Máy tính góc cơ điện tử bên trong hệ thống theo dõi sao của máy bay ném bom B-52

Trước khi có GPS, máy bay định vị như thế nào?

Một trong những kỹ thuật quan trọng nhất là thiên văn định vị: xác định vị trí dựa trên các ngôi sao, hành tinh hoặc mặt trời. Mặc dù thiên văn định vị có độ chính xác cao, không thể bị gây nhiễu và không yêu cầu hạ tầng phát sóng, nhưng việc thực hiện thủ công rất khó khăn và tốn thời gian.

Vào đầu những năm 1960, một hệ thống tự động đã được phát triển cho máy bay ném bom B-52 để tự động theo dõi các ngôi sao và tính toán thông tin dẫn đường. Vào thời điểm đó, máy tính kỹ thuật số chưa phù hợp, nên hệ thống theo dõi sao này thực hiện các phép tính lượng giác bằng một máy tính tương tự cơ điện tử gọi là Angle Computer (Máy tính góc).

Cơ chế bên trong Angle Computer

Angle Computer chứa các hệ thống cơ điện tử phức tạp. Mặc dù bức ảnh trên trông có vẻ như một con quay hồi chuyển hay IMU (Đơn vị đo lường quán tính), nhưng nó hoàn toàn khác biệt và không có bộ phận nào quay. Angle Computer mô hình hóa vật lý "quả cầu thiên thể", với một cơ chế phức tạp bên trong di chuyển một con trỏ đại diện cho vị trí của một ngôi sao. Các góc tương ứng (góc phương vị và độ cao) được đọc ra điện tử thông qua các thiết bị gọi là synchro, cung cấp thông tin cho hệ thống dẫn đường thông qua các bó dây.

Trong bài viết này, tôi sẽ tổng quan về cách hoạt động của thiên văn định vị và giải thích cách Angle Computer thực hiện các phép tính của mình.

Hệ thống Astro Compass

Angle Computer là một phần của hệ thống Astro Compass, một hệ thống khóa vào một ngôi sao và tạo ra hướng dẫn (tức là hướng la bàn) cực kỳ chính xác, chính xác đến một phần mười độ.

Hệ thống Astro Tracker được lắp trên máy bay

Hệ thống dẫn đường Astro Compass được xây dựng xung quanh "Astro Tracker" (trên cùng), hệ thống quang học theo dõi ngôi sao. Astro Tracker được lắp trên máy bay với vòm kính 4 inch nhô ra khỏi thân máy bay. Thiết bị này chứa một kính viễn vọng theo dõi, sử dụng đèn nhân quang điện (photomultiplier tube) để phát hiện ánh sáng từ ngôi sao. Một con quay hồi chuyển và hệ thống động cơ phức tạp cung cấp một "nền tảng ổn định", giữ kính viễn vọng thẳng đứng chính xác ngay cả khi máy bay nghiêng và di chuyển. Một lăng kính xoay và nghiêng để nhắm kính viễn vọng vào một ngôi sao cụ thể.

Hệ thống Astro Compass cực kỳ phức tạp, bao gồm 19 thành phần để hỗ trợ Astro Tracker. Ở bên phải là mười thành phần khuếch đại và máy tính điều khiển hệ thống; Angle Computer nằm ở góc dưới bên phải. Ở bên trái là chín bảng điều khiển và chỉ thị được sử dụng bởi hoa tiêu của B-52.

Các bảng điều khiển của hệ thống Astro Compass

Điều khiển Astro Compass

Astro Compass có giao diện người dùng thú vị, cho phép bạn nhập một giá trị tại một thời điểm bằng cách xoay núm. Đầu tiên, bạn sử dụng Bảng điều khiển chính (Master Control Panel) để chọn một giá trị dữ liệu như giờ, SHA (Góc giờ thiên văn) cho ngôi sao số 1, hoặc Độ lệch (Declination) cho ngôi sao số 3. Sau đó, bạn xoay núm "Set Control" theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ để cuộn qua các giá trị dữ liệu cho đến khi đạt được giá trị chính xác.

Mỗi núm trên Bảng điều khiển chính có một hình dạng hình học khác nhau, cho phép người dùng phân biệt các núm bằng xúc giác. Mỗi giá trị dữ liệu có một màn hình hiển thị cơ điện riêng biệt. Hệ thống có ba màn hình Dữ liệu sao, vì vậy nó có thể giữ vị trí của ba ngôi sao cùng một lúc.

Trạm hoa tiêu trên B-52

Nhưng làm thế nào để hoa tiêu có được thông tin để đưa vào Astro Compass, khi mặt trời, mặt trăng, các ngôi sao và hành tinh luôn chuyển động? Thông tin thiên văn cần thiết được xuất bản trong một cuốn sách gọi là Air Almanac (Niên giám Hàng không). Chính phủ Mỹ bắt đầu xuất bản Air Almanac từ năm 1941, phát hành một tập mới mỗi bốn tháng. Niên giám có một trang cho mỗi ngày, cung cấp dữ liệu thiên văn ở khoảng thời gian 10 phút.

Tam giác dẫn đường: Tính toán vị trí của ngôi sao

Air Almanac cung cấp tọa độ sao trong một hệ tọa độ toàn cầu, nhưng Astro Compass cần biết tọa độ sao trong hệ tọa độ cục bộ của máy bay. Xác định vị trí của ngôi sao yêu cầu thay đổi hệ tọa độ bằng cách sử dụng lượng giác cầu và một thứ gọi là tam giác dẫn đường.

Astro Tracker, giống như nhiều kính viễn vọng khác, được nhắm bằng cách sử dụng phương vị (azimuth) và độ cao (altitude). Giả sử bạn ra sân sau, chỉ vào đường chân trời và quay 360° trong một vòng tròn; hướng bạn chỉ đến được gọi là phương vị. Điểm ngay trên đỉnh đầu được gọi là đỉnh thiên (zenith). Nếu bạn giơ tay lên 90° từ đường chân trời đến đỉnh thiên, góc đó được gọi là độ cao. Do đó, nếu bạn chỉ vào một ngôi sao cụ thể, bạn có thể mô tả vị trí của nó bằng hai góc: vòng quay ngang từ phía Bắc cho phương vị và góc lên từ đường chân trời cho độ cao.

Các phương trình cho độ cao và phương vị rất phức tạp, với sin, cosin, arcsin và arctang. Để hiểu tại sao các phương trình lại phức tạp, hãy xem một bức ảnh phơi sáng lâu của các vệt sao. Khi Trái Đất quay, mỗi ngôi sao tạo thành một vòng tròn xung quanh Polaris, sao Bắc Cực. Để vẽ ra đường tròn này, độ cao và phương vị thay đổi theo cách lượng giác. Phép tính này được thực hiện cơ điện tử bởi Angle Computer.

Bây giờ hãy chuyển sang cách vị trí của một ngôi sao được xác định trong Air Almanac, độc lập với vị trí cục bộ của bạn. Hãy tưởng tượng các ngôi sao nằm trên bề mặt của một quả cầu lớn bao quanh Trái Đất, gọi là quả cầu thiên thể. Các ngôi sao đứng yên trên bề mặt quả cầu thiên thể, trong khi Trái Đất quay một lần mỗi ngày ở giữa. Do đó, khi bạn nhìn lên quả cầu thiên thể, bạn thấy các ngôi sao đang chuyển động.

Bạn có thể mở rộng đường xích đạo của Trái Đất ra quả cầu thiên thể, xác định đường xích đạo thiên thể. Tương tự, quả cầu thiên thể có các cực thiên thể, khớp với các cực của Trái Đất. Trên Trái Đất, bạn xác định một vị trí (ví dụ: vị trí của máy bay) bằng vĩ độ và kinh độ. Tương tự, vị trí của một ngôi sao được chỉ định bằng góc từ đường xích đạo thiên thể (gọi là độ lệch thay vì vĩ độ) và góc từ kinh tuyến (gọi là góc giờ thiên văn hoặc SHA thay vì kinh độ).

Bảng điều khiển Master Control

Máy tính Angle (Angle Computer)

Nhiệm vụ của Angle Computer là giải tam giác dẫn đường một cách cơ học. Các đầu vào của nó là độ lệch của ngôi sao, độ cao và góc giờ địa phương (LHA). Từ những dữ liệu này, nó tính toán độ cao và phương vị của ngôi sao tại vị trí hiện tại của máy bay.

Khái niệm đằng sau Angle Computer là nó mô hình hóa vật lý quả cầu thiên thể bằng một bán cầu, có bán kính 2 5/8 inch. Một con trỏ sao được định vị cơ học trên bề mặt quả cầu này, sử dụng độ lệch và góc giờ địa phương của ngôi sao, được điều chỉnh theo vĩ độ của người quan sát. Con trỏ sao di chuyển cơ chế đọc dịch chuyển vị trí của ngôi sao thành phương vị và độ cao tại vị trí đã chỉ định. Do đó, Angle Computer chuyển đổi cơ học giữa các hệ tọa độ bằng cách sử dụng sự biểu diễn vật lý, giải quyết tam giác dẫn đường.

Cơ chế đầu vào của Angle Computer

Cơ chế đầu vào cho Angle Computer. Một cơ chế riêng biệt cung cấp các đầu ra độ cao và phương vị, được điều khiển bởi con trỏ sao. Chìa khóa là cung phương vị hình bán nguyệt, đại diện cho cung từ đường chân trời của người quan sát đến đỉnh thiên, định hướng theo một phương vị cụ thể. Con trỏ sao được gắn vào cung phương vị thông qua một thanh trượt, vì vậy khi con trỏ sao di chuyển, nó di chuyển thanh trượt dọc theo cung phương vị và cũng xoay cung phương vị.

Cụ thể, cung phương vị đại diện cho đường từ đường chân trời đến đỉnh thiên tại một phương vị cụ thể. Vị trí của thanh trượt trên cung phương vị tương ứng với độ cao, từ 0° ở đường chân trời đến 90° ở đỉnh thiên. Cung phương vị xoay quanh điểm đỉnh thiên; sự xoay này chỉ ra giá trị phương vị. Khi cung phương vị xoay, nó quay một bánh răng ở đỉnh thiên, cung cấp đầu ra phương vị. Cung thanh trượt có răng trên đó; khi thanh trượt di chuyển, các răng này quay một bánh răng thứ hai, cung cấp đầu ra độ cao.

Từ phía sau, nhiều bộ phát synchro, biến áp điều khiển synchro và động cơ có thể nhìn thấy rõ. Mặc dù bản thân phép tính là cơ học, Angle Computer có nhiều thành phần điện tử. Ở nửa trên, bộ phát synchro cung cấp đầu ra điện của phương vị và độ cao. Ở nửa dưới, các hình trụ dài hơn là động cơ di chuyển cơ chế của Angle Computer.

Đường vị trí (Line of Position)

Mặc dù hướng dẫn là đầu ra chính từ Astro Compass, nhưng nó cũng có thể giúp xác định vị trí của máy bay bằng một kỹ thuật gọi là đường vị trí thiên thể. Kỹ thuật này được phát hiện vào năm 1837 và được sử dụng rộng rãi để dẫn đường cho tàu thuyền bằng sextant. Nó cũng có thể được sử dụng trên máy bay.

Để hiểu về đường vị trí, hãy giả sử bạn ra ngoài và thấy một ngôi sao ngay trên đỉnh đầu. Nếu bạn đo độ cao — góc từ đường chân trời đến ngôi sao — bằng sextant, góc sẽ là 90°. Bây giờ, hãy giả sử bạn dịch chuyển tức thời 60 hải lý theo bất kỳ hướng nào. Sextant bây giờ sẽ hiển thị độ cao 89° đối với ngôi sao đó, vì một hải lý được định cách thuận tiện để khớp với một phút cung (một phần sáu mươi của một độ).

Vì vậy, điều này giúp ích gì cho việc dẫn đường? Giả sử bạn đang ở giữa Thái Bình Dương và bạn có một ý tưởng sơ bộ về vị trí của mình, nói là trong phạm vi 100 dặm, nhưng bạn muốn tìm vị trí chính xác. Bạn chọn một ngôi sao và tính toán góc tới ngôi sao đó từ vị trí của bạn. Bạn đo độ cao bằng sextant. Giả sử bạn mong đợi 50° nhưng đo được 51°. Bây giờ bạn biết rằng bạn đang ở đâu đó trên một vòng tròn có bán kính 2940 dặm xung quanh điểm dưới sao đó. Điều này có vẻ không hữu ích lắm. Tuy nhiên, vì góc lớn hơn dự kiến 1°, bạn biết rằng vòng tròn này gần ngôi sao đó hơn 60 dặm so với vị trí ước tính của bạn. Hơn nữa, vì bạn có một số ý tưởng về vị trí của mình, bạn biết rằng bạn đang ở phần của vòng tròn này gần vị trí ước tính của mình. Và vì bạn đang nhìn vào một phần nhỏ của một vòng tròn lớn, bạn có thể xấp xỉ nó bằng một đường thẳng.

Astro Compass sử dụng màn hình hiển thị để hiển thị phương vị của ngôi sao và khoảng cách tính bằng dặm từ vị trí giả định đến đường vị trí, được gọi là Độ cao chặn (Altitude Intercept). Với thông tin này, hoa tiêu có thể vẽ một đường vị trí trên bản đồ. Hoa tiêu lặp lại quy trình với hai ngôi sao nữa để có được vị trí cố định.

Kết luận

Angle Computer là một di tích từ thời mà máy tính tương tự cơ học là cách tốt nhất để giải quyết một vấn đề, nhưng máy tính cũng mang tính điện. Mặc dù một thiết bị cơ học giải quyết tam giác dẫn đường, nó được di chuyển vào vị trí bởi các động cơ, và đầu ra được truyền đi điện tử thông qua các dây dẫn. Hơn nữa, Angle Computer được điều khiển bởi các bộ khuếch đại điện tử và mạch phản hồi sử dụng cả bóng chân không và transistor.

Các nhà thiết kế của Astro Compass đã xem xét nhiều cách tiếp cận khác nhau để tính toán tam giác dẫn đường. Cách tiếp cận đầu tiên là sử dụng các thiết bị cơ điện tử nhỏ gọi là bộ giải (resolver) chuyển đổi vòng quay vật lý thành giá trị sin và cosin. Giải pháp bộ giải bị từ chối vì quá lớn và yêu cầu nguồn điện chính xác. Cách tiếp cận thứ hai là sử dụng máy tính kỹ thuật số để xác định giải pháp. Giải pháp này bị từ chối vì vào năm 1963, máy tính kỹ thuật số đắt tiền, chậm và kém tin cậy hơn.

Cách tiếp cận cuối cùng, được chấp nhận, là xây dựng một mô hình vật lý cơ học của quả cầu thiên thể. Do đó, Angle Computer nằm ở giao điểm không ổn định giữa các cơ chế vật lý, mạch điện, bóng chân không và điện tử trạng thái rắn, sớm bị lỗi thời bởi máy tính kỹ thuật số.