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B-52爆撃機の星追尾装置内の電気機械式角度コンピュータ

22日前原文(righto.com)

概要

  • GPS登場以前、航空機は 天測航法 などで航行
  • B-52爆撃機には Astro Compass と Angle Computer が搭載
  • Angle Computer は電気機械式アナログ計算機で三角関数計算を自動化
  • システムは星の位置から 精密な方位 や位置情報を算出
  • 操作や計算方法、星の座標変換の仕組みについて解説

GPS以前の航空機航法と天測航法

  • GPS普及前、航空機は 天測航法 （星や太陽の位置を利用）を活用
  • 天測航法は 高精度 で 妨害不可能、放送インフラ不要
  • ただし 手動計算は困難かつ時間がかかる という課題
  • 1960年代初頭、B-52爆撃機用に 自動天測システム が開発
  • 当時のデジタルコンピュータは不適切だったため、 Angle Computer （電気機械式アナログ計算機）を使用

Angle Computerの仕組み

  • Angle Computer は複雑な電気機械構造を持つ
  • ジャイロやIMUとは異なり、 回転部品は存在しない
  • 「 天球」を物理的にモデル化し、星の位置を示すポインタを動かす
  • 方位角や高度などの角度情報は シンクロ装置 を通じて電気的に出力
  • ナビゲーションシステムへ ワイヤバンドル で情報伝達

Astro Compassシステム

  • Astro Compassは 星を自動追尾し高精度な方位（0.1度単位） を算出
  • 主な出力は方位だが、「 位置線法」で位置特定も可能
  • Astro Tracker（光学追尾装置）は機体上部に設置、4インチのガラスドームが特徴
  • 追尾望遠鏡は 光電子増倍管 で星の光を検出、ジャイロとモーターで安定化
  • プリズムを回転・傾斜させ特定の星を狙う機構

システム構成と操作パネル

  • Astro Compassは 19個のコンポーネント で構成
    • 右側：10個のアンプ・計算機（Angle Computer含む）
    • 左側：9個のコントロール・インジケータパネル
  • 操作は Master Control Panel でデータ値を選択・入力
    • 各ノブは形状が異なり、触覚で区別可能
  • 各データ値は 電気機械式ディスプレイ で個別表示
  • Star Dataディスプレイは 3つ分 あり、最大3つの星のデータを保持・切替可能

必要な天体情報とAir Almanac

  • 天体データは Air Almanac （天測暦）に掲載
    • 米国政府が1941年から発行、10分ごとの天体データを収録
    • 各日のシートに太陽・月・惑星・星の位置情報を記載
  • 星の座標はほぼ不変だが、太陽や惑星は日々変化

ナビゲーショントライアングルと座標変換

  • Air Almanacの座標（天球上）は 地上座標系 とは異なる
  • 航空機の現地座標（ 水平座標系）へ変換するには 球面三角法 を使用
  • 水平座標系は 方位角（Azimuth） と 高度（Altitude） で星の位置を表現
  • 地球の自転により、星の方位角・高度は常に変動
  • これらの複雑な三角関数計算をAngle Computerが自動実行

天球座標と用語

  • 天球座標は 赤道座標系 を採用
    • 赤緯（Declination） ：地球の緯度に相当
    • 時角（Sidereal Hour Angle, SHA） ：経度に相当
  • 基準子午線（0°）は 春分点（First Point of Aries, ♈︎）
    • 地球の歳差運動により、春分点は時代とともに移動
  • 星の固定座標を地球の回転座標系に変換
    • GHA（Greenwich Hour Angle） やLHA（Local Hour Angle）を計算

まとめ

  • 天測航法は 高精度かつ信頼性の高い航法 として重要
  • B-52用Astro Compassは 自動追尾・計算機能 で実用性を大きく向上
  • Angle Computer によるアナログ計算の工夫と、複雑な座標変換の知見
  • 現代のGPS登場以前の 航空技術の粋 を示すシステム

Hackerたちの意見

ここに作者がいます。質問があればどうぞ、アナログコンピュータについて…

└

星は航海士が手動で追跡してたの？つまり、手で「探さなきゃ」いけなかったの？面白い記事だけど、実際にどう使われてたのかがイマイチ分からないな。

└

愛情がこもった労作って感じだね。シェアしてくれてありがとう。

└

これ、ちょっとバカな質問かもしれないけど…曇ってる時はどうだったの？BFFは大体（もしくは全部）雲の上を飛んでたって考えていいのかな？

アングルコンピュータはアストロコンパスの一部で、星をロックオンして非常に正確な方位（コンパスの方向）を出すシステムなんだ。精度は0.1度まで。地上の軌跡情報も提供してると思うけど？それは航空機の航法にとってはずっと価値があるよ。なぜなら、主な問題は予測できない風のドリフトだから。

└

いや、地上の軌跡は提供してなかったよ。記事に書いてある位置線の技術を使って手動で地上の軌跡を作ることはできたけどね。

こういう記事を読むたびに、こういうツールの開発に関わったエンジニアたちが羨ましい。ジェット戦闘機の初期マイクロプロセッサーや、電気機械式の天体航法… それに対して、俺はGitLabパイプラインと戦ってる。

└

同感だよ。これらの機械装置の複雑さとシンプルさが魅力的だね。

└

何も私たちを止めるものはないよ。宇宙を体験するための一度きりの人生。サバティカルのために貯金しよう。新しいエンジニアリングの草原を見つけよう。振り返るといつもバラ色に見えるもんね。みんながこれに関わったわけじゃないし、ビーチを攻めてた人もいたし…

└

ジェット戦闘機の最初のマイクロプロセッサー それについては話し始めないでくれ…

└

こういう問題に取り組んで（しかも decent な生活をするためには）戦争の道具を作るしかないのは残念だね。シリコンバレーの多くの終着点は政府（つまり軍）との契約みたいだ。おそらく、しっかり資金が出ている政府の主要な部門だからだろうね。

└

うーん、こういうことに取り組むロマンに引き込まれるのは簡単だけど、全体像を把握しているのは4人くらいで、他の人は今の時代と同じくらい平凡なことを扱っているよ。例えば、-40℃から200℃の間で1000回の熱サイクルを通して、2gで200時間振動させて、各部品の許容差を測定したり…とか、2年間、DoDと詳細を交渉しながら標準文書の3つのラインを担当したりね。

└

逆だと思うな。ハードウェアって難しいって言うし。現代のCADツールなしで、軍の仕様に合わせたこんな複雑なエレクトロメカニクスの設計をするのは、まるでバイナリでコードを書くようなもんだよ。高級言語やアセンブラすら使えない状態でね。

アトロトラッカーは、+90°から-47°までの偏角制限と、-6°の下限高度制限があります。緯度は-2°から+90°の範囲に制限されていて、システムは自動的に半球を切り替えるので、北緯と南緯の両方が使えます。なんでシステムが緯度（地球の楕円体）よりも偏角（天球）の範囲を広くする必要があるんだろう？アストロトラッカーとアングルコンピュータが南半球に切り替わる可能性があるのに、そんなに偏角の範囲が必要なのは無駄な気がする。もしかして、飛行中の機体のピッチを考慮してるのかな？ちなみに、北半球と南半球の両方で操作できるのはB-52にとって重要な能力だったよね。以前の爆撃機（主にB-36）は範囲はあったけど、信頼性や空中給油がなかったから、グローバルリーチには不十分だった。残念ながら、行った時にフライトミュージアムでB-52を見る機会がなかったんだ。もしチャールズ・シモニーに会ったら、ミュージアムへの支援に感謝してあげてね。

└

低緯度で飛行していると、使いたい星のほぼ半分が負の偏角になるから、負の偏角は重要だよ。半球の切り替えは自動的に行われたよ。

└

B-52は俺の好きな航空機の一つなんだけど、フライトミュージアムにあるやつはマジで迫力満点だよ。小さいとは思ってなかったけど、予想以上に大きかった。

すべての言葉を読んでみて。脚注のこの詳細が好きだった: > アストロコンパスは、センサーを正しい方向に向けるために、空のどのあたりに星があるかを大まかに知る必要があった。方向は正確である必要はなくて、アストロコンパスは星を見つけるためにスパイラル検索パターンを実行していた。この検索パターンは、方位で±4°、高度で±2.5°をカバーしていた。比較すると、月は0.5°の幅があるから、かなり大きなターゲットエリアだね。↩

└

正直、その脚注は私にもすごく印象的だった！スパイラル検索の詳細が、システム全体を思ったよりも生き生きと感じさせるね。単に指し示して期待するだけじゃなくて、星を積極的に探しているみたい。

楽しい！「スカンクワークス：ロッキードでの私の年月の個人的回顧録」で星トラッカーについて読んでたところだよ。これが50年代や60年代にどうやって実現されたのかを考えると、本当に興味深いね。

これ、めっちゃすごいね…今やってる「ただの配管」以上のことをやりたくなるようなインスピレーションを与えてくれる。

└

これ、今まさに必要だった！空のChewyやAmazonの箱を使って、保護猫のペアのために新しいキャット迷路を作るミニプロジェクトを始めようとしてるんだ。v1のラズベリーパイや、いろんな使ってないノートパソコンやガジェットで何かできるかな。オーパス4.7と私は、キャットサタデーのためにお互いにちょっと飽きてるし。

これは、入出力が完全に電気で、計算が機械的だった時代のデバイスからのものだね。ほとんどのものは海軍の砲撃から来てる。海軍の「火器制御表」は、かなりの人数がクランクやダイヤルを使って異なるセンサーの読み取りを入力する機械式コンピュータから始まったんだ。[1] 徐々に、センサーからの入力が直接入るようになって、出力も砲塔に直接行くようになった。最終的な形は、ギアやカム、リゾルバが詰まったフットロッカーサイズのユニットで、全電気の入出力があった。こういうのは昔、余剰品店に並んでたよ。マリン郡のサイトで、ナイキミサイルの復元された誘導コンピュータを見たことがある。[2] 地上ベースだけど、似たようなものだね。アナログデータはレーダーから入って、機械計算で処理されて、制御信号がミサイルに送られた。[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Admiralty_Fire_Control_Table [2] https://www.nps.gov/goga/nike-missile-site.htm

└

もっと知りたいなら、「Between Human and Machine: Feedback, Control, and Computing before Cybernetics」って本が、電気機械式火器制御コンピュータとフィードバックシステムの発展の詳細な歴史を紹介してるよ。

└

これがどう機能してたかを示す古いトレーニングビデオもあるよ: https://www.youtube.com/watch?v=gwf5mAlI7Ug それに、バトルシップ・ニュージャージーのYouTubeチャンネルにもいいコンテンツがあるよ: https://www.youtube.com/watch?v=szxNJydEqOs

いつかデザインをコード化して3Dプリントできるようになるのかなぁ。

写真のナビゲーターの話も読む価値あるよ。[1] ジョセフ・ヘラーの作品を思い出させるね。 1. https://www.rbogash.com/B-52/Carls_Letter.html