F-4 लड़ाकू विमान के 3-अक्ष attitude indicator की reverse engineering

 (righto.com)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-09-30 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • F-4 Phantom II का attitude indicator सामान्य artificial horizon में दिखने वाले pitch और roll के साथ azimuth (yaw) भी जोड़ता है, ताकि पायलट high-speed maneuver के दौरान 3-अक्ष attitude और आगे बढ़ने की दिशा एक नज़र में देख सके
  • घूमने वाली गेंद पूरी ठोस sphere नहीं है, बल्कि ऊपर और नीचे की खोखली hemispherical shell की 2 इकाइयों में बंटी है; अंदर का mechanism equator के पास स्थिर रहता है और केवल shell चलती हैं
  • roll, pitch और azimuth प्रत्येक अलग मोटर से चलते हैं, और 1960 के दशक की avionics में इस्तेमाल होने वाले synchro 3-wire signal तथा control transformer कोणीय त्रुटि बनाकर servo loop को बंद करते हैं
  • घूमती हुई संरचना में wiring के उलझाव को roll axis और pitch axis के slip ring से हल किया गया है, और azimuth axis में electronic भाग नहीं घूमता, केवल ball shell घूमती है, इसलिए अलग slip ring की ज़रूरत नहीं पड़ती
  • F-35 जैसे आधुनिक लड़ाकू विमान स्क्रीन-केंद्रित glass cockpit पर जा चुके हैं, लेकिन यह instrument 3-अक्ष mechanical display के लिए परिष्कृत electromechanical structure और analog control के संयोजन का उदाहरण है

F-4 attitude indicator की भूमिका

  • यह उपकरण F-4 लड़ाकू विमान का attitude indicator है, जो घूमती हुई गेंद का उपयोग करके विमान की attitude और दिशा दिखाता है
  • सामान्य विमान का artificial horizon pitch और roll, यानी 2-अक्ष, दिखाता है, लेकिन F-4 indicator azimuth भी जोड़कर 3-अक्ष attitude दिखाता है
  • F-4 Phantom II 1958 से 1981 तक निर्मित एक supersonic लड़ाकू विमान था, और 5000 से अधिक इकाइयों के साथ यह अमेरिकी supersonic aircraft में सबसे अधिक उत्पादित मॉडलों में से एक था
  • यह इतना महत्वपूर्ण instrument था कि इसे pilot panel के केंद्र में, लाल radar scope के नीचे रखा गया था; पीछे की सीट पर इसका अधिक सरल 2-अक्ष attitude indicator था
  • F-4 एक 2-सीटर विमान है, और पीछे की सीट पर बैठा radar intercept officer radar और हथियारों को नियंत्रित करता है

गेंद के 3-अक्ष में घूमने की mechanical संरचना

  • display के लिए इस्तेमाल होने वाली गेंद एक बंद sphere नहीं, बल्कि दो खोखली hemispherical shell से बनी है
    • hemispherical shell अंदर के vertical axis के ऊपर और नीचे जुड़ी होती हैं
    • equator की स्थिति पर मौजूद अंदरूनी mechanism, ball shell से अलग, स्थिर रह सकता है
  • तीनों अक्ष अलग-अलग तरीके से चलाए जाते हैं
    • roll motor indicator frame पर लगी होती है और roll gimbal तथा पूरी गेंद को clockwise या counterclockwise घुमाती है
    • pitch motor गेंद के अंदर होती है और पूरे अंदरूनी mechanism को क्षैतिज pitch axis के चारों ओर घुमाती है
    • azimuth motor vertical axis को घुमाकर ऊपर और नीचे की hemispherical shell को azimuth axis के चारों ओर घुमाती है
  • roll gimbal, ball mechanism के ऊपर और नीचे के pivot points से जुड़कर गेंद को सहारा देता है
  • roll control transformer position feedback देता है, और roll gimbal से गेंद के अंदरूनी mechanism तक बहुत-सी wiring जुड़ी होती है

wiring क्यों नहीं उलझती

  • घूमती हुई संरचना के भीतर electrical connection बनाए रखने के लिए slip ring के दो sets का उपयोग किया गया है
  • पहली slip ring assembly roll axis rotation को संभालती है
    • यह स्थिर instrument body और घूमते हुए roll gimbal के बीच electrical connection देती है
    • केंद्रीय shaft, ball assembly housing के साथ घूमती है, और shaft के अंदर की wiring गोल धातु contacts से होते हुए roll gimbal तक जाती है
  • दूसरी slip ring गेंद के अंदर roll gimbal wiring और ball mechanism के बीच connection देती है
    • यह pitch axis rotation के दौरान electrical connection बनाए रखती है
    • वास्तविक slip ring अंदर है, इसलिए तस्वीर में दिखाई नहीं देती
  • azimuth axis में slip ring की ज़रूरत नहीं होती
    • क्योंकि azimuth rotation में केवल गेंद की hemispherical shell घूमती हैं और electronic भाग स्थिर रहता है

synchro और servo loop

  • indicator बाहरी gyroscope से roll, pitch और azimuth position को दर्शाने वाले electrical signals प्राप्त करता है
  • 1960 के दशक की avionics में आम synchro 3 तारों के जरिए कोणीय स्थिति भेजता था
    • synchro transmitter shaft की angular position को AC signal में बदलता है
    • अंदर का rotor 400Hz AC से चलता है, और 3 स्थिर stator windings कोण के अनुसार phase और voltage बदलते हुए 3 output signals बनाती हैं
  • प्रत्येक axis की motor को servo loop से नियंत्रित किया जाता है
    • control transformer 3-wire input angle और वास्तविक axis rotation की तुलना करके error signal बनाता है
    • amplifier error signal के 0 होने तक motor को उचित दिशा में चलाता है
    • motor/tachometer का tachometer signal negative feedback voltage के रूप में उपयोग होता है, जिससे target position के पास पहुँचते ही motor speed कम हो जाती है
  • motor/tachometer unit सामान्य electric motor से अधिक जटिल होता है
    • motor को 115V AC, 400Hz power मिलती है, लेकिन केवल इससे यह घूमती नहीं है
    • दो low-voltage AC control windings में से किसी एक को energize करने पर यह एक दिशा या विपरीत दिशा में घूमती है
    • tachometer rotation speed के अनुपात में low-voltage AC signal बनाता है, और rotation direction के अनुसार 400Hz drive signal के साथ same-phase या 180-degree opposite phase में होता है

amplifier assembly

  • motor को instrument के पीछे लगी amplifier assembly चलाती है
  • amplifier assembly में तीनों axes के लिए 3 अलग error amplifiers होते हैं
    • roll, pitch और azimuth के लिए अलग-अलग amplifier boards हैं
    • इसके भीतर DC power supply board, AC transformer और trim potentiometer भी हैं
  • तीनों amplifier boards की संरचना समान है
    • कुछ components जगह बचाने के लिए दूसरे components के ऊपर stacked हैं
    • कुछ leads लंबे हैं और transparent plastic sleeve से सुरक्षित किए गए हैं
    • boards को नमी और contaminants से बचाने के लिए conformal coating दी गई है
  • प्रत्येक amplifier board error signal और tachometer output का उपयोग करके motor की दो control windings को drive करता है
    • input 400Hz AC है, और उसका phase positive या negative error को दर्शाता है
    • output यह तय करता है कि कौन-सी control winding activate होगी, जिससे motor की rotation direction निर्धारित होती है
  • इसी attitude indicator family में असंगत amplifier इस्तेमाल करने वाले दो versions हैं
    • नए indicator की motor में संभवतः केवल एक control winding होती है
    • connector keying अलग है, इसलिए गलत amplifier लगाया नहीं जा सकता

pitch trim circuit

  • indicator के दाहिने निचले हिस्से में pitch trim knob है, लेकिन विश्लेषण किए गए उपकरण में यह knob गायब था
  • level flight के दौरान विमान इच्छित angle of attack पाने के लिए नाक को थोड़ा ऊपर या नीचे रख सकता है
    • पायलट चाहता है कि वास्तविक विमान थोड़ा झुका होने पर भी attitude indicator level flight दिखाए
    • pitch trim knob यही correction लागू करता है
  • जब लड़ाकू विमान vertical 90-degree climb जैसी स्थिति में हो, तब trim correction को अनदेखा कर वास्तविक attitude दिखनी चाहिए
  • 1957 का patent एक ऐसी विधि बताता है जिसमें विमान के level flight से हटते ही trim adjustment को धीरे-धीरे हटाया जाता है
    • एक विशेष multi-zone potentiometer pitch angle के अनुसार trim signal को समायोजित करता है
  • pitch trim signal भी, अधिकांश आंतरिक signals की तरह, 400Hz AC होता है
    • level के पास होने पर potentiometer wiper positive-phase AC पाता है और pilot द्वारा सेट किया गया trim correction लागू करता है
    • लगभग vertical climb या steep dive में wiper 0V क्षेत्र में पहुँचता है, जिससे pitch trim हट जाता है
    • inverted स्थिति में wiper negative-phase AC पाता है, जिससे trim correction उल्टी दिशा में लागू होता है

model, specifications, संबंधित उपकरण

  • यह 3-अक्ष attitude indicator Apollo spaceflight में इस्तेमाल हुए FDAI से कई मायनों में मिलता-जुलता है, हालांकि FDAI में अधिक indicators और needles हैं
  • Soyuz Globus navigation के लिए उपयोग हुआ, दो axes में घूमता है, और इस F-4 indicator से अधिक सरल है
  • संबंधित military specification के रूप में MIL-I-27619 मौजूद है, जो ARU-11/A, ARU-21/A और ARU-31/A तीन समान indicators को कवर करती है
    • ARU-11/A का उपयोग F-111A में हुआ
    • ARU-21/A का उपयोग A-7D Corsair में हुआ
    • ARU-31/A का उपयोग F-4 के reconnaissance variant RF-4C Phantom II में हुआ
  • यह indicator AN/ASN-55 Attitude Heading Reference Set का हिस्सा है, और यह set MIL-A-38329 में परिभाषित है
  • विश्लेषित indicator पर कोई identification marking नहीं है और कुछ parts भी गायब हैं, इसलिए सटीक model तय करना कठिन है

electromechanical instrument की सीमाएँ और आकर्षण

  • विमान का attitude indicator, विशेषकर low-visibility में उड़ान बनाए रखने के लिए, अत्यंत महत्वपूर्ण instrument है
  • F-4 का attitude indicator सामान्य artificial horizon की तुलना में एक अतिरिक्त axis दिखाता है, लेकिन इसके बदले mechanical और electrical circuit बहुत अधिक जटिल हो जाते हैं
  • आधुनिक लड़ाकू विमान ऐसे जटिल electromechanical instruments की जगह glass cockpit का उपयोग करते हैं
    • उदाहरण के लिए, F-35 console कई instruments को एक बड़े panoramic touchscreen से बदलकर रंगीन रूप में जानकारी दिखाता है
  • mechanical instruments व्यावहारिकता के लिहाज से पीछे हो सकते हैं, लेकिन अंदर खोलकर देखने पर 3-अक्ष में घूमने वाली गेंद को मज़बूती से थामते हुए भी स्वतंत्र रूप से चलने देने वाली अनोखी engineering सामने आती है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-09-30
Hacker News की राय

  • अल्ट्रा-हाई-रेजोल्यूशन इमेज डालने के लिए अच्छा लगा, और यह देखकर हैरानी हुई कि इतने सारे analog hacks इस्तेमाल किए गए थे
    आज के समय में यह कुछ लाइनों के code से हो जाने वाला काम लगता है

    • 1950 के दशक की computing में यह धारणा अभी स्पष्ट नहीं थी कि digital computing निश्चित रूप से बेहतर है
      क्योंकि भरोसेमंद, तेज और सस्ती microelectronics और controllers को mass-produce करने का तरीका अभी नहीं था, high-reliability क्षेत्रों में analog computing ही जवाब था
      1954 में Rex Rice ने लिखा था कि वे programming language जैसी abstraction के बजाय simple plugboard से computer program करना पसंद करते हैं (https://dl.acm.org/doi/10.1145/1455270.1455272)
      इसलिए उस समय high-level programming languages सामने की समस्या के लिए सही समाधान हैं या नहीं, यह भी अब भी बहस का विषय था, और physical दुनिया में छेड़छाड़ करके math calculation बनाकर दिखाने वाले पहले के लोग सचमुच genius थे
      मेरे पिता को अपने करियर की शुरुआत में Soviet aerospace devices को खोलकर reverse engineer करना पड़ा था, और वे आज भी Soviet devices की बेहतरीन engineering finish और precision को अच्छे से याद करते हैं
      काश Soviet computing पर और सामग्री मिलती, लेकिन आखिर इतिहास विजेता ही लिखते हैं

  • मैं ऐसे indicators को car dashboard में लगाकर देखना चाहता था
    मैंने पहले ही boat compass लगा रखा है, जो काफी उपयोगी है और देखने में भी अच्छा लगता है
    अफसोस, electronic indicators vacuum-driven या पूरी तरह glass cockpit वाले instruments की तुलना में कहीं ज्यादा दुर्लभ हैं

    • मैं सोच रहा हूं कि इस तरह की device का modern electronic replica बनाऊं
      3D-printed sphere half के अंदर stepper motor, magnetic rotary encoder, और 6-DOF compass/gyro inertial measurement unit रखने जैसा
      अगर अंदर Arduino या ESP32 डालकर चलाया जाए, तो roll और pitch axes के जरिए सिर्फ power देने वाली simple slip ring से भी काम संभव लगता है
      हालांकि अभी बस सोच ही रहा हूं, और Ken की दूसरी post https://www.righto.com/2023/01/inside-globus-ink-mechanical-... देखकर Russian Soyuz mechanical navigation device बनाने की कल्पना भी की थी
      लेकिन आजकल Soviet vintage tech की replica बनाने का विचार कुछ साल पहले जितना आकर्षक नहीं लगता
    • छोटे aircraft में traditionally vacuum-driven instruments standard थे, और modern replacements AHRS-based पूरी तरह glass instruments हैं, इसलिए ऐसा है
      ऐसे aircraft काफी कम हैं जिनमें vacuum system नहीं है लेकिन electric mechanical attitude indicator लगा है
      सबसे realistic option वे electric mechanical backup instruments हैं जो शुरुआती G1000 full-glass installations में इस्तेमाल हुए थे
      electric backup attitude indicator के लिए Diamond DA40 और DA42 देखें, और बाद के models DA50 और DA62 पूरी तरह glass backup instruments इस्तेमाल करते हैं
    • आपको चाहिए ring laser gyro
    • dashboard पर boat compass रखना cool है
      मैं भी ऐसा करना चाहूंगा, लेकिन उत्सुक हूं कि क्या vehicle की अपनी interference की समस्या नहीं आई?

  • कोई सवाल हो तो जवाब दूंगा

    • उत्सुक हूं कि यह instrument आजकल आम smartphones में लगे integrated-circuit-based sensors की तुलना में कितना accurate रहा होगा
    • civil aviation में, खासकर jets में, attitude indicator का pitch level flight नहीं बल्कि actual aircraft angle को reference मानता है
      सोच रहा हूं कि क्या यह mechanical attitude indicator की precision और scale, और military aircraft के wider flight envelope की वजह से है

  • ऐसे aircraft आज भी Iranian Air Force की core capability के रूप में इस्तेमाल हो रहे हैं, और कुछ साल पहले कुछ variants की avionics upgrade होने तक यही device लगातार इस्तेमाल होती रही

  • सिर्फ जिज्ञासा है, post में कहा गया है कि F-35 में aircraft की लगभग हर चीज संभालने वाली पूरी digital touchscreen है
    अगर कोई powerful cannon उसे damage कर दे, तो screen पूरी तरह freeze होने पर pilot क्या करता है?
    F-4 में शायद केवल वही instruments खराब होंगे जो firing line में हैं, तो फर्क यह नहीं है कि एक तरफ सब खत्म हो जाता है और दूसरी तरफ सिर्फ कुछ instruments खोते हैं?
    F-35 के बारे में शायद मैं कुछ, या बहुत कुछ, miss कर रहा हूं, लेकिन दिमाग में 100% digital aircraft काफी डरावना लगता है

    • आम तौर पर अगर cockpit पर hit होकर instruments damage होने की स्थिति है, तो pilot के घायल या मारे जाने की संभावना बहुत ज्यादा है, इसलिए instruments की चिंता करने की स्थिति ही नहीं रहती
      पुराने cannon dogfights में firing अक्सर पीछे से आती थी, या ऊपर से canopy को भेदकर अंदर आती थी
      दोनों ही cases में अगर वह instruments को hit करने लायक है, तो उसके pilot से गुजरने की संभावना बड़ी है
      और पुराने दौर में front hits भी होते थे, लेकिन fighters के बीच head-on मुकाबला games के बाहर बहुत मुश्किल है, और यह मुख्य रूप से bomber rear gunners के कारण होता था
      इसलिए World War II के बहुत पुराने aircraft में pilot के सामने bulletproof glass भी होता था
      अगर F-35 cannon fight में चला गया है तो pilot ने बड़ी गलती की है, और F-35 को dogfighter के रूप में design नहीं किया गया
      आज भी अगर missile या anti-aircraft fire का shrapnel cockpit के पास फटकर instruments damage करे, तो shrapnel pilot को भी घायल कर उस दिन return flight को मुश्किल बना देगा
      modern war में F-35 के damage होने का सबसे plausible तरीका भी यही है
      instrument panel खराब हो जाए लेकिन pilot ठीक रहे—ऐसा scenario बिल्कुल असंभव नहीं है, लेकिन probability इतनी कम है कि शायद इसे glass cockpit के फायदों से कम नुकसानदायक risk माना गया
    • F-35 के बारे में नहीं जानता, लेकिन जिस fighter पर मैं काम करता हूं उसमें cockpit में fragment damage हो तो basically pilot को dead माना जाता है
      उदाहरण के लिए flight control system pilot के पीछे होता है
      फिर भी flight safety के लिहाज से F-35 displays कम से कम duplicated होंगे, ऐसा मानता हूं
      इसे दो displays को एक की तरह seamless तरीके से जोड़े गए structure की तरह समझें
    • displays का backup Integrated Standby Instrument System (ISIS) है, जिसमें कई core instruments को एक छोटे digital display में combine किया गया है
      ISIS में आम तौर पर अपने sensors और battery backup होते हैं, इसलिए main display fail होने पर भी इसे चलते रहना चाहिए
      https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_standby_instrument_...
    • यह कोई साधारण screen नहीं है
      यह highly ruggedized, redundant, special-purpose display है, और अपने-आप में एक industry है
      ऐसी companies भी हैं जो screen के ऊपर transparent conductors लगाकर उसे heatable बनाती हैं, ताकि Arctic Circle में aircraft carrier deck पर भी इस्तेमाल हो सके और function बनाए रखे
      कुछ companies खास military purposes के लिए आज भी CRT बनाती हैं
      ये screens जिन mechanical systems की जगह लेती हैं, उनसे ज्यादा safe, ज्यादा reliable और ज्यादा rugged होती हैं
    • basic flight instruments का लगभग हमेशा backup होता है
      F-35 में center console पर एक छोटी rectangular screen है जो attitude indicator और flight parameters दिखाती है
      कहने की जरूरत नहीं, main screen चली जाए तो तुरंत मुड़कर सबसे पास का airport खोजा जाएगा

  • kens@ ऐसा खजाना है जिसके हम हकदार भी नहीं हैं

    • धन्यवाद
      रुकिए, Linux/4004 बनाने वाले आप ही हैं न?
      वह project सचमुच शानदार था

  • यह सोचकर हैरानी होती है कि यह सारी technology slide rule इस्तेमाल करने वाले लोगों ने बनाई थी

  • जिन engineers ने इसे बनाया, वे यह जानकर बहुत खुश हुए होंगे कि किसी ने पता लगा लिया कि उन्होंने ये सारी problems कैसे solve की थीं

  • इसमें गई engineering details देखना सचमुच शानदार है
    software side का व्यक्ति होने के नाते, मैं हमेशा सोचता हूं कि इतना complex hardware बनाते समय bugs और quality assurance को कैसे handle किया गया होगा

    • physical products के लिए product के मुताबिक physical tests design और run करने वाले test engineers की जरूरत होती है
      यह अपने-आप में पढ़ने लायक एक field है
      अगर ultra-high-reliability applications को समझना चाहते हैं, तो Design for Six Sigma एक अच्छा starting point है
      https://www.youtube.com/watch?v=_g6UswiRCF0
    • modern software engineer के लिए सबसे अनजाना concept यह है कि ऐसी चीजें बिना bugs के ship करनी पड़ती थीं और firmware patch से update भी नहीं की जा सकती थीं
      ऐसे constraints के तहत ship करना पड़े तो modern design में शायद ही मिलने वाला level of focus पैदा होता है