Globus INK, komputer navigasi mekanis untuk penerbangan luar angkasa Soviet (2023)

 (righto.com)
1 poin oleh GN⁺ 2024-10-07 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Globus INK pada wahana antariksa Soyuz adalah indikator navigasi analog elektromekanis yang menunjukkan posisi di atas Bumi dengan globe yang berputar, dan menghitung posisi orbit menggunakan roda gigi, cam, dan roda gigi diferensial
  • Berbeda dengan Apollo Guidance Computer, perangkat ini tidak menerima masukan IMU atau navigasi eksternal; kosmonaut menyetel posisi awal dan periode orbit secara manual, lalu perangkat menampilkan posisi prediktif
  • Sumbu globe dipasang tetap pada 51,8° untuk merealisasikan orbit standar Soyuz, tetapi akibatnya muncul keterbatasan besar: hanya mendukung orbit melingkar dan inklinasi tetap
  • Mode prediksi pendaratan menunjukkan lokasi pendaratan jika roket retro dinyalakan saat ini; dengan sudut pendaratan, motor, dan limit switch, globe diputar sejauh sebagian orbit untuk memberikan akurasi sekitar 150 km
  • Globus INK menyediakan tampilan Bumi penuh warna beresolusi tinggi yang sulit diwujudkan dengan komputer elektronik pada 1960-an, tetapi karena penyetelan manual dan batasan orbit, perangkat ini digantikan oleh layar digital pada Soyuz-TMA tahun 2002

Posisi Soyuz yang ditampilkan dengan globe berputar

  • Globus INK secara resmi disebut dengan singkatan Rusia ИНК, “space navigation indicator”, dan menampilkan posisi wahana Soyuz di atas permukaan Bumi lewat globe yang berputar
  • Globe bergerak di bawah garis bidik tetap pada kubah plastik, sehingga kosmonaut dapat membandingkan bentang alam di luar jendela dengan posisi yang ditampilkan
  • Perangkat di sekitar globe juga menyediakan informasi navigasi
    • Dial di kiri dan atas masing-masing menampilkan lintang dan bujur dalam angka
    • Dial cahaya/bayangan di bagian bawah menunjukkan segmen ketika wahana terkena sinar Matahari dan ketika masuk ke bayangan, dan digunakan untuk penilaian docking
    • Penghitung orbit menampilkan jumlah putaran orbit wahana
  • Dalam mode kedua, globe diputar agar lokasi pendaratan berada di bawah garis bidik jika roket retro dinyalakan sekarang untuk memulai prosedur pendaratan
    • Kosmonaut dapat menilai apakah medan di lokasi tersebut cocok untuk pendaratan

Indikator posisi prediktif, bukan sensor navigasi nyata

  • Kosmonaut menyetel posisi awal dan periode orbit dengan knob, lalu Globus mengikuti kemajuan orbit dengan mekanisme elektromekanis
  • Berbeda dengan Apollo Guidance Computer, karena tidak menerima informasi dari IMU atau sumber navigasi lain, perangkat ini bukan alat yang mengukur posisi sebenarnya, melainkan lebih tepat disebut indikator posisi prediktif berbasis nilai setelan
  • Perangkat yang dianalisis adalah kasus ketika sebuah Globus milik kolektor dibuka untuk diperbaiki dan direkayasa balik; di dalamnya terdapat roda gigi, cam, dan roda gigi diferensial, serta relay, solenoid, dan komponen listrik
  • Perangkat tersebut mengalami kerusakan
    • Ada penyok besar di bagian belakang casing, dan sumbu globe bergeser dari tempatnya sehingga tidak bertaut dengan roda gigi
    • Globe membentur komponen internal dan membuat goresan pada bagian Afrika
    • Jika globe dipasang sembarangan, timing lintang dan bujur akan meleset, sehingga timing roda gigi harus diselaraskan dan dikembalikan ke posisi semula

Peta globe dan implementasi orbit 51,8°

  • Globe kecil ini menampilkan detail bentang alam seperti pegunungan, danau, dan sungai, sehingga kosmonaut dapat membandingkan medan yang terlihat dengan tampilan navigasi
  • Tampilan bentang alam juga penting untuk memilih titik pendaratan, dan digunakan untuk memeriksa medan di area pendaratan yang diperkirakan
  • Batas politik sebagian besar tidak ada, tetapi garis merah dan ungu tebal menandai batas USSR serta batas antara blok komunis dan non-komunis
  • Lingkaran bernomor 1 sampai 8 menunjukkan titik komunikasi radio yang dapat berkomunikasi dengan wahana

  • Dua arah rotasi dengan sumbu tetap

    • Globe bukan bola yang mengambang bebas dan berputar, melainkan dikendalikan oleh sumbu dan roda gigi yang dipasang pada perangkat
    • Ekuator globe adalah komponen logam kokoh yang berputar di sekitar sumbu horizontal perangkat
    • Mekanisme roda gigi kedua di dalamnya memutar globe di sekitar sumbu Kutub Utara–Kutub Selatan
    • Kedua rotasi ditransmisikan melalui sumbu konsentris yang terpasang pada perangkat, menciptakan dua derajat kebebasan rotasi hanya dengan sumbu tetap

  • Orbit standar Soyuz yang dibuat oleh 51,8°

    • Sumbu globe disetel pada 51,8° untuk mendukung inklinasi orbit standar Soyuz
    • Berkat sudut ini, cukup dengan memutar globe di sekitar sumbu horizontal, garis bidik akan mengikuti orbit standar Soyuz
    • Jika kedua belahan globe diputar di sekitar sumbu kutub saat Bumi berotasi, terbentuk orbit 51,8° yang berbeda-beda di atas permukaan
    • 51,8° lebih besar daripada lintang Baikonur Cosmodrome, 45,97°, karena roket harus dimiringkan ke utara agar lintasan peluncuran tidak melewati wilayah barat Tiongkok
    • Penjelasan terkait ditautkan pada jawaban Space Stack Exchange

Keterbatasan besar akibat desain fisik

  • Inklinasi orbit ditetapkan oleh sudut fisik mekanisme globe, sehingga orbit yang berbeda memerlukan perangkat Globus yang berbeda
  • Desain ini hanya dapat menangani orbit melingkar, sehingga menjadi tidak berguna dalam situasi ketika orbit berubah, seperti rendezvous dan docking
  • Karena batasan ini, sebagian kosmonaut ingin menghapus Globus dari panel kontrol, tetapi perangkat ini tetap bertahan sampai Soyuz-TMA menggantinya dengan layar komputer pada 2002

Periode orbit dan mekanisme kecepatan variabel

  • Satu orbit Soyuz sekitar 90 menit, tetapi waktunya berubah tergantung ketinggian
  • Globus memiliki knob untuk menyesuaikan periode orbit dalam satuan menit, 0,1 menit, dan 0,01 menit, dengan rentang ±5 menit dari nilai acuan 91,85 menit
  • Perangkat bergerak dengan pulsa tetap 27V, 1Hz, tetapi kecepatan rotasi sumbu orbit globe harus berubah sesuai periode orbit
  • Solusinya adalah struktur yang menambahkan tiga inkremen ke kecepatan acuan
    • Inkremen setelan menit
    • Inkremen setelan 0,1 menit
    • Inkremen setelan 0,01 menit
  • Beberapa roda gigi diferensial digunakan untuk menambah atau mengurangi kecepatan rotasi
  • Kecepatan rotasi variabel dibuat dengan cam berbentuk kerucut yang memiliki penampang spiral
    • Tiga follower pada cam ditempatkan di posisi berbeda; di sisi sempit menghasilkan rotasi kecil, di sisi lebar menghasilkan rotasi besar
    • Memindahkan posisi follower memilih kecepatan rotasi follower tersebut
  • Saat cam menyelesaikan satu putaran, cam kembali secara tiba-tiba ke diameter awal, sehingga follower melompat kembali ke posisi semula
    • Agar globe tidak tersentak mundur, follower dihubungkan ke roda gigi diferensial melalui slip clutch dan ratchet
    • Ratchet mengunci poros penggerak pada momen balik, sehingga keluaran berlanjut sebagai rotasi yang umumnya mulus

Perhitungan lintang, bujur, dan cahaya/bayangan

  • Indikator di kiri dan atas globe masing-masing menunjukkan lintang dan bujur wahana
  • Lintang dan bujur didefinisikan sebagai fungsi kompleks dari proyeksi orbit ke globe, dan fungsi ini diwujudkan melalui bentuk cam logam
  • Setiap fungsi menggunakan dua cam
    • Satu mewujudkan fungsi yang diinginkan
    • Satu lagi dibuat dengan bentuk kebalikan untuk mempertahankan tegangan pada mekanisme pelacak berbentuk rahang
  • Cam lintang menggerakkan dial lintang agar bergerak bolak-balik antara 51,8°LU dan 51,8°LS
  • Bujur lebih kompleks karena rotasi Bumi, dan keluaran dial bujur dibuat dengan menambahkan rotasi Bumi ke nilai cam menggunakan roda gigi diferensial
  • Dalam bentuk rumus, lintang diringkas sebagai arcsin(sin i * sin(2πt/T)), dan bujur sebagai arctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0

  • Tampilan cahaya dan bayangan

    • Globus memiliki indikator yang menunjukkan kapan wahana masuk ke cahaya atau bayangan
    • Dial terdiri dari dua dial konsentris, dan disetel dengan dua knob
    • Dial ini bergerak bersama orbit wahana, sementara legenda merahnya tetap diam
    • Kemungkinan dial tersebut terhubung dengan dial bujur melalui roda gigi, tetapi bagian ini masih diselidiki

Mode prediksi lokasi pendaratan

  • Globus dapat menampilkan lokasi pendaratan wahana jika pembakaran reentry dimulai sekarang
  • Akurasi perhitungan lokasi pendaratan adalah 150 km
  • Cara perhitungannya adalah memproyeksikan orbit saat ini ke depan sejauh sebagian orbit, sesuai waktu yang dibutuhkan hingga pendaratan
  • Kosmonaut menentukan rasio sebagian orbit ini sebagai “sudut pendaratan”
  • Indikator elektroluminesen di kiri atas perangkat menampilkan “Место посадки” dalam mode ini
  • Untuk mendapatkan lokasi pendaratan, motor memutar globe dan berhenti ketika mencapai sudut yang ditentukan
    • Knob penyesuaian pada panel memindahkan limit switch ke sudut yang diinginkan melalui worm gear
    • Saat motor dijalankan, globe dan swing arm berputar bersama
    • Ketika swing arm menyentuh limit switch sudut, motor berhenti dan globe telah berputar sebesar sudut yang ditentukan
    • Limit switch tetap digunakan saat mengembalikan globe ke posisi orbit normal
  • Sakelar putar 3 posisi mengendalikan mode sudut pendaratan
    • “МП” memilih titik pendaratan
    • “З” menampilkan posisi di atas Bumi
    • “Откл” mengembalikan rotasi sudut pendaratan dan mematikan mekanisme

Sirkuit elektronik dan penggerak solenoid

  • Globus sebagian besar mekanis, tetapi juga berisi papan elektronik
  • Papan elektronik memiliki 4 relay, 1 transistor, resistor, dan dioda
  • Sebagian besar relay tampaknya berfungsi untuk menggerakkan motor mekanisme lokasi pendaratan maju/mundur dan menghentikannya pada limit switch
  • Dua dioda seri terhubung di kedua ujung kumparan relay, berfungsi sebagai flyback diode untuk menghilangkan tendangan induktif yang muncul saat kumparan diputus
  • Potensiometer 360° mengubah posisi orbit wahana menjadi tegangan
    • Globus menyediakan sinyal tegangan ini ke perangkat lain di wahana
    • Dugaan bahwa transistor pada papan elektronik memperkuat tegangan ini masih diselidiki
  • Untuk sebuah perangkat mekanis, perangkat ini memiliki cukup banyak bundel kabel
  • Semua kabel menuju konektor eksternal telah dipotong
    • Konektornya adalah desain standar militer Soviet RS32TV 32-pin
    • Pemotongan kabel mungkin merupakan bagian dari proses dekomisioning
    • Namun, segel lilin anti-tamper pada casing masih utuh, sehingga masih ada ketidaksesuaian dengan kondisi penyegelan ulang resmi
  • Perangkat digerakkan oleh dua solenoid ratchet
    • Satu untuk rotasi orbit, satu untuk rotasi Bumi
    • Solenoid menerima pulsa 27V, 1Hz
    • Setiap pulsa memajukan roda gigi satu gigi, dan pawl mencegah roda gigi terdorong mundur

Jejak misi Apollo-Soyuz

  • Pada globe ditambahkan titik berwarna merah muda dan label tiga huruf Latin
  • Penanda seperti GDS, MIL, BDA, NFL menunjukkan stasiun pelacakan NASA
    • GDS adalah Goldstone
    • MIL adalah Merritt Island
    • BDA adalah Bermuda
    • NFL adalah Newfoundland
  • Penanda ini menunjukkan bahwa Globus tersebut dibuat untuk Apollo-Soyuz Test Project, ketika wahana Apollo dan kapsul Soyuz docking pada 1975
  • Stiker VAN di tengah Samudra Pasifik juga mendukung keterkaitan dengan Apollo-Soyuz
    • USNS Vanguard adalah kapal pelacak NASA yang digunakan untuk mengisi celah komunikasi radio dalam program Apollo
    • Selama misi Apollo-Soyuz, Vanguard ditempatkan di 25°S, 155°W, yang persis cocok dengan lokasi titik VAN pada globe
  • Stasiun pelacakan NASA yang tercantum adalah CYI, ACN, MAD, TAN, GWM, ORR, HAW, GDS, MIL, QUI, AGO, BDA, NFL, VAN

Silsilah dari Vostok hingga Soyuz-TMA

  • Sejarah Globus menelusur kembali hingga masa awal penerbangan antariksa berawak Soviet
  • Versi pertamanya adalah IMP yang lebih sederhana, dan pengembangannya dimulai pada 1960 untuk penerbangan Vostok 1961 dan Voshod 1964
  • Globus IMP awal juga memiliki fungsi dasar yang mirip dengan INK: menampilkan posisi wahana dan lokasi pendaratan
  • IMP memiliki penghitung orbit di kanan bawah, dan tampilan lintang/bujur ditambahkan untuk penerbangan Voshod
  • Ada beberapa perbedaan antara IMP dan INK
    • IMP tidak memiliki tampilan Matahari/bayangan di bagian bawah
    • Tidak ada kontrol setelan sudut pendaratan
    • Mode orbit dan mode lokasi pendaratan dipilih dengan sakelar eksternal, bukan sakelar di dalam perangkat
  • Model INK yang lebih kompleks dibuat untuk penerbangan Soyuz mulai 1967, dan merupakan bagian dari sistem tampilan informasi “Sirius”
  • Neptun IDS pada Soyuz-T tahun 1976 dan Neptun-M pada Soyuz-TM tahun 1986 memodernisasi sebagian besar konsol, tetapi tetap mempertahankan Globus INK
  • Soyuz-TMA tahun 2002 ditingkatkan ke sistem Neptun-ME dan menggunakan layar digital, sehingga Globus digantikan oleh tampilan grafis

Kinerja dan batasan

  • Globus INK adalah komputer analog yang menghitung orbit dengan sistem canggih berisi roda gigi, cam, dan roda gigi diferensial
  • Perangkat ini memberi kosmonaut tampilan posisi penuh warna beresolusi tinggi yang sulit disediakan oleh komputer antariksa elektronik pada 1960-an
  • Batasan fungsionalnya juga jelas
    • Posisi awal wahana, kecepatan orbit, segmen cahaya/bayangan, dan sudut pendaratan semuanya harus disetel manual
    • Tidak menerima masukan navigasi eksternal seperti IMU, sehingga akurasinya tidak tinggi
    • Hanya mendukung orbit melingkar dengan sudut tetap
  • Layar digital modern tidak memiliki pesona fisik globe berputar, tetapi menyediakan jauh lebih banyak fungsi
  • Rekayasa balik masih berlangsung, dan karena interpretasi bahasa Rusia menggunakan Google Translate, detail penjelasan dapat berubah

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2024-10-07
Komentar Hacker News
  • Kalau ada pertanyaan tentang komputer mekanis, saya bisa menjawab. P.S. ada dua tulisan lain yang membahas Globus lebih rinci, menjelaskan rangkaian dan algoritmanya
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-electroni...
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-globus-in...
  • CuriousMarc mengunggah seri video tiga bagian tentang restorasi perangkat ini, dan layak ditonton
    https://www.youtube.com/watch?v=dmHaCQ8Ul6E
    https://www.youtube.com/watch?v=CP5dfjxdkQ4
    https://www.youtube.com/watch?v=eG29HrU6Slw
    • Sepertinya itu memang perangkat yang sama. Ada bagian yang berbunyi, “Untungnya CuriousMarc bisa mengembalikan globe ke tempatnya sambil tetap menyelaraskan timing roda gigi. Jika globe dipasang sembarangan, lintang dan bujurnya akan meleset”
  • Saya membaca buku menarik tentang perlombaan antariksa dari sudut pandang Soviet, dan salah satu hal yang menonjol adalah mereka memakai tabung vakum di wahana antariksa karena kurangnya teknologi transistor solid-state
    Karena itu, katanya spacewalk pun bermasalah. Sebab jika bagian dalam kapsul terekspos ke ruang angkasa, peralatan elektroniknya bisa meledak
    The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned karya John Strausbaugh
    https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
    • Dari judulnya saja sudah terlihat bahwa buku itu lebih bertujuan menggiring secara sensasional dan menyerang satu pihak ketimbang menyajikan akurasi historis
      Nyatanya, penulisnya bahkan tidak memakai sumber primer dengan benar: https://www.thespacereview.com/article/4851/1
      Ini mirip merekomendasikan buku tentang program Apollo yang ditulis orang Rusia yang tidak membaca dokumen Amerika. Kalau harus penulis Barat, biografi Korolev karya James Harford merangkum program antariksa Soviet dengan lebih baik, dan juga punya ulasan akademis yang layak
    • Kenapa tabung vakum harus meledak hanya karena terekspos ke vakum?
    • Itu omong kosong. NASA juga memakai tabung vakum di wahana antariksa, dan kemungkinan masih memakainya sampai sekarang. Tabung vakum tidak meledak di dalam vakum, dan lebih tahan radiasi dibanding transistor
  • Saya selalu merasa kalkulator mekanis itu menarik, dan ini ada tulisan yang menjelaskan komputer pengendali tembakan Angkatan Laut MK1 lewat video
    https://hackaday.com/2014/10/28/retrotechtacular-fire-contro...
  • Tahun lalu satu unit terjual dengan harga spesial, tidak kurang dari 40 ribu euro
    https://meshok.net/en/item/275902733_%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9...
  • Terlepas dari apakah secara teknis lebih rendah dibanding teknologi antariksa Amerika saat itu, kreativitasnya patut dikagumi
  • Komputer mekanis masih ada di kapal perang Rusia sampai sekarang. Dibuat agar tetap berfungsi dalam situasi serangan pulsa elektromagnetik
  • Mungkin ini pertanyaan bodoh, tapi bagaimana cara mengganggu perangkat seperti ini? Apakah mungkin? Misalnya kalau ingin membuatnya mendarat di lokasi yang salah atau mengorbit lebih banyak dari jadwal
    • Tidak bisa diganggu. Pada dasarnya ini lebih mirip indikator jam dengan kenop dan dial tambahan. Selain pulsa 1 detik, tidak ada sensor atau input
  • Bayangkan pergi ke antariksa dengan memakai perangkat yang menggerakkan pin di atas globe lewat roda gigi
  • Sekarang perangkat berbentuk bola Apollo 8 juga harus dibahas
    • Bisa langsung dilakukan kalau ada yang meminjamkan FDAI