أبولو بي جي إن سي إس

كان نظام التوجيه والملاحة والتحكم الأساسي لبرنامج أبولو ( PGNCS ، ويُنطق "بينغز" ) نظام توجيه بالقصور الذاتي مكتفٍ ذاتيًا، مكّن مركبات أبولو الفضائية من إتمام مهامها حتى في حال انقطاع الاتصالات مع الأرض، سواءً كان ذلك متوقعًا عند وجود المركبة خلف القمر، أو في حالة حدوث عطل في الاتصالات. وقد زُوّدت كل من وحدة القيادة (CM) ووحدة الهبوط القمرية (LM) بنسخة من نظام PGNCS. وكان نظام PGNCS، وتحديدًا حاسوبه، بمثابة مركز التحكم لجميع مدخلات النظام من وحدتي القيادة والهبوط القمرية، بما في ذلك الوحدات البصرية، ونظام الرادار، ومدخلات أجهزة التحريك والتدوير اليدوية التي يُدخلها رواد الفضاء، بالإضافة إلى مدخلات أخرى من أنظمة وحدتي القيادة والهبوط القمرية.

طُوِّر نظام PGNCS بواسطة مختبر الأجهزة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تحت إشراف تشارلز ستارك دريبر (الذي سُمِّي المختبر لاحقًا باسمه). وكان المقاول الرئيسي لنظام PGNCS ومصنِّع وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) هو قسم ديلكو التابع لشركة جنرال موتورز . ويتكون نظام PGNCS من المكونات التالية:

• وحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU)
• حاسوب توجيه أبولو (AGC)
• محولات لتحويل زوايا المنصة بالقصور الذاتي إلى إشارات قابلة للاستخدام في التحكم المؤازر
• وحدات بصرية، وسدس فضائي لوحدة القيادة، وتلسكوب بصري للمحاذاة لوحدة الهبوط القمرية
• إطار ميكانيكي، يُسمى قاعدة الملاحة (أو navbase)، لربط الأجهزة البصرية، وفي المركبة القمرية، رادار الالتقاء، بوحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) بشكل محكم
• برنامج التحكم التلقائي في الكسب

استخدمت كل من وحدة القيادة ووحدة الهبوط القمرية نفس الحاسوب ومنصة القياس بالقصور الذاتي والمحللات. وكان الاختلاف الرئيسي بينهما هو الوحدة البصرية. كما اختلفت قاعدة الملاحة لكل مركبة فضائية، مما يعكس اختلاف هندسة التركيب. وكان رادار الالتقاء الخاص بوحدة الهبوط القمرية متصلاً أيضاً بقاعدة الملاحة.

كان هناك إصداران من نظام التحكم في الملاحة عبر الأقمار الصناعية (PGNCS) - الإصدار الأول والإصدار الثاني - يتوافقان مع جيلين من وحدة القيادة. بعد حادثة حريق أبولو 1 ، التي وقعت في وحدة قيادة من الإصدار الأول، قررت ناسا عدم استخدام الإصدار الأول في أي مهمات مأهولة لاحقة، على الرغم من استخدامه في المهمات غير المأهولة. شملت الاختلافات الرئيسية بين الإصدارين الأول والثاني من نظام التحكم في الملاحة عبر الأقمار الصناعية استبدال المحللات الكهروميكانيكية بتصميم إلكتروني بالكامل، واستبدال قاعدة الملاحة في الإصدار الأول، المصنوعة من البريليوم ، بإطار مصنوع من أنابيب ألومنيوم مملوءة برغوة البولي يوريثان . كانت قواعد الملاحة في الإصدار الثاني أخف وزنًا وأقل تكلفة، وبنفس درجة الصلابة.

كان أحد الاختلافات الرئيسية الأخرى بين الإصدارين الأول والثاني من نظام التحكم الإلكتروني للطاقم (Block I و Block II) هو إمكانية الإصلاح. كان أحد الأهداف الأصلية لبرنامج أبولو هو تمكين رواد الفضاء من إصلاح الأجهزة الإلكترونية. وبناءً على ذلك، صُمم الإصدار الأول من نظام التحكم الإلكتروني للطاقم (Block 1 PNGCS) بوحدات متطابقة عديدة يمكن استبدالها بقطع غيار، عند الضرورة، أثناء الرحلة. إلا أن ارتفاع نسبة الرطوبة داخل مقصورات الطاقم، بالإضافة إلى حوادث التعامل مع سوائل الجسم خلال مهمة جيميني 7، جعلت وجود وصلات كهربائية غير محكمة الإغلاق أمرًا غير مرغوب فيه. تم التخلي عن هدف إمكانية الإصلاح في الإصدار الثاني (Block II)، حيث تم إحكام إغلاق جميع الوحدات والوصلات الكهربائية. ^{[ 1 ]} وقد عزز حريق أبولو 1 المميت هذا القلق.

تم تثبيت وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) على ثلاثة محاور. كان الجزء الداخلي، وهو العنصر الثابت (SM)، عبارة عن مكعب من البريليوم بطول 6 بوصات، مُثبّت فيه ثلاثة جيروسكوبات وثلاثة مقاييس تسارع . استخدمت حلقات التغذية الراجعة إشارات من الجيروسكوبات عبر المُحلِّلات للتحكم في المحركات على كل محور. حافظ نظام المؤازرة هذا على ثبات العنصر الثابت بالنسبة للفضاء القصوري . ثم جُمعت إشارات مقاييس التسارع لتتبع سرعة المركبة الفضائية وموقعها. استُمدّت وحدة القياس بالقصور الذاتي من نظام التوجيه الذي طورته شركة دريبر لصاروخ بولاريس .

أنظمة التوجيه بالقصور الذاتي ليست مثالية، وقد انحرف نظام أبولو بمقدار ملي راديان واحد تقريبًا في الساعة. لذا كان من الضروري إعادة ضبط منصة التوجيه بالقصور الذاتي دوريًا عن طريق رصد النجوم.

سدس فضائي

احتوت الوحدة البصرية لمركز القيادة على سدس دقيق (SXT) مثبت على إطار وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU)، قادر على قياس الزوايا بين النجوم ومعالم الأرض أو القمر أو الأفق. وكانت مزودة بخطين للرؤية، وتكبير 28 ضعفًا، ومجال رؤية 1.8 درجة. كما تضمنت الوحدة البصرية تلسكوبًا ماسحًا ضوئيًا (SCT) منخفض التكبير وواسع مجال الرؤية (60 درجة) لرصد النجوم. ويمكن استخدام هذه الوحدة البصرية لتحديد موقع مركز القيادة واتجاهه في الفضاء.

تلسكوب بصري للمحاذاة

كانت المركبة القمرية مزودة بتلسكوب بصري للمحاذاة ^{[ 2 ]} (AOT)، وهو في الأساس منظار غمر، بدون تكبير. كان العنصر الخارجي للتلسكوب عبارة عن موشور محمي من الشمس يمكن تدويره إلى أحد ستة أوضاع ثابتة لتغطية جزء كبير من السماء. كل وضع يوفر مجال رؤية 60 درجة. يحتوي التلسكوب على شبكة في مساره البصري يمكن تدويرها بواسطة أحد أفراد الطاقم. تتكون الشبكة من خطين مزدوجين، ونصف قطر، وحلزون أرخميدس . يختار فرد الطاقم نجمًا يمكنه رؤيته من خلال التلسكوب ويدخل معرفه في نظام DSKY. ثم يقوم بتدوير الشبكة، ويضغط على زر عندما يكون النجم داخل كل خط مزدوج. يمكن قراءة زاوية الشبكة بواسطة نظام التحكم التلقائي في الكسب (AGC). يحدد قياسا الشبكة موقع النجم في مجال رؤية التلسكوب. ^{[ 3 ]} من خلال إجراء هذه العملية مع نجمين مختلفين، يستطيع الحاسوب تحديد اتجاه المركبة. ^{[ 4 ]}

أُضيفت مظلة الشمس في وقت متأخر من البرنامج، عام ١٩٦٧، بعد أن أظهرت الاختبارات والنمذجة أن رواد الفضاء قد لا يتمكنون من رؤية النجوم على سطح القمر بسبب ضوء الشمس المباشر أو الضوء المتناثر من أجزاء قريبة من المركبة القمرية والذي يسقط على الموشور الخارجي. كما سمحت إضافة مظلة الشمس بزيادة عدد مواقع الرؤية من ثلاثة إلى ستة. ^{[ ١ ] : ص ٤١ وما بعدها [ ٥ ]}

أشار مايكل كولينز، قائد وحدة القيادة في مهمة أبولو 11، إلى أن الرؤية من خلال العدسات كانت دون المستوى المطلوب، وكان من الصعب الرؤية من خلالها في ظروف إضاءة معينة.

استخدم برنامج التوجيه الموجود على متن المركبة مرشح كالمان لدمج البيانات الجديدة مع قياسات الموقع السابقة، وذلك لإنتاج تقدير أمثل لموقع المركبة الفضائية. تمثلت المعلومة الأساسية في تحويل إحداثيات بين العنصر الثابت لوحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) ونظام الإحداثيات المرجعي. في مصطلحات برنامج أبولو، عُرفت هذه المصفوفة باسم REFSMMAT (اختصارًا لـ "مصفوفة المرجع إلى العنصر الثابت"). استُخدم نظاما إحداثيات مرجعيان، بحسب مرحلة المهمة: أحدهما مركزه الأرض والآخر مركزه القمر.

على الرغم من كلمة "أساسي" في اسمه، لم تكن بيانات نظام PGNCS المصدر الرئيسي لمعلومات الملاحة. فقد تمت معالجة بيانات التتبع من شبكة الفضاء العميق التابعة لناسا بواسطة أجهزة الكمبيوتر في مركز التحكم بالمهمة، باستخدام خوارزميات المربعات الصغرى . وكانت تقديرات الموقع والسرعة الناتجة أكثر دقة من تلك التي أنتجها نظام PGNCS. ونتيجة لذلك، كان رواد الفضاء يتلقون تحديثات دورية لمتجهات الحالة لإدخالها في نظام التحكم الآلي بالملاحة (AGC)، استنادًا إلى البيانات الأرضية. ومع ذلك، ظل نظام PGNCS ضروريًا للحفاظ على اتجاه المركبة الفضائية، والتحكم في الصواريخ أثناء عمليات المناورة، بما في ذلك الهبوط والإقلاع على سطح القمر، وباعتباره المصدر الرئيسي لبيانات الملاحة أثناء انقطاعات الاتصالات المخطط لها وغير المتوقعة. كما وفر نظام PGNCS آلية للتحقق من صحة البيانات الأرضية.

كانت المركبة القمرية مزودة بنظام توجيه ثالث، هو نظام التوجيه في حالة الإجهاض (AGS)، الذي صممته شركة TRW . وكان من المقرر استخدامه في حال تعطل نظام التوجيه الملاحي الموجه (PGNCS). ويمكن استخدام نظام AGS للإقلاع من القمر والالتقاء بوحدة القيادة، ولكن ليس للهبوط. خلال مهمة أبولو 13 ، وبعد عملية الاحتراق الأكثر أهمية بالقرب من القمر، تم استخدام نظام AGS بدلاً من نظام PGNCS لأنه يتطلب طاقة كهربائية ومياه تبريد أقل.

خلال مهمة أبولو 11 ، تم إرسال إنذارين من نظام التحكم في الشبكة العامة (PGNCS) (1201 "لا توجد مناطق اتصال متاحة" و1202 "إنذار تنفيذي، لا توجد مجموعات أساسية") إلى مركز التحكم بالمهمة أثناء محاولة الهبوط الأول على سطح القمر في 20 يوليو 1969. وقد نتج هذا التحميل الزائد على نظام الحاسوب عن التقاط بيانات رادار الهبوط وبيانات رادار الالتقاء في آن واحد. وخلص فريق الدعم في مركز التحكم بالمهمة إلى أنه يمكن تجاهل الإنذارين بأمان، ونجح الهبوط. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

• وحدة أجهزة ساتورن 5 - نظام التوجيه المستخدم في مركبات إطلاق أبولو