Автор Кен Ширрифф
В советской космической программе использовались совершенно иные средства управления и приборы, чем на американских космических кораблях. Одним из самых интересных навигационных приборов на борту космических кораблей «Союз» был «Глобус», который использовал вращающийся глобус для указания положения космического корабля над Землей. Этот навигационный прибор представлял собой электромеханический аналоговый компьютер, который использовал сложную систему шестеренок, кулачков и дифференциалов для вычисления положения космического корабля. Официально прибор назывался «космическим навигационным индикатором» с русской аббревиатурой ИНК (ИНК)1 , но я буду использовать более описательное прозвище «Глобус».
Недавно мы получили Globus от коллекционера и открыли его для ремонта и реинжиниринга. В этом блоге я объясню, как он работает, покажу его внутренние механизмы и расскажу о том, чему я научился в процессе реинжиниринга. Фотография ниже дает представление о механической сложности этого устройства, в котором также есть несколько реле, соленоидов и других электрических компонентов.
Основное назначение глобуса заключалось в указании положения космического аппарата. Глобус вращался, а неподвижное перекрестие на пластиковом куполе указывало положение космического корабля. Таким образом, глобус соответствовал представлению космонавтов о Земле, что позволяло им подтвердить свое местоположение. Рядом с глобусом находились циферблаты широты и долготы, которые давали цифровое представление о местоположении. Между тем, циферблат света/тени в нижней части показывал, когда космический корабль будет освещен солнцем или находиться в тени - важная информация для стыковки. На «Глобусе» также был счетчик орбит, показывающий количество орбит.
У «Глобуса» был второй режим, указывающий, где космический корабль приземлится, если запустить ретророкеты, чтобы инициировать посадку. При нажатии на переключатель глобус поворачивался до тех пор, пока место посадки не оказывалось под перекрестием, и космонавты могли оценить пригодность этого места для посадки.
Космонавты настраивали «Глобус», поворачивая ручки, чтобы задать начальную позицию и орбитальный период космического корабля. После этого «Глобус» электромеханически отслеживал орбиту. В отличие от компьютера наведения «Аполлона», «Глобус» не получал навигационную информацию от инерциального измерительного блока (IMU) или других источников, поэтому он не знал реального положения космического корабля. Он просто отображал прогнозируемое положение.
Сам глобус отличается высокой детализацией для своего небольшого размера, на нем изображены такие особенности рельефа, как горы, озера и реки. Эти особенности на карте помогали космонавтам сравнивать свое местоположение с географическими особенностями, которые они могли видеть на Земле. Эти особенности были также важны при выборе места посадки, так как они могли видеть, на какую местность им предстоит приземлиться. По большей части на карте не указаны политические границы, за исключением толстых красных и фиолетовых линий. Эти линии показывают границы СССР, а также границы между коммунистическими и некоммунистическими странами, что также важно для выбора места высадки. На глобусе также есть пронумерованные круги от 1 до 8, обозначающие радиоузлы для связи с космическим кораблем, что позволило космонавтам определить, с какими наземными станциями можно связаться.
Увидев «Глобус», можно задаться вопросом, как он вращается . Может показаться, что глобус должен быть свободно плавающим, чтобы он мог вращаться по двум осям. Но на самом деле глобус крепится к устройству с помощью хитроумного механизма. Главное, что экватор глобуса представляет собой цельный кусок металла, который вращается вокруг горизонтальной оси устройства. Второй механизм внутри глобуса вращает глобус вокруг оси Север-Юг. Эти два вращения контролируются концентрическими валами, которые закреплены на устройстве, что обеспечивает две степени свободы вращения через неподвижные валы.
На фотографии ниже показана рама, которая удерживает и управляет глобусом. Пунктирная ось закреплена горизонтально в устройстве, а вращение передается через две шестерни слева. Одна шестерня вращает глобус и раму вокруг пунктирной оси, а шестерня заставляет глобус вращаться вокруг вертикальной полярной оси (при этом экватор остается неподвижным).
Угол, указанный выше, равен 51,8°, что очень важно: это наклон стандартной орбиты «Союза». В результате простое вращение глобуса вокруг пунктирной линии приводит к тому, что перекрестие прослеживает стандартную орбиту. Вращение двух половинок глобуса вокруг полюсов дает различные орбиты 51,8° над поверхностью Земли при вращении Земли. (Почему 51,8°? Космодром Байконур, место запуска «Союза», находится на 45,97° северной широты, поэтому 45,97° будет наиболее эффективным наклонением. Однако, чтобы старт не прошел над западным Китаем, ракета должна быть наклонена к северу, в результате чего получается 51,8° (подробнее).
Важным следствием этой конструкции является то, что наклонение орбиты фиксируется углом наклона механизма глобуса. Для разных орбит нужно было строить разные устройства «Глобус». Более того, эта конструкция работает только с круговыми орбитами, что делает ее бесполезной при смене орбит, например, при рандеву и стыковке. Это были настолько существенные ограничения, что некоторые космонавты хотели убрать «Глобус» с панели управления, но он остался, пока не был заменен компьютерным дисплеем в корабле «Союз-ТМА»(2002 год).
Орбита «Союза» занимает примерно 90 минут, но время меняется в зависимости от высоты. На «Глобусе» есть ручка регулировки (внизу) для настройки орбитального периода в минутах, десятых долях минут и сотых долях минут. Внешняя ручка имеет три положения и указывает на цифру, которая изменяется при повороте внутренней ручки. Механизм обеспечивает регулировку ±5 минут от номинального периода в 91,85 минуты.
Функция орбитальной скорости реализуется путем увеличения или уменьшения скорости, с которой глобус вращается вокруг орбитальной (горизонтальной) оси. Генерировать переменную скорость непросто, поскольку Globus работает на фиксированных 1-герцовых импульсах. Решение состоит в том, чтобы начать с базовой скорости, а затем добавить три приращения: одно для настройки минут, одно для настройки десятых долей минуты и одно для настройки сотых долей минуты. Эти четыре скорости складываются (как скорости вращения вала), чтобы получить общую скорость вращения.
В Globus используются многочисленные дифференциальные шестерни для сложения и вычитания оборотов.
Проблема заключается в том, как создать эти три переменные скорости вращения из фиксированного входного сигнала. Решением является специальный кулачок, имеющий форму конуса со спиральным сечением. На кулачке закреплены три последователя, поэтому при вращении кулачка последователи выталкиваются наружу и вращаются на своем валу. Если следящий элемент находится вблизи узкой части кулачка, он перемещается на небольшое расстояние и имеет небольшое вращение. Но если последователь находится вблизи широкой части кулачка, он перемещается на большее расстояние и имеет большее вращение. Таким образом, перемещая следящий элемент в определенную точку на кулачке, выбирается скорость вращения следящего элемента.
Очевидно, что кулачок не может вращаться по спирали бесконечно. Вместо этого в конце одного оборота его поперечное сечение резко уменьшается до начального диаметра. Это приводит к тому, что кулачок возвращается в исходное положение. Чтобы предотвратить этот рывок глобуса назад, ведомый диск соединен с дифференциальной передачей через проскальзывающую муфту и храповик. Таким образом, когда ведомый элемент защелкивается, храповик удерживает приводной вал в неподвижном состоянии. Затем приводной вал продолжает вращение, когда догоняющий механизм снова начинает циклический выход. Таким образом, на выходе получается (в основном) плавное вращение со скоростью, зависящей от положения последователя.
Индикаторы в левой и верхней частях глобуса указывают широту и долготу космического аппарата соответственно. Они определяются удивительно сложными функциями, генерируемыми проекцией орбиты на глобус.
Функции широты и долготы реализуются через форму металлических кулачков.Каждая функция имеет два кулачка: один кулачок реализует нужную функцию, а другой имеет «противоположную» форму, чтобы поддерживать напряжение на челюстном механизме слежения.
Кулачок широты приводит в движение циферблат широты, заставляя его колебаться между 51,8° северной широты и 51,8° южной широты. С долготой сложнее, поскольку из-за вращения Земли она постоянно меняется. Значение долготы на циферблате получается путем сложения значения кулачка с вращением Земли через дифференциальную передачу.
Глобус оснащен индикатором, показывающим, когда космический аппарат войдет в свет или тень. Индикатор состоит из двух концентрических циферблатов, настраиваемых двумя ручками. Эти циферблаты перемещаются вместе с орбитой космического аппарата, в то время как красная легенда остается неподвижной. Я думаю, что эти циферблаты связаны с циферблатом долготы, но я все еще выясняю.
Глобус может отображать, где приземлился бы космический корабль, если бы вы начали повторный заход на посадку сейчас, с точностью до 150 км. Это вычисляется путем проецирования текущей орбиты вперед на частичную орбиту, в зависимости от того, сколько времени потребуется для посадки. Космонавт задает это значение с помощью «посадочного угла», который указывает эту долю орбиты в виде угла.
Электролюминесцентный индикатор в верхнем левом углу устройства показывает «Место посадки»(место посадки), указывая на этот режим.
Чтобы получить посадочное положение, двигатель вращает шар до тех пор, пока он не остановится после поворота на указанный угол. Регулировочная ручка на панели поворачивает регулировочный вал, который перемещает концевой выключатель на нужный угол с помощью червячной передачи. Проводка намотана на колесо, так что проводка остается контролируемой во время этого движения. Когда приводной двигатель активирован, он вращает глобус и поворотный рычаг одновременно. Поскольку двигатель останавливается, когда поворотный рычаг нажимает на переключатель ограничения угла, глобус поворачивается на желаемый угол. Фиксированный концевой выключатель используется для возврата положения земного шара в его обычное орбитальное положение.
Режим определения места посадки активируется трехпозиционным поворотным переключателем. Первое положение «МП»(место посадки, посадочная площадка) выбирает место посадки, второе положение «З»(Земля, Земля) показывает положение над Землей, а третье положение «Откл» (выкл) отменяет поворот угла посадки и выключает механизм.
Хотя Globus в основном механический, в нем есть электронная плата с четырьмя реле и транзистором, а также резисторами и диодами. Я думаю, что большинство из этих реле управляют механизмом посадки, приводя в движение двигатель вперед или назад и останавливаясь на концевом выключателе.
Потенциометр 360° (внизу) преобразует орбитальное положение космического аппарата в напряжение. Источники указывают, что Globus подает сигнал этого напряжения на другие устройства космического корабля. Моя теория заключается в том, что транзистор на электронной плате усиливает это напряжение, но я все еще исследую этот вопрос.
«Глобус» имеет долгую историю, восходящую к началу советских космических полетов с экипажем. Первая версия была проще и имела русскую аббревиатуру ИМП (IMP). Разработка ИМП началась в 1960 году для полетов кораблей «Восток» (1961) и «Восход» (1964).
Основные функции более раннего ИСЗ «Глобус» аналогичны ИНК: отображение положения космического аппарата и места посадки. В правом нижнем углу имеется счетчик орбит. Дисплеи широты и долготы в верхней части были добавлены для полетов «Восхода». Большая ручка коррекции позволяет регулировать орбитальный период. Основные отличия заключаются в том, что у IMP нет дисплея внизу для отображения солнца и тени и нет регулятора для установки угла посадки.В отличие от INK, режим (орбита против посадочного положения) выбирался внешними переключателями, а не переключателем на приборе.
Более сложная модель ИНК (описанная в этой статье блога) была создана для полетов «Союза», начиная с 1967 года. Она была частью системы отображения информации (IDS) «Сириус». В ИДС «Нептун», использовавшейся на корабле «Союз-Т»(1976) и «Нептун» для корабля «Союз-ТМ» (1986), была модернизирована большая часть консоли, но сохранился ИНК «Глобус».
Присоединяйтесь к ОК, чтобы подписаться на группу и комментировать публикации.
Комментарии 1