiento de astronautas, y actualmente está en Houston
He leído mucho sobre la tecnología asombrosa creada para Apollo, pero me gustó que este artículo explicara una de ellas en detalle
Me preocupa que, por décadas de outsourcing, no solo se esté perdiendo este tipo de tecnología, sino también habilidades básicas de ingeniería y manufactura
Me pareció divertido, y no tan sorprendente, el pasaje en el que el departamento de manufactura no quería encargarse de esto y el equipo de ingeniería terminó construyendo el dispositivo directamente
El ritmo de avance de la era espacial de los años 1950 y 60 es casi el más difícil de comprender en términos de progreso tecnológico
La lista es interminable: la computación analógica que mencionó otro comentario sobre la tecnología del artículo original, la computación digital muy primitiva, las celdas de combustible, la ingeniería avanzada de cohetes lograda sin software de simulación FEA/CFD, e incluso haber desacelerado de verdad para aterrizar en la Luna y luego despegar de nuevo con empuje