深入解析阿波罗"8-Ball"FDAI（飞行指挥/姿态指示器）

# 阿波罗“8号球”FDAI（飞行指挥仪/姿态指示器）内部解析 来源：http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html 在阿波罗登月飞行期间，宇航员通过一种名为FDAI \(飞行指挥仪/姿态指示器\) 的特殊仪器观察航天器的方向。该仪器通过旋转一个球体来显示航天器的姿态——即其朝向。这个球体被戏称为“8号球”，因为它的一侧是黑色的。该仪器还充当飞行指挥仪，使用三根黄色指针指示宇航员应如何操纵航天器。另外三根指针则显示航天器旋转的速度。 一台拆开外壳的阿波罗FDAI（飞行指挥仪/姿态指示器）。这台FDAI侧放以避免压坏指针。(https://static.righto.com/images/fdai/fdai-opened.jpg) 一台拆开外壳的阿波罗FDAI \(飞行指挥仪/姿态指示器\)。这台FDAI侧放以避免压坏指针。 由于航天器沿三个轴（滚转、俯仰和偏航）旋转，球体也需沿三个轴旋转。球体如何在保持连接的情况下旋转到任意方向并不显然。在本文中，我将拆解一台从阿波罗任务改装用于航天飞机模拟器¹ (http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html#fn:simulator)的FDAI，并解释其工作原理。（剧透：球体机构在“赤道”处牢固连接，并沿两个轴旋转；你所看到的是围绕球体机构的两个空心壳，它们绕着第三个轴旋转。） 在登月任务中，登月舱配备了两台FDAI，如下所示：左侧为指令长（阿波罗11号的尼尔·阿姆斯特朗）使用，右侧为登月舱驾驶员（阿波罗11号的巴兹·奥尔德林）使用。凭借其尺寸和中心位置，FDAI主导了仪表板，彰显其重要性。（阿波罗指令舱也配备了两台FDAI，但设计不同，此处不讨论。² (http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html#fn:honeywell)） 登月舱的仪表板。来自阿波罗15号登月舱，NASA, S71-40761。如果你在寻找DSKY，它位于底部中央，刚刚超出画面。(https://static.righto.com/images/fdai/lm-panel.jpg) 登月舱的仪表板。来自阿波罗15号登月舱 (https://archive.org/details/S71-40761)，NASA, S71-40761。如果你在寻找DSKY，它位于底部中央，刚刚超出画面。 每台登月舱FDAI可显示来自多个来源的输入，通过面板上的开关选择。³ (http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html#fn:lm-fdai) 球体可显示来自惯性测量单元或备用中止引导系统的姿态，由每台FDAI旁边的“ATTITUDE MON”拨动开关选择。俯仰姿态也可由名为ORDEAL（轨道速率显示地球和月球）的机电单元提供，该单元模拟圆形轨道。误差指示来自阿波罗引导计算机、中止引导系统、着陆雷达或交会雷达（由“RATE/ERROR MON”开关控制）。俯仰、滚转和偏航速率显示由速率陀螺组件（RGA）驱动。速率指示由FDAI下方的一个开关进行缩放，选择25°/秒或5°/秒。 ## FDAI机械结构 指示器内部的球体显示绕三个轴的旋转。我将首先以飞机为例解释这些轴，因为航天器的轴更具随意性。⁴ (http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html#fn:axes) 滚转轴指示飞机沿飞行轴线左右倾斜时的角度，即一侧机翼抬起、另一侧下降。因此，指示器显示飞机滚转时地平线的倾斜。俯仰轴指示飞机抬头或低头时的角度，指示器相应地显示地平线向下或向上移动。最后，偏航轴指示飞机航向的指南针方向，随着飞机左右转弯而变化。（典型的飞机姿态指示器省略偏航。） 我将用一个橙子为例来说明FDAI如何沿三个轴旋转球体。想象用两根手指捏住水平轴，手臂伸直。旋转手臂将使球体逆时针或顺时针滚动（红色箭头）。在FDAI中，这种旋转由电机转动支撑球体的框架实现。对于俯仰，球体绕水平轴向前或向后旋转（黄色箭头）。FDAI在球体内部设有一个电机来产生这种旋转。偏航则更难想象：想象半球形壳连接到顶部和底部的轴上。当电机旋转这些壳时（绿色箭头），半球将旋转，即使球体机构（橙子）保持静止。 表示三个轴的球体。(https://static.righto.com/images/fdai/orange.jpg) 表示三个轴的球体。 下图显示了FDAI内部的机械结构。指示器使用三个电机来移动球体。滚转电机连接到FDAI的框架，而俯仰和偏航电机位于球体内部。滚转电机通过齿轮旋转滚转万向架，使球体顺时针或逆时针旋转。滚转万向架在“赤道”上的两个点连接到球体机构；这两个点定义了俯仰轴。滚转万向架上的大量电线沿俯仰轴进入球体。滚转控制变压器提供位置反馈，如下所述。 FDAI内部的主要部件。(https://static.righto.com/images/fdai/fdai-internals-labeled.jpg) FDAI内部的主要部件。 拆下半球形壳后，可以看到球体内部的机构。当滚转万向架旋转时，该机构随之旋转。俯仰电机使球体机构绕俯仰轴旋转。偏航电机和控制变压器在此照片中不可见；它们位于俯仰组件后面，方向垂直。偏航电机转动垂直轴，两个半球壳连接到轴的顶部和底部。因此，偏航电机绕偏航轴旋转球体壳，而机构本身保持静止。俯仰和偏航的控制变压器提供位置反馈。 FDAI球体内部的组件。(https://static.righto.com/images/fdai/ball-labeled.jpg) FDAI球体内部的组件。 为什么电线在球体旋转时不会缠绕？解决方案是使用两组滑环来实现电气连接。下图显示了第一组滑环组件，用于处理绕滚转轴的旋转。这些滑环将FDAI的固定部分连接到旋转的滚转万向架。垂直的金属电刷是固定的；共有23对电刷，每对对应球体机构的一个连接。每对电刷接触条纹轴上的一个金属环，在轴旋转时保持接触。轴内部，23根电线将圆形金属触点连接到滚转万向架。 FDAI中的滑环组件。(https://static.righto.com/images/fdai/sliprings.jpg) FDAI中的滑环组件。 第二组滑环位于球体内部，用于处理绕俯仰轴的旋转。这些环提供滚转万向架上的布线与球体机构之间的电气连接。偏航轴不使用滑环，因为只有半球壳绕偏航轴旋转，不涉及电线。 ## 同步器和伺服回路 在本节中，我将解释FDAI如何通过同步器和伺服回路进行控制。在20世纪50年代和60年代，通过电气信号传输旋转角度的标准技术是使用同步器。同步器用于从航空电子设备中的仪表指示器到海军战舰上的火炮旋转等各个领域。同步器产生一个取决于轴旋转位置的输出，并通过三根电线传输该输出信号。如果将这些电线连接到第二个同步器，则可以使用第一个同步器控制第二个同步器：第二个同步器的轴将旋转到与第一个轴相同的角度。因此，同步器是一种方便地通过电气方式发送控制信号的方法。 下图显示了一个典型的同步器，顶部有输入轴，底部有五根电线：两根用于电源，三根用于输出。 一个同步器发射器。(https://static.righto.com/images/fdai/synchro.jpg) 一个同步器发射器。 在内部，同步器有一个称为转子的旋转绕组，由400 Hz交流电驱动。三个固定的定子绕组提供三个交流输出信号。随着轴旋转，输出信号的电压变化，指示角度。（同步器类似于一个具有三个可变次级绕组的变压器。）如果两个连接的同步器角度不同，磁场会产生扭矩，使轴旋转对齐。 同步器发射器或接收器的原理图符号。(https://static.righto.com/images/fdai/synchro-schematic.png) 同步器发射器或接收器的原理图符号。 同步器的缺点是不能产生很大的扭矩。解决方案是使用一个更强大的电机，由同步器和称为伺服回路的反馈回路控制。伺服回路驱动电机沿适当方向旋转，以消除期望位置和当前位置之间的误差。 下图显示了如何通过电子和机械组件的组合构建伺服回路。目标是使输出轴旋转到与输入角度完全匹配的角度，输入角度由三根同步器电线指定。控制变压器比较输入角度和输出轴位置，产生误差信号。放大器利用该误差信号驱动电机沿适当方向旋转，直到误差信号降为零。为了改善伺服回路的动态响应，测速发电机信号用作负反馈电压。当系统接近正确位置时，反馈会减慢电机，使电机不会超过位置并振荡。（这有点像PID控制器。） 此图显示了伺服回路的结构，反馈回路确保输出轴的旋转角度与输入角度匹配。(https://static.righto.com/images/fdai/servo-diagram.jpg) 此图显示了伺服回路的结构，反馈回路确保输出轴的旋转角度与输入角度匹配。 控制变压器在外观和构造上与同步器类似，但其旋转轴作为输入而非输出。在控制变压器中，三个定子绕组接收输入，转子绕组提供误差输出。如果同步器发射器和控制变压器的转子角度相同，则信号抵消，没有误差电压。但随着两个轴角度差的增大，转子绕组产生误差信号。误差信号的相位指示误差的方向。 在FDAI中，电机是一种特殊的电机/测速发电机 (https://www.righto.com/2024/02/bendix-cadc-servomotor-tachometer.html)，这种装置常用于航空电子伺服回路。该电机比普通电机更复杂。电机由115伏交流电（400赫兹）供电，但这本身不会使电机旋转。电机还有两个低压控制绕组。以适当的相位激励控制绕组会使电机向某一方向旋转。电机/测速发电机单元还包含一个测速发电机，用于测量其速度以用于反馈回路。测速发电机由另一个115伏交流绕组驱动，并产生一个与电机旋转速度成比例的低压交流信号。 一个与FDAI中电机/测速发电机相似（但不完全相同）的电机/测速发电机。(https://static.righto.com/images/fdai/motor-disassembled.jpg) 一个与FDAI中电机/测速发电机相似 \(但不完全相同\) 的电机/测速发电机。 上图显示了一个拆下转子的电机/测速发电机。该单元因有多个绕组而有许多电线。转子有两个鼓。左侧带有螺旋条纹的鼓用于电机。该鼓是一个“鼠笼式转子”，通过感应电流旋转。（转子没有电气连接；鼓通过磁场与绕组相互作用。）右侧的鼓是测速发电机的转子；它通过涡流在输出绕组中感应出一个与速度成比例的信号。测速发电机信号与驱动信号同为400 Hz，相位相同或相差180°，取决于旋转方向。有关电机/测速发电机工作原理的更多信息，请参阅我的拆解文章 (https://www.righto.com/2024/02/bendix-cadc-servomotor-tachometer.html)。 ## 放大器 FDAI有三个伺服回路——每个轴一个——每个伺服回路都有一个独立的控制变压器、电机和放大器。下图显示了三块放大器板中的一块。其构造独特且有些杂乱，一些元件叠在另一些元件上以节省空间。一些元件引线较长，并用透明塑料套管保护。⁵ (http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html#fn:pcb) 中间的圆柱形脉冲变压器有五根彩色电线伸出。左侧是驱动电机控制绕组的两个晶体管，它们之间有两个电容器。晶体管安装在散热器上，散热器用螺钉固定在放大器组件的机壳上以进行冷却。每个放大器通过七根电线连接到FDAI，这些电线带有插针，插入电路板右侧的插座。⁶ (http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html#fn:jumpers) 三块放大器板之一。在电路板的右前方，可以看到一个电容器叠放在一个电阻器上。电路板有光泽，因为覆盖有保形涂层。(https://static.righto.com/images/fdai/amplifier-board.jpg) 三块放大器板之一。在电路板的右前方，可以看到一个电容器叠放在一个电阻器上。电路板有光泽，因为覆盖有保形涂层。 该电路板的功能是放大误差信号，使电机沿适当方向旋转。放大器还利用电机单元输出的测速发电机信号，在误差信号减小时减慢电机，防止过冲。放大器的输入是400赫兹交流信号，幅度指示误差或速度的大小，相位指示方向。放大器的两个输出驱动电机的两个控制绕组，确定电机旋转的方向。 放大器板的原理图如下。⁷ (http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html#fn:zener) 左侧的两个晶体管放大误差和测速发电机信号，驱动脉冲变压器。脉冲变压器的输出将具有相反的相位，驱动输出晶体管用于400 Hz周期的两个半周期。这激活了电机的控制绕组，使电机沿期望方向旋转。⁸ (http://www.righto.com/2025/06/inside-apollo-fdai.html#fn:control) 放大器板的原理图。(https://static.righto.com/images/fdai/amplifier-schematic.jpg) 放大器板的原理图。 ## FDAI的历史 比尔·利尔出生于1902年，是一位多产的发明家，拥有150多项专利，发明范围从