本帖最后由 gaoyang9992006 于 2023-4-24 14:46 编辑
苏联太空计划使用了与美国航天器完全不同的控制和仪器。 联盟号飞船上最有趣的导航仪器之一是Globus，它使用旋转地球仪。 以指示航天器在地球上方的位置。 该导航仪器是一台机电模拟计算机，它使用了复杂的齿轮，凸轮和差速器系统。 计算航天器的位置。 该装置的官方名称为“太空导航指示器”，俄语首字母缩略词为 ИНК（INK）1，但我将使用更具描述性的昵称“Globus”。
![]() INK-2S“Globus”太空导航指示器。巧合的是，纬度指示器与乌克兰国旗相匹配。
最近有国外网友从一位收藏家那里收到了一台Globus，并打开了它进行维修和逆向工程。
在这篇博文中，我解释了它是如何运作的，展示了它的内部机制，并描述了我迄今为止学到的东西。 逆向工程。 下面的照片给出了该设备的机械复杂性的想法，该设备还具有一些继电器，螺线管和其他电气 组件。
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Globus INK的侧视图。单击此图像（或任何其他图像）可查看较大版本。
功能性
Globus的主要目的是指示航天器的位置。地球旋转，同时将十字准线固定在 塑料圆顶 指示了航天器的位置。 因此，地球与宇航员对地球的看法相匹配，使他们能够确认自己的位置。 地球旁边的纬度和经度表盘提供了位置的数字指示。 同时，底部的光/影刻度盘显示了航天器何时被太阳或阴影照亮， 有关对接的重要信息。 Globus还有一个轨道计数器，指示轨道数。
Globus有第二种模式，指示如果他们发射逆向火箭，航天器将降落在哪里 启动着陆。拨动开关使地球旋转，直到着陆位置低于十字准线 宇航员可以评估这个着陆点的适用性。
宇航员通过转动旋钮来配置Globus，以设置航天器的初始位置和轨道周期。 从那里，Globus机电跟踪轨道。 与阿波罗制导计算机不同，Globus没有从惯性测量单元（IMU）或其他来源接收导航信息，因此它不知道航天器的真实位置。 这纯粹是预测位置的显示。
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Globus中复杂齿轮系的特写。
地球仪
地球仪本身因其体积小而详细，显示了山脉、湖泊和河流等地形特征。 地图上的这些特征帮助宇航员将他们的位置与他们所能做的地理特征进行比较。 见人间。 这些功能对于选择着陆点也很重要，因此他们可以看到他们将在什么样的地形上。 继续着陆。 在大多数情况下，地图不显示政治边界，除了粗的红色和紫色线。 这条线显示了苏联的边界，以及**和非**国家之间的边界， 对于选择着陆点也很重要。 地球仪还有编号的圆圈 1 到 8，表示用于与 航天器，允许宇航员确定可以联系哪些地面站。
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显示亚洲的地球视图。
控制地球仪
在看到Globus时，人们可能会想知道地球是如何旋转的。 地球似乎必须是自由浮动的，这样它才能在两个轴上旋转。 取而代之的是，一个巧妙的机制将地球仪连接到装置上。 关键是地球的赤道是一块实心金属，绕单位的水平轴旋转。 地球仪内的第二个齿轮机构绕南北轴旋转地球。 两个旋转由固定在装置上的同心轴控制，允许通过固定轴实现两个旋转自由度。
下图显示了固定和控制地球仪的框架。 虚线轴水平固定在装置中，旋转通过左侧的两个齿轮馈送。 一个齿轮围绕虚线轴旋转地球和框架，而齿轮系使地球围绕虚线轴旋转 垂直极轴（而赤道保持固定）。
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地球仪的轴在51.8°处，以支持该轨道倾角。
上面的角度是51.8°，这非常重要：这是标准联盟号轨道的倾角。 因此，简单地围绕虚线旋转地球会导致十字准线跟踪标准轨道。2 围绕两极旋转地球的两半，在地球表面上产生不同的51.8°轨道 随着地球自转。 （为什么是51.8度？联盟号的发射点拜科努尔航天发射场位于北纬45.97°，因此45.97°将是 最有效的倾斜度。 但是，为了防止发射越过中国西部，火箭必须朝北倾斜， 产生 51.8°。
这种设计的一个重要结果是 轨道倾角由地球机构的角度固定。不同的球体单元 需要为不同的轨道建造。 此外，这种设计只处理圆形轨道，使其在会合和对接等轨道变化期间毫无用处。 这些是如此重大的限制，以至于一些 宇航员希望将Globus从控制面板上移除，但它一直保留到联盟TMA（2002）中的计算机显示器取代。
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驱动地球两半绕极轴运动的齿轮特写，使赤道保持固定。
这艘格洛布斯显然受到了一些伤害。 箱子的背面有一些大的凹痕。7 更重要的是，地球仪的轴已经从正确的位置松动，不再与齿轮啮合。 这也给非洲带来了一个凿子，全球在那里击中了内部组件。 幸运的是，CuriousMarc能够将地球仪恢复到位，同时确保齿轮具有正确的时机。 （随意放回地球会弄乱经纬度。
轨道速度和“锥体”
联盟号的轨道大约需要90分钟，但时间因高度而异。4 Globus 有一个调节旋钮（下图）来调节 以分钟、十分之一分钟和百分之分之一分钟为单位的轨道周期。 外旋钮有三个位置，指向转动内旋钮时会发生变化的数字。 该机构提供±5分钟的调整，而不是标称周期91.85分钟。
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控制调整轨道周期。
轨道速度特征是通过增加或减少地球绕轨道（水平）旋转的速度来实现的 轴。 产生可变速度很棘手，因为Globus在固定的1赫兹脉冲上运行。 解决方案是从基本速度开始，然后添加三个增量：一个用于分钟设置，一个用于 十分之一分钟设置，一个设置用于百分之一分钟设置。5 这四种转速相加（作为轴转速）使用得到总转速。
Globus使用许多差速器齿轮来增加或减少旋转。下图显示了两组 差速器，并排。
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Globus 中的两个差速器齿轮。
问题是如何从固定输入生成这三个可变转速。 解决方案是一个特殊的凸轮，形状像一个带有螺旋横截面的圆锥体。 三个从动件骑在凸轮上，因此当凸轮旋转时，从动件被向外推并在其轴上旋转。 如果从动件靠近凸轮的狭窄部分，它会移动一小段距离并旋转很小。 但是，如果从动件靠近凸轮的宽部，则它会移动更大的距离并具有更大的旋转。 因此，通过将从动件移动到凸轮上的特定点，可以选择从动件的转速。
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显示轨道速度控制机制的图表。圆锥体有三个追随者，但从这个角度只能看到两个。“变速箱”齿轮通过外旋钮移入和移出，以选择由内旋钮调节的从动件。
显然，凸轮不能永远螺旋式上升。 相反，在一圈结束时，其横截面急剧下降到起始直径。 这会导致从动件弹回其原始位置。 为了防止地球向后猛拉，从动件通过滑动离合器和棘轮连接到差速器齿轮。 因此，当从动件回弹时，棘轮使驱动轴保持静止。 然后，当从动件再次开始循环时，驱动轴继续旋转。 因此，输出是（大部分）平稳旋转，速度取决于从动件的位置。
纬度和经度
地球左侧和顶部的指示器分别表示航天器的纬度和经度。 这些是由轨道投射到地球上产生的令人惊讶的复杂函数定义的。6
经纬度功能通过金属凸轮的形状实现;下图显示了 经度机制。 每个功能有两个凸轮：一个凸轮实现所需的功能，而另一个凸轮 具有“相反”的形状，以保持钳口状跟踪机构的张力。
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用于计算经度的凸轮机制。
纬度凸轮驱动纬度表盘，使其在北纬 51.8° 和南纬 51.8° 之间振荡。 经度更复杂，因为地球的自转导致它不断变化。 表盘上的经度输出是通过差速齿轮将凸轮的值添加到地球自转中产生的。
光与影
Globus有一个指示器，可以显示航天器何时进入光或阴影。 表盘由两个同心表盘组成，由两个旋钮配置。 这些表盘随着航天器的轨道移动，而红色图例保持不变。 我认为这些表盘是针对经度表盘的，但我仍在调查中。
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光影指示器由两个旋钮控制。
着陆定位机制
如果你现在开始再入燃烧，Globus可以显示航天器将降落的位置，并且准确无误。 150公里。 这是通过将当前轨道向前投影部分轨道来计算的，具体取决于着陆所需的时间。 宇航员通过“着陆角”指定此值，该角表示轨道的这一部分作为角度。 装置左上角的电致发光指示器显示“Место посадки”（着陆点）以指示此模式。
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着陆角度控制。
为了获得着陆位置，电机旋转地球，直到旋转指定角度后停止。 实现这一点的机制如下所示。 面板上的调节旋钮转动调节轴，从而移动极限 通过蜗轮切换到所需的角度。接线缠绕在车轮上，因此在此运动过程中电线保持受控。 当驱动电机被激活时，它同时旋转地球仪和摆臂。 由于当摆臂碰到角度限位开关时电机停止，因此地球仪会以所需的角度旋转。 固定限位开关用于将地球位置返回到其常规轨道位置。
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着陆角度函数使用复杂的机制。
着陆位置模式由三位置旋转开关激活。第一个位置 “МП”（место посадки，着陆点）选择着陆点，第二个位置“З”（Земля，地球）显示地球上空的位置，第三个位置“Откл”（关闭）撤消着陆角旋转并关闭机构。
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旋转开关选择着陆角度模式。
电子系统
虽然Globus主要是机械的， 它有一个带有四个继电器和一个晶体管的电子板，以及电阻器和二极管。 我认为这些继电器中的大多数都控制着陆位置机构，驱动电机前进或 倒退并停在限位开关处。 二极管是反激二极管，两个二极管串联 每个继电器线圈在线圈断开时消除感应踢。
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360°电位计（下图）将航天器的轨道位置转换为电压。消息来源表明， Globus将这种电压信号提供给航天器上的其他单元。 我的理论是电子板上的晶体管放大了这个电压，但我仍在调查中。
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电位计将轨道位置转换为电压。 右侧是产生经度显示的凸轮。南极洲在地球上是可见的。
下图显示了 Globus 中正面和左侧的多个接线束。电子板位于右前方。 Globus包含数量惊人的布线，用于大多数机械设备。 不方便的是，盒子外部连接器（左上角）的所有电线都被切断了。7 也许这是该部队退役的一部分。 但是，表壳上的一个螺钉上覆盖着带有徽章的防篡改蜡封条，而这 蜡封完好无损。 这表明该装置在切断电线后被正式重新密封，这对于 一个退役的单位。
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这张图显示了Globus的背面和底部。左后方的圆形连接器为航天器的其余部分提供了接口。这个连接器下面的黑线都被切断了。
驱动电磁阀
该装置由两个棘轮螺线管驱动：一个用于轨道旋转，一个用于地球自转。 这些螺线管以 27 赫兹的频率接收 1 伏脉冲。3 每个脉冲使电磁阀将齿轮前进一个齿;棘爪可防止齿轮向后滑动。 这些小的旋转驱动着整个Globus的齿轮，并导致地球的微小运动。
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Globus 中的驱动螺线管之一。指示轨道时间的轮子在下面。
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Globus 中的另一个驱动电磁阀。
阿波罗-联盟号
如果你仔细观察地球仪，它添加了一堆粉红色的点，以及拉丁（不是西里尔文）字符的三个字母标签。8 在下面的照片中，您可以看到GDS（Goldstone），MIL（梅里特岛），BDA（百慕大）和NFL（纽芬兰）。 这些是美国宇航局的跟踪站点，这意味着这颗Globus是为阿波罗-联盟号测试项目建造的， 1975年的任务，阿波罗飞船与联盟号太空舱对接。
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北美出现在地球上。美国边境标记为红色。城市的选择似乎有点随机，例如埃尔帕索是沿海地区唯一的西部城市。
进一步确认阿波罗-联盟号连接的是太平洋中部的VAN贴纸（上面不可见）。 USNS Vanguard是美国宇航局的一艘跟踪船，用于阿波罗计划，以填补无线电覆盖的空白。这是一艘二战油轮，战后改装成导弹 跟踪船，然后用于阿波罗。在下面的照片中，您可以看到其甲板上的大型跟踪天线。 在阿波罗-联盟号任务期间，先锋号驻扎在25 S 155 W进行阿波罗-联盟号任务，完全匹配 VAN 点在地球上的位置。
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美国海军先锋号与一架NASA C-54飞机在头顶。
历史
Globus有着悠久的历史，可以追溯到苏联载人航天的开始。第一个版本更简单，俄语首字母缩略词ИМП（IMP）。9 1960年开始为东方号开发IMP（1961年） 和沃绍德（1964）太空飞行。
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早期Globus IMP的基本功能与INK相似，显示了航天器的位置和 着陆位置。 它的右下角有一个轨道计数器。顶部的纬度和经度显示是为Voshod航班添加的。 大型校正旋钮 允许调整轨道周期。 主要区别在于IMP底部没有用于遮阳和遮阳的显示屏，并且 没有用于设置着陆角度的控件。9 与INK不同，模式（轨道与着陆位置）由外部开关选择，而不是设备上的开关。
更复杂的INK模型（在本博客文章中描述）是从1967年开始为联盟号航班创建的。 它是“天狼星”信息显示系统（IDS）的一部分。 联盟-T（1976）上使用的海王星IDS和联盟-TM的海王星-M（1986）对大部分控制台进行了现代化改造，但保留了 羚墨。下图显示了安装在联盟-TM控制台右上角的Globus。
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联盟TM的海王星-M IDS
联盟-TMA（2002）升级到使用数字显示屏的海王星-ME系统。特别是，Globus被下面的图形显示所取代。
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来自联盟-TMA宇宙飞船中使用的海王星-ME显示系统的计算机显示器。联盟号控制台比阿波罗或航天飞机控制台简单得多，并且采用完全不同的设计原则构建。来自联盟号宇宙飞船的信息显示系统。
结论
Globus INK是一款非凡的机器，它是一台模拟计算机，可以通过复杂的轨道计算轨道。 齿轮、凸轮和差速器系统。 它为宇航员提供了航天器位置的高分辨率全彩色显示，远远超出了航天器的位置。 在1960年代，电子空间计算机可以提供。
虽然Globus是一个了不起的机械计算，但它的功能是有限的。 其参数必须手动配置：航天器的起始位置、轨道速度、光影区域和着陆角度。 它不需要任何外部引导输入，例如IMU（惯性测量单元），因此不是特别准确。 最后，它仅支持固定角度的圆形轨道。 虽然更现代的数字显示器缺乏旋转地球仪的物理魅力，但数字解决方案提供了 更多的功能。
以上资料引用自：http://www.righto.com/2023/01/in ... cal-navigation.html
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