- Globus INK ของยานอวกาศ Soyuz เป็นจอแสดงผลนำทางแอนะล็อกแบบไฟฟ้า-กลไกที่ใช้ลูกโลกหมุนเพื่อแสดงตำแหน่งเหนือพื้นโลก และคำนวณตำแหน่งวงโคจรด้วยเฟือง แคม และเฟืองดิฟเฟอเรนเชียล
- ต่างจาก Apollo Guidance Computer ตรงที่ไม่ได้รับอินพุตจาก IMU หรือระบบนำทางภายนอก นักบินอวกาศจึงต้องตั้งตำแหน่งเริ่มต้นและคาบวงโคจรด้วยมือ จากนั้นอุปกรณ์จะแสดง ตำแหน่งคาดการณ์
- แกนลูกโลกถูกตรึงไว้ที่ 51.8° เพื่อจำลองวงโคจรมาตรฐานของ Soyuz แต่ส่งผลให้มีข้อจำกัดใหญ่คือรองรับได้เฉพาะวงโคจรวงกลมและมุมเอียงคงที่
- โหมดคาดการณ์จุดลงจอดจะแสดงตำแหน่งที่จะลงจอดหากจุดจรวดย้อนแรงขับในขณะนั้น โดยใช้มุมลงจอด มอเตอร์ และลิมิตสวิตช์หมุนลูกโลกไปตามส่วนหนึ่งของวงโคจร ให้ความแม่นยำประมาณ 150km
- Globus INK ให้การแสดงผลโลกแบบสีเต็มความละเอียดสูง ซึ่งทำได้ยากด้วยคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ในทศวรรษ 1960 แต่ถูกแทนที่ด้วย จอแสดงผลดิจิทัล ใน Soyuz-TMA ปี 2002 เนื่องจากต้องตั้งค่าด้วยมือและมีข้อจำกัดด้านวงโคจร
ตำแหน่งของ Soyuz ที่แสดงด้วยลูกโลกหมุน
- Globus INK มีชื่ออย่างเป็นทางการตามตัวย่อภาษารัสเซีย ИНК ว่า “space navigation indicator” และแสดงตำแหน่งบนพื้นโลกใต้ยานอวกาศ Soyuz ด้วยลูกโลกหมุน
- ลูกโลกเคลื่อนที่อยู่ใต้เส้นเล็งกากบาทคงที่บนโดมพลาสติก ทำให้นักบินอวกาศเปรียบเทียบภูมิประเทศนอกหน้าต่างกับตำแหน่งที่แสดงได้
- อุปกรณ์รอบลูกโลกก็ให้ข้อมูลนำทางร่วมด้วย
- หน้าปัดด้านซ้ายและด้านบนแสดงค่าละติจูดและลองจิจูดเป็นตัวเลขตามลำดับ
- หน้าปัดแสง/เงา ด้านล่างแสดงช่วงที่ยานอวกาศได้รับแสงอาทิตย์และช่วงที่เข้าสู่เงา ใช้ช่วยตัดสินใจในการเทียบท่า
- ตัวนับวงโคจรแสดงจำนวนรอบวงโคจรของยานอวกาศ
- ในโหมดที่สอง อุปกรณ์จะหมุนลูกโลกให้ตำแหน่งลงจอดมาอยู่ใต้เส้นเล็งกากบาท ในกรณีที่จุดจรวดย้อนแรงขับตอนนี้เพื่อเริ่มขั้นตอนลงจอด
- นักบินอวกาศสามารถประเมินได้ว่าภูมิประเทศของตำแหน่งนั้นเหมาะสำหรับการลงจอดหรือไม่
ไม่ใช่เซ็นเซอร์นำทางจริง แต่เป็นจอแสดงตำแหน่งคาดการณ์
- นักบินอวกาศตั้ง ตำแหน่งเริ่มต้น และคาบวงโคจรด้วยปุ่มหมุน จากนั้น Globus จะติดตามการเคลื่อนที่ในวงโคจรด้วยกลไกไฟฟ้า-กลไก
- ต่างจาก Apollo Guidance Computer ตรงที่ไม่ได้รับข้อมูลจาก IMU หรือแหล่งนำทางอื่น จึงใกล้เคียงกับ จอแสดงตำแหน่งคาดการณ์ ตามค่าที่ตั้งไว้ มากกว่าจะเป็นอุปกรณ์วัดตำแหน่งจริง
- อุปกรณ์ที่ถูกวิเคราะห์เป็นกรณีที่นักสะสมเปิด Globus ที่ตนครอบครองเพื่อซ่อมและทำ reverse engineering ภายในมีทั้งเฟือง แคม เฟืองดิฟเฟอเรนเชียล รวมถึงรีเลย์ โซลินอยด์ และชิ้นส่วนไฟฟ้า
- อุปกรณ์ดังกล่าวมีความเสียหาย
- ด้านหลังเคสมีรอยบุบใหญ่ และแกนลูกโลกหลุดจากตำแหน่งจนไม่ขบกับเฟือง
- ลูกโลกชนกับชิ้นส่วนภายในจนเกิดรอยขีดข่วนบริเวณแอฟริกา
- หากใส่ลูกโลกกลับเข้าไปแบบสุ่ม จังหวะเวลาของละติจูดและลองจิจูดจะคลาดเคลื่อน จึงต้องตั้ง timing ของเฟืองให้ถูกต้องเพื่อคืนตำแหน่งเดิม
แผนที่บนลูกโลกและการจำลองวงโคจร 51.8°
- ลูกโลกขนาดเล็กแสดงภูมิประเทศ เช่น ภูเขา ทะเลสาบ และแม่น้ำอย่างละเอียด ทำให้นักบินอวกาศเทียบภูมิประเทศที่เห็นด้วยตากับจอแสดงนำทางได้
- การแสดงภูมิประเทศยังสำคัญต่อการเลือกจุดลงจอด และใช้ตรวจสอบภูมิประเทศของพื้นที่ลงจอดที่คาดไว้
- แทบไม่มีเส้นแบ่งเขตการเมือง แต่มีเส้นหนาสีแดงและสีม่วงแสดงเขตแดน USSR และเส้นแบ่งกลุ่มคอมมิวนิสต์/ไม่ใช่คอมมิวนิสต์
- วงกลมหมายเลข 1~8 แสดง จุดสื่อสารวิทยุ ที่สามารถติดต่อกับยานอวกาศได้
-
การหมุนสองทิศทางที่สร้างด้วยแกนตรึง
- ลูกโลกไม่ใช่ทรงกลมที่ลอยอย่างอิสระแล้วหมุนได้เอง แต่ถูกควบคุมด้วยแกนและเฟืองที่ยึดกับอุปกรณ์
- เส้นศูนย์สูตรของลูกโลกเป็นชิ้นส่วนโลหะแข็ง และหมุนรอบแกนนอนของอุปกรณ์
- กลไกเฟืองชุดที่สองภายในหมุนลูกโลกรอบแกนขั้วเหนือ-ขั้วใต้
- การหมุนทั้งสองส่งผ่าน แกนร่วมศูนย์ ที่ยึดกับอุปกรณ์ ทำให้เกิดองศาอิสระการหมุนสองแกนจากแกนตรึงเท่านั้น
-
วงโคจร Soyuz มาตรฐานที่เกิดจาก 51.8°
- แกนลูกโลกถูกตั้งไว้ที่ 51.8° เพื่อรองรับมุมเอียงวงโคจรมาตรฐานของ Soyuz
- ด้วยมุมนี้ เพียงหมุนลูกโลกรอบแกนนอน เส้นเล็งกากบาทก็จะเคลื่อนตามวงโคจรมาตรฐานของ Soyuz
- ขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง การหมุนครึ่งทรงกลมทั้งสองของลูกโลกรอบแกนขั้วจะสร้างวงโคจร 51.8° ที่แตกต่างกันเหนือพื้นผิวโลก
- 51.8° มากกว่าละติจูด 45.97° ของ Baikonur Cosmodrome เพราะต้องเอียงจรวดไปทางเหนือเพื่อไม่ให้เส้นทางปล่อยผ่านภาคตะวันตกของจีน
- คำอธิบายที่เกี่ยวข้องเชื่อมโยงไว้ใน คำตอบบน Space Stack Exchange
ข้อจำกัดใหญ่ที่เกิดจากการออกแบบเชิงกายภาพ
- มุมเอียงวงโคจรถูกตรึงด้วยมุมทางกายภาพของกลไกลูกโลก ดังนั้นวงโคจรที่ต่างกันต้องใช้อุปกรณ์ Globus คนละชุด
- การออกแบบนี้รองรับได้เฉพาะ วงโคจรวงกลม จึงหมดประโยชน์ในสถานการณ์ที่วงโคจรเปลี่ยน เช่น การ rendezvous และการเทียบท่า
- เพราะข้อจำกัดเหล่านี้ นักบินอวกาศบางคนจึงอยากถอด Globus ออกจากแผงควบคุม แต่ยังคงอยู่จนกระทั่ง Soyuz-TMA เปลี่ยนไปใช้จอคอมพิวเตอร์ในปี 2002
คาบวงโคจรและกลไกปรับความเร็ว
- วงโคจรหนึ่งรอบของ Soyuz ใช้เวลาประมาณ 90 นาที แต่เวลาจะแตกต่างกันตามระดับความสูง
- Globus มีปุ่มหมุนสำหรับปรับคาบวงโคจรเป็นหน่วยนาที 0.1 นาที และ 0.01 นาที และปรับได้ในช่วง ±5 นาที จากค่ามาตรฐาน 91.85 นาที
- อุปกรณ์ขับเคลื่อนด้วยพัลส์คงที่ 27V, 1Hz แต่ความเร็วการหมุนของแกนวงโคจรของลูกโลกต้องเปลี่ยนตามคาบวงโคจร
- วิธีแก้คือโครงสร้างที่เพิ่มค่า increment สามชุดเข้าไปในความเร็วมาตรฐาน
- increment ของการตั้งค่านาที
- increment ของการตั้งค่า 0.1 นาที
- increment ของการตั้งค่า 0.01 นาที
- ใช้ เฟืองดิฟเฟอเรนเชียล หลายตัวเพื่อบวกหรือลบความเร็วการหมุน
- ความเร็วการหมุนแบบแปรผันสร้างด้วยแคมทรงกรวยที่มีหน้าตัดเป็นเกลียว
- follower 3 ตัวบนแคมวางอยู่คนละตำแหน่ง โดยด้านแคบให้การหมุนน้อย และด้านกว้างให้การหมุนมาก
- เมื่อย้ายตำแหน่ง follower ก็จะเลือกความเร็วการหมุนของ follower นั้น
- เมื่อแคมหมุนครบหนึ่งรอบ มันจะกลับไปยังเส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นอย่างฉับพลัน ทำให้ follower เด้งกลับตำแหน่งเดิม
- เพื่อไม่ให้ลูกโลกเด้งถอยหลัง follower จึงเชื่อมกับเฟืองดิฟเฟอเรนเชียลผ่าน slip clutch และ ratchet
- ratchet จะล็อกเพลาขับในจังหวะเด้งกลับ ทำให้เอาต์พุตต่อเนื่องเป็นการหมุนที่ค่อนข้างราบรื่น
การคำนวณละติจูด ลองจิจูด และแสง/เงา
- ตัวแสดงด้านซ้ายและด้านบนของลูกโลกแสดง ละติจูดและลองจิจูด ของยานอวกาศตามลำดับ
- ละติจูดและลองจิจูดถูกนิยามเป็นฟังก์ชันซับซ้อนของการฉายวงโคจรลงบนลูกโลก และฟังก์ชันนี้ถูกจำลองด้วยรูปทรงของแคมโลหะ
- แต่ละฟังก์ชันใช้แคม 2 ตัว
- ตัวหนึ่งจำลองฟังก์ชันที่ต้องการ
- อีกตัวทำเป็นรูปทรงตรงข้ามเพื่อรักษาแรงตึงของกลไกติดตามรูปทรงแบบปากคีบ
- แคมละติจูดขับหน้าปัดละติจูดให้แกว่งไปมาระหว่าง 51.8°N และ 51.8°S
- ลองจิจูดซับซ้อนกว่าเพราะโลกหมุนรอบตัวเอง และเอาต์พุตหน้าปัดลองจิจูดเกิดจากการบวกค่าจากแคมกับการหมุนของโลกผ่านเฟืองดิฟเฟอเรนเชียล
- เขียนเป็นสมการได้ว่า ละติจูดคือ
arcsin(sin i * sin(2πt/T))และลองจิจูดคือarctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0 -
การแสดงแสงและเงา
- Globus มีตัวแสดงที่บอกเวลาที่ยานอวกาศเข้าสู่แสงหรือเข้าสู่เงา
- หน้าปัดประกอบด้วยหน้าปัดร่วมศูนย์สองชุด ตั้งค่าด้วยปุ่มหมุนสองตัว
- หน้าปัดเหล่านี้เคลื่อนไปพร้อมวงโคจรของยานอวกาศ ส่วนคำอธิบายสีแดงอยู่กับที่
- เป็นไปได้ว่าหน้าปัดนี้เชื่อมกับหน้าปัดลองจิจูดด้วยเฟือง แต่ส่วนนี้ยังอยู่ระหว่างการตรวจสอบ
โหมดคาดการณ์ตำแหน่งลงจอด
- Globus สามารถแสดงตำแหน่งที่ยานอวกาศจะลงจอดได้ หากเริ่มการเผาไหม้เพื่อกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศตอนนี้
- ความแม่นยำของการคำนวณตำแหน่งลงจอดคือ 150km
- วิธีคำนวณคือฉายวงโคจรปัจจุบันไปข้างหน้าตามส่วนหนึ่งของวงโคจร ตามเวลาที่ใช้จนถึงการลงจอด
- นักบินอวกาศระบุสัดส่วนของวงโคจรส่วนนี้เป็น “มุมลงจอด”
- ตัวแสดง electroluminescent ที่มุมซ้ายบนของอุปกรณ์แสดง “Место посадки” ในโหมดนี้
- เพื่อให้ได้ตำแหน่งลงจอด มอเตอร์จะหมุนลูกโลก และหยุดเมื่อถึงมุมที่กำหนด
- ปุ่มปรับบนแผงจะย้ายลิมิตสวิตช์ไปยังมุมที่ต้องการผ่าน worm gear
- เมื่อมอเตอร์ทำงาน ลูกโลกและ swing arm จะหมุนไปพร้อมกัน
- เมื่อ swing arm แตะลิมิตสวิตช์มุม มอเตอร์จะหยุด ทำให้ลูกโลกหมุนไปตามมุมที่กำหนด
- ลิมิตสวิตช์คงที่ใช้เมื่อต้องหมุนลูกโลกกลับสู่ตำแหน่งวงโคจรปกติ
- สวิตช์หมุน 3 ตำแหน่งควบคุมโหมดมุมลงจอด
- “МП” เลือกจุดลงจอด
- “З” แสดงตำแหน่งเหนือพื้นโลก
- “Откл” หมุนมุมลงจอดกลับและปิดกลไก
วงจรอิเล็กทรอนิกส์และการขับโซลินอยด์
- Globus ส่วนใหญ่เป็นกลไก แต่ก็มีบอร์ดอิเล็กทรอนิกส์ด้วย
- บอร์ดอิเล็กทรอนิกส์มีรีเลย์ 4 ตัว ทรานซิสเตอร์ 1 ตัว ตัวต้านทาน และไดโอด
- รีเลย์ส่วนใหญ่น่าจะทำหน้าที่ขับมอเตอร์เดินหน้า/ถอยหลังในกลไกตำแหน่งลงจอด และหยุดที่ลิมิตสวิตช์
- ไดโอดสองตัวต่ออนุกรมกันคร่อมขดลวดรีเลย์ ทำหน้าที่เป็น flyback diode เพื่อกำจัดแรงดันเหนี่ยวนำกระชากที่เกิดขึ้นเมื่อขดลวดถูกตัดวงจร
- โพเทนชิออมิเตอร์ 360° แปลงตำแหน่งวงโคจรของยานอวกาศเป็นแรงดันไฟฟ้า
- Globus ส่งสัญญาณแรงดันนี้ให้อุปกรณ์อื่นในยานอวกาศ
- ข้อสันนิษฐานว่าทรานซิสเตอร์บนบอร์ดอิเล็กทรอนิกส์ขยายแรงดันนี้ยังอยู่ระหว่างการตรวจสอบ
- ภายในอุปกรณ์มีมัดสายไฟจำนวนมากสำหรับสิ่งที่เป็นอุปกรณ์เชิงกล
- สายทั้งหมดที่ไปยังคอนเนกเตอร์ภายนอกถูกตัดขาด
- คอนเนกเตอร์เป็นแบบมาตรฐานทหารโซเวียต RS32TV ขนาด 32 พิน
- การตัดสายอาจเป็นส่วนหนึ่งของการปลดระวาง
- อย่างไรก็ตาม ตราประทับขี้ผึ้งป้องกันการดัดแปลงบนเคสยังสมบูรณ์ จึงยังมีจุดที่ไม่สอดคล้องกับสภาพการปิดผนึกใหม่อย่างเป็นทางการ
- อุปกรณ์ขับเคลื่อนด้วย ratchet solenoid สองตัว
- ตัวหนึ่งสำหรับการหมุนวงโคจร อีกตัวสำหรับการหมุนของโลก
- โซลินอยด์รับพัลส์ 27V, 1Hz
- พัลส์แต่ละครั้งดันเฟืองไปข้างหน้าหนึ่งซี่ และ pawl ป้องกันไม่ให้เฟืองถอยกลับ
ร่องรอยจากภารกิจ Apollo-Soyuz
- บนลูกโลกมีจุดสีชมพูและป้ายตัวอักษรละติน 3 ตัวเพิ่มเข้ามา
- เครื่องหมายอย่าง GDS, MIL, BDA, NFL หมายถึงสถานีติดตามของ NASA
- GDS คือ Goldstone
- MIL คือ Merritt Island
- BDA คือ Bermuda
- NFL คือ Newfoundland
- เครื่องหมายเหล่านี้ชี้ว่า Globus เครื่องนี้ถูกสร้างขึ้นสำหรับ Apollo-Soyuz Test Project ในปี 1975 ซึ่งยานอวกาศ Apollo และแคปซูล Soyuz เทียบท่ากัน
- สติกเกอร์ VAN กลางมหาสมุทรแปซิฟิกก็สนับสนุนความเชื่อมโยงกับ Apollo-Soyuz
- USNS Vanguard เป็นเรือติดตามของ NASA ที่ใช้เติมช่องว่างการสื่อสารวิทยุในโครงการ Apollo
- ระหว่างภารกิจ Apollo-Soyuz เรือ Vanguard ถูกวางไว้ที่ 25°S, 155°W ซึ่งตรงกับตำแหน่งจุด VAN บนลูกโลกอย่างพอดี
- มีรายชื่อสถานีติดตาม NASA ได้แก่ CYI, ACN, MAD, TAN, GWM, ORR, HAW, GDS, MIL, QUI, AGO, BDA, NFL, VAN
สายวิวัฒนาการจาก Vostok ถึง Soyuz-TMA
- ประวัติของ Globus ย้อนกลับไปถึงยุคแรกของการบินอวกาศแบบมีมนุษย์ของสหภาพโซเวียต
- เวอร์ชันแรกเป็น IMP ที่เรียบง่ายกว่า โดยเริ่มพัฒนาในปี 1960 สำหรับเที่ยวบิน Vostok ปี 1961 และ Voshod ปี 1964
- Globus IMP รุ่นแรกก็มีฟังก์ชันพื้นฐานคล้าย INK คือแสดงตำแหน่งยานอวกาศและตำแหน่งลงจอด
- IMP มีตัวนับวงโคจรที่มุมขวาล่าง และเพิ่มการแสดงละติจูด/ลองจิจูดสำหรับเที่ยวบิน Voshod
- IMP และ INK มีความแตกต่างบางอย่าง
- IMP ไม่มีตัวแสดงดวงอาทิตย์/เงาด้านล่าง
- ไม่มีคอนโทรลตั้งค่ามุมลงจอด
- โหมดวงโคจรและโหมดตำแหน่งลงจอดเลือกด้วยสวิตช์ภายนอก ไม่ใช่สวิตช์ภายในอุปกรณ์
- รุ่น INK ที่ซับซ้อนกว่าเริ่มผลิตสำหรับเที่ยวบิน Soyuz ตั้งแต่ปี 1967 และเป็นส่วนหนึ่งของระบบแสดงข้อมูล “Sirius”
- Neptun IDS ของ Soyuz-T ปี 1976 และ Neptun-M ของ Soyuz-TM ปี 1986 ปรับปรุงคอนโซลส่วนใหญ่ให้ทันสมัยขึ้น แต่ยังคงใช้ Globus INK
- Soyuz-TMA ปี 2002 อัปเกรดเป็นระบบ Neptun-ME และใช้หน้าจอดิจิทัล ทำให้ Globus ถูกแทนที่ด้วยจอแสดงผลกราฟิก
- เอกสารที่เกี่ยวข้องเชื่อมโยงไว้ที่ Information Display Systems for Soyuz Spaceships
สมรรถนะและข้อจำกัด
- Globus INK เป็น คอมพิวเตอร์แอนะล็อก ที่คำนวณวงโคจรด้วยระบบซับซ้อนของเฟือง แคม และเฟืองดิฟเฟอเรนเชียล
- ให้นักบินอวกาศเห็นตำแหน่งแบบสีเต็มความละเอียดสูง ซึ่งคอมพิวเตอร์อวกาศอิเล็กทรอนิกส์ในทศวรรษ 1960 ทำได้ยาก
- ข้อจำกัดด้านฟังก์ชันก็ชัดเจน
- ต้องตั้งตำแหน่งเริ่มต้นของยาน ความเร็ววงโคจร ช่วงแสง/เงา และมุมลงจอดทั้งหมดด้วยมือ
- ไม่รับอินพุตนำทางภายนอกอย่าง IMU จึงมีความแม่นยำไม่สูง
- รองรับเฉพาะวงโคจรวงกลมที่มีมุมคงที่
- จอแสดงผลดิจิทัลสมัยใหม่ไม่มีเสน่ห์ทางกายภาพของลูกโลกหมุน แต่ให้ฟังก์ชันมากกว่ามาก
- การทำ reverse engineering ยังดำเนินอยู่ และเนื่องจากใช้ Google Translate ในการตีความภาษารัสเซีย รายละเอียดคำอธิบายอาจเปลี่ยนแปลงได้
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-electroni...
https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-globus-in...
https://www.youtube.com/watch?v=dmHaCQ8Ul6E
https://www.youtube.com/watch?v=CP5dfjxdkQ4
https://www.youtube.com/watch?v=eG29HrU6Slw
เลยว่ากันว่านั่นทำให้การเดินอวกาศมีปัญหาด้วย เพราะถ้าเปิดภายในแคปซูลให้อวกาศภายนอก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อาจระเบิดได้
The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned โดย John Strausbaugh
https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
จริง ๆ แล้วผู้เขียนไม่ได้ใช้แหล่งข้อมูลชั้นต้นอย่างเหมาะสมด้วยซ้ำ: https://www.thespacereview.com/article/4851/1
มันคล้ายกับการแนะนำหนังสือเกี่ยวกับโครงการ Apollo ที่เขียนโดยชาวรัสเซียซึ่งไม่ได้อ่านเอกสารของสหรัฐฯ ถ้าต้องเป็นนักเขียนตะวันตก ชีวประวัติ Korolev ของ James Harford สรุปโครงการอวกาศโซเวียตได้ดีกว่า และยังมีบทวิจารณ์เชิงวิชาการที่จริงจังด้วย
https://hackaday.com/2014/10/28/retrotechtacular-fire-contro...
https://meshok.net/en/item/275902733_%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9...
https://www.righto.com/2024/09/f4-attitude-indicator.html
https://www.popularmechanics.com/space/rockets/a19966/russia...