- L’indicateur d’attitude du F-4 Phantom II ajoute l’azimut (lacet) au tangage et au roulis affichés par un horizon artificiel classique, afin que le pilote puisse voir d’un coup d’œil l’attitude sur 3 axes et la direction de déplacement pendant des manœuvres à grande vitesse
- La sphère rotative n’est pas une sphère complète, mais est divisée en deux coquilles hémisphériques creuses en haut et en bas ; le mécanisme interne reste fixe près de l’équateur tandis que seules les coquilles se déplacent
- Le roulis, le tangage et l’azimut sont chacun entraînés par un moteur, et les signaux synchro à 3 fils ainsi que les transformateurs de commande utilisés dans l’avionique des années 1960 produisent l’erreur d’angle pour fermer la boucle servo
- Les torsions de câblage dans la structure rotative sont résolues par des bagues collectrices sur les axes de roulis et de tangage, et l’axe d’azimut n’en a pas besoin car seule la coquille de la sphère tourne, pas l’électronique
- Les chasseurs modernes comme le F-35 sont passés à des glass cockpits centrés sur des écrans, mais cet instrument reste un exemple de combinaison sophistiquée entre structure électromécanique et commande analogique pour afficher mécaniquement une attitude sur 3 axes
Rôle de l’indicateur d’attitude du F-4
- Cet appareil est un indicateur d’attitude pour le chasseur F-4, qui utilise une sphère rotative pour afficher l’attitude et la direction de l’avion
- L’horizon artificiel d’un avion classique affiche deux axes, le tangage et le roulis, tandis que l’indicateur du F-4 ajoute l’azimut pour afficher une attitude sur 3 axes
- Le F-4 Phantom II est un chasseur supersonique produit de 1958 à 1981 ; avec plus de 5 000 exemplaires fabriqués, c’est l’avion supersonique américain le plus produit
- C’était un instrument suffisamment important pour être placé au centre du panneau pilote, sous le radar rouge, tandis qu’un indicateur d’attitude plus simple à 2 axes se trouvait à l’arrière
- Le F-4 est un avion biplace, et l’officier d’interception radar installé à l’arrière contrôle le radar et l’armement
Structure mécanique de la sphère tournant sur 3 axes
- La sphère d’affichage n’est pas une sphère fermée unique, mais est constituée de deux coquilles hémisphériques creuses
- Les coquilles hémisphériques sont fixées au-dessus et au-dessous de l’axe vertical interne
- Le mécanisme interne situé à l’équateur peut rester fixe contrairement aux coquilles de la sphère
- Les trois axes sont entraînés de façons différentes
- Le moteur de roulis est fixé au châssis de l’indicateur et fait tourner le cardan de roulis ainsi que l’ensemble de la sphère dans le sens horaire ou antihoraire
- Le moteur de tangage se trouve à l’intérieur de la sphère et fait tourner tout le mécanisme interne autour de l’axe horizontal de tangage
- Le moteur d’azimut fait tourner l’axe vertical pour faire pivoter les coquilles hémisphériques supérieure et inférieure autour de l’axe d’azimut
- Le cardan de roulis est relié aux pivots supérieur et inférieur du mécanisme de la sphère, ce qui soutient la sphère
- Le transformateur de commande de roulis fournit le retour de position, et de nombreux fils reliés au cardan de roulis vont jusqu’au mécanisme interne de la sphère
Pourquoi les fils ne s’emmêlent pas
- Pour maintenir les connexions électriques dans la structure rotative, l’appareil utilise deux jeux de bagues collectrices
- Le premier ensemble de bagues collectrices gère la rotation autour de l’axe de roulis
- Il assure la connexion électrique entre le corps fixe de l’instrument et le cardan de roulis en rotation
- L’axe central tourne avec le boîtier de l’ensemble sphérique, et le câblage interne de cet axe rejoint le cardan de roulis via des contacts métalliques circulaires
- Le second jeu de bagues collectrices relie, à l’intérieur de la sphère, le câblage du cardan de roulis au mécanisme de la sphère
- Il prend en charge la connexion électrique liée à la rotation autour de l’axe de tangage
- Les vraies bagues collectrices sont à l’intérieur et ne sont donc pas visibles sur les photos
- L’axe d’azimut n’a pas besoin de bagues collectrices
- Lors de la rotation en azimut, seules les coquilles hémisphériques de la sphère tournent tandis que l’électronique reste fixe
Synchro et boucle servo
- L’indicateur reçoit d’un gyroscope externe des signaux électriques représentant les positions de roulis, tangage et azimut
- Le synchro, courant dans l’avionique des années 1960, transmet l’angle par trois fils
- Un émetteur synchro convertit la position angulaire d’un axe en signal AC
- Le rotor interne est alimenté en AC à 400 Hz, et trois enroulements statoriques fixes génèrent trois signaux de sortie dont la phase et la tension varient selon l’angle
- Les moteurs de chaque axe sont commandés par une boucle servo
- Le transformateur de commande compare l’angle d’entrée à 3 fils avec la rotation réelle de l’axe pour produire un signal d’erreur
- L’amplificateur entraîne le moteur dans la direction appropriée jusqu’à ce que le signal d’erreur tombe à 0
- Le signal tachymétrique de l’unité moteur/tachymètre est utilisé comme tension de rétroaction négative afin de réduire la vitesse du moteur à mesure qu’il approche de la position cible
- L’unité moteur/tachymètre est plus complexe qu’un moteur électrique ordinaire
- Le moteur reçoit une alimentation 115 V AC, 400 Hz, mais cela ne suffit pas à lui seul pour le faire tourner
- L’excitation de l’un des deux enroulements de commande AC basse tension le fait tourner dans un sens ou dans l’autre
- Le tachymètre produit un signal AC basse tension proportionnel à la vitesse de rotation ; selon le sens de rotation, il est en phase avec le signal d’entraînement à 400 Hz ou déphasé de 180 degrés
Ensemble amplificateur
- Les moteurs sont pilotés par un ensemble amplificateur monté à l’arrière de l’instrument
- L’ensemble amplificateur comprend trois amplificateurs d’erreur distincts pour les trois axes
- Il y a une carte d’amplification pour le roulis, une pour le tangage et une pour l’azimut
- On y trouve aussi une carte d’alimentation DC, un transformateur AC et des potentiomètres de réglage
- Les trois cartes d’amplification ont la même structure
- Certains composants sont empilés sur d’autres pour gagner de la place
- Certaines pattes sont longues et protégées par des gaines plastiques transparentes
- Les cartes sont recouvertes d’un vernis de tropicalisation pour les protéger de l’humidité et des contaminants
- Chaque carte d’amplification utilise le signal d’erreur et la sortie du tachymètre pour piloter les deux enroulements de commande du moteur
- L’entrée est en AC à 400 Hz, et sa phase représente une erreur positive ou négative
- La sortie détermine quel enroulement de commande activer, donc le sens de rotation du moteur
- Dans cette même famille d’indicateurs d’attitude, il existe deux versions utilisant des amplificateurs incompatibles
- Les moteurs de l’indicateur plus récent semblent n’avoir qu’un seul enroulement de commande
- Le détrompage des connecteurs est différent, ce qui empêche de brancher le mauvais amplificateur
Circuit de trim de tangage
- En bas à droite de l’indicateur se trouve un bouton de trim de tangage, mais il manquait sur l’appareil analysé
- En vol horizontal, l’avion peut avoir le nez légèrement relevé ou abaissé pour obtenir l’angle d’attaque souhaité
- Le pilote veut que l’indicateur d’attitude montre un vol horizontal, même si l’avion réel est légèrement incliné
- Le bouton de trim de tangage applique cette correction
- Lorsque le chasseur prend une attitude comme une montée verticale à 90 degrés, la correction de trim doit être ignorée pour afficher l’attitude réelle
- Le brevet de 1957 utilise une méthode qui réduit progressivement l’ajustement de trim à mesure que l’avion s’éloigne du vol horizontal
- Un potentiomètre spécial à plusieurs zones ajuste le signal de trim selon l’angle de tangage
- Comme la plupart des signaux internes, le signal de trim de tangage est lui aussi en AC à 400 Hz
- Près de l’horizontale, le curseur du potentiomètre reçoit un AC en phase positive et applique la correction de trim définie par le pilote
- En montée presque verticale ou en piqué prononcé, le curseur tombe sur une zone à 0 V, ce qui supprime le trim de tangage
- En position inversée, il reçoit un AC de phase négative et la correction de trim s’applique dans le sens opposé
Modèles, spécifications et appareils liés
- Cet indicateur d’attitude à 3 axes ressemble à bien des égards au FDAI utilisé pour les vols Apollo, mais le FDAI comporte davantage d’indicateurs et d’aiguilles
- Le Soyuz Globus était utilisé pour la navigation, tourne sur deux axes et est plus simple que cet indicateur du F-4
- La spécification militaire liée MIL-I-27619 couvre trois indicateurs similaires : ARU-11/A, ARU-21/A et ARU-31/A
- L’ARU-11/A était utilisé sur le F-111A
- L’ARU-21/A était utilisé sur l’A-7D Corsair
- L’ARU-31/A était utilisé sur le RF-4C Phantom II, la version de reconnaissance du F-4
- L’indicateur fait partie de l’AN/ASN-55 Attitude Heading Reference Set, défini par MIL-A-38329
- L’indicateur analysé ne porte aucune marque d’identification et il manque certaines pièces, ce qui rend difficile la confirmation exacte du modèle
Limites et attrait des instruments électromécaniques
- Les indicateurs d’attitude d’un avion sont des instruments essentiels pour maintenir le vol, surtout lorsque la visibilité est faible
- L’indicateur d’attitude du F-4 affiche un axe de plus qu’un horizon artificiel classique, mais cela rend la mécanique et les circuits électriques bien plus complexes
- Les chasseurs modernes utilisent des glass cockpits au lieu de ce type d’instruments électromécaniques complexes
- Par exemple, la console du F-35 remplace plusieurs instruments par un large panoramic touchscreen qui affiche les informations en couleur
- Les instruments mécaniques sont moins avantageux d’un point de vue pratique, mais lorsqu’on les ouvre, on découvre une conception unique capable de soutenir fermement une sphère tournant sur 3 axes tout en lui laissant une grande liberté de mouvement
1 commentaires
Commentaires sur Hacker News
C’est appréciable d’avoir inclus des images en très haute résolution, et c’est étonnant de voir autant de bidouilles analogiques utilisées.
Aujourd’hui, on dirait quelque chose qui se réglerait en quelques lignes de code.
Comme on ne savait pas encore produire en masse une microélectronique et des contrôleurs fiables, rapides et peu coûteux, le calcul analogique était la solution dans les domaines à haute fiabilité.
En 1954, Rex Rice a écrit qu’il préférait programmer les ordinateurs avec de simples tableaux de connexion plutôt qu’avec des abstractions comme les langages de programmation (https://dl.acm.org/doi/10.1145/1455270.1455272).
Donc, même à l’époque, la question de savoir si les langages de programmation de haut niveau étaient la bonne solution aux problèmes du moment restait débattue, et je trouve que les pionniers qui manipulaient le monde physique pour produire des calculs mathématiques étaient de véritables génies.
Au début de sa carrière, mon père a dû démonter et rétroconcevoir des équipements aérospatiaux soviétiques, et il se souvient encore très positivement de l’excellence de l’ingénierie et de la précision des appareils soviétiques.
J’aimerais qu’il y ait davantage de ressources sur l’informatique soviétique, mais au fond, l’histoire est écrite par les vainqueurs.
J’ai toujours voulu installer ce genre d’indicateur sur le tableau de bord d’une voiture.
J’y ai déjà mis une boussole de bateau, et c’est assez utile en plus d’être joli.
Malheureusement, les indicateurs électriques sont beaucoup plus rares que les modèles à dépression ou les cockpits entièrement numériques.
L’idée serait de mettre des moteurs pas à pas, des encodeurs rotatifs magnétiques et une centrale inertielle boussole/gyroscope à 6 degrés de liberté dans une demi-sphère imprimée en 3D.
Avec un Arduino ou un ESP32 à l’intérieur pour piloter le tout, il semble possible de s’en sortir avec un simple collecteur tournant n’apportant que l’alimentation via les axes de roulis et de tangage.
Pour l’instant ce ne sont que des idées, et après avoir lu un autre article de Ken https://www.righto.com/2023/01/inside-globus-ink-mechanical-..., j’avais aussi fantasmé sur la fabrication d’un dispositif de navigation mécanique russe Soyuz.
Mais ces temps-ci, l’idée de fabriquer des répliques de technologies soviétiques vintage me tente moins qu’il y a quelques années.
Il y a assez peu d’avions sans système à dépression mais équipés d’un horizon artificiel électromécanique.
L’option la plus réaliste, ce sont les instruments de secours électromécaniques utilisés dans les premières installations tout-écran G1000.
Pour un horizon artificiel électrique de secours, il faut regarder du côté des Diamond DA40 et DA42 ; les modèles ultérieurs DA50 et DA62 utilisent des instruments de secours entièrement numériques.
J’aimerais bien essayer aussi, mais je me demande s’il n’y a pas eu de problème d’interférences dues au véhicule lui-même.
Je peux répondre si vous avez des questions.
Je me demande si c’est dû à la précision et à l’échelle des horizons artificiels mécaniques, ainsi qu’au domaine de vol plus large des avions militaires.
Ces avions constituent encore aujourd’hui une composante essentielle de la force aérienne iranienne, et le même équipement est resté en service jusqu’à la modernisation de l’avionique de certaines variantes il y a quelques années.
Par pure curiosité, l’article dit que le F-35 dispose d’un écran tactile entièrement numérique qui gère presque tout dans l’avion.
Si un puissant canon l’endommage, comment le pilote réagit-il quand l’écran se fige complètement ?
Sur un F-4, seuls les instruments situés sur la trajectoire du tir seraient détruits ; j’ai l’impression qu’il y a une différence entre un côté où tout est complètement fichu et l’autre où l’on ne perd que quelques instruments.
Je rate sûrement quelque chose, voire beaucoup de choses, à propos du F-35, mais dans ma tête un avion 100 % numérique paraît assez effrayant.
Dans les anciens combats aériens au canon, les tirs venaient souvent de l’arrière ou entraient par le haut à travers la verrière.
Dans les deux cas, s’ils atteignent les instruments, ils ont de grandes chances de passer aussi par le pilote.
En remontant plus loin, il y avait aussi des impacts frontaux, mais les face-à-face entre chasseurs sont très difficiles hors des jeux vidéo, et venaient surtout des mitrailleurs arrière de bombardiers.
C’est pourquoi certains très vieux avions de la Seconde Guerre mondiale avaient du verre blindé devant le pilote.
Si un F-35 se retrouve dans un combat au canon, le pilote a commis une grosse erreur, et le F-35 n’a pas été conçu comme un dogfighter.
Même aujourd’hui, si un missile ou des éclats de DCA explosent à côté du cockpit et endommagent les instruments, il est probable que les éclats blessent aussi le pilote et rendent le vol de retour difficile ce jour-là.
C’est aussi le scénario le plus plausible dans lequel un F-35 serait endommagé en guerre moderne.
Le cas où le tableau de bord est détruit mais le pilote indemne n’est pas impossible, mais il est probablement assez peu probable pour que le risque soit jugé moins dommageable que les avantages du cockpit numérique.
Par exemple, le système de commandes de vol est derrière le pilote.
Cela dit, pour la sécurité de vol, je pense que les afficheurs du F-35 sont au minimum redondants.
Il faut imaginer deux afficheurs fusionnés de manière transparente pour n’en former qu’un seul.
L’ISIS dispose généralement de ses propres capteurs et d’une batterie de secours, il doit donc continuer à fonctionner même si l’affichage principal tombe en panne.
https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_standby_instrument_...
C’est un afficheur hautement renforcé, redondant et conçu pour un usage spécifique ; c’est une industrie à lui seul.
Certaines entreprises déposent un conducteur transparent sur l’écran afin de pouvoir le chauffer, pour fabriquer des afficheurs utilisables et fonctionnels même sur le pont d’un porte-avions dans le cercle arctique.
Certaines entreprises fabriquent encore des CRT pour des usages militaires spécifiques.
Ces écrans sont plus sûrs, plus fiables et plus robustes que les systèmes mécaniques qu’ils remplacent.
Sur le F-35, il y a un petit écran carré sur la console centrale qui affiche l’horizon artificiel et les paramètres de vol.
Inutile de dire que si l’écran principal tombe en panne, on fait immédiatement demi-tour pour chercher l’aéroport le plus proche.
kens@ est un trésor que nous ne méritons pas.
Attends, c’est bien la personne qui a créé Linux/4004 ?
Ce projet était vraiment incroyable.
C’est stupéfiant de penser que toute cette technologie a été conçue par des gens qui utilisaient des règles à calcul.
Les ingénieurs qui ont créé cela auraient sûrement été ravis d’apprendre que quelqu’un a compris comment ils avaient résolu tous ces problèmes.
C’est vraiment génial de voir tous les détails d’ingénierie qu’il y a dedans.
En tant que personne issue du logiciel, je me suis toujours demandé comment on gérait les bugs et l’assurance qualité lors de la fabrication d’un matériel aussi complexe.
C’est un domaine qui mérite d’être étudié pour lui-même.
Si vous voulez comprendre les applications à très haute fiabilité, Design for Six Sigma est un bon point de départ.
https://www.youtube.com/watch?v=_g6UswiRCF0
Quand il faut livrer sous ce genre de contrainte, cela crée un niveau de concentration difficile à rencontrer dans la conception moderne.