Определить скорость полёта и высоту самолёта-истребителя сложнее, чем можно представить. При низких скоростях высоту, скорость полёта и другие «воздушные данные» можно рассчитывать по показаниям давления. Но когда самолёт близок к скорости звука, для точного вычисления этих значений требуются сложные уравнения.
В истребителях F-101 и F-111, в бомбардировщике B-58 ВВС США эту задачу решал Bendix Central Air Data Computer (CADC)1.
[1. Мне не удалось найти полный список самолётов, в которых использовался CADC. Судя по различным источникам, он применялся в F-86, F-101, F-104, F-105, F-106, F-111, а также в бомбардировщике B-58.]
Это электромеханическое чудо техники было реализовано на основе лучших технологий 1955 года: шестерней, кулачков, синхронизаторов и магнитных усилителей. В этом посте я загляну внутрь CADC, расскажу о выполняемых им расчётах и объясню, как он производил эти расчёты механически.
Этот аналоговый компьютер выполняет вычисления при помощи вращающихся валов и шестерней, а угол поворота обозначает числовое значение. Дифференциальные зубчатые передачи производят сложение и вычитание, а кулачковые механизмы реализуют функции. CADC — электромеханическое устройство, в котором магнитные усилители создавали сигналы обратной связи, а трёхфазные синхронизаторы обеспечивали выходные электрические сигналы. Сообщается, что компьютер состоит из 46 синхронизаторов, 511 шестерней, 820 шариковых подшипников; суммарно в нём 2781 основных деталей. На фотографии ниже представлено приближенное изображение шестерней.
Что делает это устройство
Более века воздушные суда определяли скорость полёта по давлению воздуха. Отверстие в боковой части самолёта позволяет замерять статическое давление воздуха2, то есть давление воздуха снаружи воздушного судна. Трубка Пито направлена вперёд и получает «полное» давление воздуха, которое выше, потому что из-за своей скорости самолёт «загоняет» воздух в трубку.
[2. Статическое давление воздуха может также передаваться через отверстие в боковой части трубки Пито. Я не смог найти информацию, как конкретно эти самолёты получали статическое давление.]
На фото ниже видна длинная трубка Пито, торчащая из носа F-101.
Скорость полёта можно определить по соотношению этих двух давлений, а высоту можно определить по статическому давлению.
Однако с приближением к скорости звука динамика жидкости воздуха меняется, и вычисления становятся очень сложными. После появления в 1950-х годах сверхзвуковых истребителей уже оказалось недостаточно простых механических инструментов. Вместо них начали использовать аналоговый компьютер, вычисляющий «воздушные данные» (скорость полёта, высоту и так далее) по показаниям давления. Один из возможных вариантов — вычислять воздушные данные по отдельности для каждой подсистемы (инструменты, управление системами оружия, управление двигателем и так далее). Однако эффективнее иметь одну центральную систему, выполняющую все вычисления и электрически передающую данные всем подсистемам, которым они нужны. Эту систему назвали Central Air Data Computer (центральным компьютером воздушных данных), или CADC.
В Bendix CADC есть два пневматических входа, реализованных при помощи трубок: статического давления3 и полного давления. Также он получает общую температуру от платинового температурного датчика. По этим данным он вычисляет множество выходных сигналов: истинную скорость движения, число Маха, логарифмическое статическое давление, перепад давлений, плотность воздуха, плотность воздуха × скорость звука, общую температуру и логарифмическую истинную температуру воздуха.
[3. У CADC также есть вход для «коррекции погрешности положения». Через него передаётся коэффициент коррекции, потому что замеренное статическое давление может неточно соответствовать реальному статическому давлению. Проблема в том, что статическое давление измеряется через разъём в самолёте. Искажения воздушного потока могут вызывать погрешности в этих показаниях. Этот коэффициент коррекции на основании угла атаки определяет отдельное устройство — «компенсатор».]
В CADC реализовано на удивление сложное множество функций, полученных из уравнений динамики жидкости, описывающих поведение воздуха при различных скоростях и условиях. Во-первых, из соотношения полного и статического давлений вычисляется число Маха. Для вычисления показателей дозвукового и сверхзвукового полёта используются разные уравнения.
Хотя это уравнение выглядит сложно для математического решения, по сути, M — это функция от одной переменной (
), и эта функция закодирована в форму кулачка. Вам необязательно понимать представленные ниже уравнения, они лишь демонстрируют уровень сложности того, что делает CADC.
1:$" data-tex="display" title="Реверс-инжиниринг электромеханического компьютера с самолёта-истребителя - 7"/>
Далее по числу Маха и датчику температуры определяется температура.
Затем вычисляются скорость полёта и другие выходные данные, но я не буду приводить все уравнения. Хотя эти уравнения могут показаться случайными, их можно вывести из принципов динамики жидкости. Эти уравнения были стандартизированы в 1950-х различными правительственными организациями, в том числе и Национальным бюро стандартов, а также NACA (предшественник НАСА). Уравнения сложны, но их можно вычислить механическим способом.
Как это реализовано
Air Data Computer — это аналоговый компьютер, вычисляющий различные функции от статического давления, полного давления и температуры. Аналоговый компьютер был выбран для этой задачи потому, что входные данные, как и выходные, являются аналоговыми, поэтому проще всего было сохранить «аналоговость» вычислений и избежать преобразований. Компьютер выполняет свои вычисления механически, углы поворота валов обозначают числовые значения. По большей части значения представлены в логарифмическом виде, что позволяет реализовать умножение и деление сложением и вычитанием поворотов. Механизм дифференциальной передачи реализует сложение и вычитание. Кулачки особой формы реализуют логарифмические и степенные преобразования. Другие кулачки реализуют различные произвольные функции.
На диаграмме ниже, взятой из патента 2 969 210, показаны некоторые из операций. Передатчик слева преобразует входные данные давления и температуры из физических величин в повороты валов, применяя при этом логарифмическую функцию. Вычитание одного давления из другого при помощи дифференциального механизма (символ круга с крестом) даёт логарифмическое значение соотношения давлений. Кулачок «CCD 12» генерирует число Маха из этого логарифмического соотношения давлений, по-прежнему выраженное в повороте вала. Синхропередатчик преобразует поворот вала в трёхфазный электрический выходной сигнал из CADC. На оставшейся части диаграммы дополнительные кулачки и дифференциалы вычисляют другие выходные сигналы. Далее мы расскажем о том, как реализованы эти этапы.
▍ Передатчик давления
CADC получает статическое и полное давление от трубок, соединённых с передней частью компьютера (в правом нижнем углу видна одна из этих трубок.)
Внутри CADC два передатчика давления преобразуют давления в сигналы поворота. Передатчики давления — это чёрные куполообразные цилиндры в верхней части CADC.
Передатчики давления — это два чёрных куполообразных цилиндра в верхней части. Платы рядом с каждым из передатчиков — это усилители. Желтоватые устройства, напоминающие трансформаторы с тремя обмотками — это магнитные усилители
Каждый передатчик давления содержит по паре мембран, расширяющихся и сжимающихся при изменении приложенного к ним давления. Они соединены с противоположными сторонами вала, поэтому вызывают небольшие повороты вала.
Внутри передатчика давления. Две дисковые мембраны соединены с противоположными сторонами вала, поэтому при сжатии или расширении мембран вал поворачивается
Работа передатчика давления сложна: он должен измерять крошечные изменения давления, но в то же время обеспечивать сигнал поворота с моментом, достаточным для вращения всех шестерней в CADC. Для выполнения этой задачи передатчик использует замкнутый сервоконтур.
Мембраны создают малое движение вала, распознаваемое индуктивным датчиком. Сигнал усиливается и приводит в движение двигатель, имеющий достаточную мощность для перемещения всех шестерней. Кроме того, двигатель соединён так, чтобы противодействовать движению мембран. Это создаёт цикл обратной связи, поэтому вращение двигателя пропорционально давлению воздуха, но обеспечивает гораздо большую силу. Чтобы выходной сигнал соответствовал логарифмическому значению входного давления, применяется кулачок.
Схема структуры передатчика. Из документа «Air Data Computer Mechanization»
Сигнал каждого передатчика усиливается тремя платами, расположенными по окружности вокруг магнитного усилителя — напоминающего трансформатор цепи усилителя, который был популярен до появления мощных транзисторов. На фото ниже показано, как платы усилителя расположены рядом с передатчиками. Платы сложны, на них полно резисторов, конденсаторов, германиевых транзисторов, диодов, реле и других компонентов.
На этом виде с торца CADC показаны передатчики давления (чёрные цилиндры). Рядом с каждым из передатчиков находится сложный усилитель, состоящий из множества плат с транзисторами и другими компонентами. Магнитные усилители — это желтоватые, напоминающие трансформаторы компоненты.
▍ Температура
Внешняя температура — важный входной сигнал CADC, потому что он влияет на плотность воздуха. Платиновый температурный датчик создаёт сопротивление4, меняющееся в зависимости от температуры. Сопротивление преобразуется во вращение электромеханическим механизмом передатчика. Как и передатчик давления, передатчик температуры использует сервомеханизм с усилителем и контуром обратной связи. Однако для передатчика температуры сигнал обратной связи генерируется мостиком сопротивления при помощи потенциометра, управляемого двигателем. Выравнивая сопротивление потенциометра с сопротивлением платинового датчика, создаётся поворот вала, соответствующий температуре. Кулачок имеет форму, позволяющую генерировать в качестве выходного сигнала логарифмическое значение температуры.
[4. Платиновый температурный датчик имеет тип MA-1, определяемый спецификацией MIL-P-25726. Похоже, он обладает сопротивлением 50 Ω при 0 °C.]
На этой схеме показана структура передатчика температуры. Из документа «Air Data Computer Mechanization»
Ниже показана часть с датчиком температуры CADC. Потенциометр обратной связи — это красный цилиндр в правом нижнем углу. Выше него находится кулачок из металлической пластины, о котором мы поговорим ниже. CADC спроектирован достаточно модульно, температурная часть реализована как съёмный клиновидный блок, находящийся в нижних двух третях фото. Передатчик температуры, как и передатчик давления, содержит три электронные платы, реализующие усилитель обратной связи и управляющие двигателем.
Часть CADC с передатчиком температуры
▍ Дифференциал
Блок дифференциального механизма — ключевой компонент вычислений CADC, так как он выполняет сложение или вычитание поворотов: поворот выходного вала — это сумма или разность входных валов, в зависимости от направления поворота5. Когда повороты выражены в логарифмическом виде, сложение и вычитание соответствуют умножению и делению. Дифференциал спроектирован в виде дифференциала с цилиндрическими шестернями. Входные сигналы находятся снизу и сверху, а тело дифференциала вращается, создавая сумму. Две видимые шестерни тела соединяются с внутренними входными шестернями, которые на фото не видны. Выходным сигналом тело дифференциала управляет через концентрический вал.
[5. Строго говоря, выходной сигнал дифференциала — это сумма входных сигналов, делённая на два. Я игнорирую коэффициент 2, потому что передаточное число легко может сократить его.]
Механизм дифференциала
▍ Кулачки
Для реализации различных функций в CADC применяются кулачки. Самые важные функции кулачков — это логарифмические и степенные. Также кулачки реализуют более сложные функции одной переменной, например, 
. На фото ниже показан кулачок (я думаю, реализующий степенную функцию) с коромыслом на переднем плане. При вращении кулачка коромысло движется внутрь и наружу, следуя за радиусом кулачка и генерируя значение функции.
Кулачок, реализующий функцию CADC
Кулачки хитрым образом соединены с дифференциалом, чтобы сделать форму кулачка более практичной (см. ниже)6. Входной сигнал (23) приводит в движение кулачок (30) и дифференциал (37-41). Коромысло (32) повторяет движения кулачка и передаёт второй входной сигнал (35) на дифференциал. Сумма с дифференциала создаёт выходной сигнал (26).
На этой диаграмме из патента 2969910 показано, как кулачок и коромысло соединены с дифференциалом
[6. Кулачки часто используются в CADC для реализации функций от одной переменной, в том числе возведения в степень и логарифмов. Самый простой способ использования кулачка — напрямую считывать с него значение функции: радиус кулачка при каждом угле представляет значение. При таком решении возникает проблема после полного оборота кулачка, так как его профиль резко перескочит от одного значения к другому. Это создаёт трудности для коромысла кулачка, которое может застрять в этой части кулачка, если в ней не будет зоны плавного перехода. Ещё одна проблема заключается в том, что у кулачка может быть большой диапазон значений между минимальным и максимальным выходными сигналами. Например, в случае возведения в степень. Если сделать размеры кулачка разумными, то можно потерять точность при малых значениях. Кроме того, кулачок будет иметь резкий подъём для больших значений, из-за чего двигаться по его профилю становится сложнее.
Решение заключается в том, чтобы фиксировать в кулачке разность между входным и выходным сигналом. Тогда дифференциал прибавляет входное значение к значению кулачка, создавая нужное значение. Хитрость здесь в том, что если отмасштабировать входной сигнал так, чтобы он соответствовал выходному сигналу в начале и конце диапазона, то на обоих концах функция разности падает до нуля. Таким образом при полном обороте профиль кулачка совпадает, что позволяет избежать резкого перехода. Более того, разность между входным и выходным значениями гораздо меньше, чем просто выходное значение, так что значения кулачка будут более точными. (Это работает только в случае, когда выходные функции являются возрастающими; такой подход не сработает, например, для функции синуса.)
На этой диаграмме из патента 2969910 показано, как кулачок реализуют сложную функцию
Входной сигнал — это 
, а выходной — 
. Это функция числа Маха, используемая для вычисления температуры; K равно 1. Небольшой «холм» в нижней части диаграммы — это коррекция кулачка. Хотя входная и выходная функции имеют широкий диапазон, закодированная в кулачке разность намного меньше и на обоих концах падает до нуля.]
▍ Кулачок из деформированного диска
Некоторые функции реализованы в виде деформированных металлических дисков, используемых в качестве кулачков. Такой тип кулачка можно настраивать вращением регулировочных винтов, изменяющих форму диска. Коромысло движется по поверхности кулачка, создавая входной сигнал для дифференциала, расположенного под диском. Дифференциал прибавляет положение кулачка к входному повороту, создавая модифицированный поворот, как это происходит и с негибкими кулачками. Например, передатчик давления использует кулачок для генерации нужной выходной функции на основании степени отклонения мембраны. Благодаря использованию кулачка можно обеспечить высокую точность мембран, не беспокоясь о функции их отклонения.
Кулачок из деформированного диска
▍ Выходы синхронизаторов
Большинство выходных сигналов CADC — это сигналы синхронизаторов7.
[7. ВМФ США активно использовал синхронизаторы для передачи сигналов на кораблях. Диаграммы синхронизаторов взяты из двух публикаций ВМФ США: US Navy Synchros (1944 год) и Principles of Synchros, Servos, and Gyros (2012 год). Это хорошие документы для изучения подобных устройств. На схеме ниже показано, как синхронизаторы могут использоваться на кораблях.
Схема ВМФ США, показывающая синхронизаторы, управляющие орудием линкора]
Синхронизатор интересен тем, что он может передавать вращательное положение электрически по трём проводам. Внешне синхронизатор похож на электродвигатель, но его внутреннее устройство отличается (см. ниже). Обмотки статоров двух синхронизаторов соединяются вместе, а на обмотки роторов подаётся переменный ток. Поворот вала одного синхронизатора приводит к повороту второго в то же положение. В моём Твиттере есть видео демонстрации работы синхронизаторов.
Схема синхронизатора в разрезе, показаны ротор и статоры
Внутри синхронизатора находится обмотка движущегося ротора и три неподвижных обмотки статоров. Когда на ротор подаётся переменный ток, в обмотках статора создаётся напряжение, зависящее от положения ротора. Эти напряжения создают вращающий момент, поворачивающий синхронизаторы в одинаковое положение. Другими словами, ротор получает питание (в данном случае 26 В, 400 Гц), а три провода статоров передают положение. На диаграмме ниже схематически показан синхронизатор с обмотками ротора и статоров.
Схематическое обозначение синхронизатора
До появления цифровых систем синхронизаторы часто использовались для передачи электрических сигналов в воздушных судах. Например, синхронизатор может передавать показания высоты на дисплей кокпита или систему прицеливания. В CADC большинство выходных сигналов были сигналами синхронизаторов, которые преобразовывали значения поворота CADC в электрические сигналы. Три обмотки статоров из синхронизатора внутри CADC соединены с внешним синхронизатором, получающим значение поворота. Для повышения разрешения во многих таких выходных сигналах использовались два синхронизатора, грубый и точный. Два синхронизатора обычно соединены шестернями с передаточным числом 11:1, то есть точный синхронизатор вращается в 11 раз быстрее грубого. В диапазоне выходных сигналов грубый синхронизатор может поворачиваться на 180°, передавая приближенный выходной сигнал, а точный синхронизатор вращается несколько раз, обеспечивая бОльшую точность.
В передней части CADC есть множество синхронизаторов выходных сигналов с пружинами, устраняющими мёртвый ход
▍ Система воздушных данных
CADC — одно из множества устройств в системе, показанной на схеме ниже8. Выходные сигналы CADC подаются на другой блок под названием Air Data Converter, являющийся интерфейсом между CADC и системами самолёта, которым требуются значения воздушных данных: управления огнём, управления двигателем, навигационной системой, инструментами дисплеев кокпита и так далее. Такое разделение обусловлено тем, что у разных типов самолётов есть различные требования к сигналам: CADC остаётся одинаковым и настройка требуется только преобразователю. Некоторым самолётам требуется «до 43 выходных сигналов, включая сигналы потенциометров, синхронизаторов, АЦП и коммутаторов».
Блок-схема интеграции Air Data Computer с датчиками и другими системами. Прямоугольник справа без обозначения — это преобразователь. Из документа MIL-C-25653C(USAF)
[8. Краткое описание символов выходных сигналов:
log TFAT: истинная температура воздуха (температура окружающей среды без трения и сжатия);
log Ps: статическое давление;
M: число Маха;
Qc: перепад давления;
ρ: плотность воздуха;
ρa: плотность воздуха, умноженная на скорость звука;
Vt: истинная скорость полёта;
Tt: полная температура воздуха (больше из-за давления воздуха).
Входные сигналы:
TT: полная температура воздуха (больше из-за давления воздуха);
Pti: индикаторное общее давление (больше из-за скорости);
Psi: индикаторное статическое давление;
log Psi/Ps: коррекция погрешности положения от компенсатора.
Компенсатор использует в качестве входных данных αi: угол атаки;
и вычисляет αT: истинный угол атаки;
aT: скорость звука.]
Также CADC подключён к цилиндрическому блоку, называющемуся «компенсатор статического давления и угла атаки». Этот блок компенсирует погрешности в измерениях статического давления, вызванные формой воздушного судна, генерируя «коррекцию погрешности положения». Так как коэффициент компенсации зависит от типа конкретного самолёта, компенсация вычисляется за пределами Central Air Data Computer, благодаря чему CADC может оставаться единым для всех типов. Этот коэффициент коррекции зависит от числа Маха и угла атаки, он реализован в виде трёхмерного кулачка. Форма кулачка (а значит, и функция коррекции) вычислена эмпирическим образом, а не по фундаментальным уравнениям.
CADC подключён к другим компонентам пятью электрическими соединениями, показанными на фото ниже9. В нижней части расположены пневматические соединения для статического давления и полного давления. В правом верхнем углу расположен небольшой таймер прошедшего времени.
[9. Электрические соединения CADC имеют следующие функции:
J614: выходы к преобразователю,
J601: выходы к преобразователю,
J603: переменный ток (115 В, 400 Гц),
J602: к компенсатору/от компенсатора,
J604: входной сигнал от датчика температуры.]
В передней части CADC расположено множество круглых соединений, разработанных по стандартам Министерства обороны США
Заключение
Bendix MG-1A Central Air Data Computer — удивительно сложное электромеханическое устройство. Сложно поверить, что эта система, состоящая из крошечных шестерней, была способна выполнять надёжные вычисления в агрессивной среде реактивного самолёта, подверженного тряске, ускорениям и вибрациям. Но в то время это был наилучший способ решения задачи10, демонстрирующий гениальность разработавших устройство инженеров.
[10. Интересный способ ручного расчёта воздушных данных заключался в применении счётного диска, разработанного для навигации и вычислений воздушных данных. Он давал результаты для различных сочетаний давления, температуры, числа Маха, истинной скорости полёта и так далее. Подробности см. в руководстве по MB-2A Air Navigation Computer. Также см. патент 2528518. Стоит отметить, что с конца 1800-х до 1940-х и далее термин «компьютер» использовался для любых устройств, вычислявших значение, от арифмометра до логарифмической линейки (и так даже называли людей).]
CADC в своём кожухе. Снаружи все его механические чудеса невидимы
Я планирую продолжить реверс-инжиниринг Bendix CADC и надеюсь привести его в рабочее состояние11.
[11. Найти информацию о CADC было очень сложно. Его официальная спецификация — MIL-C-25653C(USAF). Поискав её везде, я наконец смог получить экземпляр из отдела технических отчётов и стандартов Библиотеки Конгресса США. Ещё одним полезным документом оказался протокол конференции 1958 года: «Air Data Computer Mechanization» (Hazen), Symposium on the USAF Flight Control Data Integration Program, Wright Air Dev Center US Air Force, Feb 3-4, 1958, сc. 171-194.]
Автор:
ru_vds
