アポロ「8ボール」FDAI（飛行指示・姿勢表示計）の内部
(righto.com)- Apollo Lunar Module の FDAI は、宇宙船の姿勢、操縦指示、回転速度を1つの計器に集約して表示する中核的な飛行表示装置だった
- 外見上は球全体が roll・pitch・yaw の3軸で自由回転しているように見えるが、実際には 赤道部に固定されたメカニズム と中空の半球シェルが役割を分担している
- 位置信号は1950〜60年代の航空電子機器で使われた synchro とサーボループで処理され、control transformer・増幅器・motor/tachometer が誤差を減らす構成になっている
- 検証対象は Apollo 用 Model 4068F だったが、Space Shuttle シミュレーター用に改造されており、synchro 入力、白熱灯照明、Shuttle 式ダイヤル、追加の調整機構を備えていた
- この設計は X-15、F-4 ARU/11-A、Gemini、Apollo、Space Shuttle へと続く Lear Siegler の系譜にあり、Apollo FDAI は既存設計を維持しつつ宇宙船には不要な機能を削った中間段階に近い
Apollo Lunar Module における FDAI の役割
- FDAI（Flight Director / Attitude Indicator） は、Apollo 月飛行中に宇宙船の姿勢を示した計器だった
- 球形の表示部が宇宙船の姿勢を表す
- 片側が黒い球であることから「8-ball」という愛称が付いた
- 黄色い針3本は、宇宙飛行士が宇宙船をどう操縦すべきかを示す
- 追加のポインター3本は、宇宙船の回転速度を示す
- Lunar Module には FDAI が2台あった
- 左は Commander 用、右は Lunar Module Pilot 用
- Apollo 11 では Commander は Neil Armstrong、Lunar Module Pilot は Buzz Aldrin だった
- 大きなサイズと中央配置のため、Lunar Module の計器盤で FDAI の存在感は大きかった
- Lunar Module FDAI は、パネルスイッチで複数の入力源を選べた
- 姿勢表示球は Inertial Measurement Unit または予備の Abort Guidance System から入力を受けられた
- pitch 姿勢は、円軌道をシミュレートする ORDEAL（Orbital Rate Display Earth And Lunar）から供給することもできた
- 誤差表示は Apollo Guidance Computer、Abort Guidance System、landing radar、rendezvous radar から来る場合があった
- pitch・roll・yaw の速度表示は Rate Gyro Assembly が駆動した
- 速度表示は FDAI 下部のスイッチで 25°/sec または 5°/sec スケールを選択した
3軸回転を実現する内部メカニズム
- FDAI の球は roll、pitch、yaw の3軸回転を表示する
- roll は飛行方向軸に沿って左右に傾く動きに相当する
- pitch は上向きまたは下向きに機首を動かす動きである
- yaw は左右に方向が変わる動きである
- 一般的な航空機の attitude indicator は通常 yaw を省略する
- 実際の FDAI は 3個のモーター で球表示を動かす
- roll motor は FDAI フレームに取り付けられ、ギアを介して roll gimbal を回転させる
- pitch motor と yaw motor は球の内部に入っている
- roll gimbal は球メカニズムの「赤道」の2点に接続され、この2点が pitch 軸を定義する
- 球が3軸で自由に回っているように見える鍵は 半球シェル 構造にある
- pitch motor は内部の球メカニズムを pitch 軸で回転させる
- yaw motor は垂直シャフトを回し、シャフトの上下に付いた2つの半球シェルを回転させる
- yaw 回転では内部メカニズム自体は動かず、シェルだけが yaw 軸で回転する
- 配線がねじれないように slip ring が使われる
- 1つ目の slip ring assembly は roll 軸の回転を処理し、静止部と回転する roll gimbal の間の電気接続を維持する
- 23組のブラシが23の接続を担当する
- 2つ目の slip ring セットは球内部で pitch 軸の回転を処理する
- yaw 軸は半球シェルだけが回転するため配線が不要で、slip ring も使わない
Synchro とサーボループ制御
- 1950〜60年代には、回転位置信号を電気的に伝える標準方式として synchro が広く使われていた
- synchro はシャフトの回転位置に応じて変化する出力を3本の配線で送る
- 2つの synchro を接続すると、2つ目の synchro のシャフトを1つ目のシャフトと同じ角度に回せる
- 航空電子機器の計器から海軍戦艦の砲塔旋回まで、さまざまな用途に使われた
- synchro はトルクが大きくないため、FDAI は サーボループ とより強力なモーターを組み合わせている
- control transformer が入力角度と出力シャフト位置を比較し、誤差信号を作る
- 増幅器が誤差信号に応じてモーターを適切な方向に駆動する
- モーターは誤差が0になるまで動き、目標位置に合わせられる
- tachometer 信号は負帰還電圧として使われ、目標位置付近でモーターを減速し、オーバーシュートや振動を抑える
- FDAI のモーターは、航空電子機器のサーボループで使われていた motor/tachometer 装置である
- 115V AC、400Hz の電源を受けるが、それだけでは回転しない
- 2つの低電圧 control winding に適切な位相で電圧を加えると、一方向または逆方向に回転する
- 内蔵 tachometer はモーター回転速度に比例した低電圧 AC 信号を生成する
- tachometer 信号は回転方向に応じて、400Hz 駆動信号と同相か 180º 逆相になる
増幅器ボードと 400Hz 駆動回路
- FDAI には軸ごとに1つ、合計3つの サーボループ がある
- 各ループは独立した control transformer、motor、amplifier を持つ
- 増幅器ボードは省スペースのため、部品が互いに重なるように配置された独特の構造になっている
- 一部の部品リードは長く、透明なプラスチックスリーブで保護されている
- 増幅器ボードは誤差信号を増幅し、モーターが正しい方向に回るようにする
- 入力は 400Hz AC 信号で、大きさは誤差または速度の大きさを示し、位相は方向を示す
- 2つの出力はモーターの2つの control winding を駆動し、回転方向を決定する
- tachometer 出力も使って誤差が減るにつれてモーターを減速し、オーバーシュートを防ぐ
- 回路は germanium transistor ベースである
- 左側の2つのトランジスタが error と tachometer 信号を増幅し、pulse transformer を駆動する
- pulse transformer の出力は互いに逆位相で、400Hz 周期の半分ずつ出力トランジスタを駆動する
- この動作によってモーター control winding が有効化され、望む方向の回転が生まれる
Lear Siegler 計器の系譜
- Bill Lear は1902年生まれの発明家で、150件以上の特許を保有し、8-track tape や Learjet で知られている
- 1920年代に複数の会社を設立し、Motorola 向け初期カーラジオの1つを発明した
- その後、航空宇宙計器の専門会社 Lear Avionics を立ち上げた
- Lear Avionics は F-5 automatic pilot のような航空計器や飛行制御システムを製造した
- Lear の姿勢表示計技術は、高迎角飛行の問題から発展した
- F-102 Delta Dagger は急角度上昇が可能だったが、従来の attitude indicator はほぼ垂直の飛行を扱えなかった
- Lear は垂直飛行中の gimbal lock を避ける遠隔2ジャイロプラットフォームと cockpit indicator を開発した
- X-15 rocket-powered aircraft では roll、pitch、yaw の3軸を扱えるよう改良された
- X-15 attitude indicator は F-4 戦闘機の ARU/11-A の基礎になった
- その後「最小限の修正」を経て、Gemini 宇宙計画の attitude-director indicator に使われた
- Gemini の計器はさらに Apollo Lunar Module 用 FDAI へ改修された
- Lear Siegler は Apollo 計画に対し、Lunar Rover 用 directional gyro、Apollo Guidance Computer DSKY 用 electroluminescent display など複数の部品を供給した
- 1974年、Lear Siegler は Space Shuttle 用 ADI（Attitude-Director Indicator） 開発契約を獲得し、12台の ADI ユニットを製造した
- 当時の Lear Siegler は少量生産の宇宙航空電子機器への関心を失いつつあった
- 製造部門は宇宙製造に必要な特殊手順の扱いを拒み、Shuttle ユニットは engineering department が製作した
- その後 Lear Siegler は Space Shuttle 航空電子機器の入札に参加せず、Shuttle ADI が最後の宇宙製品になった
- 2000年代初頭、Shuttle の計器は 11枚のフラットパネルディスプレイをベースにした MEDS（Multi-function Electronic Display System）「glass cockpit」へ更新され、MEDS は Honeywell が製造した
ARU/11-A と Apollo FDAI の共通点と相違点
- Apollo FDAI と F-4 用 ARU/11-A は、基本メカニズムと電子増幅器は同じだが、構造面では大きく異なる
- ARU/11-A では電子部が indicator の背面に差し込む別モジュールに入っている
- FDAI は電子部を内部に含み、ボードを計器フレームに搭載している
- ARU/11-A と FDAI の増幅器ボードは同一で、germanium transistor を使用する
- 特異な11ピン transformer も同じである
- 電源ボードと機械構造には違いがある
- 電源ボードはユニットごとの scaling resistor と空間配置の都合で互いに異なる
- ball assembly は motor assembly と slip ring mechanism がほぼ同じである
- gearing には小さな違いがあり、FDAI には plastic gear が2つあり、ARU/11-A はすべて metal gear を使う
- ARU/11-A の pitch trim 機能は Apollo FDAI でほぼ削除された
- 航空機は水平飛行中、数度上向きに傾いた angle of attack を持つため、計器表示を水平に補正する pitch trim knob が有用である
- 戦闘機が垂直飛行するときには pitch trim 補正が適用されてはならないため、ARU/11-A は pitch 軸に特殊な 8-zone potentiometer を使用する
- 宇宙船ではこの補正に意味がないため、Apollo と Space Shuttle の計器には実装されなかった
- 検証した FDAI では potentiometer 自体と配線はないが、円筒形シェルは残っていた
- Apollo FDAI は ARU/11-A の単純な流用でも、完全な再設計でもない
- 可能な限り既存設計を維持している
- pitch trim のような不要な機能は削除している
- ARU/11-A の別体 amplifier および mechanical unit は、より大きな FDAI の内部に統合された
Space Shuttle シミュレーター向け改造の痕跡
- 検証した装置は Apollo 用として製造されたが、Space Shuttle シミュレーター用に改造された特殊ユニットである
- Model 4068F と表示されており、これは Lunar Module の部品番号である
- 内部には初の月面着陸より1年以上前の「Apr. 22 1968」という日付印がある
- 入力方式は Apollo の原型と異なる
- Apollo FDAI と Shuttle ADI は、球を制御する入力として resolver を使う
- 検証した FDAI は synchro を使う
- NASA がシミュレーター用途のため、3つの resolver control transformer を synchro control transformer に置き換えた可能性がある
- 照明とダイヤルも Shuttle シミュレーター向けに変更されていた
- Apollo FDAI は display に electroluminescent lighting を使っていたが、検証した FDAI は小型の白熱電球を8個使う
- 金属ケースには「INCANDESCENT LIGHTING」という Dymo embossed tape ラベルが貼られている
- 115VAC 入力を電球用の 5VAC に下げる step-down transformer が入っている
- ダイヤルは Shuttle FDAI に合わせるため塗り直されており、Apollo ダイヤルの赤い band の上に黒い塗料が上塗りされた痕跡が残っている
- Apollo LM FDAI の中央 crosshair の代わりに、Shuttle および Command Module FDAI と同じ白い U 字型 indicator がある
- Apollo FDAI の gimbal lock 警告用の極地域の赤い円形領域は見られない
- 電気的な改造も追加されている
- slip ring と motor の間、gimbal arm に小型の緑色 Micro-D MDB1 connector が追加されている
- コネクターは接着剤でやや雑に取り付けられており、飛行用には見えない
- 分解や改造を容易にする目的だった可能性がある
- elapsed time indicator も接着剤で取り付けられている
- 背面構造は Apollo と完全に異なる
- connector pinout が完全に異なる
- 6本の indicator needle それぞれに mechanical adjustment と trimpot がある
- 3軸それぞれにも adjustment potentiometer がある
Space Shuttle ADI との違い
- Space Shuttle には ADI が3台あり、名称は異なるが Apollo FDAI と非常によく似ていた
- 前方 flight deck には Commander の前と Pilot の前に八角形の ADI が2台ある
- aft flight deck station にも3台目の ADI がある
- 検証した FDAI は Shuttle シミュレーター用に大きく改造されているが、実際の Shuttle ADI より Apollo FDAI に近い
- シミュレーターが Shuttle ADI 製作前に作られ、Apollo FDAI が投入されたという仮説がある
- Shuttle ADI は Apollo FDAI および検証した FDAI より電気的にはるかに複雑である
- Apollo FDAI には、電源喪失を示す単純な「OFF」flag があった
- Shuttle ADI は5つの power supply を確認する voltage level monitor を含む
- Shuttle ADI は3系統の DC 電源と2系統の AC 電源を使い、Apollo は単一の AC supply を使う
- ball servo の position error も監視する
- 外部の「Data OK」信号も受ける
- いずれかの monitor で fault が検出されると「OFF」flag が下がり、ADI を信頼できないことを示す
- Shuttle ADI の針6本は Apollo と同じだが、位置精度を高めるために feedback を使う
- 各 Shuttle needle には LVDT（Linear Variable Differential Transformer）feedback sensor がある
- LVDT 出力は servo feedback loop を駆動し、針が正確な位置に来るようにする
- Apollo FDAI では needle input voltage が galvanometer を駆動して針を比例的に動かしており、精度を保証する closed loop はなかった
まとめ
- FDAI の「8-ball」は、宇宙船の 3軸姿勢 を表示する Apollo の中核計器だった
- 球が自由回転しているように見える構造は、内部メカニズムの大半が2軸で回転し、中空の半球シェルが3つ目の回転軸を提供する仕組みによるものだ
- この計器は X-15 rocket plane、F-4 fighter、Gemini、Apollo、Space Shuttle へと続く Lear Siegler の attitude director 系譜に位置する
- 検証した FDAI は Apollo を出発点に Space Shuttle シミュレーター用へ改造されており、Apollo と Shuttle 計器の特徴をあわせて示している
- FDAI が動く短い映像は Bluesky 投稿 で見られる
1件のコメント
Hacker News のコメント
著者です。Apollo 関連の質問があればお答えします :-)
ただ細かい訂正として、Bill Lear の F-5 オートパイロットを確認してみると、Northrop F-5 戦闘機とは関係なさそうです
異なる部品でなければならない要件があったのか、それとも Grumman/North American がそれぞれ別のサプライヤーを選んだためそうなったのか気になります
昔なら、これは電気電子アナログ制御の授業のよい課題になっていそうです
これは UI の kunst、宝石のようなものです。一目見るだけで機体の姿勢が即座に分かります
KSP を1000時間、Flight of Nova を200時間以上プレイしたアマチュア宇宙パイロットの立場から言うと、FoA の核融合推進船の現代的なコックピットで、KSP の Apollo 風飛行計器の中で最も恋しいのは Nav-Ball です
戦闘機式の「ラダー」姿勢計は一目では読み取れず、ラダー目盛り横の数字を見るために集中してから、方位磁針も見直さないと全体を把握できません。操縦から目を離して3秒集中するのと、無意識がすでに内面化している可能性が高い0.5秒との差です
その3秒を感覚的に言えば、計器上 Apollo 11 は月面着陸時点で燃料が20秒未満しか残っていませんでした
素晴らしい記事です。コネクタ好きに近いのですが、MDB1 タイプは初めて聞きました。写真はこちらにあります: https://www.digikey.com/en/products/detail/itt-cannon-llc/MD...
Cannon は金属シェルの丸形コネクタで非常に有名なので、Kleenex のように普通名詞化しているレベルです。「Cannon connector」がどんな見た目かは「誰でも」知っていると思っていましたが、D-sub 形状だとは予想していませんでした
昨年 HN で、似たようなソ連時代の装置の記事を見ました。宇宙船が地球を基準にどこにいるかを示す地球儀でした
おっしゃる通り、その球は宇宙船の空間上の姿勢ではなく、地球上での位置を示すものなので、大陸まで描かれた地球儀のような見た目です。球は3軸ではなく2軸で回転します
さらに Globus には外部入力がなく、実際の位置とは無関係に、あらかじめ決められた軌跡に従って球を回します
Globus に関する私の記事3本の HN での議論は以下の通りです:
https://news.ycombinator.com/item?id=34468212
https://news.ycombinator.com/item?id=35311300
https://news.ycombinator.com/item?id=35038710
この内容は最近の Freya Holmér の講演でも扱われていたようです。おそらくこの動画です:
https://www.youtube.com/watch?v=hUlvxaQBW78
そのシミュレーターが SAIL の OV-095 だったのか気になります
https://spaceflightblunders.wordpress.com/2017/03/31/ov-095-...
追記: ああ、ほぼ間違いなくそうのようです:
https://www.superstock.com/asset/oct-astronauts-frederick-ri...
私の記事のシミュレーター写真は Shuttle Mission Simulator(SMS) の1つで、現在は Oklahoma の Stafford Museum にあります
Shuttle Avionics Integration Laboratory(SAIL) は宇宙飛行士の訓練ではなく、航空電子機器の試験に使われた別のシミュレーターで、現在は Houston にあります
Apollo のために作られた驚くべき技術についてはたくさん読んできましたが、この記事はその1つを詳しく解き明かしていてよかったです
この数十年のアウトソーシングのせいで、こうした技術はもちろん、基本的な工学的製造技術まで失われつつあるのではないかと心配になります
製造部門がこれを扱いたがらず、工学チームが直接装置を作ったというくだりは面白く、あまり驚きはしませんでした
1950〜60年代の宇宙時代の発展速度は、技術進歩のレベルで見ると最も理解しがたいほどです
原文の技術について別のコメントが述べていたアナログコンピューティング、非常に原始的なデジタルコンピューティング、燃料電池、FEA/CFD シミュレーションソフトウェアなしで成し遂げた高度なロケット工学、月に着陸するために実際に減速し、再び推力で離陸したことまで、きりがありません