아폴로 "8-볼" FDAI(비행 지시 및 자세 표시계) 내부

 (righto.com)
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  • Apollo Lunar Module의 FDAI는 우주선 자세, 조종 지시, 회전 속도를 한 계기 안에 모아 보여준 핵심 비행 표시 장치였음
  • 겉으로는 공 전체가 roll·pitch·yaw 3축으로 자유 회전하는 듯 보이지만, 실제로는 적도부에 고정된 메커니즘과 속이 빈 반구 껍질이 역할을 나눔
  • 위치 신호는 1950~60년대 항공전자에서 쓰인 synchro와 서보 루프로 처리되며, control transformer·증폭기·motor/tachometer가 오차를 줄이는 구조임
  • 검토 대상은 Apollo용 Model 4068F였지만 Space Shuttle 시뮬레이터용으로 개조되어 synchro 입력, 백열등 조명, Shuttle식 다이얼과 추가 조정 장치를 갖고 있었음
  • 이 설계는 X-15, F-4 ARU/11-A, Gemini, Apollo, Space Shuttle로 이어지는 Lear Siegler 계보 안에 있으며, Apollo FDAI는 기존 설계를 유지하면서 우주선에 불필요한 기능을 덜어낸 중간 단계에 가까움

Apollo Lunar Module에서 FDAI가 맡은 역할

  • FDAI(Flight Director / Attitude Indicator) 는 Apollo 달 비행 중 우주선의 자세를 보여준 계기였음
    • 공 모양 표시부가 우주선의 자세를 나타냄
    • 한쪽이 검은색인 공 때문에 “8-ball”이라는 별명이 붙음
    • 노란 바늘 3개는 우주비행사가 우주선을 어떻게 조종해야 하는지 표시함
    • 추가 포인터 3개는 우주선의 회전 속도를 표시함
  • Lunar Module에는 FDAI가 2개 있었음
    • 왼쪽은 Commander용, 오른쪽은 Lunar Module Pilot용
    • Apollo 11 기준 Commander는 Neil Armstrong, Lunar Module Pilot은 Buzz Aldrin이었음
    • 큰 크기와 중앙 배치 때문에 Lunar Module 계기판에서 FDAI의 비중이 컸음
  • Lunar Module FDAI는 패널 스위치로 여러 입력원을 선택할 수 있었음
    • 자세 표시 공은 Inertial Measurement Unit 또는 백업 Abort Guidance System 입력을 받을 수 있었음
    • pitch 자세는 원형 궤도를 시뮬레이션하는 ORDEAL(Orbital Rate Display Earth And Lunar)에서도 공급될 수 있었음
    • 오차 표시는 Apollo Guidance Computer, Abort Guidance System, landing radar, rendezvous radar에서 올 수 있었음
    • pitch·roll·yaw 속도 표시는 Rate Gyro Assembly가 구동함
    • 속도 표시는 FDAI 아래 스위치로 25°/sec 또는 5°/sec 스케일을 선택함

3축 회전을 만드는 내부 메커니즘

  • FDAI의 공은 roll, pitch, yaw 3축 회전을 표시함
    • roll은 비행 방향 축을 따라 좌우로 기우는 움직임에 해당함
    • pitch는 위아래로 들리거나 숙이는 움직임임
    • yaw는 좌우로 방향이 바뀌는 움직임임
    • 일반 항공기 attitude indicator는 보통 yaw를 생략함
  • 실제 FDAI는 모터 3개로 공 표시를 움직임
    • roll motor는 FDAI 프레임에 붙어 있고, 기어를 통해 roll gimbal을 회전시킴
    • pitch motor와 yaw motor는 공 안쪽에 들어 있음
    • roll gimbal은 공 메커니즘의 “적도” 두 지점에 연결되고, 이 두 지점이 pitch 축을 정의함
  • 공이 3축으로 자유롭게 도는 듯 보이는 핵심은 반구 껍질 구조임
    • pitch motor는 내부 공 메커니즘을 pitch 축으로 회전시킴
    • yaw motor는 수직 샤프트를 돌리고, 샤프트 위아래에 붙은 두 반구 껍질을 회전시킴
    • yaw 회전에서는 내부 메커니즘 자체가 움직이지 않고 껍질만 yaw 축으로 회전함
  • 배선이 꼬이지 않도록 slip ring이 쓰임
    • 첫 번째 slip ring assembly는 roll 축 회전을 처리하고, 정지부와 회전하는 roll gimbal 사이의 전기 연결을 유지함
    • 23쌍의 브러시가 23개 연결을 담당함
    • 두 번째 slip ring 세트는 공 내부에서 pitch 축 회전을 처리함
    • yaw 축은 반구 껍질만 회전하므로 배선이 필요 없고 slip ring도 쓰지 않음

Synchro와 서보 루프 제어

  • 1950~60년대에는 회전 위치 신호를 전기적으로 전달하는 표준 방식으로 synchro가 널리 쓰였음
    • synchro는 샤프트 회전 위치에 따라 달라지는 출력을 3개 전선으로 보냄
    • 두 synchro를 연결하면 두 번째 synchro의 샤프트가 첫 번째 샤프트와 같은 각도로 회전할 수 있음
    • 항공전자 계기부터 해군 전함 포탑 회전까지 다양한 용도에 쓰였음
  • synchro는 토크가 크지 않아 FDAI는 서보 루프와 더 강한 모터를 결합함
    • control transformer가 입력 각도와 출력 샤프트 위치를 비교해 오차 신호를 만듦
    • 증폭기가 오차 신호에 따라 모터를 적절한 방향으로 구동함
    • 모터는 오차가 0이 될 때까지 움직이며 목표 위치에 맞춰짐
    • tachometer 신호는 음의 피드백 전압으로 쓰여 목표 위치 근처에서 모터를 늦추고 오버슈트와 진동을 줄임
  • FDAI의 모터는 항공전자 서보 루프에서 쓰이던 motor/tachometer 장치임
    • 115V AC, 400Hz 전원을 받지만 그 자체만으로는 회전하지 않음
    • 두 개의 저전압 control winding에 적절한 위상으로 전압을 걸면 한쪽 방향 또는 반대 방향으로 회전함
    • 내부 tachometer는 모터 회전 속도에 비례하는 저전압 AC 신호를 생성함
    • tachometer 신호는 회전 방향에 따라 400Hz 구동 신호와 같은 위상이거나 180º 반대 위상임

증폭기 보드와 400Hz 구동 회로

  • FDAI에는 축마다 하나씩, 총 3개의 서보 루프가 있음
    • 각 루프는 별도의 control transformer, motor, amplifier를 가짐
    • 증폭기 보드는 공간 절약을 위해 부품이 서로 겹쳐 배치된 특이한 구조임
    • 일부 부품 리드는 길고 투명 플라스틱 슬리브로 보호됨
  • 증폭기 보드는 오차 신호를 키워 모터가 올바른 방향으로 돌도록 함
    • 입력은 400Hz AC 신호이며, 크기는 오차 또는 속도 크기를 나타내고 위상은 방향을 나타냄
    • 출력 2개는 모터의 control winding 2개를 구동해 회전 방향을 결정함
    • tachometer 출력도 사용해 오차가 줄어들 때 모터를 늦추고 오버슈트를 막음
  • 회로는 germanium transistor 기반임
    • 왼쪽의 트랜지스터 2개가 error와 tachometer 신호를 증폭해 pulse transformer를 구동함
    • pulse transformer 출력은 서로 반대 위상으로 400Hz 주기의 반쪽씩 출력 트랜지스터를 구동함
    • 이 동작이 모터 control winding을 활성화해 원하는 방향 회전을 만듦

Lear Siegler 계기의 계보

  • Bill Lear는 1902년생 발명가로 150개 이상의 특허를 보유했고, 8-track tape와 Learjet 등으로 알려져 있음
    • 1920년대 여러 회사를 만들었고 Motorola용 초기 자동차 라디오 중 하나를 발명함
    • 이후 항공우주 계기 전문 회사 Lear Avionics를 시작함
    • Lear Avionics는 F-5 automatic pilot 같은 항공 계기와 비행 제어 시스템을 만들었음
  • Lear의 자세 표시계 기술은 고각 비행 문제에서 발전함
    • F-102 Delta Dagger는 급경사 상승이 가능했지만 기존 attitude indicator는 거의 수직 비행을 처리하지 못했음
    • Lear는 수직 비행 중 gimbal lock을 피하는 원격 2-gyro 플랫폼과 cockpit indicator를 개발함
    • X-15 rocket-powered aircraft에서는 roll, pitch, yaw 3축을 처리하도록 개선됨
  • X-15 attitude indicator는 F-4 전투기의 ARU/11-A 기반이 됨
    • 이후 “최소한의 수정”을 거쳐 Gemini 우주 프로그램의 attitude-director indicator로 쓰임
    • Gemini 계기는 다시 Apollo Lunar Module용 FDAI로 수정됨
    • Lear Siegler는 Apollo 프로그램에 Lunar Rover용 directional gyro, Apollo Guidance Computer DSKY용 electroluminescent display 등 여러 부품을 공급함
  • 1974년 Lear Siegler는 Space Shuttle용 ADI(Attitude-Director Indicator) 개발 계약을 얻어 12개 ADI 유닛을 생산함
    • 당시 Lear Siegler는 소량 생산 우주 항공전자에 대한 관심이 줄어든 상태였음
    • 제조 부문은 우주 제조에 필요한 특수 절차를 다루기를 거부했고, Shuttle 유닛은 engineering department가 제작함
    • 이후 Lear Siegler는 Space Shuttle 항공전자 입찰에 참여하지 않았고 Shuttle ADI가 마지막 우주 제품이 됨
    • 2000년대 초 Shuttle 계기는 11개 평판 디스플레이 기반 MEDS(Multi-function Electronic Display System) “glass cockpit”으로 업그레이드됐고, MEDS는 Honeywell이 생산함

ARU/11-A와 Apollo FDAI의 공통점과 차이

  • Apollo FDAI와 F-4용 ARU/11-A는 기본 메커니즘과 전자 증폭기가 같지만 구조상 차이가 큼
    • ARU/11-A는 전자부가 indicator 뒤에 꽂는 별도 모듈에 들어 있음
    • FDAI는 전자부를 내부에 포함하고 보드를 계기 프레임에 장착함
    • ARU/11-A와 FDAI의 증폭기 보드는 동일하며 germanium transistor를 사용함
    • 특이한 11핀 transformer도 같음
  • 전원 보드와 기계 구조에는 차이가 있음
    • 전원 보드는 유닛별 scaling resistor와 공간 배치 때문에 서로 다름
    • ball assembly는 motor assembly와 slip ring mechanism이 거의 같음
    • gearing에는 작은 차이가 있으며, FDAI에는 plastic gear 2개가 있고 ARU/11-A는 전부 metal gear를 사용함
  • ARU/11-A의 pitch trim 기능은 Apollo FDAI에서 대부분 제거됨
    • 항공기는 수평 비행 중 몇 도 위로 기울어진 angle of attack을 갖기 때문에 계기 표시를 수평으로 보정하는 pitch trim knob가 유용함
    • 전투기가 수직 비행할 때는 pitch trim 보정이 적용되지 않아야 하므로 ARU/11-A는 pitch 축에 특수 8-zone potentiometer를 사용함
    • 우주선에는 이 보정이 의미 없어서 Apollo와 Space Shuttle 계기에는 구현되지 않음
    • 검토한 FDAI에는 potentiometer 자체와 배선은 없지만 원통형 shell은 남아 있었음
  • Apollo FDAI는 ARU/11-A를 단순 재사용한 것도, 완전 재설계한 것도 아님
    • 가능한 곳에서는 기존 설계를 유지함
    • pitch trim 같은 불필요한 기능은 제거함
    • ARU/11-A의 별도 amplifier 및 mechanical unit은 더 큰 FDAI 내부로 통합됨

Space Shuttle 시뮬레이터용 개조 흔적

  • 검토한 장치는 Apollo용으로 제작됐지만 Space Shuttle 시뮬레이터용으로 개조된 특수 유닛임
    • Model 4068F로 표시되어 있고, 이는 Lunar Module 부품 번호임
    • 내부에는 첫 달 착륙보다 1년 이상 앞선 “Apr. 22 1968” 날짜가 찍혀 있음
  • 입력 방식은 Apollo 원형과 다름
    • Apollo FDAI와 Shuttle ADI는 공을 제어하는 입력으로 resolver를 사용함
    • 검토한 FDAI는 synchro를 사용함
    • NASA가 시뮬레이터 사용을 위해 resolver control transformer 3개를 synchro control transformer로 교체했을 가능성이 있음
  • 조명과 다이얼도 Shuttle 시뮬레이터에 맞춰 바뀌었음
    • Apollo FDAI는 display에 electroluminescent lighting을 사용했지만, 검토한 FDAI는 작은 백열전구 8개를 사용함
    • 금속 케이스에는 “INCANDESCENT LIGHTING” Dymo embossed tape 라벨이 붙어 있음
    • 115VAC 입력을 전구용 5VAC로 낮추는 step-down transformer가 들어 있음
    • 다이얼은 Shuttle FDAI와 맞추기 위해 다시 칠해졌고, Apollo 다이얼의 빨간 band 위에 검은 페인트가 덧칠된 흔적이 남아 있음
    • Apollo LM FDAI의 중앙 crosshair 대신 Shuttle 및 Command Module FDAI와 같은 흰색 U자형 indicator가 있음
    • Apollo FDAI의 gimbal lock 경고용 극지방 빨간 원형 영역은 보이지 않음
  • 전기적 개조도 추가됨
    • slip ring과 motor 사이, gimbal arm에 작은 녹색 Micro-D MDB1 connector가 추가됨
    • 커넥터는 접착제로 다소 조잡하게 붙어 있어 비행용처럼 보이지 않음
    • 분해와 개조를 쉽게 하기 위한 용도였을 가능성이 있음
    • elapsed time indicator도 접착제로 장착되어 있음
  • 뒷면 구조는 Apollo와 완전히 다름
    • connector pinout이 완전히 다름
    • 6개 indicator needle 각각에 mechanical adjustment와 trimpot이 있음
    • 3개 축 각각에도 adjustment potentiometer가 있음

Space Shuttle ADI와의 차이

  • Space Shuttle에는 ADI가 3개 있었고, 이름은 다르지만 Apollo FDAI와 매우 비슷했음
    • 전방 flight deck에는 Commander 앞과 Pilot 앞에 octagonal ADI 2개가 있음
    • aft flight deck station에도 세 번째 ADI가 있음
  • 검토한 FDAI는 Shuttle 시뮬레이터용으로 크게 개조됐지만 실제 Shuttle ADI보다는 Apollo FDAI에 더 가까움
    • 시뮬레이터가 Shuttle ADI 제작 전에 만들어져 Apollo FDAI가 투입됐다는 가설이 있음
  • Shuttle ADI는 Apollo FDAI 및 검토한 FDAI보다 전기적으로 훨씬 복잡함
    • Apollo FDAI는 전원 상실을 보여주는 단순 “OFF” flag가 있었음
    • Shuttle ADI는 5개 power supply를 확인하는 voltage level monitor를 포함함
    • Shuttle ADI는 3개 DC 전원과 2개 AC 전원을 사용했고, Apollo는 단일 AC supply를 사용함
    • ball servo의 position error도 감시함
    • 외부 “Data OK” 신호도 받음
    • 어떤 monitor에서든 fault가 감지되면 “OFF” flag가 내려가 ADI를 신뢰할 수 없음을 표시함
  • Shuttle ADI의 바늘 6개는 Apollo와 같지만 위치 정확도를 높이기 위해 feedback을 사용함
    • 각 Shuttle needle에는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) feedback sensor가 있음
    • LVDT 출력은 servo feedback loop를 구동해 바늘이 정확한 위치에 오도록 함
    • Apollo FDAI는 needle input voltage가 galvanometer를 구동해 바늘을 비례적으로 움직였고, 정확도를 보장하는 closed loop는 없었음

정리

  • FDAI의 “8-ball”은 우주선의 3축 자세를 표시하는 Apollo의 핵심 계기였음
  • 공이 자유롭게 회전하는 듯 보이는 구조는 내부 메커니즘 대부분이 2축으로 회전하고, 속이 빈 반구 껍질이 세 번째 회전축을 제공하는 방식임
  • 이 계기는 X-15 rocket plane, F-4 fighter, Gemini, Apollo, Space Shuttle로 이어지는 Lear Siegler attitude director 계보 안에 있음
  • 검토한 FDAI는 Apollo에서 출발해 Space Shuttle 시뮬레이터용으로 개조됐기 때문에 Apollo와 Shuttle 계기의 특징을 함께 보여줌
  • FDAI가 움직이는 짧은 영상은 Bluesky 게시물에서 볼 수 있음

함께 보면 좋은 글 β

GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 글쓴이입니다. Apollo 관련 질문 있으면 답할게요 :-)

    • 우주선 ADI에 세 번째 축이 있다는 생각은 해본 적이 없어서 흥미로웠음
      다만 사소한 정정으로, Bill Lear의 F-5 자동조종장치는 확인해보니 Northrop F-5 전투기와는 관련이 없어 보임
    • Apollo Command Module이 Honeywell이 만든 완전히 다른 FDAI를 썼다는 점이 의외임
      서로 다른 부품이어야 하는 요구사항이 있었던 건지, 아니면 Grumman/North American이 서로 다른 공급사를 골라서 그렇게 된 건지 궁금함
    • Apollo 13 영화에서 이걸 frappin 8 ball이라고 부르던 장면 때문에 주로 기억하고 있음
    • 비슷한 걸 F-104에서도 본 기억이 있음

  • 예전 같았으면 이건 전기전자 아날로그 제어 수업의 좋은 과제였을 것 같음

  • 이건 UI의 kunst, 보석 같은 물건임. 한눈에 보면 기체의 자세를 즉시 알 수 있음
    KSP 1000시간, Flight of Nova 200시간 넘게 한 아마추어 우주 파일럿 입장에서, FoA의 핵융합 추진선 현대식 조종석에서 KSP의 Apollo식 비행 계기 중 가장 그리운 건 Nav-Ball임
    전투기식 “사다리” 자세계는 한눈에 읽히지 않고, 사다리 눈금 옆 숫자를 보려고 집중한 뒤 나침반도 다시 봐야 전체를 파악할 수 있음. 조종에서 시선을 떼고 3초 집중하는 것과, 무의식이 이미 내재화했을 가능성이 큰 0.5초 차이임
    그 3초를 감으로 보자면, 계기상 Apollo 11은 달 착륙 시점에 연료가 20초 미만 남아 있었음

  • 훌륭한 글임. 커넥터 덕후에 가까운데 MDB1 타입은 처음 들어봄. 사진은 여기 있음: https://www.digikey.com/en/products/detail/itt-cannon-llc/MD...
    Cannon은 금속 셸 원형 커넥터로 워낙 유명해서 Kleenex처럼 보통명사화된 수준임. “Cannon connector”가 어떻게 생겼는지는 “모두” 안다고 생각했는데, D-sub 형태일 줄은 예상 못 했음

  • 작년에 HN에서 비슷한 소련 시대 장치 글을 봤음. 우주선이 지구를 기준으로 어디에 있는지 보여주는 지구본이었음

  • 이 내용은 최근 Freya Holmér 강연에서도 다뤄졌던 것 같음. 아마 이 영상임:
    https://www.youtube.com/watch?v=hUlvxaQBW78

  • 그 시뮬레이터가 SAIL의 OV-095였는지 궁금함
    https://spaceflightblunders.wordpress.com/2017/03/31/ov-095-...
    수정: 아, 거의 확실히 맞는 듯함:
    https://www.superstock.com/asset/oct-astronauts-frederick-ri...

    • Shuttle 시뮬레이터는 여러 종류가 있음
      내 글의 시뮬레이터 사진은 Shuttle Mission Simulator(SMS) 중 하나로, 지금은 Oklahoma의 Stafford Museum에 있음
      Shuttle Avionics Integration Laboratory(SAIL)는 우주비행사 훈련이 아니라 항공전자 시험용으로 쓰인 다른 시뮬레이터이고, 현재 Houston에 있음

  • Apollo를 위해 만들어진 놀라운 기술은 많이 읽어왔지만, 이 글은 그중 하나를 자세히 풀어줘서 좋았음
    지난 수십 년간의 아웃소싱 때문에 이런 기술은 물론 기본적인 공학 제조 기술까지 사라지고 있는 건 아닌지 걱정됨

    • 너무 걱정할 필요는 없어 보임. 안에 영리한 기계적 구조가 있긴 하지만, 2025년의 유능한 공학팀이라면 만들지 못할 만한 것은 없어 보임
      제조 부서가 이걸 다루기 싫어해서 공학팀이 직접 장치를 만들었다는 대목은 재미있었고, 아주 놀랍지는 않았음

  • 1950~60년대 우주 시대의 발전 속도는 기술 진보 수준으로 보면 가장 이해하기 어려울 정도임
    원글 기술에 대해 다른 댓글이 말한 아날로그 컴퓨팅, 매우 원시적인 디지털 컴퓨팅, 연료전지, FEA/CFD 시뮬레이션 소프트웨어 없이 이룬 고도 로켓공학, 달에 착륙하려고 실제로 감속하고 다시 추력으로 이륙한 것까지, 끝이 없음

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