ソ連の宇宙飛行向け機械式航法コンピューター、Globus INK (2023)

 (righto.com)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-10-07 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • ソユーズ宇宙船の Globus INK は、回転する地球儀で地球上空の位置を示していた電気機械式アナログ航法表示器で、ギア・カム・差動歯車で軌道上の位置を計算していた
  • Apollo Guidance Computer と異なり、IMU や外部航法入力を受け取らず、宇宙飛行士が初期位置と軌道周期を手動で合わせた後、予測位置 を表示する構造だった
  • 地球儀の軸を 51.8° に固定してソユーズ標準軌道を実現していたが、その結果、円軌道と固定傾斜角にしか対応できない大きな制約が生じた
  • 着陸予測モードでは、今この瞬間に逆噴射ロケットを点火した場合の着陸位置を示し、着陸角度・モーター・リミットスイッチによって地球儀を部分軌道分だけ回転させ、約 150km の精度 を実現した
  • Globus INK は、1960年代の電子計算機では実装が難しかった高解像度フルカラーの地球表示を提供したが、手動設定と軌道上の制約のため、2002年に Soyuz-TMA の デジタルディスプレイ に置き換えられた

回転地球儀で示すソユーズの位置

  • Globus INK は、公式にはロシア語略称 ИНК と呼ばれた “space navigation indicator” で、ソユーズ宇宙船の真下にある地球上の位置を回転地球儀で表示する
  • プラスチック製ドームの固定十字線の下で地球儀が動き、宇宙飛行士は窓の外の地形と表示位置を比較できる
  • 地球儀の周辺装置も航法情報を提供する
    • 左側と上側のダイヤルは、それぞれ緯度と経度を数値で表示する
    • 下部の 光/影ダイヤル は、宇宙船が太陽光を受ける区間と影に入る区間を示し、ドッキング判断に使われる
    • 軌道カウンターは宇宙船の周回数を表示する
  • 2つ目のモードでは、今この瞬間に逆噴射ロケットを点火して着陸手順を開始した場合の着陸位置が十字線の下に来るよう、地球儀を回転させる
    • 宇宙飛行士はその位置の地形が着陸に適しているか判断できる

実際の航法センサーではなく予測位置表示器

  • 宇宙飛行士はノブで 初期位置 と軌道周期を設定し、その後は Globus が電気機械式メカニズムで軌道進行を追跡する
  • Apollo Guidance Computer と異なり、IMU や他の航法ソースから情報を受け取らないため、実際の位置を測定する装置ではなく、設定値に基づく 予測位置表示器 に近い
  • 分析された装置は、コレクターが所有する Globus を開けて修理・リバースエンジニアリングした事例で、内部にはギア・カム・差動歯車だけでなく、リレー、ソレノイド、電気部品も含まれている
  • この装置には損傷があった
    • ケース背面に大きなへこみがあり、地球儀の軸が元の位置からずれてギアとかみ合っていなかった
    • 地球儀が内部部品にぶつかり、アフリカ部分に傷ができていた
    • 地球儀を適当に取り付けると緯度・経度のタイミングがずれるため、ギアのタイミングを合わせて元の位置に復旧する必要があった

地球儀の地図と 51.8° 軌道の実装

  • 小さな地球儀には山・湖・川などの地形が詳しく描かれており、宇宙飛行士は目で見える地形と航法表示を照合できる
  • 地形表示は着陸地点の選定にも重要で、着陸予想地域の地形確認に活用された
  • 政治的境界はほとんどないが、太い赤線・紫線で USSR の国境と共産圏・非共産圏の境界が表示されている
  • 番号付きの円 1〜8 は、宇宙船と通信できる 無線通信地点 を示す

  • 固定軸で実現する2方向の回転

    • 地球儀は自由に浮いて回転する球体ではなく、装置に固定された軸とギアで制御される
    • 地球儀の赤道は堅牢な金属部品で、装置の水平軸の周りを回転する
    • 内部の2つ目のギア機構は、北極-南極軸を中心に地球儀を回転させる
    • この2つの回転は、装置に固定された 同心軸 を通じて伝達され、固定軸だけで2自由度の回転を実現している

  • 51.8° が生んだ標準ソユーズ軌道

    • 地球儀の軸は、ソユーズ標準軌道傾斜角を支えるため 51.8° に設定されている
    • この角度により、地球儀を水平軸の周りに回すだけで十字線が標準ソユーズ軌道に沿って進む
    • 地球が自転する間に極軸の周りで地球儀の両半球を回転させることで、地表上の異なる 51.8° 軌道が作られる
    • 51.8° は Baikonur Cosmodrome の緯度 45.97° より大きいが、それは打ち上げ経路が中国西部を通らないようロケットを北向きに傾ける必要があったためである
    • 関連説明は Space Stack Exchange の回答 にリンクされている

物理設計が生んだ大きな制約

  • 軌道傾斜角は地球儀メカニズムの物理的角度で固定されるため、異なる軌道には異なる Globus 装置が必要となる
  • この設計は 円軌道 しか扱えないため、ランデブーやドッキングのように軌道が変わる状況では役に立たなくなる
  • この制約のため、一部の宇宙飛行士は Globus を制御盤から外すことを望んだが、2002年に Soyuz-TMA がコンピューターディスプレイへ置き換わるまで残り続けた

軌道周期と可変速度メカニズム

  • ソユーズの1周回は約90分だが、高度によって時間が変わる
  • Globus には、軌道周期を分・0.1分・0.01分単位で調整するノブがあり、基準値 91.85分 から ±5分 の範囲を調整できる
  • 装置は 27V、1Hz の固定パルスで動作するが、地球儀の軌道軸回転速度は軌道周期に合わせて変える必要がある
  • 解決方法は、基準速度に3つの増分を加える構造である
    • 分設定の増分
    • 0.1分設定の増分
    • 0.01分設定の増分
  • 複数の 差動歯車 が回転速度の加減算に使われる
  • 可変回転速度は、らせん状断面を持つ円錐形カムによって作られる
    • カム上の 3つの follower は異なる位置に置かれ、細い側では小さな回転、太い側では大きな回転を生む
    • follower の位置を移動すると、その follower の回転速度が選ばれる
  • カムは1回転が終わると開始直径へ急激に戻るため、follower が元の位置へ跳ね戻る
    • 地球儀が逆戻りしないよう、follower はスリップクラッチとラチェットを通して差動歯車に接続される
    • ラチェットは戻る瞬間に駆動軸を固定し、出力が概ね滑らかな回転として続くようにする

緯度・経度と光/影の計算

  • 地球儀の左側と上側の表示器は、それぞれ宇宙船の 緯度と経度 を示す
  • 緯度と経度は軌道を地球儀へ投影した複雑な関数として定義され、その関数は金属カムの形状で実装されている
  • 各関数には 2つのカムが使われる
    • 1つは目的の関数を実装する
    • もう1つは逆形状に作られ、顎形の追従機構の張力を保つ
  • 緯度カムは緯度ダイヤルを駆動し、51.8°N と 51.8°S の間を往復させる
  • 経度は地球自転のためさらに複雑で、経度ダイヤル出力はカム値に地球自転を差動歯車で加算して生成される
  • 式では、緯度は arcsin(sin i * sin(2πt/T))、経度は arctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0 と整理される

  • 光と影の表示

    • Globus には、宇宙船が光に入る時点と影に入る時点を示す表示器がある
    • ダイヤルは2つの同心ダイヤルで構成され、2つのノブで設定する
    • これらのダイヤルは宇宙船の軌道とともに動き、赤色の凡例は固定されている
    • このダイヤルが経度ダイヤルとギアで接続されている可能性はあるが、この部分はまだ調査中である

着陸位置予測モード

  • Globus は、今すぐ再突入燃焼を開始した場合に宇宙船が着陸する位置を表示できる
  • 着陸位置計算の精度は 150km である
  • 計算方法は、着陸までに要する時間に応じて現在の軌道を部分軌道分だけ前方投影するというものだ
  • 宇宙飛行士はこの部分軌道比率を「着陸角度」として指定する
  • 装置左上のエレクトロルミネセント表示器は、このモードで “Место посадки” を表示する
  • 着陸位置を得るためにモーターが地球儀を回転させ、指定角度に達すると停止する
    • パネル上の調整ノブがウォームギアを介してリミットスイッチを目的の角度へ移動させる
    • モーターが駆動すると、地球儀とスイングアームが一緒に回転する
    • スイングアームが角度リミットスイッチに触れるとモーターが止まり、地球儀は指定角度ぶんだけ回転する
    • 固定リミットスイッチは、地球儀を通常の軌道位置へ戻す際に使われる
  • 3位置ロータリースイッチが着陸角度モードを制御する
    • “МП” は着陸地点を選択する
    • “З” は地球上空の位置を示す
    • “Откл” は着陸角度回転を戻し、メカニズムを停止する

電子回路とソレノイド駆動

  • Globus は大部分が機械式だが、電子基板も含んでいる
  • 電子基板にはリレー 4個、トランジスタ 1個、抵抗、ダイオードがある
  • リレーの大半は着陸位置メカニズムでモーターを正逆方向に駆動し、リミットスイッチで停止させる役割を担っているようだ
  • リレーコイルの両端には 2つの直列ダイオードが接続されており、コイル遮断時に発生する誘導キックを除去する flyback diode として機能する
  • 360° ポテンショメーターは宇宙船の軌道位置を電圧へ変換する
    • Globus はこの電圧信号を宇宙船の他装置へ提供する
    • 電子基板上のトランジスタがこの電圧を増幅しているという推測は、まだ調査中である
  • 装置には、機械式装置としては多くの配線束が含まれている
  • 外部コネクターへ向かうすべての線は切断されていた
    • コネクターは 32ピン RS32TV ソ連軍用標準設計である
    • 線を切ることが退役処理の一部だった可能性がある
    • しかしケースの改ざん防止ワックス封印は完全なままで、正式な再封印状態とは一致しない点が残る
  • 装置は 2つの ラチェットソレノイド で駆動される
    • 1つは軌道回転用、もう1つは地球自転用である
    • ソレノイドは 27V、1Hz のパルスを受け取る
    • 各パルスはギアを1歯ずつ前進させ、ポールがギアの後戻りを防ぐ

Apollo-Soyuz ミッションの痕跡

  • 地球儀にはピンク色の点とラテン文字3文字ラベルが追加されている
  • GDS、MIL、BDA、NFL といった表記は NASA の追跡局を示す
    • GDS は Goldstone
    • MIL は Merritt Island
    • BDA は Bermuda
    • NFL は Newfoundland
  • これらの印は、この Globus が 1975年に Apollo 宇宙船と Soyuz カプセルがドッキングした Apollo-Soyuz Test Project 用に製作されたことを示唆している
  • 太平洋の真ん中にある VAN ステッカーも Apollo-Soyuz との関連を裏付ける
    • USNS Vanguard は、Apollo 計画で無線通信空白を埋めるために使われた NASA の追跡船である
    • Apollo-Soyuz ミッション中、Vanguard は 25°S、155°W に配置されており、これは地球儀上の VAN 点の位置と正確に一致する
  • NASA 追跡局として CYI、ACN、MAD、TAN、GWM、ORR、HAW、GDS、MIL、QUI、AGO、BDA、NFL、VAN が列挙されている

Vostok から Soyuz-TMA までの系譜

  • Globus の歴史はソ連有人宇宙飛行の初期にまでさかのぼる
  • 最初のバージョンは、より単純な IMP で、Vostok 1961年および Voshod 1964年の飛行のため、1960年に開発が始まった
  • 初期の Globus IMP も、宇宙船位置と着陸位置を表示する基本機能は INK と似ている
  • IMP には右下の軌道カウンターがあり、緯度・経度表示は Voshod 飛行のために追加された
  • IMP と INK にはいくつかの違いがある
    • IMP には下部の太陽/影表示がない
    • 着陸角度設定コントロールがない
    • 軌道モードと着陸位置モードは装置内スイッチではなく外部スイッチで選択される
  • より複雑な INK モデルは 1967年から Soyuz 飛行向けに作られ、“Sirius” 情報表示システムの一部だった
  • Soyuz-T 1976年の Neptun IDS と Soyuz-TM 1986年の Neptun-M はコンソールの大半を近代化したが、Globus INK は維持した
  • Soyuz-TMA 2002年は Neptun-ME システムへのアップグレードとともにデジタル画面を採用し、Globus はグラフィックディスプレイに置き換えられた

性能と限界

  • Globus INK は、ギア・カム・差動歯車の精巧なシステムで軌道を計算する アナログコンピューター である
  • 1960年代の電子式宇宙コンピューターでは提供が難しかった高解像度フルカラーの位置表示を宇宙飛行士に提供した
  • 機能上の限界も明確である
    • 宇宙船の開始位置、軌道速度、光/影区間、着陸角度をすべて手動で設定しなければならない
    • IMU のような外部航法入力を受け取らないため、精度は高くない
    • 固定角度の円軌道しかサポートしない
  • 現代のデジタルディスプレイは、回転地球儀の物理的な魅力こそないが、はるかに多くの機能を提供する
  • リバースエンジニアリングはまだ進行中であり、ロシア語の解釈には Google Translate を使用していたため、細部の説明は変わる可能性がある

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-10-07
Hacker Newsのコメント
  • 機械式コンピューターについて質問があれば答えられる。追伸として、Globusをさらに詳しく扱った記事が2本あり、回路とアルゴリズムを説明している。
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-electroni...
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-globus-in...
  • CuriousMarcがこの装置を復元する3部作の動画を公開しており、見る価値がある。
    https://www.youtube.com/watch?v=dmHaCQ8Ul6E
    https://www.youtube.com/watch?v=CP5dfjxdkQ4
    https://www.youtube.com/watch?v=eG29HrU6Slw
    • おそらく実際に同じ装置だと思われる。「幸いにもCuriousMarcは歯車のタイミングを合わせたまま地球儀を元の位置に戻すことができた。地球儀を適当にはめ込んでいたら緯度と経度がずれていただろう」というくだりがある。
  • ソ連側から見た宇宙開発競争についての興味深い本を読んだが、目を引いた点の一つは、ソリッドステート・トランジスタ技術の不足のために宇宙船で真空管を使っていたということだった。
    そのため船外活動にも問題があったという。カプセル内部を宇宙空間にさらすと電子機器が破裂する可能性があったためだ。
    John Strausbaughの The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned
    https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
    • タイトルを見るだけでも、その本が歴史的正確さを提供するというより、扇情的に煽って一方を攻撃しようとしている責任がうかがえる。
      実際、著者は一次資料もろくに使っていない: https://www.thespacereview.com/article/4851/1
      アメリカの文書を読んでいないロシア人が書いたApollo計画の本を勧めるようなものだ。西側の著者である必要があるなら、James HarfordのKorolev伝のほうがソ連の宇宙計画をよりよく整理しており、まともな学術レビューもある。
    • 真空管が真空にさらされたからといって、なぜ破裂する必要があるのか？
    • それはでたらめだ。NASAも宇宙船で真空管を使っていたし、今でも使っている可能性が高い。真空中で破裂はせず、トランジスタより放射線にも強い。
  • 機械式計算機にはいつも魅力を感じるし、ここにMK1海軍射撃管制コンピューターを動画で解説した記事がある。
    https://hackaday.com/2014/10/28/retrotechtacular-fire-contro...
  • 昨年、1台がなんと4万ユーロという特価で売られていた。
    https://meshok.net/en/item/275902733_%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9...
  • 当時のアメリカ宇宙技術より技術的に劣っていたかどうかは別として、その創意工夫には感嘆させられる。
  • 機械式コンピューターは今でもロシアの軍艦に搭載されている。電磁パルス攻撃の状況でも動作するように作られている。
  • ばかげた質問かもしれないが、こういう装置はどうやって妨害するのか？ そもそも可能なのか？ たとえば間違った位置に着陸させたり、予定より多く周回させたりしたいなら。
    • 妨害はできない。基本的には追加のノブとダイヤルが付いた時計表示器に近い。1秒パルス以外にはセンサーも入力もない。
  • 地球儀の上のピンを歯車で動かす装置を使って宇宙に行くところを想像してみてほしい。
  • 次はApollo 8の球形装置も扱うべきだ。
    • 誰かがFDAIを貸してくれさえすれば、すぐにでもできる。