L’ordinateur de navigation mécanique soviétique pour vols spatiaux, le Globus INK (2023)

 (righto.com)
1 points par GN⁺ 2024-10-07 | 1 commentaires | Partager sur WhatsApp
  • Le Globus INK du vaisseau Soyouz était un indicateur de navigation analogique électromécanique qui affichait la position au-dessus de la Terre à l’aide d’un globe rotatif, et calculait la position orbitale avec des engrenages, des cames et des différentiels
  • Contrairement à l’Apollo Guidance Computer, il ne recevait ni données d’IMU ni entrées de navigation externes : le cosmonaute réglait manuellement la position initiale et la période orbitale, puis l’appareil affichait une position prédite
  • L’axe du globe était fixé à 51,8° pour représenter l’orbite standard de Soyouz, mais cela imposait en contrepartie une forte limitation : seules les orbites circulaires à inclinaison fixe étaient prises en charge
  • Le mode de prédiction d’atterrissage montre le point d’atterrissage si la rétrofusée était allumée immédiatement, en faisant tourner le globe sur une fraction d’orbite via un angle d’atterrissage, un moteur et des interrupteurs de fin de course, avec une précision d’environ 150 km
  • Le Globus INK offrait un affichage terrestre couleur haute résolution difficile à obtenir avec les ordinateurs électroniques des années 1960, mais ses réglages manuels et ses contraintes orbitales l’ont conduit à être remplacé en 2002 par l’affichage numérique de Soyuz-TMA

La position de Soyouz affichée par un globe rotatif

  • Le Globus INK, officiellement désigné par l’abréviation russe ИНК, était un « space navigation indicator » qui affichait au moyen d’un globe rotatif la position du vaisseau Soyouz au-dessus de la Terre
  • Le globe se déplace sous un réticule fixe placé sous un dôme en plastique, ce qui permettait au cosmonaute de comparer le terrain visible par le hublot avec la position indiquée
  • Les éléments autour du globe fournissaient aussi des informations de navigation
    • Les cadrans à gauche et en haut affichent respectivement la latitude et la longitude en chiffres
    • Le cadran lumière/ombre en bas indique les portions de trajectoire où le vaisseau est au soleil ou dans l’ombre, utile pour juger des opérations d’amarrage
    • Le compteur d’orbites affiche le nombre de révolutions du vaisseau
  • Dans le second mode, le globe tourne de façon à placer sous le réticule le point d’atterrissage correspondant à un allumage immédiat de la rétrofusée pour lancer la séquence de descente
    • Le cosmonaute peut ainsi évaluer si le terrain de cette zone convient à l’atterrissage

Un afficheur de position prédite, pas un véritable capteur de navigation

  • Le cosmonaute règle au moyen de boutons la position initiale et la période orbitale, puis le Globus suit ensuite la progression sur l’orbite via son mécanisme électromécanique
  • Contrairement à l’Apollo Guidance Computer, il ne reçoit aucune information d’une IMU ni d’une autre source de navigation ; il ne mesure donc pas la position réelle, mais se rapproche plutôt d’un afficheur de position prédite fondé sur des valeurs réglées à l’avance
  • L’appareil analysé provient d’un exemplaire de Globus ouvert, réparé et rétroconçu par un collectionneur ; à l’intérieur se trouvent non seulement des engrenages, des cames et des différentiels, mais aussi des relais, des solénoïdes et des composants électriques
  • L’exemplaire en question était endommagé
    • L’arrière du boîtier présentait un gros enfoncement, et l’axe du globe s’était déplacé hors de sa position, sans plus engrener correctement
    • Le globe heurtait des composants internes, laissant des rayures sur la zone de l’Afrique
    • Comme un remontage arbitraire du globe fausse le calage latitude/longitude, il a fallu réaligner le calage des engrenages pour restaurer l’ensemble

La carte du globe et l’orbite à 51,8°

  • Le petit globe représente en détail montagnes, lacs et rivières, afin que le cosmonaute puisse confronter visuellement le terrain observé à l’indication de navigation
  • Cette représentation du relief était aussi importante pour le choix du site d’atterrissage, en permettant de vérifier la topographie de la zone prévue
  • Les frontières politiques sont en grande partie absentes, mais des lignes rouges et violettes épaisses marquent la frontière de l’URSS ainsi que la séparation entre blocs communiste et non communiste
  • Les cercles numérotés de 1 à 8 indiquent des points de communication radio capables de communiquer avec le vaisseau

  • Deux rotations obtenues avec des axes fixes

    • Le globe n’est pas une sphère librement suspendue : il est contrôlé par des axes et des engrenages fixés à l’appareil
    • L’équateur du globe est une pièce métallique rigide qui tourne autour de l’axe horizontal de l’appareil
    • Un second mécanisme d’engrenages interne fait tourner le globe autour de l’axe nord-sud
    • Ces deux rotations sont transmises via des axes concentriques fixés à l’appareil, ce qui permet de créer deux degrés de liberté de rotation avec des axes fixes

  • Le 51,8° qui a défini l’orbite standard de Soyouz

    • L’axe du globe est réglé à 51,8° pour prendre en charge l’inclinaison orbitale standard de Soyouz
    • Grâce à cet angle, il suffit de faire tourner le globe autour de l’axe horizontal pour que le réticule suive l’orbite standard de Soyouz
    • Pendant la rotation de la Terre, faire tourner les deux hémisphères du globe autour de l’axe polaire permet de représenter différentes orbites au sol à 51,8°
    • Ce 51,8° est supérieur à la latitude de Baikonur Cosmodrome, 45,97°, car la fusée devait être inclinée vers le nord afin d’éviter que la trajectoire de lancement ne survole l’ouest de la Chine
    • Une explication associée est donnée dans cette réponse sur Space Stack Exchange

Les fortes contraintes imposées par la conception physique

  • L’inclinaison orbitale étant fixée par l’angle physique du mécanisme du globe, il faut un appareil Globus différent pour chaque orbite différente
  • Cette conception ne peut traiter que des orbites circulaires, ce qui la rend inutile dans des situations comme le rendez-vous orbital et l’amarrage, où l’orbite change
  • À cause de ces limitations, certains cosmonautes souhaitaient retirer le Globus du panneau de contrôle, mais il est resté en place jusqu’à son remplacement par un affichage informatique dans Soyuz-TMA en 2002

Période orbitale et mécanisme à vitesse variable

  • Une orbite de Soyouz dure environ 90 minutes, mais ce temps varie selon l’altitude
  • Le Globus comporte des boutons permettant d’ajuster la période orbitale par minute, 0,1 minute et 0,01 minute, avec une plage de ±5 minutes autour de la valeur de référence de 91,85 minutes
  • L’appareil fonctionne avec des impulsions fixes de 27V à 1Hz, mais la vitesse de rotation de l’axe orbital du globe doit varier selon la période orbitale
  • La solution consiste à ajouter trois incréments à la vitesse de base
    • l’incrément du réglage en minutes
    • l’incrément du réglage en 0,1 minute
    • l’incrément du réglage en 0,01 minute
  • Plusieurs différentiels sont utilisés pour additionner ou soustraire les vitesses de rotation
  • La vitesse de rotation variable est produite par une came conique à section hélicoïdale
    • Trois suiveurs sur la came sont placés à des positions différentes ; du côté étroit ils produisent une faible rotation, et du côté large une rotation plus importante
    • En déplaçant la position d’un suiveur, on sélectionne sa vitesse de rotation correspondante
  • Une fois le tour de came terminé, elle revient brutalement à son diamètre initial, ce qui fait repartir le suiveur vers sa position d’origine
    • Pour éviter que le globe ne reparte en arrière, le suiveur est relié au différentiel via un embrayage à glissement et un cliquet
    • Le cliquet bloque l’arbre d’entraînement pendant ce retour, de sorte que la sortie continue globalement avec une rotation fluide

Calcul de latitude, longitude et lumière/ombre

  • Les indicateurs à gauche et en haut du globe affichent respectivement la latitude et la longitude du vaisseau
  • La latitude et la longitude sont définies par des fonctions complexes projetant l’orbite sur le globe, et ces fonctions sont réalisées par la forme de cames métalliques
  • Chaque fonction utilise deux cames
    • l’une implémente la fonction souhaitée
    • l’autre, de forme inverse, maintient la tension du mécanisme de suivi à came double
  • La came de latitude entraîne le cadran de latitude pour le faire osciller entre 51,8°N et 51,8°S
  • La longitude est plus complexe à cause de la rotation de la Terre ; la sortie du cadran de longitude est obtenue en ajoutant par différentiel la rotation terrestre à la valeur fournie par la came
  • Sous forme d’équations, la latitude se résume à arcsin(sin i * sin(2πt/T)) et la longitude à arctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0

  • Indication lumière et ombre

    • Le Globus comporte un indicateur montrant quand le vaisseau entre dans la lumière ou dans l’ombre
    • Le cadran est composé de deux cadrans concentriques, réglés par deux boutons
    • Ces cadrans se déplacent avec l’orbite du vaisseau, tandis que la légende rouge reste fixe
    • Il est possible que ces cadrans soient reliés par engrenages au cadran de longitude, mais ce point est encore à l’étude

Mode de prédiction du point d’atterrissage

  • Le Globus peut afficher l’endroit où le vaisseau atterrirait si la manœuvre de rentrée commençait immédiatement
  • La précision du calcul de la position d’atterrissage est de 150 km
  • Le calcul consiste à projeter l’orbite actuelle vers l’avant d’une fraction d’orbite correspondant au temps nécessaire jusqu’à l’atterrissage
  • Le cosmonaute indique cette fraction d’orbite sous la forme d’un « angle d’atterrissage »
  • L’indicateur électroluminescent situé en haut à gauche de l’appareil affiche « Место посадки » dans ce mode
  • Pour obtenir la position d’atterrissage, un moteur fait tourner le globe, puis s’arrête une fois l’angle défini atteint
    • Le bouton de réglage sur le panneau déplace, via une vis sans fin, un interrupteur de fin de course à l’angle voulu
    • Lorsque le moteur s’active, le globe et le bras oscillant tournent ensemble
    • Quand le bras oscillant atteint l’interrupteur de fin de course angulaire, le moteur s’arrête et le globe a alors tourné de l’angle spécifié
    • Un interrupteur de fin de course fixe sert à ramener le globe à sa position orbitale normale
  • Un commutateur rotatif à trois positions commande ce mode d’angle d’atterrissage
    • « МП » sélectionne le point d’atterrissage
    • « З » affiche la position au-dessus de la Terre
    • « Откл » annule la rotation d’angle d’atterrissage et coupe le mécanisme

Électronique et actionnement par solénoïdes

  • Le Globus est majoritairement mécanique, mais il comprend aussi une carte électronique
  • Cette carte comporte quatre relais, un transistor, des résistances et des diodes
  • La plupart des relais semblent servir dans le mécanisme de position d’atterrissage pour faire tourner le moteur en avant ou en arrière et l’arrêter via les interrupteurs de fin de course
  • Deux diodes en série sont connectées aux bornes des bobines de relais et jouent le rôle de flyback diode, en supprimant la surtension inductive produite à la coupure
  • Un potentiomètre 360° convertit la position orbitale du vaisseau en tension
    • Le Globus fournit ce signal de tension à d’autres équipements du vaisseau
    • L’hypothèse selon laquelle le transistor de la carte amplifie cette tension reste encore à l’étude
  • L’appareil contient un nombre important de faisceaux de câbles pour un dispositif mécanique
  • Tous les fils allant au connecteur externe avaient été coupés
    • Le connecteur est un modèle soviétique standard militaire RS32TV à 32 broches
    • Il est possible que la coupe des fils fasse partie de la procédure de retrait du service
    • Cependant, le sceau de cire anti-effraction du boîtier était intact, ce qui ne correspond pas totalement à un reconditionnement officiel
  • L’appareil est entraîné par deux solénoïdes à cliquet
    • l’un pour la rotation orbitale
    • l’autre pour la rotation terrestre
    • Les solénoïdes reçoivent des impulsions de 27V à 1Hz
    • Chaque impulsion fait avancer un engrenage d’une dent, tandis qu’un cliquet empêche le recul

Les traces de la mission Apollo-Soyuz

  • Des points roses et des étiquettes de trois lettres en alphabet latin ont été ajoutés sur le globe
  • Des marquages comme GDS, MIL, BDA et NFL désignent des stations de suivi de la NASA
    • GDS correspond à Goldstone
    • MIL à Merritt Island
    • BDA à Bermuda
    • NFL à Newfoundland
  • Ces marquages suggèrent que ce Globus a été fabriqué pour l’Apollo-Soyuz Test Project, la mission de 1975 au cours de laquelle un vaisseau Apollo s’est amarré à une capsule Soyouz
  • Un autocollant VAN au milieu du Pacifique renforce également le lien avec Apollo-Soyuz
    • Le USNS Vanguard était un navire de suivi de la NASA utilisé dans le programme Apollo pour combler les zones sans couverture radio
    • Pendant la mission Apollo-Soyuz, le Vanguard était positionné à 25°S, 155°W, ce qui correspond exactement à l’emplacement du point VAN sur le globe
  • Les stations de suivi NASA listées sont CYI, ACN, MAD, TAN, GWM, ORR, HAW, GDS, MIL, QUI, AGO, BDA, NFL et VAN

De Vostok à Soyuz-TMA : la filiation

  • L’histoire du Globus remonte aux débuts des vols spatiaux habités soviétiques
  • La première version était l’IMP, plus simple, dont le développement a commencé en 1960 pour les vols Vostok de 1961 et Voshod de 1964
  • Le Globus IMP initial avait déjà des fonctions de base similaires à l’INK pour l’affichage de la position du vaisseau et du point d’atterrissage
  • L’IMP comportait un compteur d’orbites en bas à droite, et l’affichage latitude/longitude a été ajouté pour les vols Voshod
  • Il existe plusieurs différences entre l’IMP et l’INK
    • l’IMP n’a pas d’indicateur soleil/ombre en bas
    • il n’a pas de commande de réglage de l’angle d’atterrissage
    • les modes orbite et position d’atterrissage sont sélectionnés par des interrupteurs externes et non par un commutateur intégré à l’appareil
  • Le modèle INK, plus complexe, a été produit à partir de 1967 pour les vols Soyouz et faisait partie du système d’affichage d’informations « Sirius »
  • Le Neptun IDS de Soyuz-T en 1976 et le Neptun-M de Soyuz-TM en 1986 ont modernisé l’essentiel de la console, mais ont conservé le Globus INK
  • Soyuz-TMA en 2002, avec la mise à niveau vers le système Neptun-ME, a adopté des écrans numériques et remplacé le Globus par un affichage graphique

Performances et limites

  • Le Globus INK est un ordinateur analogique qui calcule l’orbite grâce à un système sophistiqué d’engrenages, de cames et de différentiels
  • Il offrait aux cosmonautes un affichage de position couleur haute résolution que les ordinateurs spatiaux électroniques des années 1960 peinaient à fournir
  • Ses limites fonctionnelles sont également évidentes
    • la position initiale du vaisseau, la vitesse orbitale, les phases lumière/ombre et l’angle d’atterrissage doivent tous être réglés manuellement
    • il ne reçoit pas d’entrées de navigation externes comme une IMU, ce qui limite sa précision
    • il ne prend en charge que des orbites circulaires à angle fixe
  • Les affichages numériques modernes n’ont pas l’attrait physique d’un globe rotatif, mais offrent bien davantage de fonctions
  • La rétroconception est encore en cours, et comme l’interprétation du russe a fait appel à Google Translate, certains détails peuvent encore évoluer

À lire aussi

1 commentaires

 
GN⁺ 2024-10-07
Commentaires sur Hacker News
  • Si vous avez des questions sur les ordinateurs mécaniques, je peux y répondre. P.-S. : il existe deux autres articles qui traitent de Globus plus en détail et expliquent les circuits ainsi que les algorithmes
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-electroni...
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-globus-in...
  • CuriousMarc a publié une série de trois vidéos sur la restauration de cet appareil, et elles valent le détour
    https://www.youtube.com/watch?v=dmHaCQ8Ul6E
    https://www.youtube.com/watch?v=CP5dfjxdkQ4
    https://www.youtube.com/watch?v=eG29HrU6Slw
    • C’est probablement le même appareil, en fait. Il y a un passage qui dit : « Heureusement, CuriousMarc a pu remettre le globe en place tout en conservant la synchronisation des engrenages. Si le globe avait été remonté au hasard, la latitude et la longitude auraient été fausses. »
  • J’ai lu un livre intéressant sur la course à l’espace vue du côté soviétique, et l’un des points qui m’a marqué est qu’ils utilisaient des tubes à vide dans les vaisseaux spatiaux en raison d’un manque de technologie de transistors à semi-conducteurs
    Cela aurait aussi posé problème pour les sorties extravéhiculaires, car exposer l’intérieur de la capsule au vide spatial pouvait faire exploser l’électronique
    The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned, de John Strausbaugh
    https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
    • Rien qu’au titre, on comprend que ce livre cherche davantage à être sensationnaliste et à attaquer un camp qu’à offrir une exactitude historique
      En réalité, l’auteur n’a même pas correctement utilisé les sources primaires : https://www.thespacereview.com/article/4851/1
      C’est un peu comme recommander un livre sur le programme Apollo écrit par un Russe qui n’aurait pas lu les documents américains. S’il faut un auteur occidental, la biographie de Korolev par James Harford présente bien mieux le programme spatial soviétique, et elle a fait l’objet de véritables critiques universitaires
    • Pourquoi des tubes à vide devraient-ils exploser parce qu’ils sont exposés au vide ?
    • C’est n’importe quoi. La NASA a aussi utilisé des tubes à vide dans ses vaisseaux spatiaux, et il est tout à fait possible qu’elle en utilise encore aujourd’hui. Ils n’explosent pas dans le vide et résistent mieux aux radiations que les transistors
  • Les calculateurs mécaniques m’ont toujours fasciné, et voici un article avec une vidéo expliquant le calculateur de conduite de tir naval MK1
    https://hackaday.com/2014/10/28/retrotechtacular-fire-contro...
  • L’an dernier, l’un d’eux s’est vendu au prix sacrifié de 40 000 euros
    https://meshok.net/en/item/275902733_%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9...
  • Qu’elle ait été techniquement inférieure ou non à la technologie spatiale américaine de l’époque, sa créativité force l’admiration
    • Comme ces appareils étaient utilisés dans des domaines de vol différents, il est difficile de les comparer directement, mais j’ai trouvé intéressant de le rapprocher de l’étrange dispositif de navigation américain en forme de boule
      https://www.righto.com/2024/09/f4-attitude-indicator.html
  • Des ordinateurs mécaniques se trouvent encore aujourd’hui à bord de navires de guerre russes. Ils sont conçus pour fonctionner même en cas d’attaque par impulsion électromagnétique
  • Question peut-être stupide : comment brouiller ce genre d’appareil ? Est-ce seulement possible ? Par exemple, si l’on voulait le faire atterrir au mauvais endroit ou lui faire effectuer plus d’orbites que prévu
    • On ne peut pas le brouiller. En gros, c’est plutôt un indicateur d’horloge avec des boutons et des cadrans supplémentaires. Il n’a aucun capteur ni entrée en dehors d’une impulsion d’une seconde
  • Imaginez aller dans l’espace avec un appareil qui utilise des engrenages pour déplacer une épingle sur un globe terrestre
  • Maintenant, il faut aussi traiter le dispositif en forme de boule d’Apollo 8
    • Si quelqu’un prête un FDAI, ce sera possible tout de suite