- Der Lageanzeiger der F-4 Phantom II zeigt zusätzlich zu Pitch und Roll, wie sie ein gewöhnlicher künstlicher Horizont darstellt, auch den Azimut (Yaw) an, sodass der Pilot bei Hochgeschwindigkeitsmanövern die 3-Achsen-Lage und die Flugrichtung auf einen Blick sehen kann
- Die rotierende Kugel ist keine vollständige Kugel, sondern besteht aus zwei hohlen Halbkugelschalen oben und unten; die interne Mechanik bleibt nahe dem Äquator fixiert, während sich nur die Schalen bewegen
- Roll, Pitch und Azimut werden jeweils von Motoren angetrieben; in der Avionik der 1960er-Jahre verwendete Synchro-3-Draht-Signale und Steuertransformatoren erzeugen Winkelfehler und schließen damit den Servoloop
- Das Verdrehen der Verkabelung in der rotierenden Struktur wird durch Schleifringe auf der Roll- und Pitch-Achse gelöst; die Azimutachse benötigt keinen separaten Schleifring, da sich dort nur die Kugelschale und nicht die Elektronik dreht
- Moderne Kampfjets wie die F-35 sind auf ein bildschirmzentriertes Glass Cockpit umgestiegen, doch dieses Instrument ist ein Beispiel dafür, wie für eine mechanische 3-Achsen-Anzeige eine ausgefeilte elektromechanische Struktur mit analoger Steuerung kombiniert wurde
Die Rolle des F-4-Lageanzeigers
- Dieses Gerät ist ein Lageanzeiger für den F-4-Kampfjet und zeigt mithilfe einer rotierenden Kugel die Fluglage und Richtung des Flugzeugs an
- Der künstliche Horizont gewöhnlicher Flugzeuge zeigt Pitch und Roll auf zwei Achsen an; der F-4-Anzeiger ergänzt den Azimut und stellt damit eine 3-Achsen-Lage dar
- Die F-4 Phantom II ist ein Überschall-Kampfjet, der von 1958 bis 1981 produziert wurde; mit über 5000 gebauten Exemplaren ist sie das meistproduzierte Überschallflugzeug der USA
- Das Instrument war so wichtig, dass es mittig im Pilotenpanel unter dem roten Radarschirm platziert war; im hinteren Sitz gab es einen einfacheren 2-Achsen-Lageanzeiger
- Die F-4 ist ein Zweisitzer, bei dem der Radar Intercept Officer auf dem hinteren Sitz Radar und Bewaffnung steuert
Mechanischer Aufbau der 3-achsig rotierenden Kugel
- Die Anzeigekugel besteht nicht aus einer geschlossenen Kugel, sondern aus zwei hohlen Halbkugelschalen
- Die Halbkugelschalen sind oben und unten an der inneren vertikalen Achse befestigt
- Die interne Mechanik auf Höhe des Äquators kann im Unterschied zu den Kugelschalen fixiert bleiben
- Die drei Achsen werden auf unterschiedliche Weise angetrieben
- Der Rollmotor ist am Rahmen des Anzeigers befestigt und dreht den Roll-Gimbal samt gesamter Kugel im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn
- Der Pitch-Motor sitzt im Inneren der Kugel und dreht die gesamte interne Mechanik um die horizontale Pitch-Achse
- Der Azimutmotor dreht die vertikale Achse und rotiert die obere und untere Halbkugelschale um die Azimutachse
- Der Roll-Gimbal ist mit den oberen und unteren Drehpunkten der Kugelmechanik verbunden und stützt die Kugel
- Der Roll-Steuertransformator liefert Positions-Feedback; am Roll-Gimbal sind viele Leitungen angeschlossen, die zur internen Mechanik der Kugel führen
Warum sich die Verkabelung nicht verdreht
- Um elektrische Verbindungen in der rotierenden Struktur aufrechtzuerhalten, werden zwei Sätze von Schleifringen verwendet
- Die erste Schleifring-Baugruppe verarbeitet die Rotation der Rollachse
- Sie stellt die elektrische Verbindung zwischen dem feststehenden Instrumentengehäuse und dem rotierenden Roll-Gimbal her
- Die zentrale Achse dreht sich mit dem Gehäuse der Kugelbaugruppe, und die Verkabelung im Inneren der Achse führt von kreisförmigen Metallkontakten zum Roll-Gimbal
- Der zweite Schleifring verbindet im Inneren der Kugel die Roll-Gimbal-Verkabelung mit der Kugelmechanik
- Er übernimmt die elektrische Verbindung bei Rotation der Pitch-Achse
- Der eigentliche Schleifring befindet sich im Inneren und ist daher auf Fotos nicht sichtbar
- Auf der Azimutachse ist kein Schleifring nötig
- Denn bei der Azimutrotation drehen sich nur die Halbkugelschalen der Kugel, während die Elektronik feststeht
Synchro und Servoloop
- Der Anzeiger empfängt von externen Gyroskopen elektrische Signale, die die Roll-, Pitch- und Azimutposition repräsentieren
- Ein in der Avionik der 1960er-Jahre verbreiteter Synchro überträgt Winkel über drei Leitungen
- Ein Synchro-Sender wandelt die Winkelposition einer Achse in ein AC-Signal um
- Der interne Rotor wird mit 400 Hz AC betrieben, und drei feste Statorwicklungen erzeugen abhängig vom Winkel drei Ausgangssignale mit unterschiedlicher Phase und Spannung
- Die Motoren jeder Achse werden über einen Servoloop gesteuert
- Ein Steuertransformator vergleicht den 3-Draht-Eingangswinkel mit der tatsächlichen Achsdrehung und erzeugt ein Fehlersignal
- Ein Verstärker treibt den Motor in die passende Richtung, bis das Fehlersignal null ist
- Das Tachometersignal der Motor/Tachometer-Einheit dient als negative Feedback-Spannung und reduziert die Motorgeschwindigkeit, je näher die Zielposition kommt
- Die Motor/Tachometer-Einheit ist komplexer als ein gewöhnlicher Elektromotor
- Der Motor erhält 115 V AC bei 400 Hz, rotiert aber nicht allein dadurch
- Wenn eine von zwei Niederspannungs-AC-Steuerwicklungen erregt wird, dreht er sich in die eine oder in die entgegengesetzte Richtung
- Der Tachometer erzeugt ein Niederspannungs-AC-Signal proportional zur Drehzahl; je nach Drehrichtung ist es phasengleich zum 400-Hz-Ansteuersignal oder um 180 Grad phasenverschoben
Verstärkerbaugruppe
- Die Motoren werden von einer Verstärkerbaugruppe angetrieben, die an der Rückseite des Instruments montiert ist
- Die Verstärkerbaugruppe enthält drei separate Fehlerverstärker für die drei Achsen
- Es gibt je eine Verstärkerplatine für Roll, Pitch und Azimut
- Außerdem sind eine DC-Stromversorgungsplatine, ein AC-Transformator und Trimmpotenziometer enthalten
- Die drei Verstärkerplatinen haben denselben Aufbau
- Einige Bauteile sind platzsparend über anderen Bauteilen gestapelt
- Einige Anschlussdrähte sind lang und mit transparenten Kunststoffhülsen geschützt
- Die Platinen sind mit Conformal Coating versehen, um sie vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu schützen
- Jede Verstärkerplatine nutzt das Fehlersignal und den Tachometerausgang, um die beiden Steuerwicklungen des Motors anzusteuern
- Der Eingang ist 400 Hz AC, wobei die Phase einen positiven oder negativen Fehler angibt
- Der Ausgang entscheidet, welche Steuerwicklung aktiviert wird, und legt damit die Drehrichtung des Motors fest
- In derselben Lageanzeiger-Familie gibt es zwei Versionen mit nicht kompatiblen Verstärkern
- Die Motoren der neueren Anzeiger scheinen nur eine Steuerwicklung zu haben
- Die Steckverbinder sind unterschiedlich codiert, sodass kein falscher Verstärker eingesteckt werden kann
Pitch-Trim-Schaltung
- Unten rechts am Anzeiger befindet sich ein Pitch-Trim-Knopf, der bei dem analysierten Gerät jedoch fehlte
- Im Horizontalflug kann die Flugzeugnase leicht nach oben oder unten zeigen, um den gewünschten Anstellwinkel zu erreichen
- Der Pilot möchte, dass der Lageanzeiger Horizontalflug anzeigt, auch wenn das tatsächliche Flugzeug leicht geneigt ist
- Der Pitch-Trim-Knopf wendet diese Korrektur an
- Wenn der Kampfjet eine Lage wie einen senkrechten 90-Grad-Steigflug einnimmt, muss die Trim-Korrektur ignoriert werden, damit die tatsächliche Lage angezeigt wird
- Ein Patent von 1957 verwendet ein Verfahren, bei dem die Trimmanpassung schrittweise entfernt wird, je weiter das Flugzeug vom Horizontalflug abweicht
- Ein spezielles Mehrzonen-Potenziometer passt das Trimmsignal abhängig vom Pitch-Winkel an
- Auch das Pitch-Trim-Signal ist, wie die meisten internen Signale, 400 Hz AC
- Nahe der Horizontalen erhält der Potenziometer-Schleifer AC mit positiver Phase und wendet die vom Piloten eingestellte Trim-Korrektur an
- Bei nahezu senkrechtem Steigflug oder steilem Sturzflug erhält der Schleifer einen 0-V-Bereich, wodurch der Pitch-Trim entfernt wird
- Im Rückenflug erhält er AC mit negativer Phase, sodass die Trim-Korrektur in der entgegengesetzten Richtung angewendet wird
Modelle, Spezifikationen und verwandte Geräte
- Dieser 3-Achsen-Lageanzeiger ähnelt in vielerlei Hinsicht dem bei Apollo-Raumflügen verwendeten FDAI, doch der FDAI besitzt mehr Anzeigen und Zeiger
- Der Soyuz Globus wurde zur Navigation verwendet, rotiert über zwei Achsen und ist einfacher als dieser F-4-Anzeiger
- Als zugehöriger militärischer Standard existiert MIL-I-27619, der drei ähnliche Anzeiger behandelt: ARU-11/A, ARU-21/A und ARU-31/A
- ARU-11/A wurde in der F-111A verwendet
- ARU-21/A wurde in der A-7D Corsair verwendet
- ARU-31/A wurde in der RF-4C Phantom II, der Aufklärervariante der F-4, verwendet
- Der Anzeiger ist Teil des AN/ASN-55 Attitude Heading Reference Set; dieses Set ist in MIL-A-38329 spezifiziert
- Der analysierte Anzeiger besitzt keine Identifikationsmarkierungen, und einige Teile fehlen, weshalb das exakte Modell schwer zu bestimmen ist
Grenzen und Reiz elektromechanischer Instrumente
- Der Lageanzeiger eines Flugzeugs ist ein wichtiges Instrument, um den Flug insbesondere bei geringer Sicht aufrechtzuerhalten
- Der Lageanzeiger der F-4 zeigt gegenüber einem gewöhnlichen künstlichen Horizont eine zusätzliche Achse an, macht Mechanik und elektrische Schaltungen dadurch aber deutlich komplexer
- Moderne Kampfjets verwenden statt solcher komplexen elektromechanischen Instrumente ein Glass Cockpit
- Beispielsweise ersetzt die F-35-Konsole mehrere Instrumente durch einen breiten panoramic touchscreen und zeigt Informationen farbig an
- Mechanische Instrumente sind praktisch gesehen im Nachteil, doch wenn man sie öffnet, zeigt sich ein einzigartiges Design, das eine 3-achsig rotierende Kugel stabil stützt und sich zugleich frei bewegen lässt
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Gut, dass ultrahochauflösende Bilder dabei sind, und erstaunlich, wie viele analoge Kniffe hier verwendet wurden
Heute sähe das nach etwas aus, das man mit ein paar Zeilen Code erledigt
Es gab noch keine Möglichkeit, hochzuverlässige, schnelle und günstige Mikroelektronik und Steuerungen in Massenproduktion herzustellen, daher war analoges Rechnen in Bereichen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen die Lösung
1954 schrieb Rex Rice, dass er es vorziehe, Computer mit einfachen Stecktafeln statt mit Abstraktionen wie Programmiersprachen zu programmieren (https://dl.acm.org/doi/10.1145/1455270.1455272)
Deshalb war damals noch umstritten, ob höhere Programmiersprachen überhaupt die richtige Lösung für die anstehenden Probleme waren, und ich denke, die Vorgänger, die mathematische Berechnungen durch Manipulation der physischen Welt erzeugten, waren wirklich Genies
Mein Vater musste zu Beginn seiner Laufbahn sowjetische Luft- und Raumfahrtgeräte zerlegen und rückentwickeln, und er erinnert sich bis heute positiv an die hervorragende Ingenieurskunst und Präzision sowjetischer Geräte
Ich wünschte, es gäbe mehr Material über sowjetische Rechentechnik, aber am Ende wird Geschichte eben von den Siegern geschrieben
Ich wollte so eine Anzeige schon immer in ein Armaturenbrett eines Autos einbauen
Ich habe bereits einen Bootskompass eingebaut, und der ist ziemlich nützlich und sieht auch gut aus
Leider sind elektronische Anzeigen viel seltener als vakuumbetriebene oder vollständig verglaste Cockpits
Etwa mit Schrittmotoren, magnetischen Drehgebern und einer 6-DoF-Kompass-/Gyro-IMU in einer 3D-gedruckten Halbkugel
Wenn man einen Arduino oder ESP32 darin unterbringt, scheint es sogar mit einem einfachen Schleifring möglich zu sein, der nur Strom über Roll- und Nickachse führt
Im Moment bleibt es aber nur eine Idee, und nachdem ich Kens anderen Beitrag https://www.righto.com/2023/01/inside-globus-ink-mechanical-... gesehen hatte, habe ich auch damit fantasiert, ein mechanisches sowjetisches Soyuz-Navigationsgerät nachzubauen
Aber heutzutage reizt mich die Idee, Repliken sowjetischer Vintage-Technik zu bauen, nicht mehr so sehr wie noch vor ein paar Jahren
Flugzeuge ohne Vakuumsystem, aber mit elektrisch betriebenem mechanischem Lageanzeiger, sind ziemlich selten
Die realistischste Option sind die elektrischen mechanischen Backup-Instrumente, die in frühen Installationen des G1000-Glascockpits verwendet wurden
Elektrische Backup-Lageanzeigen findet man bei Diamond DA40 und DA42, spätere Modelle wie DA50 und DA62 nutzen vollständig verglaste Backup-Instrumente
Ich würde das auch gern nachmachen, frage mich aber, ob es Probleme mit Interferenzen durch das Fahrzeug selbst gab
Wenn jemand Fragen hat, beantworte ich sie gern
Ich frage mich, ob das an Präzision und Skala mechanischer künstlicher Horizonte liegt und am größeren Flugbereich militärischer Flugzeuge
Diese Flugzeuge bilden noch immer einen Kernbestand der iranischen Luftwaffe, und bis vor einigen Jahren wurde dasselbe Gerät weiterverwendet, bevor die Avionik einiger Varianten modernisiert wurde
Reine Neugier: Im Artikel heißt es, die F-35 habe einen vollständig digitalen Touchscreen, der im Flugzeug fast alles abwickelt
Wenn eine starke Bordkanone den beschädigt, frage ich mich, wie der Pilot reagiert, wenn der Bildschirm komplett ausfällt
Bei einer F-4 würden wohl nur die Instrumente zerstört, die in der Schusslinie liegen, während bei der einen alles komplett ausfällt und bei der anderen nur ein Teil der Instrumente verloren geht
Ich übersehe bei der F-35 sicher etwas oder sogar vieles, aber in meinem Kopf wirkt ein zu 100 % digitales Flugzeug ziemlich beängstigend
Bei älteren Luftkämpfen mit Bordkanonen kamen Treffer oft von hinten oder von oben durch die Kanzel
In beiden Fällen ist es wahrscheinlich, dass ein Treffer, der die Instrumente erreicht, vorher durch den Piloten geht
Noch früher gab es auch Frontalangriffe, aber Kopf-an-Kopf-Kämpfe zwischen Jägern sind außerhalb von Spielen sehr schwierig und kamen meist wegen Heckschützen von Bombern vor
Deshalb hatten sehr alte Flugzeuge aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs manchmal Panzerglas vor dem Piloten
Wenn eine F-35 in einen Bordkanonenkampf gerät, hat der Pilot einen großen Fehler gemacht, denn die F-35 ist nicht als Dogfighter ausgelegt
Auch heute gilt: Wenn eine Rakete oder Flaksplitter neben dem Cockpit detonieren und die Instrumente beschädigen, werden die Splitter den Piloten wahrscheinlich ebenfalls verletzen und einen Heimflug an diesem Tag unmöglich machen
Das ist auch die plausibelste Art, wie eine F-35 in moderner Kriegsführung beschädigt würde
Ein Szenario, in dem die Instrumente ausfallen, der Pilot aber unverletzt bleibt, ist nicht völlig ausgeschlossen, aber vermutlich so unwahrscheinlich, dass man es als geringeres Risiko bewertet hat als die Vorteile eines Glascockpits
Zum Beispiel liegt das Flugsteuerungssystem hinter dem Piloten
Trotzdem dürfte das Anzeigesystem der F-35 aus Flugsicherheitsgründen mindestens redundant ausgelegt sein
Man kann es sich als zwei Anzeigen vorstellen, die nahtlos zu einer zusammengefügt sind
ISIS hat in der Regel eigene Sensoren und eine Batterie-Notversorgung, sodass es auch dann weiterlaufen sollte, wenn die Hauptanzeigen ausfallen
https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_standby_instrument_...
Es sind stark gehärtete, redundant ausgelegte Spezialanzeigen, und dafür gibt es eine ganze eigene Industrie
Es gibt Firmen, die Anzeigen bauen, bei denen transparente Leiter auf dem Bildschirm liegen, damit sie beheizt werden können und selbst auf dem Deck eines Flugzeugträgers in der Arktis funktionsfähig bleiben
Es gibt sogar Firmen, die für bestimmte militärische Zwecke noch immer CRT herstellen
Diese Bildschirme sind sicherer, zuverlässiger und robuster als die mechanischen Systeme, die sie ersetzen
Die F-35 hat in der Mittelkonsole einen kleinen rechteckigen Bildschirm, der Lageanzeige und Flugparameter zeigt
Unnötig zu sagen, dass man sich bei Ausfall des Hauptbildschirms sofort umdreht und den nächstgelegenen Flughafen ansteuert
kens@ ist ein Schatz, den wir eigentlich nicht verdient haben
Moment mal, du bist doch der Typ hinter Linux/4004, oder?
Das Projekt war wirklich großartig
Es ist erstaunlich, wenn man bedenkt, dass all diese Technik von Leuten entwickelt wurde, die mit dem Rechenschieber gearbeitet haben
Ich vermute, die Ingenieure, die das gebaut haben, wären wirklich begeistert gewesen zu erfahren, dass jemand herausgefunden hat, wie sie all diese Probleme gelöst haben
Es ist wirklich toll, die technischen Details zu sehen, die darin stecken
Als jemand aus der Softwarewelt frage ich mich immer, wie man bei solch komplexer Hardware mit Bugs und Qualitätssicherung umgegangen ist
Das ist für sich genommen schon ein Fachgebiet, das es wert ist, studiert zu werden
Wenn du hochzuverlässige Anwendungen verstehen willst, ist Design for Six Sigma ein guter Ausgangspunkt
https://www.youtube.com/watch?v=_g6UswiRCF0
Wenn man unter solchen Einschränkungen ausliefern muss, entsteht ein Maß an Konzentration, das man in modernen Entwicklungsprozessen nur schwer erlebt