F-4 전투기 3축 자세 지시기 역설계

 (righto.com)
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  • F-4 Phantom II의 자세 지시기는 일반 인공수평이 보여주는 피치·롤에 방위각(요) 까지 더해, 조종사가 고속 기동 중 3축 자세와 진행 방향을 한눈에 볼 수 있게 함
  • 회전하는 공은 완전한 구가 아니라 위아래 속 빈 반구 셸 2개로 나뉘며, 내부 메커니즘은 적도 부근에 고정된 채 셸만 움직이는 구조임
  • 롤·피치·방위각은 각각 모터로 구동되고, 1960년대 항공전자에서 쓰인 synchro 3선 신호와 제어 변압기가 각도 오차를 만들어 서보 루프를 닫음
  • 회전 구조의 배선 꼬임은 롤축과 피치축의 슬립 링으로 해결하고, 방위각 축은 전자부가 아니라 공 셸만 돌아 별도 슬립 링이 필요 없음
  • F-35 같은 최신 전투기는 화면 중심의 글래스 콕핏으로 바뀌었지만, 이 계기는 3축 기계식 표시를 위해 정교한 전기기계 구조와 아날로그 제어를 결합한 사례임

F-4 자세 지시기의 역할

  • 이 장치는 F-4 전투기용 자세 지시기로, 회전하는 공을 이용해 항공기의 자세와 방향을 보여줌
  • 일반 항공기의 인공수평은 피치와 롤 2축을 표시하지만, F-4 지시기는 방위각까지 추가해 3축 자세를 표시함
  • F-4 Phantom II는 1958년부터 1981년까지 생산된 초음속 전투기이며, 5000대 이상 생산되어 미국 초음속 항공기 중 가장 많이 생산된 기종임
  • 조종사 패널 중앙, 붉은색 레이더 스코프 아래에 배치될 만큼 중요한 계기였고, 후방석에는 더 단순한 2축 자세 지시기가 있었음
  • F-4는 2인승 항공기이며, 뒤쪽 좌석의 레이더 요격 장교가 레이더와 무장을 제어함

공이 3축으로 도는 기계 구조

  • 표시용 공은 하나의 닫힌 구가 아니라 두 개의 속 빈 반구 셸로 구성됨
    • 반구 셸은 내부 수직 축의 위아래에 붙음
    • 적도 위치의 내부 메커니즘은 공 셸과 달리 고정된 상태로 남을 수 있음
  • 세 축은 서로 다른 방식으로 구동됨
    • 롤 모터는 지시기 프레임에 붙어 있으며, 롤 짐벌과 공 전체를 시계방향 또는 반시계방향으로 돌림
    • 피치 모터는 공 내부에 있으며, 내부 메커니즘 전체를 수평 피치축 주위로 돌림
    • 방위각 모터는 수직 축을 돌려 위아래 반구 셸을 방위각 축 주위로 회전시킴
  • 롤 짐벌은 공 메커니즘의 위아래 피벗 지점에 연결되어 공을 지지함
  • 롤 제어 변압기는 위치 피드백을 제공하며, 롤 짐벌에는 공 내부 메커니즘으로 이어지는 많은 배선이 연결되어 있음

배선이 꼬이지 않는 이유

  • 회전하는 구조 안에서 전기 연결을 유지하기 위해 슬립 링 두 세트를 사용함
  • 첫 번째 슬립 링 어셈블리는 롤축 회전을 처리함
    • 고정된 계기 본체와 회전하는 롤 짐벌 사이를 전기적으로 연결함
    • 중앙 축은 공 어셈블리 하우징과 함께 회전하고, 축 내부 배선은 원형 금속 접점에서 롤 짐벌로 이어짐
  • 두 번째 슬립 링은 공 내부에서 롤 짐벌 배선과 공 메커니즘 사이를 연결함
    • 피치축 회전에 따른 전기 연결을 맡음
    • 실제 슬립 링은 내부에 있어 사진에서는 보이지 않음
  • 방위각 축에는 슬립 링이 필요 없음
    • 방위각 회전에서는 공의 반구 셸만 돌고 전자부는 고정되어 있기 때문임

synchro와 서보 루프

  • 지시기는 외부 자이로스코프에서 롤·피치·방위각 위치를 나타내는 전기 신호를 받음
  • 1960년대 항공전자에서 흔했던 synchro는 3개의 선으로 각도를 전달함
    • synchro 송신기는 축의 각도 위치를 AC 신호로 변환함
    • 내부 로터는 400Hz AC로 구동되고, 3개의 고정 스테이터 권선이 각도에 따라 위상과 전압이 달라지는 3개 출력 신호를 만듦
  • 각 축의 모터는 서보 루프로 제어됨
    • 제어 변압기는 3선 입력 각도와 실제 축 회전을 비교해 오차 신호를 만듦
    • 증폭기는 오차 신호가 0이 될 때까지 모터를 적절한 방향으로 구동함
    • 모터/타코미터의 타코미터 신호는 음의 피드백 전압으로 쓰여 목표 위치에 가까워질수록 모터 속도를 낮춤
  • 모터/타코미터 유닛은 일반 전기모터보다 복잡함
    • 모터는 115V AC, 400Hz 전원을 받지만 이것만으로는 회전하지 않음
    • 두 개의 저전압 AC 제어 권선 중 하나를 여자하면 한 방향 또는 반대 방향으로 회전함
    • 타코미터는 회전 속도에 비례하는 저전압 AC 신호를 만들며, 회전 방향에 따라 400Hz 구동 신호와 동상 또는 180도 반대 위상이 됨

증폭기 어셈블리

  • 모터는 계기 뒤쪽에 장착되는 증폭기 어셈블리로 구동됨
  • 증폭기 어셈블리는 세 축을 위한 별도 오차 증폭기 3개를 포함함
    • 롤, 피치, 방위각용 증폭기 보드가 각각 하나씩 있음
    • DC 전원 공급 보드, AC 변압기, 트림 포텐셔미터도 들어 있음
  • 세 증폭기 보드는 같은 구조임
    • 일부 부품은 공간 절약을 위해 다른 부품 위에 쌓여 있음
    • 일부 리드는 길고 투명 플라스틱 슬리브로 보호됨
    • 보드는 습기와 오염물로부터 보호하기 위해 컨포멀 코팅되어 있음
  • 각 증폭기 보드는 오차 신호와 타코미터 출력을 이용해 모터의 두 제어 권선을 구동함
    • 입력은 400Hz AC이며 위상이 양수 또는 음수 오차를 나타냄
    • 출력은 어느 제어 권선을 활성화할지 결정해 모터 회전 방향을 정함
  • 같은 자세 지시기 계열에는 호환되지 않는 증폭기를 쓰는 두 버전이 있음
    • 최신 지시기의 모터는 제어 권선이 하나인 것으로 보임
    • 커넥터 키가 다르게 되어 있어 잘못된 증폭기를 꽂을 수 없음

피치 트림 회로

  • 지시기 오른쪽 아래에는 피치 트림 노브가 있지만, 분석 대상 장치에서는 이 노브가 빠져 있었음
  • 수평 비행 중 항공기는 원하는 받음각을 얻기 위해 기수가 약간 위나 아래를 향할 수 있음
    • 조종사는 실제 항공기가 약간 기울어져 있어도 자세 지시기가 수평 비행을 보이길 원함
    • 피치 트림 노브는 이 보정을 적용함
  • 전투기가 수직 90도 상승 같은 자세를 취할 때는 트림 보정이 무시되어 실제 자세를 보여야 함
  • 1957년 특허는 항공기가 수평 비행에서 벗어날수록 트림 조정을 점차 제거하는 방식을 사용함
    • 특수 다중 구역 포텐셔미터가 피치 각도에 따라 트림 신호를 조절함
  • 피치 트림 신호도 대부분의 내부 신호처럼 400Hz AC임
    • 수평에 가까우면 포텐셔미터 와이퍼가 양의 위상 AC를 받아 조종사가 설정한 트림 보정을 적용함
    • 거의 수직 상승 또는 급강하 상태에서는 와이퍼가 0V 구간을 받아 피치 트림이 제거됨
    • 뒤집힌 상태에서는 음의 위상 AC를 받아 트림 보정이 반대 방향으로 적용됨

모델, 사양, 관련 장치

  • 이 3축 자세 지시기는 Apollo 우주비행에 쓰인 FDAI와 여러 면에서 비슷하지만, FDAI에는 더 많은 표시기와 바늘이 있음
  • Soyuz Globus는 항법용으로 쓰였고 두 축으로 회전하며, 이 F-4 지시기보다 단순함
  • 관련 군사 규격으로 MIL-I-27619가 있으며, ARU-11/A, ARU-21/A, ARU-31/A 세 가지 유사 지시기를 다룸
    • ARU-11/A는 F-111A에 쓰였음
    • ARU-21/A는 A-7D Corsair에 쓰였음
    • ARU-31/A는 F-4의 정찰형인 RF-4C Phantom II에 쓰였음
  • 지시기는 AN/ASN-55 Attitude Heading Reference Set의 일부이며, 이 세트는 MIL-A-38329에 규정됨
  • 분석 대상 지시기에는 식별 표식이 없고 일부 부품이 빠져 있어 정확한 모델을 확정하기 어려움

전기기계식 계기의 한계와 매력

  • 항공기 자세 지시기는 특히 시정이 낮을 때 비행을 유지하는 데 중요한 계기임
  • F-4의 자세 지시기는 일반적인 인공수평보다 한 축을 더 표시하지만, 그만큼 기계와 전기 회로가 훨씬 복잡해짐
  • 최신 전투기는 이런 복잡한 전기기계식 계기 대신 글래스 콕핏을 사용함
    • 예로 F-35 콘솔은 여러 계기를 넓은 panoramic touchscreen으로 대체해 정보를 컬러로 표시함
  • 기계식 계기는 실용성 면에서는 불리하지만, 내부를 열어보면 3축 회전 공을 단단히 지지하면서도 자유롭게 움직이게 하는 독특한 설계가 드러남

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Hacker News 의견들

  • 초고해상도 이미지를 넣어줘서 좋고, 이렇게 많은 아날로그 꼼수가 쓰였다는 게 놀라움
    요즘이라면 코드 몇 줄로 끝났을 일처럼 보임

    • 1950년대 컴퓨팅에서는 디지털 컴퓨팅이 명백히 더 낫다는 전제가 아직 없었음
      신뢰성 높고 빠르며 저렴한 마이크로전자공학과 제어기를 대량생산하는 방법이 아직 없었기 때문에, 고신뢰성 분야에서는 아날로그 컴퓨팅이 해답이었음
      1954년에 Rex Rice는 프로그래밍 언어 같은 추상화보다 단순한 플러그보드로 컴퓨터를 프로그래밍하는 쪽을 선호한다는 글을 썼음 (https://dl.acm.org/doi/10.1145/1455270.1455272)
      그래서 고급 프로그래밍 언어가 당면한 문제에 맞는 해법인지도 당시에는 여전히 논쟁거리였고, 물리 세계를 조작해 수학 계산을 만들어낸 선대들은 정말 천재였다고 봄
      아버지가 경력 초기에 소련제 항공우주 장치를 분해하고 역공학해야 했는데, 소련 장치의 뛰어난 공학적 완성도와 정밀함을 아직도 좋게 기억하심
      소련 컴퓨팅에 대한 자료가 더 많았으면 좋겠지만, 결국 역사는 승자가 쓰는 법임

  • 이런 표시기를 자동차 대시보드에 달아보고 싶었음
    이미 보트 나침반을 달아뒀는데 꽤 유용하고 보기에도 좋음
    아쉽게도 전자식 표시기는 진공 구동식이나 완전 유리 조종석보다 훨씬 드묾

    • 이런 장치를 현대 전자식으로 복제품처럼 만들어볼까 생각 중임
      3D 프린팅한 구 반쪽 안에 스테퍼 모터, 자기식 회전 인코더, 6자유도 나침반/자이로 관성측정장치를 넣는 식임
      Arduino나 ESP32를 안에 넣어 구동하면, 롤과 피치 축을 통해 전원만 공급하는 단순한 슬립 링으로도 가능해 보임
      다만 생각만 하는 중이고, Ken의 다른 글 https://www.righto.com/2023/01/inside-globus-ink-mechanical-...를 보고 러시아 Soyuz 기계식 항법 장치를 만들어볼까 하는 공상도 했었음
      그런데 요즘은 소련 빈티지 기술 복제품을 만드는 생각이 몇 년 전만큼 끌리지는 않음
    • 소형 항공기에서는 전통적으로 진공 구동이 표준이었고, 현대 대체품은 AHRS 기반의 완전 유리식 계기라서 그럼
      진공 시스템은 없지만 전기식 기계 자세계가 달린 항공기는 꽤 적음
      가장 현실적인 선택지는 초기 G1000 완전 유리식 설치에 쓰인 전기식 기계 백업 계기들임
      전기식 백업 자세계는 Diamond DA40과 DA42를 보면 되고, 이후 모델인 DA50과 DA62는 완전 유리식 백업 계기를 씀
    • 필요한 건 링 레이저 자이로임
    • 대시보드에 보트 나침반을 두는 건 멋짐
      나도 따라 해보고 싶은데, 차량 자체의 간섭 문제는 없었는지 궁금함

  • 궁금한 점 있으면 답하겠음

    • 이 계기가 요즘 일반 스마트폰에 들어가는 집적회로 기반 센서와 비교해 어느 정도 정확했을지 궁금함
    • 민간 항공, 특히 제트기에서는 자세계의 피치가 수평비행이 아니라 실제 기체 각도를 기준으로 삼음
      기계식 자세계의 정밀도와 스케일, 그리고 군용기의 더 넓은 비행 영역 때문인지 궁금함

  • 이런 항공기들이 아직도 이란 공군의 핵심 전력으로 쓰이고 있고, 몇 년 전 일부 파생형의 항전장비를 업그레이드하기 전까지는 같은 장치가 계속 쓰였음

  • 순수한 호기심인데, 글에서는 F-35가 항공기에서 거의 모든 것을 처리하는 완전 디지털 터치스크린을 갖췄다고 함
    강력한 기관포가 그걸 손상시키면 화면이 완전히 멈췄을 때 조종사는 어떻게 대처하는지 궁금함
    F-4라면 피격선상에 있는 계기만 망가지는 식일 텐데, 한쪽은 완전히 끝장나고 다른 한쪽은 일부 계기만 잃는 차이 아닌가 싶음
    F-35에 대해 뭔가, 혹은 많은 걸 놓치고 있겠지만 머릿속에서는 100% 디지털 항공기가 꽤 무섭게 느껴짐

    • 일반적으로 조종석이 맞아서 계기가 손상될 정도라면, 조종사도 부상당했거나 사망했을 가능성이 매우 높아서 더 이상 계기를 신경 쓸 상황이 아님
      예전 기관포 공중전에서는 사격이 뒤쪽에서 오거나, 위쪽에서 캐노피를 뚫고 들어오는 경우가 많았음
      둘 다 계기를 맞출 정도라면 조종사를 지나갈 가능성이 큼
      더 옛날로 가면 정면 피격도 있었지만 전투기끼리 정면 대결은 게임 밖에서는 매우 어렵고, 주로 폭격기 후방 사수 때문이었음
      그래서 2차대전 시절 아주 오래된 항공기에는 조종사 앞에 방탄유리가 있기도 했음
      F-35가 기관포 싸움에 들어갔다면 조종사가 크게 실수한 것이고, F-35는 도그파이터로 설계된 기체가 아님
      현대에도 미사일이나 대공포 파편이 조종석 옆에서 터져 계기를 손상시켰다면, 파편이 조종사까지 다치게 해서 그날 귀환 비행은 어렵게 만들 가능성이 큼
      F-35가 현대전에서 손상될 가장 그럴듯한 방식도 이쪽임
      계기판은 망가졌지만 조종사는 멀쩡한 시나리오가 아예 없지는 않지만, 확률이 너무 낮아서 유리 조종석의 이점보다 덜 해로운 위험으로 판단했을 가능성이 큼
    • F-35는 모르겠지만, 내가 일하는 전투기에서는 조종석에 파편 손상이 있으면 기본적으로 조종사가 사망했다고 봄
      예를 들어 비행제어시스템은 조종사 뒤에 있음
      그래도 비행 안전상 F-35 표시장치는 최소한 이중화되어 있을 것이라 봄
      두 개의 표시장치를 하나처럼 매끄럽게 합친 구조를 생각하면 됨
    • 표시장치의 백업은 통합 대기 계기 시스템(ISIS)으로, 핵심 계기 여러 개를 작은 디지털 표시장치 하나에 합쳐둔 것임
      ISIS는 보통 자체 센서와 배터리 백업을 갖고 있어서 주 표시장치가 고장 나도 계속 동작해야 함
      https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_standby_instrument_...
    • 그냥 평범한 화면이 아님
      고도로 강화되고, 중복 구성된, 특수 목적 표시장치이며 이것만으로도 하나의 산업임
      화면 위에 투명 전도체를 깔아 가열할 수 있게 만들어, 북극권 항공모함 갑판 위에서도 사용할 수 있고 기능을 유지하는 표시장치를 만드는 회사들도 있음
      특정 군사용 목적으로 아직도 CRT를 만드는 회사도 있음
      이런 화면들은 대체하는 기계식 시스템보다 더 안전하고, 더 신뢰성 높고, 더 튼튼함
    • 기본 비행 계기는 거의 항상 백업이 있음
      F-35에는 중앙 콘솔에 작은 사각 화면이 있어서 자세계와 비행 매개변수를 보여줌
      말할 필요도 없이 주 화면이 나가면 바로 돌아서 가장 가까운 공항을 찾게 됨

  • kens@는 우리가 누릴 자격이 없을 정도의 보물임

    • 고마움
      잠깐, Linux/4004 만든 사람 맞지?
      그 프로젝트는 정말 대단했음

  • 이 모든 기술이 계산자를 쓰던 사람들이 만든 것이라고 생각하면 놀라움

  • 이걸 만든 엔지니어들은 누군가가 자신들이 이 모든 문제를 어떻게 풀었는지 알아냈다는 사실에 정말 신나 했을 것 같음

  • 들어간 공학적 세부사항을 보는 게 정말 멋짐
    소프트웨어 쪽 사람으로서 이런 복잡한 하드웨어를 만들 때 버그와 품질보증을 어떻게 다뤘는지 항상 궁금함

    • 물리 제품에는 제품에 맞는 물리 시험을 설계하고 실행하는 시험 엔지니어가 필요함
      그 자체로 공부할 가치가 있는 하나의 분야임
      초고신뢰성 응용 분야를 이해해보고 싶다면 Design for Six Sigma가 좋은 출발점임
      https://www.youtube.com/watch?v=_g6UswiRCF0
    • 현대 소프트웨어 엔지니어에게 가장 낯선 개념은, 이런 물건은 버그 없이 출하되어야 했고 펌웨어 패치로 업데이트할 수도 없었다는 점임
      그런 제약 아래 출하해야 하면 현대 설계에서는 경험하기 어려운 수준의 집중력이 생김
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