วิศวกรรมย้อนกลับเครื่องแสดงท่าทางสามแกนของเครื่องบินขับไล่ F-4

วิศวกรรมย้อนกลับเครื่องแสดงท่าทางสามแกนของเครื่องบินขับไล่ F-4

• เมื่อไม่นานมานี้ได้รับเครื่องแสดงท่าทางของเครื่องบินขับไล่ F-4 มา อุปกรณ์นี้ใช้ลูกบอลที่หมุนได้เพื่อแสดงทิศทางและท่าทางของอากาศยาน
• ขอบฟ้าเทียมของเครื่องบินทั่วไปจะแสดงสองแกน (pitch และ roll) แต่เครื่องแสดงของ F-4 ใช้ลูกบอลหมุนเพื่อแสดงสามแกน (pitch, roll และ azimuth)
• จึงสงสัยว่าลูกบอลสามารถหมุนได้ครบสามแกนพร้อมทั้งยังคงติดอยู่กับอุปกรณ์ได้อย่างไร

เครื่องบิน F-4

• F-4 Phantom II เป็นเครื่องบินขับไล่ความเร็วเหนือเสียงที่ผลิตตั้งแต่ปี 1958 ถึง 1981
• ถูกใช้งานเป็นเครื่องบินรบหลักในสงครามเวียดนาม และยังถูกใช้งานในสงครามอ่าวช่วงทศวรรษ 1990
• F-4 สามารถติดตั้งระเบิดนิวเคลียร์ได้

กลไกของเครื่องแสดงท่าทาง

• ลูกบอลจะแสดงตำแหน่งของอากาศยานในสามแกน
  • แกน roll: มุมที่อากาศยานเอียงไปทางซ้ายหรือขวา
  • แกน pitch: มุมที่อากาศยานเชิดขึ้นหรือกดลง
  • แกน azimuth: ทิศทางของอากาศยาน
• เครื่องแสดงใช้มอเตอร์สามตัวในการขับเคลื่อนลูกบอล
  • มอเตอร์ roll ติดตั้งอยู่กับเฟรมของเครื่องแสดง ส่วนมอเตอร์ pitch และ azimuth อยู่ภายในลูกบอล
  • ลูกบอลถูกยึดไว้ด้วย roll gimbal และมอเตอร์ roll จะหมุนทั้ง roll gimbal และลูกบอล

เซอร์โวลูป

• มอเตอร์ถูกควบคุมด้วยเซอร์โวลูป
• เครื่องแสดงท่าทางรับสัญญาณไฟฟ้าจากไจโรสโคปภายนอก ซึ่งบอกตำแหน่ง roll, pitch และ azimuth
• มอเตอร์แต่ละตัวถูกควบคุมด้วยเซอร์โวลูป และจะหมุนจนกว่ามุมขาเข้าและมุมขาออกจะตรงกัน

แอมป์ขยายสัญญาณ

• มอเตอร์ได้รับพลังงานจากชุดแอมป์ขยายสัญญาณ
• ชุดแอมป์ประกอบด้วยบอร์ดแอมป์สามแผง (roll, pitch, azimuth), บอร์ดจ่ายไฟ DC, หม้อแปลง AC และทริมโพเทนชิออมิเตอร์
• บอร์ดแอมป์แต่ละแผงจะขยายสัญญาณความคลาดเคลื่อนเพื่อควบคุมมอเตอร์

วงจร pitch trim

• เครื่องแสดงท่าทางมีปุ่ม pitch trim
• ระหว่างที่อากาศยานบินระดับ อาจมีการบินด้วยมุมเอียงเล็กน้อยได้ ดังนั้นนักบินจึงสามารถใช้ปุ่ม pitch trim เพื่อปรับเครื่องแสดงได้
• การปรับ pitch trim ถูกออกแบบให้ค่อย ๆ หายไปเมื่ออากาศยานออกห่างจากการบินระดับ

บทสรุป

• เครื่องแสดงท่าทางเป็นอุปกรณ์สำคัญในอากาศยาน
• เครื่องแสดงท่าทางของ F-4 ซับซ้อนกว่าตัวบอกขอบฟ้าเทียมทั่วไป โดยเพิ่มแกนที่สามเพื่อแสดงทิศทางของอากาศยาน
• เครื่องบินขับไล่สมัยใหม่ใช้จอดิจิทัลในการแสดงข้อมูลแทนอุปกรณ์ไฟฟ้ากลที่ซับซ้อน

สรุปโดย GN⁺

• บทความนี้กล่าวถึงกระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับเครื่องแสดงท่าทางสามแกนของเครื่องบินขับไล่ F-4
• อธิบายกลไกของเครื่องแสดงท่าทาง รวมถึงเซอร์โวลูป แอมป์ขยายสัญญาณ และวงจร pitch trim
• แม้เครื่องบินขับไล่สมัยใหม่จะใช้จอดิจิทัล แต่อุปกรณ์เชิงกลก็ยังคงมีเสน่ห์อยู่
• โครงการอื่นที่มีฟังก์ชันคล้ายกัน ได้แก่ FDAI ของยานอวกาศ Apollo และ Soyus Globus

[GN⁺]

ความเห็นจาก Hacker News

• ขอบคุณที่ใส่ภาพความละเอียดสูงมาด้วย

  • น่าทึ่งที่มีการใช้ลูกเล่นแบบแอนะล็อกเยอะมาก
  • ทุกวันนี้น่าจะแก้ได้ด้วยโค้ดไม่กี่บรรทัด

• เคยอยากเพิ่มตัวบ่งชี้แบบนี้เข้าไปในแดชบอร์ดรถยนต์

  • เพิ่มเข็มทิศเรือเข้าไปแล้ว และทั้งใช้งานได้จริงและดูสวย
  • ตัวบ่งชี้แบบอิเล็กทรอนิกส์พบได้น้อยกว่าระบบสุญญากาศหรือห้องนักบินแบบ all-glass มาก

• ผู้เขียนพร้อมตอบถ้ามีคำถาม

• เรื่องน่าสนใจคือเครื่องบินลำนี้ยังคงถูกใช้เป็นกำลังหลักของกองทัพอากาศอิหร่าน

  • เมื่อไม่กี่ปีก่อน แม้กระทั่งก่อนอัปเกรด avionics ในเครื่องบางรุ่น ก็ยังใช้ยูนิตเดียวกันนี้อยู่

• ถามด้วยความสงสัย/ไม่รู้จริง ๆ

  • ผู้เขียนบอกว่า F35 ใช้หน้าจอสัมผัสดิจิทัลทั้งหมด
  • เลยสงสัยว่าถ้าโดนปืนใหญ่แรง ๆ ยิงจนมันเสียหายจะเกิดอะไรขึ้น
  • ถ้าเทียบกับ F4, F4 น่าจะเสียหายแค่แนวของมาตรวัดบางชุด
  • แต่ F35 เป็นดิจิทัลทั้งหมด เลยรู้สึกว่าน่ากลัวกว่า
  • แน่นอนว่าน่าจะมีบางอย่างเกี่ยวกับ F35 ที่ยังไม่ได้คำนึงถึง

• kens@ เป็นสมบัติล้ำค่าที่พวกเราไม่คู่ควรจะได้รับ

• วิศวกรที่แก้ปัญหานี้น่าจะดีใจมากถ้ารู้ว่ามีคนเข้าใจวิธีแก้ของพวกเขา

• การได้เห็นรายละเอียดทางวิศวกรรมแบบนี้เจ๋งมาก

  • ในฐานะคนสายซอฟต์แวร์ มักสงสัยเสมอว่าเวลาสร้างฮาร์ดแวร์ซับซ้อนแบบนี้ เขาจัดการเรื่องบั๊กกับ QA กันอย่างไร

• มันน่าทึ่งมากที่เทคโนโลยีทั้งหมดนี้ถูกสร้างขึ้นโดยคนที่ใช้ slide rule