- Das FDAI des Apollo Lunar Module war ein zentrales Fluganzeigegerät, das Raumfahrzeuglage, Steueranweisungen und Rotationsgeschwindigkeit in einem Instrument zusammenführte
- Von außen wirkt es, als könne sich die gesamte Kugel frei um die drei Achsen Roll, Pitch und Yaw drehen; tatsächlich teilen sich jedoch ein am Äquator befestigter Mechanismus und hohle Halbkugelschalen die Aufgaben
- Positionssignale werden mit Synchros und Servoschleifen verarbeitet, wie sie in der Avionik der 1950er- und 1960er-Jahre verwendet wurden; Control Transformer, Verstärker und Motor/Tachometer reduzieren dabei den Fehler
- Untersucht wurde ein Apollo Model 4068F, das jedoch für einen Space-Shuttle-Simulator umgebaut worden war und Synchro-Eingänge, Glühlampenbeleuchtung, Shuttle-ähnliche Zifferblätter und zusätzliche Einstellvorrichtungen besaß
- Das Design gehört zur Lear-Siegler-Linie, die von X-15, F-4 ARU/11-A, Gemini, Apollo bis zum Space Shuttle reicht; das Apollo-FDAI ist eher eine Zwischenstufe, die bestehende Konstruktionen beibehielt und für Raumfahrzeuge unnötige Funktionen entfernte
Die Rolle des FDAI im Apollo Lunar Module
- Das FDAI (Flight Director / Attitude Indicator) war während der Apollo-Mondflüge das Instrument zur Anzeige der Lage des Raumfahrzeugs
- Die kugelförmige Anzeige stellte die Lage des Raumfahrzeugs dar
- Wegen der auf einer Seite schwarzen Kugel erhielt es den Spitznamen „8-ball“
- Drei gelbe Zeiger zeigten den Astronauten an, wie sie das Raumfahrzeug steuern sollten
- Drei zusätzliche Pointer zeigten die Rotationsgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs an
- Im Lunar Module gab es zwei FDAIs
- Das linke war für den Commander, das rechte für den Lunar Module Pilot
- Bei Apollo 11 war der Commander Neil Armstrong und der Lunar Module Pilot Buzz Aldrin
- Wegen ihrer Größe und zentralen Platzierung nahmen die FDAIs auf dem Instrumentenpanel des Lunar Module eine wichtige Rolle ein
- Beim FDAI des Lunar Module ließen sich über Panel-Schalter mehrere Eingangsquellen auswählen
- Die Lageanzeige-Kugel konnte Eingaben von der Inertial Measurement Unit oder vom Backup-Abort-Guidance-System erhalten
- Die Pitch-Lage konnte auch von ORDEAL (Orbital Rate Display Earth And Lunar) geliefert werden, das eine Kreisbahn simulierte
- Fehleranzeigen konnten vom Apollo Guidance Computer, vom Abort Guidance System, vom Landing Radar oder vom Rendezvous Radar kommen
- Die Anzeigen für Pitch-, Roll- und Yaw-Rate wurden von der Rate Gyro Assembly angesteuert
- Für die Geschwindigkeitsanzeige ließ sich über einen Schalter unter dem FDAI eine Skala von 25°/sec oder 5°/sec auswählen
Der interne Mechanismus für die Drehung um drei Achsen
- Die Kugel des FDAI zeigt Drehungen um die drei Achsen Roll, Pitch und Yaw an
- Roll entspricht einer seitlichen Neigung entlang der Flugrichtungsachse
- Pitch ist eine Bewegung nach oben oder unten
- Yaw ist eine Richtungsänderung nach links oder rechts
- Übliche Attitude Indicators in Flugzeugen lassen Yaw meist weg
- Das tatsächliche FDAI bewegt die Kugelanzeige mit drei Motoren
- Der Roll-Motor ist am FDAI-Rahmen befestigt und dreht über Zahnräder den Roll-Gimbal
- Pitch-Motor und Yaw-Motor befinden sich im Inneren der Kugel
- Der Roll-Gimbal ist an zwei Punkten am „Äquator“ des Kugelmechanismus befestigt; diese beiden Punkte definieren die Pitch-Achse
- Der Schlüssel dazu, dass die Kugel scheinbar frei um drei Achsen rotiert, ist die Struktur aus Halbkugelschalen
- Der Pitch-Motor dreht den inneren Kugelmechanismus um die Pitch-Achse
- Der Yaw-Motor dreht eine vertikale Welle; zwei daran oben und unten befestigte Halbkugelschalen rotieren mit
- Bei einer Yaw-Drehung bewegt sich der innere Mechanismus selbst nicht; nur die Schalen drehen sich um die Yaw-Achse
- Damit sich die Verkabelung nicht verdreht, werden Slip Rings verwendet
- Die erste Slip-Ring-Assembly verarbeitet die Drehung um die Roll-Achse und hält die elektrische Verbindung zwischen dem feststehenden Teil und dem rotierenden Roll-Gimbal aufrecht
- 23 Bürstenpaare übernehmen 23 Verbindungen
- Ein zweiter Slip-Ring-Satz verarbeitet im Inneren der Kugel die Drehung um die Pitch-Achse
- Da sich bei der Yaw-Achse nur die Halbkugelschalen drehen, ist keine Verkabelung erforderlich und es werden keine Slip Rings verwendet
Steuerung mit Synchros und Servoschleifen
- In den 1950er- und 1960er-Jahren waren Synchros als Standardmethode weit verbreitet, um Drehpositionssignale elektrisch zu übertragen
- Ein Synchro sendet je nach Drehposition einer Welle veränderliche Ausgänge über drei Leitungen
- Verbindet man zwei Synchros, kann sich die Welle des zweiten Synchros in denselben Winkel wie die erste Welle drehen
- Sie wurden in vielen Bereichen eingesetzt, von Avionik-Instrumenten bis zur Drehung von Geschütztürmen auf Marineschlachtschiffen
- Da Synchros kein hohes Drehmoment liefern, kombiniert das FDAI eine Servoschleife mit stärkeren Motoren
- Ein Control Transformer vergleicht den Eingangswinkel mit der Position der Ausgangswelle und erzeugt ein Fehlersignal
- Ein Verstärker treibt den Motor abhängig vom Fehlersignal in die passende Richtung
- Der Motor bewegt sich, bis der Fehler null ist, und richtet sich auf die Zielposition aus
- Das Tachometersignal wird als negative Feedback-Spannung genutzt, um den Motor in der Nähe der Zielposition zu verlangsamen und Überschwingen sowie Schwingungen zu verringern
- Die Motoren des FDAI sind Motor/Tachometer-Einheiten, wie sie in Avionik-Servoschleifen verwendet wurden
- Sie werden mit 115 V AC bei 400 Hz versorgt, rotieren dadurch allein aber noch nicht
- Legt man an zwei Niederspannungs-Control-Windings Spannungen mit passender Phase an, drehen sie sich in die eine oder andere Richtung
- Der interne Tachometer erzeugt ein Niederspannungs-AC-Signal, das proportional zur Drehzahl des Motors ist
- Je nach Drehrichtung ist das Tachometersignal phasengleich mit dem 400-Hz-Ansteuersignal oder um 180º gegenphasig
Verstärkerplatinen und 400-Hz-Ansteuerschaltung
- Im FDAI gibt es insgesamt drei Servoschleifen, je eine pro Achse
- Jede Schleife besitzt einen eigenen Control Transformer, Motor und Verstärker
- Die Verstärkerplatinen haben eine ungewöhnliche Bauweise, bei der Bauteile platzsparend übereinander angeordnet sind
- Einige Bauteilanschlüsse sind lang und durch transparente Kunststoffhülsen geschützt
- Die Verstärkerplatine verstärkt das Fehlersignal, damit sich der Motor in die richtige Richtung dreht
- Der Eingang ist ein 400-Hz-AC-Signal; seine Amplitude gibt die Größe des Fehlers oder der Geschwindigkeit an, die Phase die Richtung
- Zwei Ausgänge treiben die beiden Control Windings des Motors an und bestimmen so die Drehrichtung
- Auch der Tachometer-Ausgang wird genutzt, um den Motor bei kleiner werdendem Fehler zu verlangsamen und Überschwingen zu verhindern
- Die Schaltung basiert auf Germaniumtransistoren
- Die zwei Transistoren links verstärken die Error- und Tachometersignale und treiben einen Pulse Transformer an
- Die Ausgänge des Pulse Transformers steuern die Ausgangstransistoren mit entgegengesetzter Phase jeweils über eine halbe 400-Hz-Periode an
- Dieses Verhalten aktiviert das Motor-Control-Winding und erzeugt die gewünschte Drehrichtung
Die Genealogie der Lear-Siegler-Instrumente
- Bill Lear war ein 1902 geborener Erfinder mit mehr als 150 Patenten und ist unter anderem für das 8-track tape und den Learjet bekannt
- In den 1920er-Jahren gründete er mehrere Unternehmen und erfand eines der frühen Autoradios für Motorola
- Später gründete er Lear Avionics, ein Unternehmen für Luft- und Raumfahrtinstrumente
- Lear Avionics baute Avionik-Instrumente und Flugsteuerungssysteme wie den F-5 automatic pilot
- Lears Attitude-Indicator-Technologie entwickelte sich aus Problemen beim Flug mit großem Anstellwinkel
- Die F-102 Delta Dagger konnte steil steigen, doch herkömmliche Attitude Indicators konnten nahezu vertikalen Flug kaum verarbeiten
- Lear entwickelte eine ferngeführte 2-Gyro-Plattform und einen Cockpit-Indicator, die Gimbal Lock im Vertikalflug vermieden
- Für das raketengetriebene Flugzeug X-15 wurde dies verbessert, um die drei Achsen Roll, Pitch und Yaw zu verarbeiten
- Der X-15 Attitude Indicator wurde zur Grundlage des ARU/11-A im F-4-Kampfjet
- Danach wurde er mit „minimalen Änderungen“ als Attitude-Director Indicator im Gemini-Raumfahrtprogramm eingesetzt
- Das Gemini-Instrument wurde wiederum zum FDAI für das Apollo Lunar Module modifiziert
- Lear Siegler lieferte für das Apollo-Programm mehrere Komponenten, darunter den Directional Gyro für den Lunar Rover und das Electroluminescent Display für das DSKY des Apollo Guidance Computer
- 1974 erhielt Lear Siegler den Entwicklungsauftrag für den ADI (Attitude-Director Indicator) des Space Shuttle und produzierte 12 ADI-Einheiten
- Zu diesem Zeitpunkt hatte Lear Siegler bereits weniger Interesse an Kleinserien-Avionik für die Raumfahrt
- Die Fertigungssparte weigerte sich, die für die Raumfahrtfertigung erforderlichen Spezialverfahren zu übernehmen, daher baute die Engineering-Abteilung die Shuttle-Einheiten
- Danach beteiligte sich Lear Siegler nicht mehr an Ausschreibungen für Space-Shuttle-Avionik, und der Shuttle-ADI wurde zum letzten Raumfahrtprodukt des Unternehmens
- Anfang der 2000er-Jahre wurden die Shuttle-Instrumente auf das aus 11 Flachbildschirmen bestehende MEDS (Multi-function Electronic Display System) „glass cockpit“ aufgerüstet; MEDS wurde von Honeywell produziert
Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen ARU/11-A und Apollo-FDAI
- Das Apollo-FDAI und das ARU/11-A für die F-4 besitzen denselben Grundmechanismus und dieselben elektronischen Verstärker, unterscheiden sich strukturell aber deutlich
- Beim ARU/11-A ist die Elektronik in einem separaten Modul untergebracht, das hinter den Indicator gesteckt wird
- Beim FDAI ist die Elektronik intern integriert, und die Platinen sind am Instrumentenrahmen montiert
- Die Verstärkerplatinen von ARU/11-A und FDAI sind identisch und verwenden Germaniumtransistoren
- Auch der ungewöhnliche 11-Pin-Transformer ist derselbe
- Bei Netzteilplatine und mechanischer Struktur gibt es Unterschiede
- Die Netzteilplatinen unterscheiden sich wegen unit-spezifischer Scaling Resistors und wegen des Platzlayouts
- Die Ball Assembly hat nahezu identische Motor Assemblies und Slip-Ring-Mechanismen
- Beim Gearing gibt es kleine Unterschiede; das FDAI hat zwei Plastic Gears, während das ARU/11-A ausschließlich Metal Gears verwendet
- Die Pitch-Trim-Funktion des ARU/11-A wurde im Apollo-FDAI größtenteils entfernt
- Da Flugzeuge im Horizontalflug durch den Angle of Attack um einige Grad nach oben geneigt sind, ist ein Pitch-Trim-Knob nützlich, um die Instrumentenanzeige auf horizontal zu korrigieren
- Wenn ein Kampfjet vertikal fliegt, darf die Pitch-Trim-Korrektur nicht angewendet werden; deshalb verwendet das ARU/11-A auf der Pitch-Achse ein spezielles 8-Zonen-Potentiometer
- Für Raumfahrzeuge hat diese Korrektur keinen Sinn, daher wurde sie in Apollo- und Space-Shuttle-Instrumenten nicht implementiert
- Beim untersuchten FDAI fehlen das Potentiometer selbst und die Verkabelung, doch die zylindrische Shell war noch vorhanden
- Das Apollo-FDAI ist weder eine einfache Wiederverwendung des ARU/11-A noch eine komplette Neuentwicklung
- Wo möglich, wurde das bestehende Design beibehalten
- Unnötige Funktionen wie Pitch Trim wurden entfernt
- Die separaten Amplifier- und Mechanical-Units des ARU/11-A wurden in das größere FDAI-Gehäuse integriert
Spuren des Umbaus für einen Space-Shuttle-Simulator
- Das untersuchte Gerät wurde für Apollo gebaut, ist aber eine spezielle Einheit, die für einen Space-Shuttle-Simulator umgebaut wurde
- Es ist als Model 4068F gekennzeichnet, was einer Lunar-Module-Teilenummer entspricht
- Im Inneren ist das Datum „Apr. 22 1968“ eingestempelt, mehr als ein Jahr vor der ersten Mondlandung
- Die Eingabemethode unterscheidet sich vom Apollo-Original
- Apollo-FDAI und Shuttle-ADI verwenden Resolver als Eingänge zur Steuerung der Kugel
- Das untersuchte FDAI verwendet Synchros
- Möglicherweise ersetzte NASA für den Simulatorbetrieb drei Resolver-Control-Transformer durch Synchro-Control-Transformer
- Beleuchtung und Zifferblätter wurden ebenfalls an den Shuttle-Simulator angepasst
- Das Apollo-FDAI verwendete Electroluminescent Lighting für das Display; das untersuchte FDAI nutzt dagegen acht kleine Glühlampen
- Auf dem Metallgehäuse befindet sich ein Dymo-Prägeband-Label mit der Aufschrift „INCANDESCENT LIGHTING“
- Es enthält einen Step-down Transformer, der 115 VAC Eingangsspannung auf 5 VAC für die Lampen reduziert
- Die Zifferblätter wurden neu lackiert, um zum Shuttle-FDAI zu passen; Spuren schwarzer Farbe über dem roten Band des Apollo-Zifferblatts sind noch sichtbar
- Statt des zentralen Crosshair des Apollo-LM-FDAI besitzt es einen weißen U-förmigen Indicator wie beim Shuttle- und Command-Module-FDAI
- Die roten kreisförmigen Polarbereiche des Apollo-FDAI zur Gimbal-Lock-Warnung sind nicht zu sehen
- Auch elektrische Modifikationen wurden ergänzt
- Zwischen Slip Ring und Motor, am Gimbal Arm, wurde ein kleiner grüner Micro-D MDB1 Connector hinzugefügt
- Der Connector ist etwas grob mit Klebstoff befestigt und wirkt nicht wie eine flugtaugliche Lösung
- Er diente möglicherweise dazu, Demontage und Umbauten zu erleichtern
- Auch der Elapsed Time Indicator ist mit Klebstoff montiert
- Die Rückseitenstruktur unterscheidet sich vollständig von Apollo
- Das Connector-Pinout ist komplett anders
- Für jeden der sechs Indicator Needles gibt es eine mechanische Einstellung und einen Trimpot
- Auch für jede der drei Achsen gibt es ein Adjustment Potentiometer
Unterschiede zum Space-Shuttle-ADI
- Im Space Shuttle gab es drei ADIs; sie trugen zwar einen anderen Namen, waren dem Apollo-FDAI aber sehr ähnlich
- Auf dem vorderen Flight Deck gab es zwei octagonal ADIs, einen vor dem Commander und einen vor dem Pilot
- An der Aft Flight Deck Station gab es einen dritten ADI
- Das untersuchte FDAI wurde stark für den Shuttle-Simulator umgebaut, steht dem Apollo-FDAI aber näher als dem tatsächlichen Shuttle-ADI
- Eine Hypothese lautet, dass der Simulator vor der Fertigung des Shuttle-ADI gebaut wurde und deshalb ein Apollo-FDAI verwendet wurde
- Der Shuttle-ADI ist elektrisch deutlich komplexer als das Apollo-FDAI und das untersuchte FDAI
- Das Apollo-FDAI hatte eine einfache „OFF“-Flag, die einen Stromausfall anzeigte
- Der Shuttle-ADI enthält einen Voltage Level Monitor, der fünf Power Supplies prüft
- Der Shuttle-ADI verwendete drei DC- und zwei AC-Stromversorgungen, während Apollo eine einzelne AC Supply nutzte
- Auch der Position Error des Ball Servo wird überwacht
- Zudem erhält er ein externes „Data OK“-Signal
- Erkennt irgendein Monitor einen Fault, fällt die „OFF“-Flag herunter und zeigt an, dass dem ADI nicht vertraut werden kann
- Die sechs Zeiger des Shuttle-ADI entsprechen denen von Apollo, verwenden aber Feedback, um die Positionsgenauigkeit zu erhöhen
- Jeder Shuttle Needle besitzt einen LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Feedback Sensor
- Der LVDT-Ausgang treibt eine Servo-Feedback-Loop an, damit der Zeiger die genaue Position erreicht
- Beim Apollo-FDAI steuerte die Needle Input Voltage ein Galvanometer an, das den Zeiger proportional bewegte; eine Closed Loop zur Sicherstellung der Genauigkeit gab es nicht
Zusammenfassung
- Der „8-ball“ des FDAI war ein zentrales Apollo-Instrument zur Anzeige der 3-Achsen-Lage des Raumfahrzeugs
- Die Struktur, durch die die Kugel scheinbar frei rotiert, beruht darauf, dass der Großteil des inneren Mechanismus um zwei Achsen rotiert und hohle Halbkugelschalen die dritte Rotationsachse bereitstellen
- Das Instrument gehört zur Lear-Siegler-Linie von Attitude Directors, die vom X-15 rocket plane über F-4 fighter, Gemini und Apollo bis zum Space Shuttle führt
- Da das untersuchte FDAI von Apollo ausging und für einen Space-Shuttle-Simulator umgebaut wurde, zeigt es Merkmale sowohl der Apollo- als auch der Shuttle-Instrumente
- Ein kurzes Video des sich bewegenden FDAI ist in einem Bluesky-Beitrag zu sehen
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Ich bin der Autor. Wenn ihr Fragen zu Apollo habt, beantworte ich sie gern :-)
Eine kleine Korrektur allerdings: Bill Lears F-5-Autopilot scheint nach meiner Prüfung nichts mit dem Northrop-F-5-Kampfjet zu tun zu haben.
Ich frage mich, ob es eine Vorgabe gab, dass es unterschiedliche Bauteile sein mussten, oder ob Grumman/North American einfach unterschiedliche Zulieferer ausgewählt hatten.
Früher wäre das wohl eine gute Aufgabe für einen Kurs in analogem elektrotechnischem Regelungsentwurf gewesen.
Das ist UI-Kunst, ein echtes Schmuckstück. Auf einen Blick erkennt man sofort die Lage des Fluggeräts.
Aus Sicht eines Amateur-Weltraumpiloten mit 1000 Stunden KSP und über 200 Stunden Flight of Nova ist der Nav-Ball das Apollo-artige Fluginstrument aus KSP, das ich im modernen Cockpit der fusionsgetriebenen Schiffe von FoA am meisten vermisse.
Die kampfjetartige „Leiter“-Lageanzeige lässt sich nicht auf einen Blick erfassen; man muss sich auf die Zahlen neben den Leiter-Markierungen konzentrieren und danach auch noch den Kompass erneut ansehen, um das Gesamtbild zu verstehen. Das ist der Unterschied zwischen 3 Sekunden fokussierter Aufmerksamkeit weg vom Steuern und 0,5 Sekunden, die das Unterbewusstsein wahrscheinlich längst verinnerlicht hat.
Um diese 3 Sekunden einzuordnen: Den Instrumenten zufolge hatte Apollo 11 bei der Mondlandung weniger als 20 Sekunden Treibstoff übrig.
Großartiger Artikel. Ich bin schon fast ein Steckverbinder-Nerd, aber vom MDB1-Typ habe ich zum ersten Mal gehört. Ein Foto gibt es hier: https://www.digikey.com/en/products/detail/itt-cannon-llc/MD...
Cannon ist für Rundsteckverbinder mit Metallgehäuse so bekannt, dass der Name fast wie Kleenex zum Gattungsbegriff geworden ist. Ich dachte, „jeder“ wüsste, wie ein „Cannon connector“ aussieht, aber mit einer D-Sub-Form hätte ich nicht gerechnet.
Letztes Jahr habe ich auf HN einen ähnlichen Artikel über ein Gerät aus der Sowjetzeit gesehen. Es war ein Globus, der zeigte, wo sich das Raumfahrzeug relativ zur Erde befindet.
Wie gesagt, zeigt die Kugel nicht die räumliche Lage des Raumfahrzeugs, sondern seine Position über der Erde; deshalb sieht sie wie ein Globus aus, auf dem sogar die Kontinente eingezeichnet sind. Die Kugel dreht sich nicht um drei Achsen, sondern um zwei.
Außerdem hat der Globus keine externen Eingänge; er dreht die Kugel unabhängig von der tatsächlichen Position entlang einer vorgegebenen Bahn.
Die HN-Diskussionen zu meinen drei Artikeln über den Globus sind hier:
https://news.ycombinator.com/item?id=34468212
https://news.ycombinator.com/item?id=35311300
https://news.ycombinator.com/item?id=35038710
Ich glaube, das wurde auch in einem aktuellen Vortrag von Freya Holmér behandelt. Vermutlich ist es dieses Video:
https://www.youtube.com/watch?v=hUlvxaQBW78
Ich frage mich, ob dieser Simulator die OV-095 von SAIL war.
https://spaceflightblunders.wordpress.com/2017/03/31/ov-095-...
Update: Ah, es scheint ziemlich sicher zu stimmen:
https://www.superstock.com/asset/oct-astronauts-frederick-ri...
Das Simulatorfoto in meinem Artikel zeigt einen der Shuttle Mission Simulator(SMS); er befindet sich heute im Stafford Museum in Oklahoma.
Das Shuttle Avionics Integration Laboratory(SAIL) ist ein anderer Simulator, der nicht für das Astronautentraining, sondern für Avioniktests genutzt wurde, und befindet sich derzeit in Houston.
Ich habe schon viel über die erstaunlichen Technologien gelesen, die für Apollo entwickelt wurden, aber mir gefiel, dass dieser Artikel eine davon im Detail erklärt.
Ich mache mir Sorgen, dass durch das Outsourcing der vergangenen Jahrzehnte nicht nur solche Technologien, sondern sogar grundlegende technische Fertigungsfähigkeiten verschwinden.
Interessant fand ich die Stelle, dass die Fertigungsabteilung keine Lust hatte, sich damit zu befassen, sodass das Ingenieurteam das Gerät selbst baute; besonders überraschend war das nicht.
Das Tempo des Fortschritts im Raumfahrtzeitalter der 1950er und 1960er Jahre ist vom Niveau des technischen Fortschritts her fast am schwersten zu begreifen.
Die Liste ist endlos: analoges Computing, wie ein anderer Kommentar zum Originalartikel erwähnte, extrem primitive digitale Computer, Brennstoffzellen, hochentwickelte Raketentechnik ohne FEA/CFD-Simulationssoftware, und dann tatsächlich abzubremsen, um auf dem Mond zu landen, und wieder mit Schub abzuheben.