À l’intérieur du FDAI « 8-ball » d’Apollo
(righto.com)- Le FDAI du module lunaire Apollo était l’instrument de vol central qui regroupait dans un seul indicateur l’attitude du vaisseau, les consignes de pilotage et les vitesses de rotation
- Extérieurement, on dirait que toute la sphère tourne librement selon les trois axes roll·pitch·yaw, mais en réalité les rôles sont répartis entre un mécanisme fixé à l’équateur et des coques hémisphériques creuses
- Les signaux de position sont traités par des synchros et des boucles servo, comme dans l’avionique des années 1950-60, avec une architecture control transformer·amplificateur·motor/tachometer qui réduit l’erreur
- L’exemplaire examiné était un Model 4068F pour Apollo, mais modifié pour un simulateur de Space Shuttle, avec entrées synchro, éclairage à incandescence, cadrans de type Shuttle et dispositifs de réglage supplémentaires
- Cette conception s’inscrit dans la lignée Lear Siegler allant du X-15 au F-4 ARU/11-A, puis à Gemini, Apollo et au Space Shuttle, et le FDAI d’Apollo ressemble à une étape intermédiaire qui conserve la conception existante tout en retirant les fonctions inutiles pour un vaisseau spatial
Rôle du FDAI dans le module lunaire Apollo
- Le FDAI (Flight Director / Attitude Indicator) était l’instrument qui affichait l’attitude du vaisseau pendant les vols lunaires Apollo
- La partie d’affichage sphérique indiquait l’attitude du vaisseau
- La sphère étant noire d’un côté, l’instrument a reçu le surnom de « 8-ball »
- Trois aiguilles jaunes indiquaient au pilote comment manœuvrer le vaisseau
- Trois pointeurs supplémentaires indiquaient la vitesse de rotation du vaisseau
- Le module lunaire possédait deux FDAI
- Celui de gauche était pour le Commander, celui de droite pour le Lunar Module Pilot
- Dans Apollo 11, il s’agissait respectivement de Neil Armstrong et Buzz Aldrin
- Par sa grande taille et sa position centrale, le FDAI occupait une place majeure sur le tableau de bord du module lunaire
- Le FDAI du module lunaire permettait de sélectionner plusieurs sources d’entrée via des interrupteurs du panneau
- La sphère d’attitude pouvait recevoir ses données de l’Inertial Measurement Unit ou du système de secours Abort Guidance System
- L’attitude en pitch pouvait aussi être fournie par l’ORDEAL (Orbital Rate Display Earth And Lunar), qui simulait une orbite circulaire
- L’affichage des erreurs pouvait provenir de l’Apollo Guidance Computer, de l’Abort Guidance System, du landing radar ou du rendezvous radar
- Les indications de vitesse en pitch·roll·yaw étaient pilotées par le Rate Gyro Assembly
- L’échelle de vitesse se réglait via un interrupteur sous le FDAI, entre 25°/sec et 5°/sec
Le mécanisme interne qui produit la rotation sur 3 axes
- La sphère du FDAI affiche les rotations sur les trois axes roll, pitch et yaw
- Le roll correspond à l’inclinaison gauche-droite autour de l’axe de déplacement
- Le pitch correspond au mouvement de cabré ou de piqué
- Le yaw correspond au changement de direction vers la gauche ou la droite
- Les attitude indicators d’avions classiques omettent généralement le yaw
- En pratique, le FDAI déplace l’affichage sphérique à l’aide de trois moteurs
- Le moteur de roll est fixé au bâti du FDAI et fait tourner le roll gimbal via un engrenage
- Les moteurs de pitch et de yaw sont logés à l’intérieur de la sphère
- Le roll gimbal est relié à deux points situés à « l’équateur » du mécanisme sphérique, et ces deux points définissent l’axe de pitch
- Le fait que la sphère semble tourner librement sur 3 axes repose sur une structure en coques hémisphériques
- Le moteur de pitch fait tourner le mécanisme interne de la sphère autour de l’axe de pitch
- Le moteur de yaw entraîne un arbre vertical, qui fait tourner les deux coques hémisphériques fixées en haut et en bas de cet arbre
- Lors d’une rotation en yaw, le mécanisme interne lui-même ne bouge pas ; seules les coques tournent autour de l’axe de yaw
- Des slip rings sont utilisés pour éviter que le câblage ne s’emmêle
- Le premier ensemble de slip rings gère la rotation autour de l’axe de roll et maintient la connexion électrique entre la partie fixe et le roll gimbal en rotation
- 23 paires de balais assurent 23 connexions
- Un second jeu de slip rings gère la rotation autour de l’axe de pitch à l’intérieur de la sphère
- Comme, sur l’axe de yaw, seules les coques hémisphériques tournent, aucun câblage n’est nécessaire et aucun slip ring n’est utilisé
Contrôle par synchro et boucles servo
- Dans les années 1950-60, les synchros étaient largement utilisés comme méthode standard pour transmettre électriquement des signaux de position angulaire
- Un synchro envoie sur trois fils une sortie qui varie selon la position de rotation d’un arbre
- En reliant deux synchros, l’arbre du second peut tourner au même angle que celui du premier
- Ils étaient employés dans de nombreux usages, des instruments avioniques jusqu’à l’orientation des tourelles de navires de guerre
- Comme le synchro ne fournit pas un couple élevé, le FDAI l’associe à une boucle servo et à des moteurs plus puissants
- Le control transformer compare l’angle d’entrée à la position de l’arbre de sortie et produit un signal d’erreur
- Un amplificateur pilote le moteur dans la bonne direction en fonction de ce signal d’erreur
- Le moteur continue de tourner jusqu’à ce que l’erreur devienne nulle, ce qui l’amène à la position cible
- Le signal du tachometer sert de tension de rétroaction négative pour ralentir le moteur près de la cible et réduire le dépassement ainsi que les oscillations
- Les moteurs du FDAI sont des ensembles motor/tachometer utilisés dans les boucles servo avioniques
- Ils reçoivent une alimentation 115V AC à 400Hz, mais ne tournent pas d’eux-mêmes
- Si l’on applique aux deux control windings basse tension des tensions de phase appropriée, ils tournent dans un sens ou dans l’autre
- Le tachometer interne génère un signal AC basse tension proportionnel à la vitesse de rotation du moteur
- Selon le sens de rotation, le signal du tachometer est soit en phase avec le signal d’entraînement 400Hz, soit en opposition de phase de 180º
Cartes amplificatrices et circuit d’entraînement 400Hz
- Le FDAI possède trois boucles servo, une par axe
- Chaque boucle a son propre control transformer, moteur et amplificateur
- Les cartes amplificatrices présentent une structure inhabituelle où les composants se chevauchent pour gagner de la place
- Certaines pattes de composants sont longues et protégées par des gaines plastiques transparentes
- La carte amplificatrice amplifie le signal d’erreur pour faire tourner le moteur dans la bonne direction
- L’entrée est un signal AC à 400Hz dont l’amplitude représente l’erreur ou la vitesse, et dont la phase indique la direction
- Deux sorties pilotent les deux control windings du moteur et déterminent son sens de rotation
- La sortie du tachometer est aussi utilisée pour ralentir le moteur quand l’erreur diminue et éviter le dépassement
- Le circuit repose sur des transistors au germanium
- Les deux transistors de gauche amplifient les signaux d’erreur et du tachometer pour piloter un pulse transformer
- La sortie du pulse transformer commande les transistors de sortie sur des demi-périodes opposées du cycle 400Hz
- Ce fonctionnement active les control windings du moteur et produit la rotation dans la direction voulue
La lignée des instruments Lear Siegler
- Bill Lear, né en 1902, était un inventeur détenteur de plus de 150 brevets, connu notamment pour la cassette 8-track et le Learjet
- Dans les années 1920, il a fondé plusieurs entreprises et inventé l’un des premiers autoradios pour Motorola
- Il a ensuite lancé Lear Avionics, une société spécialisée dans les instruments aérospatiaux
- Lear Avionics a fabriqué des instruments et systèmes de contrôle de vol comme l’autopilote du F-5
- La technologie d’indicateur d’attitude de Lear s’est développée à partir des problèmes liés au vol à forte incidence
- Le F-102 Delta Dagger pouvait effectuer des montées très raides, mais les attitude indicators classiques géraient mal un vol quasi vertical
- Lear a développé une plateforme distante à deux gyros avec indicateur de cockpit, capable d’éviter le gimbal lock pendant le vol vertical
- Sur l’avion-fusée X-15, le système a été amélioré pour gérer les trois axes roll, pitch et yaw
- L’attitude indicator du X-15 a servi de base à l’ARU/11-A du chasseur F-4
- Il a ensuite été utilisé, avec « un minimum de modifications », comme attitude-director indicator dans le programme spatial Gemini
- L’instrument Gemini a ensuite été modifié pour devenir le FDAI du module lunaire Apollo
- Lear Siegler a aussi fourni au programme Apollo divers composants comme le directional gyro du Lunar Rover et l’electroluminescent display du DSKY de l’Apollo Guidance Computer
- En 1974, Lear Siegler a obtenu le contrat de développement de l’ADI (Attitude-Director Indicator) du Space Shuttle et a produit 12 unités ADI
- À cette époque, l’entreprise s’intéressait moins à l’avionique spatiale produite en petites séries
- La division fabrication refusait de gérer les procédures spéciales nécessaires à la production spatiale, et les unités Shuttle ont été réalisées par le département engineering
- Par la suite, Lear Siegler n’a plus participé aux appels d’offres avioniques du Space Shuttle, et l’ADI Shuttle est devenu son dernier produit spatial
- Au début des années 2000, les instruments du Shuttle ont été remplacés par 11 écrans plats du système MEDS (Multi-function Electronic Display System), un « glass cockpit » produit par Honeywell
Points communs et différences entre l’ARU/11-A et le FDAI d’Apollo
- Le FDAI d’Apollo et l’ARU/11-A du F-4 partagent le même mécanisme de base et les mêmes amplificateurs électroniques, mais diffèrent fortement dans leur structure
- Sur l’ARU/11-A, l’électronique se trouve dans un module séparé qui se branche derrière l’indicateur
- Sur le FDAI, l’électronique est intégrée à l’intérieur et les cartes sont montées sur le châssis de l’instrument
- Les cartes amplificatrices de l’ARU/11-A et du FDAI sont identiques et utilisent des transistors au germanium
- Le transformateur inhabituel à 11 broches est lui aussi identique
- Il existe des différences dans la carte d’alimentation et la structure mécanique
- Les cartes d’alimentation diffèrent en raison des résistances d’échelle propres à chaque unité et de l’agencement interne
- Le ball assembly est presque identique au niveau du motor assembly et du mécanisme de slip ring
- Il existe de petites différences dans l’engrenage : le FDAI possède deux engrenages en plastique, tandis que l’ARU/11-A n’utilise que des engrenages métalliques
- La fonction de pitch trim de l’ARU/11-A a été en grande partie supprimée sur le FDAI d’Apollo
- Comme un avion a en vol horizontal un angle of attack de quelques degrés vers le haut, un bouton de pitch trim est utile pour corriger l’affichage à l’horizontale
- Comme cette correction ne doit pas s’appliquer lorsqu’un avion de chasse vole à la verticale, l’ARU/11-A utilise un potentiomètre spécial à 8 zones sur l’axe de pitch
- Cette correction n’ayant pas de sens dans un vaisseau spatial, elle n’a pas été implémentée sur les instruments Apollo ni Space Shuttle
- Sur le FDAI examiné, le potentiomètre lui-même et son câblage étaient absents, mais la coque cylindrique subsistait
- Le FDAI d’Apollo n’est ni une simple réutilisation de l’ARU/11-A, ni une refonte complète
- La conception existante a été conservée là où c’était possible
- Les fonctions inutiles, comme le pitch trim, ont été retirées
- Les unités séparées d’amplification et de mécanique de l’ARU/11-A ont été intégrées dans le FDAI, plus volumineux
Traces de modification pour un simulateur de Space Shuttle
- L’appareil examiné a été construit pour Apollo, mais il s’agit d’une unité particulière modifiée pour un simulateur de Space Shuttle
- Il porte la mention Model 4068F, qui correspond à la référence du module lunaire
- L’intérieur porte la date « Apr. 22 1968 », soit plus d’un an avant le premier alunissage
- Le mode d’entrée diffère de celui de l’Apollo d’origine
- Le FDAI d’Apollo et l’ADI Shuttle utilisent des resolvers pour commander la sphère
- Le FDAI examiné utilise des synchros
- Il est possible que la NASA ait remplacé les trois resolver control transformers par des synchro control transformers pour l’usage en simulateur
- L’éclairage et les cadrans ont aussi été adaptés au simulateur Shuttle
- Le FDAI d’Apollo utilisait un éclairage électroluminescent pour l’affichage, mais l’exemplaire examiné utilise huit petites ampoules à incandescence
- Le boîtier métallique porte une étiquette en ruban Dymo embossé « INCANDESCENT LIGHTING »
- Un step-down transformer abaisse l’entrée 115VAC à 5VAC pour les ampoules
- Les cadrans ont été repeints pour correspondre au FDAI Shuttle, et des traces de peinture noire recouvrant la bande rouge des cadrans Apollo restent visibles
- À la place du crosshair central du FDAI LM Apollo, on trouve un indicateur blanc en forme de U comme sur les FDAI du Shuttle et du module de commande
- Les zones polaires circulaires rouges d’alerte gimbal lock du FDAI Apollo LM ne sont pas visibles
- Des modifications électriques supplémentaires ont aussi été apportées
- Un petit connecteur vert Micro-D MDB1 a été ajouté sur le bras de cardan, entre le slip ring et le moteur
- Le connecteur est fixé de manière assez grossière avec de la colle et ne semble pas destiné au vol
- Il pouvait servir à faciliter le démontage et les modifications
- L’elapsed time indicator est lui aussi monté à la colle
- La structure arrière est totalement différente de celle d’Apollo
- Le pinout du connecteur est complètement différent
- Chacune des six aiguilles d’indication possède un réglage mécanique et un trimpot
- Chacun des trois axes dispose également d’un potentiomètre d’ajustement
Différences avec l’ADI du Space Shuttle
- Le Space Shuttle possédait trois ADI et, malgré un nom différent, ils étaient très proches du FDAI d’Apollo
- Sur le flight deck avant, deux ADI octogonaux se trouvaient devant le Commander et le Pilot
- Un troisième ADI se trouvait aussi au poste du flight deck arrière
- Le FDAI examiné a été fortement modifié pour un simulateur Shuttle, mais il reste plus proche du FDAI Apollo que du véritable ADI Shuttle
- Une hypothèse est que le simulateur a été construit avant la fabrication des ADI Shuttle, ce qui aurait conduit à utiliser un FDAI Apollo
- L’ADI Shuttle est électriquement bien plus complexe que le FDAI Apollo et que le FDAI examiné
- Le FDAI Apollo possédait un simple drapeau « OFF » signalant une perte d’alimentation
- L’ADI Shuttle intégrait un voltage level monitor vérifiant cinq alimentations
- L’ADI Shuttle utilisait trois alimentations DC et deux alimentations AC, alors qu’Apollo n’utilisait qu’une seule alimentation AC
- L’erreur de position du servo de la sphère était elle aussi surveillée
- Il recevait également un signal externe « Data OK »
- Si l’un de ces monitors détectait une faute, le drapeau « OFF » se déployait pour indiquer que l’ADI n’était pas fiable
- Les six aiguilles du Shuttle sont identiques à celles d’Apollo, mais utilisent une rétroaction pour améliorer la précision de position
- Chaque aiguille Shuttle possède un capteur de rétroaction LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
- La sortie LVDT alimente une boucle de rétroaction servo qui place l’aiguille avec précision
- Sur le FDAI Apollo, la tension d’entrée des aiguilles pilotait un galvanomètre qui déplaçait l’aiguille proportionnellement, sans boucle fermée garantissant la précision
En résumé
- Le « 8-ball » du FDAI était l’instrument central d’Apollo pour afficher l’attitude 3 axes du vaisseau
- La structure qui donne l’impression d’une sphère tournant librement repose sur le fait que l’essentiel du mécanisme interne tourne sur deux axes, tandis que des coques hémisphériques creuses fournissent le troisième axe de rotation
- Cet instrument appartient à la lignée des attitude directors Lear Siegler, du X-15 au chasseur F-4, puis à Gemini, Apollo et au Space Shuttle
- Le FDAI examiné, parti d’Apollo puis modifié pour un simulateur de Space Shuttle, montre à la fois des caractéristiques des instruments Apollo et Shuttle
- Une courte vidéo du FDAI en mouvement est visible dans ce post Bluesky
1 commentaires
Commentaires Hacker News
Je suis l’auteur. Si vous avez des questions sur Apollo, je peux y répondre :-)
Petite correction toutefois : après vérification, le pilote automatique F-5 de Bill Lear ne semble pas avoir de rapport avec le chasseur Northrop F-5.
Je me demande s’il existait une exigence imposant des composants différents, ou si c’est simplement Grumman et North American qui ont choisi des fournisseurs différents.
Autrefois, cela aurait fait un excellent exercice pour un cours de commande analogique en électronique/électrotechnique.
C’est de la kunst d’UI, un vrai bijou. D’un seul coup d’œil, on comprend immédiatement l’attitude de l’appareil.
En tant que pilote spatial amateur avec 1 000 heures sur KSP et plus de 200 heures sur Flight of Nova, ce qui me manque le plus parmi les instruments de vol de style Apollo de KSP dans le cockpit moderne du vaisseau à propulsion par fusion de FoA, c’est la Nav-Ball.
Les indicateurs d’attitude de type avion de chasse, en « échelle », ne se lisent pas d’un coup d’œil : il faut se concentrer sur les chiffres à côté des graduations de l’échelle, puis regarder de nouveau le compas pour avoir une vue d’ensemble. C’est la différence entre détourner son attention du pilotage pendant 3 secondes, et 0,5 seconde pour quelque chose que l’inconscient a probablement déjà internalisé.
Pour donner une idée de ces 3 secondes, d’après les instruments, Apollo 11 avait moins de 20 secondes de carburant restant au moment de l’alunissage.
Excellent article. Je suis presque un fétichiste des connecteurs, mais je n’avais jamais entendu parler du type MDB1. Il y a une photo ici : https://www.digikey.com/en/products/detail/itt-cannon-llc/MD...
Cannon est tellement connu pour ses connecteurs circulaires à coque métallique que c’en est quasiment devenu un nom commun, comme Kleenex. Je pensais que « tout le monde » savait à quoi ressemble un « Cannon connector », mais je ne m’attendais pas à une forme de D-sub.
L’an dernier, j’avais vu sur HN un article similaire sur un appareil de l’époque soviétique. C’était un globe terrestre qui indiquait où se trouvait le vaisseau spatial par rapport à la Terre.
Comme vous l’avez dit, cette boule n’indique pas l’attitude du vaisseau dans l’espace, mais sa position au-dessus de la Terre ; elle ressemble donc à un globe terrestre avec les continents dessinés dessus. La boule tourne sur deux axes, pas sur trois.
De plus, le Globus n’a pas d’entrées externes : il fait tourner la boule selon une trajectoire prédéfinie, indépendamment de la position réelle.
Voici les trois discussions HN de mes articles sur le Globus :
https://news.ycombinator.com/item?id=34468212
https://news.ycombinator.com/item?id=35311300
https://news.ycombinator.com/item?id=35038710
Il me semble que ce sujet a aussi été abordé récemment dans une conférence de Freya Holmér. Probablement cette vidéo :
https://www.youtube.com/watch?v=hUlvxaQBW78
Je me demande si ce simulateur était l’OV-095 du SAIL.
https://spaceflightblunders.wordpress.com/2017/03/31/ov-095-...
Modification : ah, c’est presque certainement le cas :
https://www.superstock.com/asset/oct-astronauts-frederick-ri...
La photo du simulateur dans mon article montre l’un des Shuttle Mission Simulator (SMS), qui se trouve aujourd’hui au Stafford Museum, dans l’Oklahoma.
Le Shuttle Avionics Integration Laboratory (SAIL) est un autre simulateur, utilisé pour les tests avioniques et non pour l’entraînement des astronautes ; il se trouve actuellement à Houston.
J’ai beaucoup lu sur les technologies extraordinaires créées pour Apollo, et j’ai apprécié que cet article en détaille une en particulier.
Je m’inquiète de savoir si, à cause de l’externalisation de ces dernières décennies, ce genre de savoir-faire — et même les compétences de base en ingénierie de fabrication — n’est pas en train de disparaître.
Le passage où le département fabrication ne voulait pas s’en occuper, au point que l’équipe d’ingénierie a construit elle-même le dispositif, était amusant, et pas si surprenant.
Le rythme des progrès de l’ère spatiale dans les années 1950-1960 est presque le plus difficile à comprendre en termes d’avancée technologique.
Entre l’informatique analogique évoquée par un autre commentaire à propos de la technologie de l’article, l’informatique numérique extrêmement primitive, les piles à combustible, l’ingénierie des fusées de haut niveau réalisée sans logiciels de simulation FEA/CFD, le fait d’avoir réellement ralenti pour se poser sur la Lune puis redécollé à la poussée… la liste est sans fin.