소련 우주비행을 위한 기계식 항법 컴퓨터, Globus INK (2023)

 (righto.com)
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  • 소유스 우주선의 Globus INK는 회전하는 지구본으로 지구 상공 위치를 보여주던 전기기계식 아날로그 항법 표시기였고, 기어·캠·차동기어로 궤도 위치를 계산함
  • Apollo Guidance Computer와 달리 IMU나 외부 항법 입력을 받지 않아, 우주비행사가 초기 위치와 궤도 주기를 손으로 맞춘 뒤 예측 위치를 표시하는 구조였음
  • 지구본 축을 51.8° 로 고정해 소유스 표준 궤도를 구현했지만, 그 결과 원형 궤도와 고정 경사각에만 대응하는 큰 제약이 생김
  • 착륙 예측 모드는 지금 역추진 로켓을 점화했을 때의 착륙 위치를 보여주며, 착륙 각도·모터·리미트 스위치로 지구본을 부분 궤도만큼 회전시켜 약 150km 정확도를 제공함
  • Globus INK는 1960년대 전자 컴퓨터로 구현하기 어려웠던 고해상도 풀컬러 지구 표시를 제공했지만, 수동 설정과 궤도 제약 때문에 2002년 Soyuz-TMA의 디지털 디스플레이로 대체됨

회전 지구본으로 보여주는 소유스의 위치

  • Globus INK는 공식적으로 러시아어 약어 ИНК로 불린 “space navigation indicator”이며, 소유스 우주선 아래의 지구상 위치를 회전 지구본으로 표시함
  • 플라스틱 돔의 고정 십자선 아래로 지구본이 움직여, 우주비행사가 창밖 지형과 표시 위치를 비교할 수 있음
  • 지구본 주변 장치도 함께 항법 정보를 제공함
    • 왼쪽과 위쪽의 다이얼은 각각 위도와 경도를 숫자로 표시함
    • 하단의 빛/그림자 다이얼은 우주선이 태양빛을 받는 구간과 그림자에 들어가는 구간을 보여주며, 도킹 판단에 쓰임
    • 궤도 카운터는 우주선의 궤도 회수를 표시함
  • 두 번째 모드에서는 지금 역추진 로켓을 점화해 착륙 절차를 시작할 경우의 착륙 위치가 십자선 아래에 오도록 지구본을 회전시킴
    • 우주비행사는 해당 위치의 지형이 착륙에 적합한지 판단할 수 있음

실제 항법 센서가 아닌 예측 위치 표시기

  • 우주비행사는 노브로 초기 위치와 궤도 주기를 설정하고, 이후 Globus가 전기기계식 메커니즘으로 궤도 진행을 따라감
  • Apollo Guidance Computer와 달리 IMU나 다른 항법 소스에서 정보를 받지 않기 때문에, 실제 위치를 측정하는 장치가 아니라 설정값 기반의 예측 위치 표시기에 가까움
  • 분석된 장치는 수집가가 보유한 Globus를 열어 수리·역공학한 사례이며, 내부에는 기어·캠·차동기어뿐 아니라 릴레이, 솔레노이드, 전기 부품도 들어 있음
  • 해당 장치는 손상이 있었음
    • 케이스 뒤쪽에 큰 찌그러짐이 있었고, 지구본 축이 제자리에서 벗어나 기어와 맞물리지 않았음
    • 지구본이 내부 부품에 부딪혀 아프리카 부분에 흠집이 생겼음
    • 지구본을 임의로 끼우면 위도·경도 타이밍이 틀어지므로, 기어 타이밍을 맞춰 제자리로 복구해야 했음

지구본 지도와 51.8° 궤도 구현

  • 작은 지구본에는 산·호수·강 같은 지형이 자세히 표시돼 있어, 우주비행사가 눈으로 보는 지형과 항법 표시를 대조할 수 있음
  • 지형 표시는 착륙 지점 선택에도 중요했으며, 착륙 예상 지역의 지형 확인에 활용됨
  • 정치 경계는 대부분 없지만 굵은 빨간색·보라색 선으로 USSR 경계와 공산권·비공산권 경계가 표시됨
  • 번호가 붙은 원 1~8은 우주선과 통신할 수 있는 무선 통신 지점을 나타냄

  • 고정축으로 만든 두 방향 회전

    • 지구본은 자유롭게 떠서 회전하는 구체가 아니라, 장치에 고정된 축과 기어로 제어됨
    • 지구본의 적도는 단단한 금속 부품이며 장치의 수평축 주위를 회전함
    • 내부의 두 번째 기어 메커니즘은 북극-남극 축을 중심으로 지구본을 회전시킴
    • 두 회전은 장치에 고정된 동심축을 통해 전달돼, 고정축만으로 두 회전 자유도를 만듦

  • 51.8°가 만든 표준 소유스 궤도

    • 지구본 축은 소유스 표준 궤도 경사를 지원하기 위해 51.8° 로 설정돼 있음
    • 이 각도 덕분에 지구본을 수평축 주위로 돌리는 것만으로 십자선이 표준 소유스 궤도를 따라감
    • 지구가 자전하는 동안 극축 주위로 지구본의 두 반구를 회전시키면 지표면 위의 서로 다른 51.8° 궤도가 만들어짐
    • 51.8°는 Baikonur Cosmodrome의 위도 45.97°보다 큰데, 발사 경로가 중국 서부를 지나지 않도록 로켓을 북쪽으로 기울여야 했기 때문임
    • 관련 설명은 Space Stack Exchange 답변에 연결돼 있음

물리적 설계가 만든 큰 제약

  • 궤도 경사는 지구본 메커니즘의 물리적 각도로 고정되므로, 서로 다른 궤도에는 서로 다른 Globus 장치가 필요함
  • 이 설계는 원형 궤도만 처리할 수 있어, 랑데부와 도킹처럼 궤도가 바뀌는 상황에서는 쓸모가 없어짐
  • 이런 제한 때문에 일부 우주비행사는 Globus를 제어판에서 제거하길 원했지만, Soyuz-TMA가 2002년에 컴퓨터 디스플레이로 교체할 때까지 남아 있었음

궤도 주기와 가변 속도 메커니즘

  • 소유스의 한 궤도는 약 90분이지만 고도에 따라 시간이 달라짐
  • Globus에는 궤도 주기를 분·0.1분·0.01분 단위로 조정하는 노브가 있고, 기준값 91.85분에서 ±5분 범위를 조정할 수 있음
  • 장치는 27V, 1Hz 고정 펄스로 움직이지만, 지구본의 궤도축 회전 속도는 궤도 주기에 맞춰 달라져야 함
  • 해결 방식은 기준 속도에 세 가지 증분을 더하는 구조임
    • 분 설정 증분
    • 0.1분 설정 증분
    • 0.01분 설정 증분
  • 여러 차동기어가 회전 속도를 더하거나 빼는 데 쓰임
  • 가변 회전 속도는 나선형 단면을 가진 원뿔형 캠으로 만들어짐
    • 캠 위의 follower 3개가 서로 다른 위치에 놓이며, 좁은 쪽에서는 작은 회전, 넓은 쪽에서는 큰 회전을 만듦
    • follower 위치를 옮기면 해당 follower의 회전 속도가 선택됨
  • 캠은 한 바퀴가 끝나면 시작 직경으로 급격히 돌아가므로 follower가 원위치로 튀어 돌아감
    • 지구본이 뒤로 튀지 않도록 follower는 슬립 클러치와 래칫을 통해 차동기어에 연결됨
    • 래칫은 되돌아가는 순간 구동축을 고정해 출력이 대체로 부드러운 회전으로 이어지게 함

위도·경도와 빛/그림자 계산

  • 지구본 왼쪽과 위쪽의 표시기는 각각 우주선의 위도와 경도를 나타냄
  • 위도와 경도는 궤도를 지구본에 투영한 복잡한 함수로 정의되고, 이 함수는 금속 캠의 형상으로 구현됨
  • 각 함수에는 캠 2개가 쓰임
    • 하나는 원하는 함수를 구현함
    • 다른 하나는 반대 형상으로 만들어져 턱 모양 추적 메커니즘의 장력을 유지함
  • 위도 캠은 위도 다이얼을 구동해 51.8°N과 51.8°S 사이를 오가게 함
  • 경도는 지구 자전 때문에 더 복잡하며, 경도 다이얼 출력은 캠 값에 지구 자전을 차동기어로 더해 만들어짐
  • 수식으로는 위도가 arcsin(sin i * sin(2πt/T)), 경도가 arctan(cos i * tan(2πt/T)) + Ωt + λ0로 정리됨

  • 빛과 그림자 표시

    • Globus에는 우주선이 빛에 들어가거나 그림자에 들어가는 시점을 보여주는 표시기가 있음
    • 다이얼은 두 개의 동심 다이얼로 구성되며, 두 노브로 설정함
    • 이 다이얼들은 우주선 궤도와 함께 움직이고, 빨간색 범례는 고정돼 있음
    • 해당 다이얼이 경도 다이얼과 기어로 연결돼 있을 가능성이 있지만, 이 부분은 아직 조사 중임

착륙 위치 예측 모드

  • Globus는 지금 재진입 연소를 시작할 경우 우주선이 착륙할 위치를 표시할 수 있음
  • 착륙 위치 계산 정확도는 150km임
  • 계산 방식은 착륙까지 걸리는 시간에 따라 현재 궤도를 부분 궤도만큼 앞으로 투영하는 것임
  • 우주비행사는 이 부분 궤도 비율을 “착륙 각도”로 지정함
  • 장치 좌상단의 전계발광 표시기는 이 모드에서 “Место посадки”를 표시함
  • 착륙 위치를 얻기 위해 모터가 지구본을 회전시키고, 지정 각도에 도달하면 멈춤
    • 패널의 조정 노브가 웜기어를 통해 리미트 스위치를 원하는 각도로 이동시킴
    • 모터가 구동되면 지구본과 스윙 암이 함께 회전함
    • 스윙 암이 각도 리미트 스위치에 닿으면 모터가 멈춰 지구본이 지정 각도만큼 회전함
    • 고정 리미트 스위치는 지구본을 일반 궤도 위치로 되돌릴 때 사용됨
  • 3위치 회전 스위치가 착륙 각도 모드를 제어함
    • “МП”는 착륙 지점을 선택함
    • “З”는 지구 상공 위치를 보여줌
    • “Откл”은 착륙 각도 회전을 되돌리고 메커니즘을 끔

전자회로와 솔레노이드 구동

  • Globus는 대부분 기계식이지만 전자 보드도 포함함
  • 전자 보드에는 릴레이 4개, 트랜지스터 1개, 저항, 다이오드가 있음
  • 릴레이 대부분은 착륙 위치 메커니즘에서 모터를 정·역방향으로 구동하고 리미트 스위치에서 멈추는 역할로 보임
  • 릴레이 코일 양단에는 두 개의 직렬 다이오드가 연결돼 있으며, 코일이 끊길 때 발생하는 유도성 킥을 제거하는 flyback diode 역할을 함
  • 360° 포텐셔미터는 우주선의 궤도 위치를 전압으로 변환함
    • Globus는 이 전압 신호를 우주선의 다른 장치에 제공함
    • 전자 보드의 트랜지스터가 이 전압을 증폭한다는 추정은 아직 조사 중임
  • 장치에는 기계식 장치치고는 많은 배선 묶음이 들어 있음
  • 외부 커넥터로 가는 모든 선은 잘려 있었음
    • 커넥터는 32핀 RS32TV 소련 군용 표준 설계임
    • 선을 자른 것이 퇴역 처리의 일부였을 가능성이 있음
    • 그러나 케이스의 변조 방지 왁스 봉인이 온전해, 공식 재봉인 상태와 맞지 않는 점이 남아 있음
  • 장치는 두 개의 래칫 솔레노이드로 구동됨
    • 하나는 궤도 회전용, 하나는 지구 자전용임
    • 솔레노이드는 27V, 1Hz 펄스를 받음
    • 각 펄스는 기어를 한 이빨씩 전진시키고, 폴이 기어가 뒤로 밀리지 않게 함

Apollo-Soyuz 임무의 흔적

  • 지구본에는 분홍색 점과 라틴 문자 3글자 라벨이 추가돼 있음
  • GDS, MIL, BDA, NFL 같은 표기는 NASA 추적소를 나타냄
    • GDS는 Goldstone
    • MIL은 Merritt Island
    • BDA는 Bermuda
    • NFL은 Newfoundland
  • 이 표식은 해당 Globus가 1975년 Apollo 우주선과 Soyuz 캡슐이 도킹한 Apollo-Soyuz Test Project용으로 제작됐음을 시사함
  • 태평양 한가운데의 VAN 스티커도 Apollo-Soyuz 연결을 뒷받침함
    • USNS Vanguard는 Apollo 프로그램에서 무선 통신 공백을 메우기 위해 쓰인 NASA 추적선임
    • Apollo-Soyuz 임무 중 Vanguard는 25°S, 155°W에 배치됐고, 이는 지구본의 VAN 점 위치와 정확히 일치함
  • NASA 추적소로 CYI, ACN, MAD, TAN, GWM, ORR, HAW, GDS, MIL, QUI, AGO, BDA, NFL, VAN이 나열돼 있음

Vostok에서 Soyuz-TMA까지의 계보

  • Globus의 역사는 소련 유인 우주비행 초기까지 거슬러 올라감
  • 첫 버전은 더 단순한 IMP였으며, Vostok 1961년과 Voshod 1964년 비행을 위해 1960년에 개발이 시작됨
  • 초기 Globus IMP도 우주선 위치와 착륙 위치를 표시하는 기본 기능은 INK와 유사함
  • IMP에는 오른쪽 아래 궤도 카운터가 있었고, 위도·경도 표시는 Voshod 비행을 위해 추가됨
  • IMP와 INK에는 몇 가지 차이가 있음
    • IMP에는 하단의 태양/그림자 표시가 없음
    • 착륙 각도 설정 컨트롤이 없음
    • 궤도 모드와 착륙 위치 모드는 장치 내 스위치가 아니라 외부 스위치로 선택됨
  • 더 복잡한 INK 모델은 1967년부터 Soyuz 비행을 위해 만들어졌고, “Sirius” 정보 표시 시스템의 일부였음
  • Soyuz-T 1976년의 Neptun IDS와 Soyuz-TM 1986년의 Neptun-M은 콘솔 대부분을 현대화했지만 Globus INK는 유지함
  • Soyuz-TMA 2002년은 Neptun-ME 시스템으로 업그레이드되면서 디지털 화면을 사용했고, Globus는 그래픽 디스플레이로 대체됨

성능과 한계

  • Globus INK는 기어·캠·차동기어의 정교한 시스템으로 궤도를 계산하는 아날로그 컴퓨터임
  • 1960년대 전자식 우주 컴퓨터가 제공하기 어려웠던 고해상도 풀컬러 위치 표시를 우주비행사에게 제공함
  • 기능적 한계도 분명함
    • 우주선 시작 위치, 궤도 속도, 빛/그림자 구간, 착륙 각도를 모두 수동으로 설정해야 함
    • IMU 같은 외부 항법 입력을 받지 않아 정확도가 높지 않음
    • 고정 각도의 원형 궤도만 지원함
  • 현대 디지털 디스플레이는 회전 지구본의 물리적 매력은 없지만 훨씬 많은 기능을 제공함
  • 역공학은 아직 진행 중이며, 러시아어 해석에는 Google Translate를 사용했기 때문에 세부 설명은 바뀔 수 있음

함께 보면 좋은 글 β

GN⁺   [-]
Hacker News 의견들
  • 기계식 컴퓨터 관련 질문이 있으면 답할 수 있음. 추신으로 Globus를 더 자세히 다루는 글이 두 편 더 있고, 회로와 알고리즘을 설명함
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-electroni...
    https://www.righto.com/2023/03/reverse-engineering-globus-in...
  • CuriousMarc가 이 장치를 복원하는 3부작 영상을 올렸고, 볼 만함
    https://www.youtube.com/watch?v=dmHaCQ8Ul6E
    https://www.youtube.com/watch?v=CP5dfjxdkQ4
    https://www.youtube.com/watch?v=eG29HrU6Slw
    • 아마 실제로 같은 장치인 것 같음. “다행히 CuriousMarc가 톱니바퀴의 타이밍을 맞춘 채 지구본을 제자리로 되돌릴 수 있었다. 지구본을 임의로 끼우면 위도와 경도가 틀어졌을 것이다”라는 부분이 있음
  • 소련 쪽에서 본 우주 경쟁에 대한 흥미로운 책을 읽었는데, 눈에 띈 점 중 하나는 고체 트랜지스터 기술 부족 때문에 우주선에 진공관을 쓰고 있었다는 것임
    그래서 우주유영에도 문제가 있었다고 함. 캡슐 내부를 우주 공간에 노출하면 전자장비가 터질 수 있었기 때문임
    John Strausbaugh의 The Wrong Stuff: How the Soviet Space Program Crashed and Burned
    https://www.hachettebookgroup.com/titles/john-strausbaugh/th...
    • 제목만 봐도 그 책은 역사적 정확성을 제공하기보다 선정적으로 몰아가고 한쪽을 공격하려는 책임을 알 수 있음
      실제로 저자는 1차 사료도 제대로 쓰지 않았음: https://www.thespacereview.com/article/4851/1
      미국 문서를 읽지 않은 러시아인이 쓴 Apollo 프로그램 책을 추천하는 것과 비슷함. 서구권 저자여야 한다면 James Harford의 Korolev 전기가 소련 우주 프로그램을 더 잘 정리했고, 제대로 된 학술 리뷰도 있음
    • 진공관이 진공에 노출됐다고 왜 터져야 함?
    • 그건 헛소리임. NASA도 우주선에 진공관을 썼고, 지금도 쓰고 있을 가능성이 큼. 진공 속에서 터지지 않으며, 트랜지스터보다 방사선에도 더 강함
  • 기계식 계산기는 늘 매력적이라고 느꼈고, 여기 MK1 해군 사격통제 컴퓨터를 영상으로 설명한 글이 있음
    https://hackaday.com/2014/10/28/retrotechtacular-fire-contro...
  • 작년에 하나가 무려 4만 유로라는 특가에 팔렸음
    https://meshok.net/en/item/275902733_%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9...
  • 당시 미국 우주 기술보다 기술적으로 열등했는지와 별개로, 그 창의성은 감탄할 만함
  • 기계식 컴퓨터는 지금도 러시아 군함에 실려 있음. 전자기 펄스 공격 상황에서도 동작하도록 만든 것임
  • 바보 같은 질문일 수 있는데, 이런 장치는 어떻게 교란함? 가능하긴 한가? 예를 들어 잘못된 위치에 착륙하게 하거나 예정보다 더 많이 궤도를 돌게 만들고 싶다면
    • 교란할 수 없음. 기본적으로 추가 손잡이와 다이얼이 붙은 시계 표시기에 가까움. 1초 펄스 외에는 센서나 입력이 없음
  • 지구본 위의 핀을 톱니바퀴로 움직이는 장치를 써서 우주에 간다고 상상해 보셈
  • 이제 Apollo 8의 공 모양 장치도 다뤄야 함
    • 누가 FDAI를 빌려주기만 하면 바로 가능함
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