F-4戦闘機の3軸姿勢指示器をリバースエンジニアリング
(righto.com)- F-4 Phantom IIの姿勢指示器は、通常の人工水平儀が示すピッチ・ロールに 方位角（ヨー） まで加え、操縦士が高速機動中の3軸姿勢と進行方向をひと目で把握できるようにしている
- 回転する球は完全な球体ではなく、上下の 中空の半球シェル 2つに分かれており、内部メカニズムは赤道付近に固定されたまま、シェルだけが動く構造になっている
- ロール・ピッチ・方位角はそれぞれモーターで駆動され、1960年代のアビオニクスで使われた synchro 3線信号 と制御変圧器が角度誤差を作ってサーボループを閉じる
- 回転構造での配線のねじれは、ロール軸とピッチ軸の スリップリング で解決しており、方位角軸は電子部ではなく球シェルだけが回るため、別個のスリップリングは不要
- F-35のような最新戦闘機は画面中心の グラスコックピット に変わったが、この計器は3軸の機械式表示のために精巧な電気機械構造とアナログ制御を組み合わせた事例である
F-4姿勢指示器の役割
- この装置はF-4戦闘機用の 姿勢指示器 で、回転する球を使って航空機の姿勢と方向を表示する
- 一般航空機の人工水平儀はピッチとロールの2軸を表示するが、F-4の指示器は方位角も追加して 3軸姿勢 を表示する
- F-4 Phantom IIは1958年から1981年まで生産された超音速戦闘機で、5000機以上が生産され、米国の超音速航空機として最も多く生産された機種である
- 操縦士パネル中央、赤いレーダースコープの下に配置されるほど重要な計器で、後席にはより単純な2軸姿勢指示器があった
- F-4は2人乗り航空機で、後部座席のレーダー迎撃士官がレーダーと兵装を制御する
球が3軸で回転する機械構造
- 表示用の球は1つの閉じた球体ではなく、2つの中空半球シェル で構成されている
- 半球シェルは内部の垂直軸の上下に取り付けられる
- 赤道位置の内部メカニズムは、球シェルと異なり固定された状態のままでいられる
- 3つの軸はそれぞれ異なる方式で駆動される
- ロールモーター は指示器フレームに取り付けられており、ロールジンバルと球全体を時計回りまたは反時計回りに回す
- ピッチモーター は球内部にあり、内部メカニズム全体を水平なピッチ軸まわりに回す
- 方位角モーター は垂直軸を回し、上下の半球シェルを方位角軸まわりに回転させる
- ロールジンバルは球メカニズムの上下のピボット点に接続され、球を支持する
- ロール制御変圧器は位置フィードバックを提供し、ロールジンバルには球内部メカニズムへ続く多数の配線が接続されている
配線がねじれない理由
- 回転する構造内で電気接続を維持するため、スリップリング を2セット使用している
- 1つ目のスリップリングアセンブリはロール軸の回転を処理する
- 固定された計器本体と回転するロールジンバルの間を電気的に接続する
- 中央軸は球アセンブリのハウジングとともに回転し、軸内部の配線は円形の金属接点からロールジンバルへ続く
- 2つ目のスリップリングは球内部でロールジンバル配線と球メカニズムの間を接続する
- ピッチ軸回転に伴う電気接続を担う
- 実際のスリップリングは内部にあるため、写真では見えない
- 方位角軸にはスリップリングが不要
- 方位角回転では球の半球シェルだけが回り、電子部は固定されているためである
synchroとサーボループ
- 指示器は外部ジャイロスコープから、ロール・ピッチ・方位角の位置を示す電気信号を受け取る
- 1960年代のアビオニクスで一般的だった synchro は、3本の線で角度を伝える
- synchro送信機は軸の角度位置をAC信号に変換する
- 内部ローターは400Hz ACで駆動され、3つの固定ステーター巻線が角度に応じて位相と電圧が変化する3つの出力信号を生み出す
- 各軸のモーターは サーボループ で制御される
- 制御変圧器は3線入力角度と実際の軸回転を比較して誤差信号を作る
- 増幅器は誤差信号が0になるまでモーターを適切な方向に駆動する
- モーター/タコメータのタコメータ信号は負帰還電圧として使われ、目標位置に近づくほどモーター速度を下げる
- モーター/タコメータユニットは一般的な電動モーターより複雑である
- モーターは115V AC、400Hz電源を受けるが、これだけでは回転しない
- 2つの低電圧AC制御巻線の一方を励磁すると、一方向または逆方向に回転する
- タコメータは回転速度に比例する低電圧AC信号を生成し、回転方向に応じて400Hz駆動信号と同相または180度逆位相になる
増幅器アセンブリ
- モーターは計器後部に取り付けられる 増幅器アセンブリ によって駆動される
- 増幅器アセンブリは3軸用の独立した誤差増幅器を3つ含む
- ロール、ピッチ、方位角用の増幅器ボードがそれぞれ1枚ずつある
- DC電源供給ボード、AC変圧器、トリム用ポテンショメータも含まれている
- 3枚の増幅器ボードは同じ構造である
- 一部の部品はスペース節約のため、別の部品の上に積み重ねられている
- 一部のリード線は長く、透明なプラスチックスリーブで保護されている
- ボードは湿気や汚染物から保護するためコンフォーマルコーティングされている
- 各増幅器ボードは誤差信号とタコメータ出力を使ってモーターの2つの制御巻線を駆動する
- 入力は400Hz ACで、位相が正または負の誤差を示す
- 出力はどちらの制御巻線を有効化するかを決め、モーターの回転方向を定める
- 同じ姿勢指示器系列には、互換性のない増幅器 を使う2つのバージョンがある
- 新しい指示器のモーターは、制御巻線が1つだけのように見える
- コネクタキーが異なるため、誤った増幅器を挿せないようになっている
ピッチトリム回路
- 指示器右下には ピッチトリムノブ があるが、分析対象の装置ではこのノブが欠けていた
- 水平飛行中、航空機は望ましい迎角を得るため機首がやや上または下を向くことがある
- 操縦士は実際の航空機がわずかに傾いていても、姿勢指示器には水平飛行が表示されることを望む
- ピッチトリムノブはこの補正を適用する
- 戦闘機が垂直90度上昇のような姿勢を取るときは、トリム補正は無視され、実際の姿勢を表示すべきである
- 1957年の特許 では、航空機が水平飛行から外れるほどトリム調整を 徐々に取り除く 方式が使われている
- 特殊な多領域ポテンショメータがピッチ角に応じてトリム信号を調整する
- ピッチトリム信号も、内部信号の大半と同様に400Hz ACである
- 水平に近いと、ポテンショメータのワイパーが正位相のACを受け、操縦士が設定したトリム補正を適用する
- ほぼ垂直上昇または急降下状態では、ワイパーが0V領域を受けてピッチトリムが取り除かれる
- 倒立状態では、負位相のACを受けてトリム補正が逆方向に適用される
モデル、仕様、関連装置
- この3軸姿勢指示器は、Apollo宇宙飛行で使われた FDAI と多くの点で似ているが、FDAIにはより多くの表示器と針がある
- Soyuz Globusは航法用に使われ、2軸で回転し、このF-4指示器より単純である
- 関連する軍用規格として MIL-I-27619 があり、ARU-11/A、ARU-21/A、ARU-31/Aの3種類の類似指示器を扱っている
- ARU-11/AはF-111Aで使われた
- ARU-21/AはA-7D Corsairで使われた
- ARU-31/AはF-4の偵察型であるRF-4C Phantom IIで使われた
- 指示器はAN/ASN-55 Attitude Heading Reference Setの一部であり、このセットは MIL-A-38329 で規定されている
- 分析対象の指示器には識別標識がなく、一部部品も欠けているため、正確なモデルの特定は難しい
電気機械式計器の限界と魅力
- 航空機の姿勢指示器は、特に視程が低いときに飛行を維持するうえで重要な計器である
- F-4の姿勢指示器は一般的な人工水平儀より1軸多く表示するが、その分だけ機械と電気回路ははるかに複雑になる
- 最新の戦闘機は、こうした複雑な電気機械式計器の代わりに グラスコックピット を使用している
- 例としてF-35のコンソールは、複数の計器を広い panoramic touchscreen に置き換え、情報をカラー表示する
- 機械式計器は実用性の面では不利だが、内部を開くと、3軸で回転する球をしっかり支えながら自由に動かすための独特な設計が見えてくる
1件のコメント
Hacker News のコメント
超高解像度の画像を載せてくれているのが良いし、これほど多くのアナログな工夫が使われていたことに驚く
今なら数行のコードで済みそうに見える
信頼性が高く、高速で安価なマイクロエレクトロニクスやコントローラを大量生産する方法がまだなかったため、高信頼性が求められる分野ではアナログコンピューティングが答えだった
1954年に Rex Rice は、プログラミング言語のような抽象化よりも、単純なプラグボードでコンピュータをプログラムするほうを好むという文章を書いている (https://dl.acm.org/doi/10.1145/1455270.1455272)
だから高級プログラミング言語が目の前の問題に合った解法なのかも当時はまだ議論の的で、物理世界を操作して数学計算を作り出した先人たちは本当に天才だったと思う
父はキャリア初期にソ連製の航空宇宙機器を分解してリバースエンジニアリングしなければならなかったが、ソ連の装置の優れた工学的完成度と精密さを今でも好意的に覚えている
ソ連のコンピューティングに関する資料がもっとあればと思うが、結局、歴史は勝者が書くものだ
こういう表示器を車のダッシュボードに付けてみたかった
すでにボート用コンパスを取り付けてあるが、かなり実用的で見た目も良い
残念ながら、電気式表示器は真空駆動式や完全なグラスコックピットのものよりずっと珍しい
3Dプリントした球の半分の中に、ステッピングモーター、磁気式ロータリーエンコーダー、6自由度のコンパス/ジャイロ慣性計測装置を入れるような形だ
Arduino や ESP32 を中に入れて駆動すれば、ロール軸とピッチ軸を通して電源だけを供給する単純なスリップリングでもいけそうに見える
ただ考えているだけで、Ken の別の記事 https://www.righto.com/2023/01/inside-globus-ink-mechanical-... を見て、ロシアの Soyuz 機械式航法装置を作ってみようかと空想したこともあった
ただ最近は、ソ連のヴィンテージ技術のレプリカを作るという考えに、数年前ほどは惹かれない
真空システムはないが電気式の機械式姿勢計が付いた航空機はかなり少ない
いちばん現実的な選択肢は、初期の G1000 完全グラス式の搭載で使われた電気式の機械式バックアップ計器だ
電気式バックアップ姿勢計なら Diamond DA40 と DA42 を見ればよく、後続モデルの DA50 と DA62 は完全グラス式のバックアップ計器を使っている
自分もまねしてみたいが、車両自体の干渉の問題はなかったのか気になる
質問があれば答える
機械式姿勢計の精度やスケール、そして軍用機のより広い飛行領域のためなのか気になる
こうした航空機はいまでもイラン空軍の中核戦力として使われていて、数年前に一部派生型のアビオニクスをアップグレードするまでは同じ装置が使われ続けていた
純粋な好奇心だが、記事では F-35 は航空機のほぼすべてを処理する完全デジタルのタッチスクリーンを備えていると書かれている
強力な機関砲がそれを損傷させた場合、画面が完全に固まったときにパイロットはどう対処するのだろう
F-4 なら被弾線上にある計器だけが壊れる形だろうが、片方は完全に終わり、もう片方は一部の計器を失うだけ、という違いなのではないかと思う
F-35 について何か、あるいは多くのことを見落としているのだろうが、頭の中では 100% デジタルの航空機はかなり怖く感じる
かつての機関砲による空中戦では、射撃は後方から来るか、上方からキャノピーを貫いて入ってくることが多かった
どちらも計器に当たるほどなら、パイロットを通過する可能性が高い
さらに昔にさかのぼると正面被弾もあったが、戦闘機同士の正面対決はゲームの外では非常に難しく、主に爆撃機の後方銃手によるものだった
そのため第二次世界大戦期の非常に古い航空機には、パイロットの前に防弾ガラスがあるものもあった
F-35 が機関砲戦に入ったならパイロットが大きなミスをしたということで、F-35 はドッグファイターとして設計された機体ではない
現代でも、ミサイルや対空砲の破片がコックピット脇で炸裂して計器を損傷させたなら、破片がパイロットまで傷つけ、その日の帰還飛行を難しくする可能性が高い
F-35 が現代戦で損傷する最もありそうな形もこちらだ
計器盤は壊れたがパイロットは無事、というシナリオがまったくないわけではないが、確率があまりに低いため、グラスコックピットの利点に比べれば小さなリスクだと判断された可能性が高い
たとえば飛行制御システムはパイロットの後ろにある
それでも飛行安全上、F-35 の表示装置は少なくとも二重化されていると思う
2つの表示装置を1つのようにシームレスに組み合わせた構造を想像すればよい
ISIS は通常、独自のセンサーとバッテリーバックアップを備えているので、主表示装置が故障しても動作し続けるはずだ
https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_standby_instrument_...
高度に強化され、冗長化された、特殊目的の表示装置であり、これだけで一つの産業になっている
画面の上に透明導電体を敷いて加熱できるようにし、北極圏の空母甲板上でも使えて機能を維持する表示装置を作る会社もある
特定の軍事用途向けに今でもCRTを作っている会社もある
こうした画面は、置き換える機械式システムよりも安全で、信頼性が高く、頑丈だ
F-35 には中央コンソールに小さな四角い画面があり、姿勢計と飛行パラメータを表示する
言うまでもなく主画面が落ちたら、すぐ引き返して最寄りの空港を探すことになる
kens@ は、私たちにはもったいないほどの宝物だ
ちょっと待って、Linux/4004 を作った人だよね？
あのプロジェクトは本当にすごかった
このすべての技術が計算尺を使っていた人たちによって作られたと思うと驚く
これを作ったエンジニアたちは、誰かが自分たちがこれらすべての問題をどう解いたのかを突き止めたという事実に、本当にワクワクしただろうと思う
盛り込まれた工学的な細部を見るのは本当に見事だ
ソフトウェア側の人間として、こうした複雑なハードウェアを作るときにバグや品質保証をどう扱っていたのか、いつも気になる
それ自体が学ぶ価値のある一分野だ
超高信頼性の応用分野を理解してみたいなら、Design for Six Sigma が良い出発点になる
https://www.youtube.com/watch?v=_g6UswiRCF0
そういう制約の下で出荷しなければならないとなると、現代の設計ではなかなか経験しないレベルの集中力が生まれる