- FDAI pada Apollo Lunar Module adalah perangkat tampilan penerbangan utama yang menyatukan sikap wahana antariksa, instruksi kendali, dan laju rotasi dalam satu instrumen
- Dari luar, seluruh bola tampak berputar bebas pada tiga sumbu roll, pitch, dan yaw, tetapi sebenarnya mekanisme yang tetap di bagian ekuator dan cangkang hemisfer berongga membagi perannya
- Sinyal posisi diproses dengan synchro dan loop servo yang digunakan dalam avionik era 1950–60-an, dengan struktur control transformer, amplifier, dan motor/tachometer yang mengurangi galat
- Unit yang ditinjau adalah Model 4068F untuk Apollo, tetapi telah dimodifikasi untuk simulator Space Shuttle, sehingga memiliki input synchro, pencahayaan lampu pijar, dial bergaya Shuttle, dan perangkat penyesuaian tambahan
- Desain ini berada dalam silsilah Lear Siegler yang berlanjut dari X-15, F-4 ARU/11-A, Gemini, Apollo, hingga Space Shuttle; Apollo FDAI lebih dekat ke tahap peralihan yang mempertahankan desain lama sambil menghilangkan fungsi yang tidak diperlukan untuk wahana antariksa
Peran FDAI di Apollo Lunar Module
- FDAI (Flight Director / Attitude Indicator) adalah instrumen yang menampilkan sikap wahana antariksa selama penerbangan Bulan Apollo
- Tampilan berbentuk bola menunjukkan sikap wahana antariksa
- Karena satu sisi bolanya berwarna hitam, instrumen ini dijuluki “8-ball”
- Tiga jarum kuning menunjukkan bagaimana astronaut harus mengendalikan wahana antariksa
- Tiga pointer tambahan menampilkan laju rotasi wahana antariksa
- Lunar Module memiliki dua FDAI
- Yang kiri untuk Commander, yang kanan untuk Lunar Module Pilot
- Pada Apollo 11, Commander adalah Neil Armstrong dan Lunar Module Pilot adalah Buzz Aldrin
- Karena ukurannya besar dan posisinya di tengah, FDAI sangat menonjol di panel instrumen Lunar Module
- FDAI Lunar Module dapat memilih beberapa sumber input melalui sakelar panel
- Bola penampil sikap dapat menerima input dari Inertial Measurement Unit atau sistem cadangan Abort Guidance System
- Sikap pitch juga dapat dipasok dari ORDEAL (Orbital Rate Display Earth And Lunar), yang mensimulasikan orbit melingkar
- Tampilan galat dapat berasal dari Apollo Guidance Computer, Abort Guidance System, landing radar, dan rendezvous radar
- Tampilan laju pitch, roll, dan yaw digerakkan oleh Rate Gyro Assembly
- Tampilan laju memilih skala 25°/sec atau 5°/sec melalui sakelar di bawah FDAI
Mekanisme internal yang membuat rotasi 3 sumbu
- Bola FDAI menampilkan rotasi pada tiga sumbu: roll, pitch, dan yaw
- Roll adalah gerakan miring ke kiri-kanan sepanjang sumbu arah terbang
- Pitch adalah gerakan menengadah atau menukik ke atas-bawah
- Yaw adalah gerakan arah yang berubah ke kiri-kanan
- Attitude indicator pesawat biasa umumnya menghilangkan yaw
- FDAI sebenarnya menggerakkan tampilan bola dengan tiga motor
- Roll motor terpasang pada rangka FDAI dan memutar roll gimbal melalui gear
- Pitch motor dan yaw motor berada di dalam bola
- Roll gimbal terhubung ke dua titik “ekuator” mekanisme bola, dan dua titik ini mendefinisikan sumbu pitch
- Kunci agar bola tampak berputar bebas pada tiga sumbu adalah struktur cangkang hemisfer
- Pitch motor memutar mekanisme bola internal pada sumbu pitch
- Yaw motor memutar poros vertikal, lalu memutar dua cangkang hemisfer yang terpasang di atas dan bawah poros
- Pada rotasi yaw, mekanisme internalnya sendiri tidak bergerak; hanya cangkangnya yang berputar pada sumbu yaw
- Slip ring digunakan agar kabel tidak terpuntir
- Slip ring assembly pertama menangani rotasi sumbu roll dan mempertahankan koneksi listrik antara bagian diam dan roll gimbal yang berputar
- 23 pasang brush menangani 23 koneksi
- Set slip ring kedua menangani rotasi sumbu pitch di dalam bola
- Sumbu yaw hanya memutar cangkang hemisfer, sehingga tidak memerlukan kabel maupun slip ring
Synchro dan kendali loop servo
- Pada 1950–60-an, synchro banyak digunakan sebagai cara standar untuk mentransmisikan sinyal posisi rotasi secara elektrik
- Synchro mengirim output yang berubah sesuai posisi rotasi poros melalui tiga kabel
- Jika dua synchro dihubungkan, poros synchro kedua dapat berputar ke sudut yang sama dengan poros pertama
- Teknologi ini digunakan dalam berbagai hal, dari instrumen avionik hingga rotasi kubah meriam kapal perang angkatan laut
- Karena torsi synchro tidak besar, FDAI menggabungkannya dengan loop servo dan motor yang lebih kuat
- Control transformer membandingkan sudut input dengan posisi poros output untuk membuat sinyal galat
- Amplifier menggerakkan motor ke arah yang sesuai berdasarkan sinyal galat
- Motor bergerak hingga galat menjadi 0 dan sejajar dengan posisi target
- Sinyal tachometer digunakan sebagai tegangan umpan balik negatif untuk memperlambat motor di dekat posisi target serta mengurangi overshoot dan osilasi
- Motor FDAI adalah perangkat motor/tachometer yang digunakan dalam loop servo avionik
- Menerima daya 115V AC, 400Hz, tetapi tidak berputar hanya dengan itu saja
- Jika tegangan dengan fase yang sesuai diberikan ke dua control winding bertegangan rendah, motor berputar ke satu arah atau arah sebaliknya
- Tachometer internal menghasilkan sinyal AC bertegangan rendah yang sebanding dengan kecepatan rotasi motor
- Sinyal tachometer memiliki fase yang sama dengan sinyal penggerak 400Hz atau berlawanan fase 180º, tergantung arah rotasi
Papan amplifier dan rangkaian penggerak 400Hz
- FDAI memiliki total tiga loop servo, masing-masing satu untuk tiap sumbu
- Setiap loop memiliki control transformer, motor, dan amplifier terpisah
- Papan amplifier memiliki struktur unik: komponen-komponennya ditempatkan saling bertumpuk untuk menghemat ruang
- Beberapa kaki komponen panjang dan dilindungi sleeve plastik transparan
- Papan amplifier memperbesar sinyal galat agar motor berputar ke arah yang benar
- Inputnya adalah sinyal AC 400Hz; amplitudo menunjukkan besar galat atau kecepatan, sedangkan fase menunjukkan arah
- Dua output menggerakkan dua control winding motor untuk menentukan arah rotasi
- Output tachometer juga digunakan untuk memperlambat motor ketika galat mengecil dan mencegah overshoot
- Rangkaiannya berbasis germanium transistor
- Dua transistor di kiri memperkuat sinyal error dan tachometer untuk menggerakkan pulse transformer
- Output pulse transformer menggerakkan transistor output pada masing-masing setengah siklus 400Hz dengan fase yang saling berlawanan
- Operasi ini mengaktifkan control winding motor dan menghasilkan rotasi ke arah yang diinginkan
Silsilah instrumen Lear Siegler
- Bill Lear adalah penemu kelahiran 1902 yang memegang lebih dari 150 paten, dan dikenal lewat 8-track tape serta Learjet
- Pada 1920-an ia mendirikan beberapa perusahaan dan menciptakan salah satu radio mobil awal untuk Motorola
- Kemudian ia memulai Lear Avionics, perusahaan yang berspesialisasi dalam instrumen dirgantara
- Lear Avionics membuat instrumen penerbangan dan sistem kendali penerbangan seperti F-5 automatic pilot
- Teknologi attitude indicator Lear berkembang dari masalah penerbangan bersudut tinggi
- F-102 Delta Dagger mampu menanjak curam, tetapi attitude indicator lama hampir tidak dapat menangani penerbangan yang nyaris vertikal
- Lear mengembangkan platform 2-gyro jarak jauh dan cockpit indicator yang menghindari gimbal lock selama penerbangan vertikal
- Pada X-15 rocket-powered aircraft, teknologi ini ditingkatkan untuk menangani tiga sumbu roll, pitch, dan yaw
- X-15 attitude indicator menjadi dasar ARU/11-A pada pesawat tempur F-4
- Kemudian, setelah “modifikasi minimal”, instrumen ini digunakan sebagai attitude-director indicator dalam program antariksa Gemini
- Instrumen Gemini lalu dimodifikasi lagi menjadi FDAI untuk Apollo Lunar Module
- Lear Siegler memasok berbagai komponen untuk program Apollo, termasuk directional gyro untuk Lunar Rover dan electroluminescent display untuk DSKY Apollo Guidance Computer
- Pada 1974, Lear Siegler mendapat kontrak pengembangan ADI (Attitude-Director Indicator) untuk Space Shuttle dan memproduksi 12 unit ADI
- Saat itu, minat Lear Siegler terhadap avionik antariksa volume kecil sudah berkurang
- Divisi manufaktur menolak menangani prosedur khusus yang diperlukan untuk manufaktur antariksa, sehingga unit Shuttle dibuat oleh engineering department
- Setelah itu Lear Siegler tidak ikut menawar avionik Space Shuttle, dan Shuttle ADI menjadi produk antariksa terakhirnya
- Pada awal 2000-an, instrumen Shuttle ditingkatkan menjadi “glass cockpit” MEDS (Multi-function Electronic Display System) berbasis 11 display panel datar, dan MEDS diproduksi oleh Honeywell
Kesamaan dan perbedaan ARU/11-A dan Apollo FDAI
- Apollo FDAI dan ARU/11-A untuk F-4 memiliki mekanisme dasar dan amplifier elektronik yang sama, tetapi sangat berbeda secara struktur
- Pada ARU/11-A, bagian elektronik berada dalam modul terpisah yang ditancapkan di belakang indicator
- FDAI menyertakan bagian elektronik di dalamnya dan memasang papan pada rangka instrumen
- Papan amplifier ARU/11-A dan FDAI sama serta menggunakan germanium transistor
- Transformer 11-pin yang tidak biasa juga sama
- Ada perbedaan pada papan daya dan struktur mekanis
- Papan daya berbeda satu sama lain karena scaling resistor per unit dan tata letak ruang
- Ball assembly memiliki motor assembly dan mekanisme slip ring yang hampir sama
- Ada sedikit perbedaan pada gearing; FDAI memiliki 2 plastic gear, sedangkan ARU/11-A menggunakan metal gear seluruhnya
- Fungsi pitch trim ARU/11-A sebagian besar dihilangkan dari Apollo FDAI
- Pesawat memiliki angle of attack yang miring beberapa derajat ke atas saat terbang datar, sehingga pitch trim knob berguna untuk mengoreksi tampilan instrumen agar tampak datar
- Saat jet tempur terbang vertikal, koreksi pitch trim tidak boleh diterapkan, sehingga ARU/11-A menggunakan potentiometer 8-zone khusus pada sumbu pitch
- Pada wahana antariksa, koreksi ini tidak berarti, sehingga tidak diterapkan pada instrumen Apollo maupun Space Shuttle
- Pada FDAI yang ditinjau, potentiometer itu sendiri dan kabelnya tidak ada, tetapi shell silindrisnya masih tersisa
- Apollo FDAI bukan sekadar penggunaan ulang ARU/11-A, tetapi juga bukan desain ulang total
- Desain lama dipertahankan di bagian yang memungkinkan
- Fungsi yang tidak diperlukan seperti pitch trim dihilangkan
- Amplifier dan mechanical unit terpisah milik ARU/11-A diintegrasikan ke dalam FDAI yang lebih besar
Jejak modifikasi untuk simulator Space Shuttle
- Perangkat yang ditinjau dibuat untuk Apollo, tetapi merupakan unit khusus yang dimodifikasi untuk simulator Space Shuttle
- Ditandai sebagai Model 4068F, yang merupakan nomor komponen Lunar Module
- Di bagian dalam terdapat tanggal “Apr. 22 1968”, lebih dari setahun sebelum pendaratan pertama di Bulan
- Metode inputnya berbeda dari versi asli Apollo
- Apollo FDAI dan Shuttle ADI menggunakan resolver sebagai input untuk mengendalikan bola
- FDAI yang ditinjau menggunakan synchro
- Kemungkinan NASA mengganti tiga resolver control transformer dengan synchro control transformer untuk penggunaan simulator
- Pencahayaan dan dial juga diubah agar sesuai dengan simulator Shuttle
- Apollo FDAI menggunakan electroluminescent lighting pada display, tetapi FDAI yang ditinjau menggunakan 8 lampu pijar kecil
- Pada casing logam terdapat label Dymo embossed tape bertuliskan “INCANDESCENT LIGHTING”
- Di dalamnya terdapat step-down transformer yang menurunkan input 115VAC menjadi 5VAC untuk lampu
- Dial dicat ulang agar cocok dengan Shuttle FDAI, dan masih ada jejak cat hitam yang dilapiskan di atas band merah pada dial Apollo
- Alih-alih crosshair tengah pada Apollo LM FDAI, unit ini memiliki indicator putih berbentuk U seperti pada FDAI Shuttle dan Command Module
- Area lingkaran merah di wilayah kutub untuk peringatan gimbal lock pada Apollo FDAI tidak terlihat
- Modifikasi elektrikal juga ditambahkan
- Connector Micro-D MDB1 hijau kecil ditambahkan di antara slip ring dan motor, pada gimbal arm
- Connector tersebut direkatkan dengan lem agak kasar, sehingga tidak tampak seperti untuk penggunaan terbang
- Kemungkinan tujuannya untuk memudahkan pembongkaran dan modifikasi
- Elapsed time indicator juga dipasang dengan lem
- Struktur belakangnya sepenuhnya berbeda dari Apollo
- Connector pinout sepenuhnya berbeda
- Masing-masing dari 6 indicator needle memiliki mechanical adjustment dan trimpot
- Masing-masing dari 3 sumbu juga memiliki adjustment potentiometer
Perbedaan dengan Space Shuttle ADI
- Space Shuttle memiliki tiga ADI, dan meskipun namanya berbeda, instrumen ini sangat mirip dengan Apollo FDAI
- Di flight deck depan ada dua ADI oktagonal, satu di depan Commander dan satu di depan Pilot
- Aft flight deck station juga memiliki ADI ketiga
- FDAI yang ditinjau telah dimodifikasi besar-besaran untuk simulator Shuttle, tetapi masih lebih dekat ke Apollo FDAI daripada ADI Shuttle sebenarnya
- Ada hipotesis bahwa simulator dibuat sebelum Shuttle ADI diproduksi, sehingga Apollo FDAI digunakan
- Secara elektrikal, Shuttle ADI jauh lebih kompleks daripada Apollo FDAI maupun FDAI yang ditinjau
- Apollo FDAI memiliki flag “OFF” sederhana untuk menunjukkan hilangnya daya
- Shuttle ADI mencakup voltage level monitor yang memeriksa 5 power supply
- Shuttle ADI menggunakan 3 catu daya DC dan 2 catu daya AC, sementara Apollo menggunakan satu AC supply
- Position error pada ball servo juga dipantau
- Instrumen ini juga menerima sinyal eksternal “Data OK”
- Jika fault terdeteksi di monitor mana pun, flag “OFF” turun untuk menunjukkan bahwa ADI tidak dapat dipercaya
- Enam jarum Shuttle ADI sama seperti Apollo, tetapi menggunakan feedback untuk meningkatkan akurasi posisi
- Setiap needle Shuttle memiliki sensor feedback LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
- Output LVDT menggerakkan servo feedback loop agar jarum berada pada posisi yang tepat
- Pada Apollo FDAI, needle input voltage menggerakkan galvanometer sehingga jarum bergerak secara proporsional, tanpa closed loop yang menjamin akurasi
Ringkasan
- “8-ball” FDAI adalah instrumen utama Apollo untuk menampilkan sikap 3 sumbu wahana antariksa
- Struktur yang membuat bola tampak berputar bebas adalah cara sebagian besar mekanisme internal berputar pada 2 sumbu, sementara cangkang hemisfer berongga menyediakan sumbu rotasi ketiga
- Instrumen ini berada dalam silsilah Lear Siegler attitude director yang berlanjut dari X-15 rocket plane, F-4 fighter, Gemini, Apollo, hingga Space Shuttle
- FDAI yang ditinjau berawal dari Apollo lalu dimodifikasi untuk simulator Space Shuttle, sehingga memperlihatkan karakteristik instrumen Apollo dan Shuttle sekaligus
- Video singkat gerakan FDAI dapat dilihat di postingan Bluesky
1 komentar
Komentar Hacker News
Saya penulisnya. Kalau ada pertanyaan terkait Apollo, silakan, saya akan jawab :-)
Namun sebagai koreksi kecil, setelah saya cek, autopilot F-5 buatan Bill Lear tampaknya tidak terkait dengan pesawat tempur Northrop F-5
Saya penasaran apakah ada persyaratan bahwa komponennya harus berbeda, atau apakah ini terjadi karena Grumman/North American memilih pemasok yang berbeda
Kalau dulu, ini sepertinya akan jadi tugas yang bagus untuk mata kuliah kendali analog elektro-elektronika
Ini adalah kunst UI, benda bak permata. Sekilas saja, Anda langsung tahu sikap pesawatnya
Sebagai pilot antariksa amatir dengan 1.000 jam di KSP dan lebih dari 200 jam di Flight of Nova, hal yang paling saya rindukan dari instrumen penerbangan bergaya Apollo milik KSP di kokpit modern kapal berpenggerak fusi FoA adalah Nav-Ball
Indikator sikap model jet tempur berupa “tangga” tidak langsung terbaca sekilas; Anda harus fokus melihat angka di samping skala tangga, lalu melihat kompas lagi untuk memahami keseluruhannya. Itu perbedaan antara mengalihkan pandangan dari kendali dan fokus selama 3 detik, dengan 0,5 detik yang kemungkinan besar sudah terinternalisasi oleh bawah sadar
Sebagai gambaran soal 3 detik itu, menurut instrumen Apollo 11, saat mendarat di Bulan bahan bakarnya tersisa kurang dari 20 detik
Tulisan yang bagus. Saya hampir bisa disebut penggemar konektor, tapi baru pertama kali mendengar tipe MDB1. Fotonya ada di sini: https://www.digikey.com/en/products/detail/itt-cannon-llc/MD...
Cannon begitu terkenal dengan konektor bundar bercangkang logam sampai-sampai namanya sudah seperti Kleenex, menjadi istilah generik. Saya kira “semua orang” tahu seperti apa bentuk “Cannon connector”, tetapi saya tidak menyangka bentuknya seperti D-sub
Tahun lalu saya melihat tulisan serupa di HN tentang perangkat era Soviet. Itu adalah globe yang menunjukkan posisi wahana antariksa relatif terhadap Bumi
Seperti yang Anda katakan, bola itu menunjukkan posisi di atas Bumi, bukan sikap wahana antariksa di ruang, jadi bentuknya seperti globe dengan benua-benua tergambar di atasnya. Bolanya berputar pada dua sumbu, bukan tiga
Selain itu, Globus tidak punya input eksternal dan memutar bolanya mengikuti lintasan yang sudah ditentukan sebelumnya, terlepas dari posisi aktualnya
Berikut diskusi HN untuk tiga tulisan saya tentang Globus:
https://news.ycombinator.com/item?id=34468212
https://news.ycombinator.com/item?id=35311300
https://news.ycombinator.com/item?id=35038710
Sepertinya hal ini juga dibahas dalam ceramah terbaru Freya Holmér. Mungkin video ini:
https://www.youtube.com/watch?v=hUlvxaQBW78
Saya penasaran apakah simulator itu OV-095 milik SAIL
https://spaceflightblunders.wordpress.com/2017/03/31/ov-095-...
Edit: Ah, hampir pasti benar:
https://www.superstock.com/asset/oct-astronauts-frederick-ri...
Foto simulator dalam tulisan saya adalah salah satu Shuttle Mission Simulator (SMS), yang sekarang berada di Stafford Museum, Oklahoma
Shuttle Avionics Integration Laboratory (SAIL) adalah simulator lain yang digunakan untuk pengujian avionik, bukan pelatihan astronaut, dan saat ini berada di Houston
Saya sudah banyak membaca tentang teknologi luar biasa yang dibuat untuk Apollo, tetapi saya senang tulisan ini menguraikan salah satunya secara mendetail
Saya khawatir, akibat alih daya selama beberapa dekade terakhir, bukan hanya teknologi seperti ini, tetapi bahkan kemampuan dasar manufaktur rekayasa pun mungkin sedang menghilang
Bagian yang mengatakan bahwa departemen manufaktur tidak mau menangani ini sehingga tim rekayasa membuat perangkatnya sendiri itu menarik, dan tidak terlalu mengejutkan
Laju perkembangan era antariksa pada 1950–60-an adalah salah satu hal yang paling sulit dipahami jika dilihat dari tingkat kemajuan teknologi
Daftarnya seolah tak ada habisnya: komputasi analog yang disebut komentar lain terkait teknologi di artikel asli, komputasi digital yang sangat primitif, sel bahan bakar, rekayasa roket tingkat tinggi yang dicapai tanpa perangkat lunak simulasi FEA/CFD, sampai benar-benar melakukan deselerasi untuk mendarat di Bulan lalu lepas landas lagi dengan daya dorong