A practical investigation of spaceship control problems
- Paper ID
IAF-59-02
- author
- company
- country
United Kingdom
- year
1959
- abstract
A Practical Investigation of Spaceship Control Problems. A Spaceship flight simulator has been designed, built, and successfully operated. It consists of a control panel, an electro-mechanical computer, and a planetarium type projector. A person sitting at the control panel and watching the projected display has the experience of flying a rocket-ship in interplanetary space. This relatively simple quipment has been used to investigate the techniques of manned spaceflight. The computer is an exact physical analogue in which a pen duplicates the motion of the spaceship on a scale of one inch to seventy miles. The pen controls a reference sphere projector and simultaneously plots the spaceship’s position on a chart ten inches square. Flight characteristics have been assigned to the spaceship from a consideration of first principles. The spaceship can be turned at rates of up to 2 R.P.M. by firing torque jets, and aiming trials have shown that the standard deviation of the main propulsion rocket motor is 1.65°. A series of twenty flights have been made to determine the human pilots, ability to carz’y out a simple circumnavigation of a luminous reference sphere 22 miles,in diameter in the middle of the 700 mile square navigable area. The success of each flight was judged by the accuracy with which the pilot returned to his starting ppipt, and by the economy of propulsive effort used during the journey. These trials have showm that the spaceship cannot be flown succesfully by direct instinctive interpretation of the projected display. It must be navigated from starting to finishing point by deducing its position in space from the observations, plotting this on a chart, and taking the control action needed to complete the desired journey. : Improvements in navigating equipment and technique show up as a steady reduction in the final position errors, from hundreds of miles at the start to tens of miles at the end of the series. The minimum time needed is also reduced from over an hour to about half an hour. Propulsion economy was not significantly improved, and remained in the region of 50 percent throughout the series. The simulator described is limited to two dimensions and does not include the effects of a gravitational field. An analysis is presented which suggests that the electromechanical computer used cannot be extended to three dimensions, although this should not be difficult with an electronic analogue. Further developments of the present equipment are discussed which include an inverse square law field about the central reference sphere, and the provision of a much more elaborate reference sphere. This would show phase changes, surface details, and would occult the stars like a real solid body. With these develojoments one could i simulate many of the effects of flying a spaceship in a close orbit round the Earth. Praktische Untersucliung von Raiimscliiff-Kontrollproblemein. Bin Raumflug- simulator wurde entwoi’fen, gebaut und erfolgreich betrieben. Er besteht aus einem Kontrolltisch, einer elektro-mechaniaohen Rechenmaschine und einem Projektor, wie er in einem Planetarium verwendet wird. Eine am Kontrolltisch sitzende Person, die das projizierte Bild beobachtet, liât das Gefühl, ein Raketenschiff im inter- planetarischen Raum zu fliegen. Diese verhaltnismafiig einfache Einrichtung wurde benützt, um die Teclinik des bemannten Raumfluges zu untersuchen. Die Rechenmaschine ist eine genaue physi- kalische Analogiemaschine, in der eine Feder die Bewegung des Raumschiffes im Verhâltnis von 1 Zoll zu 70 Meilen wiedergibt. Die Feder kontrolliert einen sphârischen Bezugsprojektor und tragt gleichzeitig die Position des Raumschiffes auf einem Dia- gramm von 10 Quadratzoll auf. Aus einer Betrachtung der Grundprinzipien wurden clem Raumschiff Flugcharakteristika zugeordnet. Das Raumschiff kann mit Hilfe eines Quer-Strahlantriebes auf Umdrehungsgeschwindigkeiten von 2 Umdrehungen je Minute gebracht werden. Zielversuche haben gezeigt, daB die Standardabweichung des Raketenhauptantriebmotors 1,65° ist. Eine Sérié von 20 Flügen wurde ausgeführt, um zu zeigen, inwieweit menschliche Piloten imstande sind, eine einfache TTmfahrung einer leuchtenden Richtkugel auszu- führen, die 22 Meilen Durchmesser in der Mitte eines befahrbaren Gebietes von 700 Quadratmeilen hat. Der Erfolg jedes Fluges wurde nach der Genauigkeit beurteilt, mit der der Pilot zu seinem Standpunkt zurückkehrte, und ebenso nach der. Okonomie der Antriebsleistung wâhrend der Fahrt. Diese Versuche zeigten, daB das Raumschiff nicht erfolgreich mittels direkter instinktiver Interpretation des projizierten Umwelt- bildes geflogen werden kann. Viehnehr muB es vom Start bis zum Endpunkt gelenkt werden, indem seine Position im Raum aus den Beobachtungen, die auf einem Dia- gramm aufgetragen werden, abgeleitet und die Kontrollaktion eingeleitet wird, welche die gewünschte Fahrt vollenden soil. Yerbesserungen in der Navigationsausrüstung und -technik erscheinen als stândige Reduktion der Fehler in der endgültigen Position, von hunderten Meilen beim Start bis zu Zehnern von Meilen am Ende der Reihe. Die erforderliche Mindest- zeit laflt sieh auch von mehr als einer Stunde auf etwa eine halbe Stunde ver- ringern. Die Okonomie des Antriebes wurde nicht wesentlich verbessert und ver- harrte im Bereich von 50% wâhrend der Versuchsserie. Der beschriebene Simulator ist auf zwei Dimensionen begrenzt und schlieflt nicht die Wirkungen eines Schwerefeldes ein. Es wird eine Analyse angegeben, die vermuten lâBt, daB die elektro-mechanische Rechenmaschine nicht auf drei Dimensionen aus- gedehnt werden kann, obwohl dies mit einer elektronischen Analogiemaschine nicht schwierig sein sollte. Es werden weitere Entwicklungen der gegenwârtigen Ausstattung diskutiert, die ein quadratisch reziprokes Feld um die zentrale Bezugssphâre zum Inhalt haben; auch die Herstellung einer viel besser ausgearbeiteten Bezugssphâre wird erôrtert. Diese wlirde Phasenwechsel und Oberflâchendetails zeigen und die Sterne wie ein wirklicher fester Kôrper verdunkeln. Mit Hilfe dieser Fortschritte kônnte man viele der Effekte simulieren, die beim Flug eines Raumschiffes in einer engen Umkreisungsbahn um die Erde auftreten. Une enquête pratique sur les problèmes de contrôle des astronefs. Un simulateur de vol spatial a été conçu, réalisé et opéré avec succès. Il consiste en un panneau, de contrôle, un calculateur électro-mécanique et un projecteur du genre planetarium. Une personne assise au panneau de contrôle et regardant la projection a l’impression de piloter un astronef dans l’espace interplanétaire. Cet équipement relativement simple a été utilisé pour évaluer les techniques du vol spatial. Dans le calculateur analogique exact, une plume reproduit la trajectoire à l’échelle d’un pouce par 70 miles. La plume contrôle un projecteur sphérique de référence et simultanément marque la position de l’astronef sur une carte de dix pouces carrés. Les caractéristiques de vol de l’astronef ont été choisies sur la base de principes fondamentaux. Des rotations peuvent être effectuées au taux de 2 tours/min. en actionnant des jets transversaux et des essais de visée ont montré que la déviation standard du, moteur principal était de 1.65°. Dans une série de 20 vols l’aptitude des pilotes humains à contourner une sphère lumineuse de référence de 22 miles de diamètre dans une aire navigable de 700 miles carrés a été évaluée. Le succès de chaque vol était jugé d’après la précision du retour au point de départ et l’économie d’effort propulsif dépensé. Les essais ont montré qu’une interprétation instinctive directe de la projection était insuffisante pour un pilotage adéquat. Du départ à l’arrivée il faut déduire la position à partir des observations, l’inscrire sur une carte et prendre les mesures de guidage nécessaires. L’amélioration dans les équipements de navigation et dans la technique de celle-ci se montre par une réduction constante des erreurs dans la position finale. Celle-ci descend de centaines de miles au départ à des dizaines de miles au cours des derniers essais. Le temps requis est aussi descendu de plus d’une heure à une demi-heure. L’économie de propulsion est restée dans la région des 50% tout au long des essais. Le simulateur décrit est à deux dimensions et n’inclut pas les effets du champ de gravitation. Une analyse suggère que le calculateur électro-mécanique utilisé ne peut être étendu à trois dimensions ; quoique ceci ne doive pas offrir de difficultés avec un calculateur analogique électronique. Un développement de l’équipement actuel est discuté. Il comporte notamment un champ de gravitation quadratique inverse autour d’une sphère de référence centrale et une sphère de référence beaucoup plus détaillée. Elle présenterait des changements de phase, des détails de surface et occulterait les étoiles comme un véritable corps solide. Avec ces améliorations on pourrait simuler un grand nombre des impressions reçues en pilotant un astronef sur une orbite fermée autour de la terre.