Dentro del Globus INK: Una Computadora Mecánica de Navegación para el Vuelo Espacial Soviético
El programa espacial soviético utilizó controles e instrumentos completamente diferentes de las naves espaciales americanas. Uno de los instrumentos de navegación más interesantes a bordo de las naves Soyuz fue el Globus, que utilizaba un globo giratorio para indicar la posición de la nave espacial sobre la Tierra.
Este instrumento de navegación era una computadora analógica electromecánica que utilizaba un elaborado sistema de engranajes, levas y diferenciales para calcular la posición de la nave espacial. Oficialmente, la unidad se llamaba «indicador de navegación espacial» con el acrónimo ruso ИНК (INK),1 pero usaré el apodo más descriptivo «Globus».
Recientemente recibimos un Globus de un coleccionista y lo abrimos para repararlo e invertir su ingeniería. En esta entrada del blog, explico cómo funcionó, muestro sus mecanismos internos y describo lo que he aprendido hasta ahora de la ingeniería inversa. La foto de abajo da una idea de la complejidad mecánica de este dispositivo, que también tiene algunos relés, solenoides y otros componentes eléctricos.
Funcionalidad
El propósito principal del Globus era indicar la posición de la nave espacial. El globo giraba mientras que las miras fijas en la cúpula de plástico indicaban la posición de la nave espacial. Así, el globo coincidía con la vista de la Tierra de los cosmonautas, permitiéndoles confirmar su ubicación. Los diales de latitud y longitud al lado del globo proporcionaban una indicación numérica de la ubicación. Mientras tanto, un dial de luz/sombra en la parte inferior mostraba cuándo la nave espacial sería iluminada por el sol o estaría en la sombra, información importante para el acoplamiento. El Globus también tenía un contador de órbitas, que indicaba el número de órbitas.
El Globus tenía un segundo modo, indicando dónde aterrizaría la nave espacial si dispararan los retrocohetes para iniciar un aterrizaje. Al voltear un interruptor, el globo giraba hasta que la posición de aterrizaje estaba debajo de las miras y los cosmonautas podían evaluar la idoneidad de este sitio de aterrizaje.
Los cosmonautas configuraban el Globus girando perillas para establecer la posición inicial de la nave espacial y el período orbital. A partir de ahí, el Globus rastreaba la órbita electromecánicamente. A diferencia de la computadora de guía Apollo, el Globus no recibía información de navegación de una unidad de medición inercial (IMU) u otras fuentes, por lo que no conocía la posición real de la nave espacial. Era puramente una visualización de la posición predicha.
El globo
El globo en sí está detallado para su pequeño tamaño, mostrando características del terreno como montañas, lagos y ríos. Estas características en el mapa ayudaron a los cosmonautas a comparar su posición con las características geográficas que podían ver en la Tierra. Estas características también fueron importantes para seleccionar un sitio de aterrizaje, de modo que pudieran ver qué tipo de terreno iban a aterrizar. En su mayor parte, el mapa no muestra límites políticos, excepto por líneas rojas y moradas gruesas. Esta línea muestra las fronteras de la URSS, así como los límites entre países comunistas y no comunistas, también importantes para seleccionar un sitio de aterrizaje. El globo también tiene círculos numerados del 1 al 8 que indican sitios de radio para la comunicación con la nave espacial, lo que permite a los cosmonautas determinar qué estaciones terrestres se pueden contactar.
Controlar el globo
Al ver el Globus, uno podría preguntarse cómo se rota el globo. Puede parecer que el globo debe flotar libremente para que pueda rotar en dos ejes. En cambio, un ingenioso mecanismo une el globo a la unidad. La clave es que el ecuador del globo es una pieza sólida de metal que gira alrededor del eje horizontal de la unidad. Un segundo mecanismo de engranajes dentro del globo hace girar el globo alrededor del eje norte-sur. Las dos rotaciones están controladas por ejes concéntricos que están fijos a la unidad, permitiendo dos grados de libertad rotacional a través de ejes fijos.
La foto de abajo muestra el marco que sostiene y controla el globo. El eje punteado está fijo horizontalmente en la unidad y las rotaciones se alimentan a través de los dos engranajes de la izquierda. Un engranaje hace girar el globo y el marco alrededor del eje punteado, mientras que el tren de engranajes hace que el globo gire alrededor del eje polar vertical (mientras que el ecuador permanece fijo).
El ángulo de arriba es de 51.8°, lo cual es muy importante: esta es la inclinación de la órbita estándar de Soyuz. Como resultado, simplemente rotar el globo alrededor de la línea punteada hace que la mira trace la órbita estándar.2 Rotar las dos mitades del globo alrededor de los polos produce las diferentes órbitas de 51.8° sobre la superficie de la Tierra a medida que la Tierra gira. (¿Por qué 51.8 grados? El cosmódromo de Baikonur, punto de lanzamiento de Soyuz, está a 45.97° de latitud norte, por lo que 45.97° sería la inclinación más eficiente. Sin embargo, para evitar que el lanzamiento pase sobre el oeste de China, el cohete debe inclinarse hacia el norte, lo que da como resultado 51.8° (detalles).)
Una consecuencia importante de este diseño es que la inclinación orbital está fijada por el ángulo del mecanismo del globo. Se debieron construir diferentes unidades Globus para diferentes órbitas. Además, este diseño solo maneja órbitas circulares, lo que lo vuelve inútil durante los cambios de órbita como el acoplamiento y el atraque. Estas fueron limitaciones tan significativas que algunos cosmonautas querían que se eliminara el Globus del panel de control, pero permaneció hasta que fue reemplazado por una pantalla de computadora en Soyuz-TMA (2002).3
Velocidad orbital y el «cono»
Una órbita de Soyuz dura aproximadamente 90 minutos, pero el tiempo varía según la altitud.4 El Globus tiene una perilla de ajuste (abajo) para ajustar el período orbital en minutos, décimas de minutos y centésimas de minutos. La perilla exterior tiene tres posiciones y apunta al dígito que cambia cuando se gira la perilla interior. El mecanismo proporciona un ajuste de ±5 minutos desde el período nominal de 91.85 minutos.3
La función de velocidad orbital se implementa aumentando o disminuyendo la velocidad a la que gira el globo alrededor del eje orbital (horizontal). Generar una velocidad variable es complicado, ya que el Globus funciona con pulsos fijos de 1 hertz. La solución es comenzar con una velocidad base y luego agregar tres incrementos: uno para la configuración de minutos, uno para la configuración de décimas de minutos y uno para la configuración de centésimas de minutos.5 Estas cuatro velocidades se suman (como velocidades de rotación del eje) para obtener la velocidad de rotación general.
El Globus utiliza numerosos engranajes diferenciales para sumar o restar rotaciones. La foto de abajo muestra dos juegos de engranajes diferenciales, uno al lado del otro.
El problema es cómo generar estas tres velocidades de rotación variables a partir de la entrada fija. La solución es una leva especial, con forma de cono con una sección transversal en espiral. Tres seguidores van sobre la leva, por lo que a medida que la leva gira, el seguidor se empuja hacia afuera y gira sobre su eje. Si el seguidor está cerca de la parte estrecha de la leva, se mueve sobre una pequeña distancia y tiene una pequeña rotación. Pero si el seguidor está cerca de la parte ancha de la leva, se mueve una distancia mayor y tiene una rotación mayor. Por lo tanto, al mover el seguidor a un punto particular en la leva, se selecciona la velocidad de rotación del seguidor.
Obviamente, la leva no puede espiralizarse para siempre. En cambio, al final de una revolución, su sección transversal cae bruscamente de nuevo al diámetro inicial. Esto hace que el seguidor vuelva a su posición original. Para evitar que esto sacuda el globo hacia atrás, el seguidor está conectado al engranaje diferencial a través de un embrague deslizante y un trinquete. Así, cuando el seguidor vuelve a su posición inicial, el trinquete mantiene el eje de transmisión estacionario. El eje de transmisión luego continúa su rotación a medida que el seguidor comienza a ciclar hacia afuera nuevamente. Por lo tanto, la salida es una rotación (en su mayoría) suave a una velocidad que depende de la posición del seguidor.
Latitud y longitud
Los indicadores a la izquierda y en la parte superior del globo indican la latitud y longitud de la nave espacial, respectivamente. Estos están definidos por funciones sorprendentemente complejas, generadas por la proyección de la órbita sobre el globo.6
Las funciones de latitud y longitud se implementan a través de la forma de las levas metálicas; la foto de abajo muestra el mecanismo de longitud. Cada función tiene dos levas: una leva implementa la función deseada, mientras que la otra leva tiene la forma «opuesta» para mantener la tensión en el mecanismo de seguimiento tipo mandíbula.
La leva de latitud acciona el dial de latitud, haciendo que oscile entre 51.8° N y 51.8° S. La longitud es más complicada porque la rotación de la Tierra hace que varíe constantemente. La salida de longitud en el dial se produce al agregar el valor de la leva a la rotación de la Tierra a través de un engranaje diferencial.
Luz y sombra
El Globus tiene un indicador para mostrar cuándo la nave espacial entrará en luz o sombra. El dial consta de dos diales concéntricos, configurados por las dos perillas. Estos diales se mueven con la órbita de la nave espacial, mientras que la leyenda roja permanece fija. Creo que estos diales están engranados con el dial de longitud, pero todavía estoy investigando.
El mecanismo de ubicación de aterrizaje
El Globus puede mostrar dónde aterrizaría la nave espacial si iniciara una quema de reentrada ahora, con una precisión de 150 km. Esto se calcula proyectando la órbita actual hacia adelante por una órbita parcial, dependiendo de cuánto tiempo tardaría en aterrizar. El cosmonauta especifica este valor mediante el «ángulo de aterrizaje», que indica esta fracción de una órbita como un ángulo. Un indicador electroluminiscente en la esquina superior izquierda de la unidad muestra «Место посадки» (Lugar de aterrizaje) para indicar este modo.
Para obtener la posición de aterrizaje, un motor hace girar el globo hasta que se detiene después de rotar el ángulo especificado. El mecanismo para implementar esto se muestra a continuación. La perilla de ajuste en el panel gira el eje de ajuste que mueve el interruptor de límite al ángulo deseado a través del engranaje sinfín. El cableado está envuelto alrededor de una rueda para que el cableado permanezca controlado durante este movimiento. Cuando se activa el motor de accionamiento, gira el globo y el brazo oscilante al mismo tiempo. Dado que el motor se detiene cuando el brazo oscilante golpea el interruptor de límite de ángulo, el globo gira el ángulo deseado. El interruptor de límite fijo se utiliza cuando se devuelve la posición del globo a su posición orbital regular.
El modo de ubicación de aterrizaje se activa mediante un interruptor giratorio de tres posiciones. La primera posición «МП» (место посадки, lugar de aterrizaje) selecciona el lugar de aterrizaje, la segunda posición «З» (Земля, Tierra) muestra la posición sobre la Tierra y la tercera posición «Откл» (apagado) deshace la rotación del ángulo de aterrizaje y apaga el mecanismo.
Electrónica
Aunque el Globus es en su mayoría mecánico, tiene una placa de electrónica con cuatro relés y un transistor, así como resistencias y diodos. Creo que la mayoría de estos relés controlan el mecanismo de ubicación de aterrizaje, impulsando el motor hacia adelante o hacia atrás y deteniéndose en el interruptor de límite. Los diodos son diodos de retorno, dos diodos en serie a través de cada bobina del relé para eliminar la patada inductiva cuando se desconecta la bobina.
Un potenciómetro de 360° (abajo) convierte la posición orbital de la nave espacial en un voltaje. Las fuentes indican que el Globus proporciona esta señal de voltaje a otras unidades en la nave espacial. Mi teoría es que el transistor en la placa de electrónica amplifica este voltaje, pero todavía estoy investigando.
La foto de abajo muestra los múltiples haces de cables en el Globus, en la parte delantera y la izquierda. La placa de electrónica está en la parte delantera derecha. El Globus contiene una cantidad sorprendente de cableado para un dispositivo que es en su mayoría mecánico. Inconvenientemente, todos los cables al conector externo de la caja (arriba a la izquierda) fueron cortados.7 Quizás esto fue parte de la desactivación de la unidad. Sin embargo, uno de los tornillos de la caja está cubierto con un sello de cera a prueba de manipulaciones con insignia, y este sello de cera estaba intacto. Esto indica que la unidad fue sellada oficialmente después de cortar los cables, lo que no tiene sentido para una unidad desactivada.
La unidad está impulsada por dos solenoides de trinquete: uno para la rotación orbital y otro para la rotación de la Tierra. Estos solenoides toman pulsos de 27 voltios a 1 hertz.3 Cada pulso hace que el solenoide avance el engranaje un diente; un trinquete evita que el engranaje se deslice hacia atrás. Estas pequeñas rotaciones impulsan los engranajes en todo el Globus y dan como resultado un pequeño movimiento del globo.
Apollo-Soyuz
Si miras de cerca el globo, tiene un montón de puntos rosados agregados, junto con etiquetas de tres letras en caracteres latinos (no cirílicos).8 En la foto de abajo, puedes ver GDS (Goldstone), MIL (Merritt Island), BDA (Bermudas) y NFL (Terranova). Estos son sitios de seguimiento de la NASA, lo que implica que este Globus fue construido para el Proyecto de Prueba Apollo-Soyuz, una misión de 1975 donde una nave espacial Apollo se acopló con una cápsula Soyuz.
Una confirmación adicional de la conexión Apollo-Soyuz es la etiqueta VAN en el medio del Océano Pacífico (no visible arriba). El USNS Vanguard fue un barco de seguimiento de la NASA que se utilizó en el programa Apollo para cubrir las brechas en la cobertura de radio. Era un petrolero de la Segunda Guerra Mundial, convertido en la posguerra en un barco de seguimiento de misiles y luego utilizado para Apollo. En la foto de abajo, puedes ver las grandes antenas de seguimiento en su cubierta. Durante la misión Apollo-Soyuz, Vanguard estaba estacionado en 25 S 155 W para la misión Apollo-Soyuz, coincidiendo exactamente con la ubicación del punto VAN en el globo.
Historia
El Globus tiene una larga historia, que se remonta a los inicios del vuelo espacial tripulado soviético. La primera versión fue más simple y tenía el acrónimo ruso ИМП (IMP).9 El desarrollo del IMP comenzó en 1960 para los vuelos espaciales Vostok (1961) y Voskhod (1964).
Las funciones básicas del Globus IMP anterior son similares a las del INK, mostrando la posición de la nave espacial y la posición de aterrizaje. Tiene un contador de órbitas en la parte inferior derecha. Las pantallas de latitud y longitud en la parte superior se agregaron para los vuelos Voskhod. La gran perilla de corrección permite ajustar el período orbital. Las principales diferencias son que el IMP no tiene una pantalla en la parte inferior para el sol y la sombra y no tiene un control para establecer el ángulo de aterrizaje.9 A diferencia del INK, el modo (órbita vs posición de aterrizaje) se seleccionó mediante interruptores externos, en lugar de un interruptor en la unidad.
El modelo INK más complejo (descrito en esta entrada del blog) se creó para los vuelos Soyuz, a partir de 1967. Era parte del sistema de visualización de información «Sirius» (IDS). El IDS Neptun utilizado en Soyuz-T (1976) y el Neptun-M para Soyuz-TM (1986) modernizaron gran parte de la consola pero mantuvieron el Globus INK. La foto de abajo muestra el Globus montado en la parte superior derecha de una consola Soyuz-TM.
El Soyuz-TMA (2002) se actualizó al sistema Neptun-ME3 que utilizó pantallas de visualización digital. En particular, el Globus fue reemplazado por la pantalla gráfica de abajo.
Conclusiones
El Globus INK es una pieza de maquinaria notable, una computadora analógica que calcula órbitas a través de un intrincado sistema de engranajes, levas y diferenciales. Proporcionó a los cosmonautas una pantalla a todo color de alta resolución de la posición de la nave espacial, mucho más allá de lo que una computadora espacial electrónica podía proporcionar en la década de 1960.
Aunque el Globus es una pieza asombrosa de computación mecánica, su funcionalidad es limitada. Sus parámetros deben configurarse manualmente: la posición inicial de la nave espacial, la velocidad orbital, las regiones de luz/sombra y el ángulo de aterrizaje. No toma ninguna entrada de guía externa, como una IMU (unidad de medición inercial), por lo que no es particularmente preciso. Finalmente, solo admite una órbita circular en un ángulo fijo. Si bien la pantalla digital más moderna carece del encanto físico de un globo giratorio, la solución digital proporciona mucha más capacidad.
Planeo continuar con la ingeniería inversa del Globus y espero ponerlo en funcionamiento, así que sígueme en Twitter @kenshirriff o RSS para obtener actualizaciones. También he comenzado a experimentar con Mastodon recientemente como @oldbytes.space@kenshirriff. Muchas gracias a Marcel por proporcionar el Globus. Gracias a Stack Overflow por la información orbital y a mis seguidores de Twitter por la asistencia con la traducción.
Debo dar un descargo de responsabilidad de que todavía estoy haciendo ingeniería inversa del Globus, por lo que lo que describí está sujeto a cambios. Además, no leo ruso, así que cualquier error es culpa de Google Translate. 🙂
Notas y referencias
- INK es un acrónimo ruso que significa «indicador de navegación espacial».
- La órbita estándar de Soyuz tiene una inclinación de 51.8°. Esto significa que el plano orbital está inclinado 51.8° con respecto al ecuador de la Tierra.
- El sistema de visualización de información «Sirius» (IDS) se utilizó en las naves espaciales Soyuz desde la década de 1960 hasta la década de 2000. El Globus INK era parte de este sistema. El sistema Neptun-ME, introducido en 2002, reemplazó el Globus con una pantalla digital.
- El período orbital de una nave espacial depende de su altitud. Cuanto más alta sea la altitud, más tiempo tarda la nave espacial en orbitar la Tierra.
- La función de velocidad orbital del Globus se implementa mediante un mecanismo de leva que utiliza tres seguidores. Cada seguidor se mueve sobre una parte diferente de la leva, lo que genera diferentes velocidades de rotación. Estas velocidades se suman utilizando engranajes diferenciales para generar la velocidad orbital general.
- Las funciones de latitud y longitud del Globus se basan en ecuaciones matemáticas que describen la proyección de la órbita sobre el globo. Estas ecuaciones se implementan utilizando levas de metal que accionan diales de latitud y longitud.
- El conector externo del Globus se utilizó para conectar la unidad a otros sistemas de la nave espacial. Los cables de este conector fueron cortados, probablemente durante el proceso de desactivación de la unidad.
- Los puntos rosados y las etiquetas de tres letras en el globo indican sitios de seguimiento de la NASA que se utilizaron en el Proyecto de Prueba Apollo-Soyuz. Esto sugiere que este Globus en particular fue utilizado en esa misión.
- El Globus IMP fue una versión anterior del Globus INK que se utilizó en los vuelos espaciales Vostok y Voskhod.
Fuente original: Inside the Globus INK: a mechanical navigation computer for Soviet spaceflight
