Ретро: электромеханический аналоговый компьютер CADC 1955 года
Центральный компьютер Bendix CADC MG-1A (фото Ken Shirriff’s)
В 1955 году для нужд ВВС США было разработано специальное вычислительное устройство Bendix Central Air Data Computer (далее CADC), которое представляло из себя электромеханический компьютер состоящий из шестерней, кулачков, синхронизаторов и магнитных усилителей. Основным назначением данного устройства, являлось вычисление «воздушных данных», математика уравнений для их вычислений усложнялась при приближении летательного аппарата к скорости звука. После вычислений «воздушных данных», CADC передавал результаты своих расчетов в смежные системы и на приборы индикации в кабине пилота. Вычислитель CADC применялся в различных летательных аппаратах ВВС CША (например, в истребителях F-101 и F-111, в бомбардировщике B-52).
Самолеты на которых применялся CADC
Техническая справка
Уже более века, скорость самолета определяют по давлению воздуха (патент 1919 года в котором представлено такое измерительное устройство). Для измерения давления используют специальную конструкцию, в передней части которой располагается трубка Пито для измерения встречного потока воздуха (общего давления воздуха), а в боковой части располагаются отверстия для измерения статического давления воздуха. Далее, по значению статического давления можно рассчитать высоту, а по соотношению значений между общим и статическим давлением можно определить скорость движения объекта.
Устройство для измерения давления воздуха
При приближении самолета к скорости звука, гидродинамика воздуха меняется, и расчеты становятся более сложными (по этой причини, на разных скоростях полета, одна и та же геометрия крыла обладает разной эффективностью).
В качестве примера, можно принести формулу для расчета числа Маха, которое можно рассчитать исходя из отношения общего давления к статическому давлению. При этом формула расчета числа Маха будет иметь разные уравнения, в дозвуковом и сверхзвуковом полете:
Компьютер MB-2A для выполнение вычислений «воздушных данных» по имеющимся показателям приборов
С появлением в 1950-х годах сверхзвуковых истребителей, имеющихся на тот момент простых механических средств измерения стало недостаточно. В связи с этим, появилась необходимость в разработке единого центрального вычислительного устройства, которое бы производило расчеты «воздушных данных» и передавало полученные результаты в смежные системы, таким устройством стал Bendix Central Air Data Computer (CADC).
В состав CADC входит более чем 4000 тысяч различных деталей.
Вычислительные возможности CADC
При помощи CADC можно было получить следующие данные: статическое давление, общее давление, скорость воздуха, число Маха, логарифм статического давления, перепад давления, плотность воздуха, произведения плотности воздуха и скорости звука, общею температуру, логарифм температуры.
Применяемые уравнения в расчетах CADC выведены из принципов гидродинамики и были стандартизированы в 1950-х годах различными государственными организациями США, включая Национальное бюро стандартов и NACA (предшественник NASA). Хотя уравнения являются достаточно сложными, но их все-таки можно вычислить с использованием механических средств.
Принцип работы CADC
CADC представляет собой электромеханическую вычислительную машину, на вход которой поступает аналоговый сигнал общего и статического давления, а также температура. Далее CADC выполняет математические вычисления с помощью механических методов, большинство вычисляемых значений внутри CADC передаются через угол поворота вала. Механизм дифференциальной передачи обеспечивает базовую реализацию сложения и вычитания. Для вычисления более сложных функций используется кулачковый корректирующий дифференциал, например логарифмические и экспоненциальные преобразования. После выполнения расчетов CADC передает полученные результаты в виде аналоговых сигналов в смежные системы.
Принципиальная схема вычислителя
Вычислитель CADC можно разделить на различные функциональные узлы (согласно принципиальной схеме):
узлы 20, 21, 20 — датчики давления и температуры, которые преобразуют данные полученные при измерении физических величин в механическое вращение валов
узлы D1, D4 CCD2, CCD3, CCD5 — устройства для выполнения вычислений при помощи механических методов
узлы 50, 51, 52, 53 — преобразователи механического вращения в аналоговый сигнал для передачи их во внешние системы (в основном используются сигналы для подключения электромеханических синхронизаторов)
Все датчики (узлы 20, 21, 22), производят преобразования значения физической величины в механическое вращение пропорционально его логарифму. Далее механическое вращение передается в отдельные блоки, в которых происходят механические вычисления (узлы D1, D4 CCD2, CCD3, CCD5). Вычислитель CADC представлял из себя электромеханический аналоговый компьютер, который выполняет расчеты с использованием вращающихся валов и шестерен, где числовое значение соответствует углу их поворота. Если два входа вращаются в одном направлении, то результат будет представлять сумму двух входов, а если два входа вращаются в противоположных направлениях, то результат будет представлять разницу между двумя входами. Следовательно, результат будет непрерывно выдавать алгебраическую сумму угловых перемещений двух боковых передач или дифференциала, или двух входных сигналов. Соответственно, из прямой линии можно сформировать любую кривую путем сложения или вычитания различных величин относительно контрольной линии. Кулачковый корректирующий дифференциал позволяет формировать кривую, которая описывается более сложным уравнением. При этом функция результатов расчетов носит непрерывный характер.
Конструкция одного из узлов механического вычислителя
На конструкции одного из узлов механического вычислителя изображен дифференциал (элементы 25, 27, 37, 38, 39, 40, 41) и кулачковый корректирующий дифференциал (элемент 30) для преобразования линейной функции в логарифмическую.
Благодаря использованию кулачкового корректирующего дифференциала (далее кулачок), в зависимости от его формы, можно преобразовать вращательное движение из логарифмического в линейное, линейное в логарифмическое, логарифмическое в квадратное или кубическое, линейное в квадратное или кубическое, квадратное или кубическое в линейное или логарифмическое и в другие комбинации.
Математические функции вычислителя
Обычная конструкция кулачка имеет ряд недостатков. Если в кулачке отсутствует плавная зона перехода, то при вращении может происходить перескакивание значения, что может привести к застреванию толкателя кулачка в такой зоне. Для функций в которых существует большая разница между минимальным и максимальным значением (например, для экспоненциальной), при масштабировании кулачка может произойти потеря точности для малых значений. Для минимизации данных недостатков в узел добавляют дополнительные механизмы, которые вводят поправочную функцию (на графиках представлена функция CAM CORRECTION — 54, 62, 57), что позволяет использовать кулачок с более простой формой. Но такой подход усложняет схему реализации механического узла, а также он применим, только для возрастающих функций, он не будет работать для синусоидальной функции.
После проведения вычислений полученный механический сигнал в виде поворота вала необходимо передать в смежные системы, для этого применяется специальные электромеханические устройства, синхронизаторы (узлы 50, 51, 52, 53).
До появления цифровых систем, электромеханические синхронизаторы были очень популярны для передачи сигналов в авиационной технике. Например, синхронизатор позволяет передавать различные данные на приборы в кабину пилота или в систему наведения.
Электромеханический синхронизатор
Электромеханический синхронизатор представляет собой специальный электродвигатель позволяющий передавать угол поворота по электрической сети. Вращение вала одного синхронизатора заставляет вал другого синхронизатора поворачиваться в то же положение. Внутри синхронизатора имеется подвижная обмотка ротора и три неподвижные обмотки статора. Когда переменный ток подается на ротор, на обмотках статора возникают напряжения в зависимости от положения ротора. Эти напряжения создают крутящий момент, который поворачивает синхронизаторы в одно и то же положение. Таким образом обеспечивается механическая синхронизация между валами электромеханических машин.
Передача угла поворота между синхронизаторами
Демонстрация работы электромеханических синхронизаторов
Датчик давления
CADC имеет два пневматических входа, для подключения внешних трубок, через которые производится подача общего и статического давления для его измерения.
Два датчика (черные цилиндры) общего и статического давления преобразуют давление в механический сигнал соответствующий вращению вала.
Узел с датчиками давления (фото Ken Shirriff’s)
В основе датчика давления лежат устройства в форме диска под названием сильфон, которые расширяются и сжимаются при изменении приложенного давления. Они соединены с противоположными сторонами вала и обеспечивают его вращение.
Два сильфона, которые обеспечивают вращение вала в зависимости от давления (фото Ken Shirriff’s)
Электронные компоненты в узле датчика давления (фото Ken Shirriff’s)
Электронные компоненты рядом с датчиком давления и сервоприводы обеспечивают усиление крутящего момента, который необходим для вращения всех шестерней CADC. Сильфон производит небольшое движение вала, которое обнаруживается индуктивным датчиком. Этот сигнал усиливается и приводит в действие двигатель с мощностью, достаточной для перемещения всех шестерен. Двигатель также приспособлен для противодействия движению сильфона, что обеспечивает петлю обратной связи.
Схема преобразователя давления во вращение вала
Благодаря обратной связи и схемы из шестерен на выходе датчика давления получается значение логарифма давления.
Датчик температуры
Показатель температуры является важным параметром для вычислений CADC, поскольку от нее зависит плотность воздуха и параметры «воздушных данных». Измерение температуры производиться с помощью платинового датчика, который изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. С помощью электропривода и усилителя с обратной связью, значение температуры преобразуется во вращение вала (аналогично датчику давления).
Узел датчика температуры (фото Ken Shirriff’s)
Обратной связи в датчике температуры реализуется через сопротивление с использованием потенциометра (красный цилиндр в правом нижнем углу). В результате чего на выходе получаем значение логарифма температуры.
Схема преобразователя температуры во вращение вала
Узел дифференциала
Узел дифференциала является ключевым компонентом CADC, поскольку в нем выполняются все основные расчеты. Шестерни обеспечивают сложение и вычитание. Когда повороты вала представляют собой логарифм значений, то их сложение и вычитание будет соответствовать умножению и делению значений логарифма.
Дифференциальный механизм (фото Ken Shirriff’s)
Крупный план дифференциального механизма (фото Ken Shirriff’s)
Кулачки
Для выполнения расчетов сложных функций в CADC используются кулачки, которые имеют специальную форму описывающую математическую функцию (например, логарифмические и экспоненциальные вычисления, возведение в степень и другие).
Внешний вид одного из кулачков (фото Ken Shirriff’s)
Каждому углу положения кулачка, соответствует значения функции, которую он описывает своей формой.
Регулируемый пластинчатый кулачок
В состав CADC входит пластинчатый кулачок с возможностью его регулирования при помощи 20 установочных винтов, которые позволяют изменить форму пластины. Данная пластина вводит поправочный коэффициент в расчеты, что уменьшает погрешность в вычислениях.
Крупный план кулачка с деформированной пластиной (фото Ken Shirriff’s)
Выходы CADC
В основном, выходы CADC предназначены для подключения синхронизаторов, которые представляют собой специальный электродвигатель позволяющий передавать угол поворота по электрической сети. Вращение вала одного синхронизатора заставляет вал другого синхронизатора поворачиваться в то же положение.
Выходные синхронизаторы с пружинами для защиты от люфта (фото Ken Shirriff’s)
Разъемы для подключения к внешним системам (фото Ken Shirriff’s)
Сигнал от синхронизаторов в CADC передается в смежные системы, в том числе на приборы установленные в кабине пилота.
Прибор для отображения измерений с помощью синхронизатора
Передача данных в прибор через синхронизатор
Передача данных в прибор через синхронизатор
CADC называется центральным компьютером, поскольку результаты его вычислений используются другими системами: управление огнем, управление двигателем, навигационная система, приборы индикации в кабине пилота и другие системы.
Для унификации CADC и возможности его применения на разных типах летательных аппаратах, между выходами CADC и внешними системами используют дополнительный блок с преобразователями сигналов. Такой преобразователь адаптирует универсальные сигналы CADC под специфическую реализацию для определенного летательного аппарата.
Также в CADC передается специальный корректирующий сигнал, который подбирается эмпирическим путем и описывает специфику геометрии летательного аппарата.
Корпус
Корпус CADC (фото Ken Shirriff’s)
Заключение
Центральный компьютер Bendix CADC MG-1A представляет собой сложное электромеханическое устройство, способное выполнять математические расчеты с использованием механических принципов. Условия эксплуатации CADC были достаточно тяжелыми, он подвергался воздействию перепадам температуры, толчкам, ускорениям и вибрации.
CADC является олицетворением изобретательности инженеров, способных находить решения для сложных задач с помощью имеющихся в распоряжении технологий.
