美国 F4 战斗机军用计算机 | 三轴姿态指示器拆解

1968 年的美国军用计算机拆解

avatar 芯片之家 2019 年 07 月 15 日 08:05

作者：avatar 来源：数码之家

这台机器在本人的 eBay 收藏夹里呆了很久，某日无意间扫了一眼收藏夹，突然发现卖家大降价，只要 15 刀，还有 best offer 选项。15 刀你买不了吃亏，15 刀你买不了上当。事不宜迟果断下手。

根据非常有限的资料显示，这台机器代号为 AN/ASX-2，是1968 年美军为 F4 战斗机开发的非协助式敌我识别系统中的一部分。所谓非协助式敌我识别就是不通过无线电应答机，而直接通过分析目标的特征信息识别目标类型。自然这样的系统会有较大的误判可能性。这次拆解的机器是**通过对雷达接收的回波进行频谱分析，得到对方机型，判断目标种类。**当然这个设备已经非常旧了，时至今日已经完全失去了保密价值，加上 1988 年美军由于误判，击落了一架伊朗的民航客机 (参见伊朗航空 655 号班机空难)，美国随后终止了非协助式敌我识别系统的研发 (当然私下里有没有做就不知道了)。因此这样的设备也被彻底废弃，作为电子垃圾出现在了互联网上。

这次得到的机器，序列号是 001。据说这套设备一共也只生产过 6 台，估计这台是美军研制出的第一台样机，也很可能是美国 1965 年开始研发以来第一台能工作的机器，因此个人感觉它的历史上价值也是不小的。不过显然机器已经不能工作，里面缺了几块板卡，模拟前端之类的电路也都被拆除。不过大体上还算完整。发上来也给大家开开眼界吧。

外壳，灰色的，啥也看不出来

这面写了一些字，意思是机器是坏的，只能用来当配件了

这面贴了两张温度感应贴纸，后面介绍

卖家还送了个小控制盒，不过是不是和机器配套就不知道了

编号 No.001，ASSY M600663-1

接口部分，原来有个风扇早已被拆去了

航空插座，里面还带了个同轴接口，也是第一次见。估计雷达来的模拟信号从这里进入

巨型航空插座

故障指示灯，里面镀金的

灯珠是白炽灯泡，灯罩里面还有一层钢网。果然高级货都是在细节上取胜

下面看，这是贴在机箱上的**温度指示标签，可用于检测设备运转过程中的最大温度。**当温度超过标签上对应值时，相应的圆圈会变黑，而且会一直保持黑色不会变回来。这样把设备放在飞机上运转一段时间，回来后就能知道最高温度是多少。

拿电吹风吹了好一会，170 度的圈就变黑了

机器屁股，里面藏了一块巨大的磁芯存储模块

下面拆开一块侧面板，可以看到里面复杂的总线结构。。。。

近距离，这是**使用专门的绕线工具手工连接的电路。**由于不需要印刷线路，且方便改装和样机制作，在早期的计算机、军用设备中很常见

这两个接口可能是用来调试或者烧录程序的 (纯属瞎猜)

下面打开另一侧面的盖子。。。发现里面少了不少板子啊，看来想把机器跑起来是不可能了

不过还好，还剩了 7 块电路板

侧过来看，电路板上不少芯片

换个角度

这有个 14MHz 晶振，好似是有源的，为系统提供时钟

还有一个被拆了

下面拔出第一块板，简直美哭了

难以想象，1968 年老美就已经有表面贴片技术了。想当年，阿姆斯特朗还没有登月，东方红还没有上天，大多数中国工程师连集成电路是啥都没听说过

然而反面。。。呃

这线走得太飘逸了。。。不过应该也是作为原型机制作的，只是用来验证功能而已。

这上面用的飞线我也是头一次见，似乎是镀银线上裹了一层非常薄的透明绝缘材料，看上去和裸露的一样

芯片，由通用仪器 (General Instruments) 制造，用途未知。 看上去比较像缓存之类的东西。这家公司后来被 Microchip 公司 (也就是做 PIC 单片机那家公司) 收购。

电路板接口也比较特殊，空心镀金圆柱

下面取出第二款块板子。

可见电路板完全由不锈钢制成，镶嵌在铝质框架中。

这块板子上全是小规模集成电路，应该用来实现逻辑功能

反面也是一样的飘逸

仔细看发现每个芯片的电源和地连接到隐藏在板子内部的电源总线上，其余的脚也是用的特殊镀银飞线

第三块板子，上面除了贴片芯片还多了几个仙童半导体的直插芯片。当然型号都查不到了

这块板正反两面都有元件

其实是两个不锈钢电路板嵌在同一个铝框两面

电路板编号也是 001 哦

其他的几块板其实也大同小异，都是非常多的小规模集成电路

这个编号 002

板子上也贴了温度标签，用来观察机器内部温度

这块板显然是出了问题，手工飞线调试的

这块也一样。

所有剩下的电路板都拿出来了，可以看到每块板底部都有不同位置的定位插销，防止差错插槽

侧面看

空机箱，每个插座上写了对应模块的编号

所有电路板合影

下面看看细节。这些电路板上用的小规模集成电路由美国 Sylvania (喜万年，也就是现在做灯的那个厂家) 出品。这个公司也是最早生产制造集成电路的厂家之一，然而做到后面就不行了。。。。

不得不提的是，喜万年在 1963 年研制成功 TTL 集成电路，是世界上最早制造出 TTL 集成电路的厂家 (对，比大名鼎鼎的德州仪器和 74 系列芯片早)。这台机器里用的就是喜万年的第一代 TTL 集成电路。这种迷你的封装叫做 flat pack，在 60 年代较为常见，并且被大量运用于军事设备中。

图中的 SGxxx 是逻辑门 (gate)，SFxxx 是触发器 (flip-flop)。根据资料，SG220 是与非门，SG200 是 8 输入与非门，SF130 时 50MHz 的 j-k 触发器。

主机里面没啥好看的了，下面打开机器屁股上的盖子看看里面有啥

铭牌，这个模块由 Litton 公司生产。这家公司是美国著名的军火生产商，旗下产品包含了导航系统、火控系统、航空航天等，甚至帮 NASA 生产过宇航服。

铭牌上没写啥有价值的信息，不过据资料这是个 32KB 的磁芯存储模块

拆下来

单独看，上面写着 bad memory，说明内存模块也坏了 23333

整个模块完全被金属包裹，还贴了封条

封条写着立顿公司 / 导航与控制分部，最后日期 1972 年 7 月 12 日

本来不想破坏封条，但为了看看里面到底啥样，还是忍痛拆了。。。

侧面拆掉，看到一堆磁芯存储板，叠在一起

换个角度

顶上的盖子里应该还有东西，继续拆

刚开盖，一道金光闪过。。。我要瞎了。。。。

全是金色的芯片，整齐排列着。。。。

不得不说到现在为止，这是我见过最漂亮的电路了

拿下来，这是正面

反面还有一层，两块板子分别贴在一块钢板两侧

正面电路板编号 001

仙童的芯片

这些是陶瓷排阻

电阻

白色的是摩托罗拉的芯片

SN5400，大名鼎鼎的 TI 出现了！

这是 flat pack 封装的 74 系列 TTL 芯片，生产日期 1968 年第四周。54 代表军用级别芯片，5400 自然是大名鼎鼎的 4 与非门了

据说 1968 年的时候一颗这样的芯片价值 20 美刀，显然整个系统造价一定不菲

模块的另一边也有一个类似的电路板

正面和之前的完全一样，估计是磁芯读写的前端电路

飞线还是不能避免的

两块板子合影，这是反面，功能不同，元件排布也不一样

正面，看似是一样的

看看序列号，一个是 01，一个是 02。序列号是丝印上去的，老美真是费心了。。。

近照，现代的 74HC 芯片和 50 年前的 54 芯片同台亮相

发现虽然过了这么久，贴片 SO 封装的脚距和 50 年前却完全没有变化。不得不感慨老美制定规范时的远见。再看看我们，很多规范都是朝令夕改，难以延续。

拆掉板子后的模块，不锈钢材质

镀金接口

再拆，可以看到磁芯存储堆了

最顶上是二极管板，下面的都是磁芯板。可惜焊在一起的，不能无损拆解，所以不拆了

二极管阵列

一堆走线

这里还有个小板，上面的芯片简直。。。

从左至右依次来自国家半导体 (NS)，德州仪器 (TI)，摩托罗拉，HELIPOT (一个生产电阻的厂家)，最右边是仙童。

最后来几张模块全貌。因为实在是太美了，忍不住多发几张图

就此拆解完成

最后来张可当桌面的图镇楼

F-4 战斗机内部三轴姿态指示器拆解欣赏

原创 Ken 芯片之家 2024 年 10 月 13 日 17:35 广东

最近淘到了一个 F-4 战斗机上用的一个姿态指示器，这是一种使用旋转球显示飞机方向的仪器。普通飞机中，人工地平仪显示两个轴（俯仰和滚转）的方向，但 F-4 指示器使用旋转球显示三个轴的方向，添加了方位角（偏航）。这里有个不明白的地方，如何在三个轴上旋转的：它如何能向各个方向转动，同时仍然附着在仪器上。

飞机正在微微爬升的状态指示

球实际上是两个空心半壳，连接到 “极点” 的一种内部机制，壳旋转而 “赤道” 保持静止。

F-4 战斗机

F-4 是一款 超音速 战斗机，生产于 1958 年至 1981 年，共生产了 5000 多架，是有史以来产量最多的美国超音速飞机，也是越南战争中的主要战斗机，90 年代的海湾战争也有使用，F-4 战斗机可以携带核弹。

F-4 是双座飞机，雷达拦截官坐在飞行员后面的座位上控制雷达和武器。两个驾驶舱都有一个塞满仪表的面板，侧面还有额外的仪表和控制装置。如下图所示，飞行员面板的中央位置有一个三轴姿态指示器，就在红色雷达瞄准镜的正下方。

状态指示机制

指示器内的球体以 三个轴显示飞机的位置。如果飞机沿飞行轴左右滚动，则滚动轴指示飞机的角度，如果飞机向上或向下俯仰，则俯仰轴指示飞机的角度，最后，方位角轴指示飞机前进的罗盘方向，该方向会因飞机左转或右转（偏航）而改变。指示器还具有移动指针和状态标志的作用。

指示器使用三个电机来移动球。下图中滚动电机连接到指示器的框架上，而俯仰和方位角电机则位于球内。球由滚动万向节固定到位，滚动万向节连接到球机构的顶部和底部枢轴点，滚动电机转动滚动万向节，从而转动球，提供顺时针 / 逆时针运动。滚动控制变压器提供位置反馈，滚动万向节上的许多电线，连接到球内的机构。

球体内部，移除球体的半球壳之后，当旋转万向节旋转时，该机构随之旋转。俯仰电机使整个机构围绕俯仰轴（此处为水平轴）旋转，该轴沿 “赤道” 连接。方位电机和控制变压器位于俯仰组件后面，在照片中看不到。方位电机转动垂直轴，球体的两个空心半球连接到轴的顶部和底部。因此，方位电机使球壳围绕方位轴旋转，而机构本身保持静止。

这里有个问题，球旋转的时候，电线为什么不会缠绕在一起？

解决方案是 使用两组滑环来实现电气连接。 下图显示了第一个滑环组件，它处理围绕滚动轴的旋转，这些滑环将仪器的固定部分连接到旋转的滚动万向架。黑色底座和垂直电线连接到仪器上，而中间的条纹轴与球组件外壳一起旋转。在轴内部，电线从圆形金属触点连接到滚动万向架。

在球体内部，第二组滑环为滚动万向架上的接线和球体机构提供电气连接。下图显示了这些滑环的连接，用于处理围绕俯仰轴（照片中为水平轴）的旋转，（滑环本身位于内部，不可见。）从组件中伸出的轴围绕方位角（偏航）轴旋转，半球附在金属盘上。方位角轴不需要滑环，因为只有球壳旋转，电子设备保持静止。

伺服回路

这里大概解释下伺服回路是如何控制电机的，姿态指示器由外部陀螺仪驱动，接收指示横滚、俯仰和方位角位置的电信号。与 20 世纪 60 年代的航空电子设备一样，信号由同步器传输，同步器使用三根电线指示角度，姿态指示器内的电机旋转，直到指示器的三个轴的角度与输入角度匹配。

每个电机由伺服环路控制，如下图所示。目标是将输出轴旋转到与三根同步线指定的输入角度完全匹配的角度。这里的关键是，一种称为控制变压器的设备，它接收三线输入角度和物理轴旋转，并生成一个误差信号，指示所需角度和物理角度之间的差异。放大器以适当的方向驱动电机，直到误差信号降至零，为了改善伺服环路的动态响应，转速表信号用作负反馈电压。这可确保电机在系统接近正确位置时减速，因此电机不会超出位置并振荡。（这有点像 PID 控制器。）

下一个组件是电机 / 转速表，这是一种常用于航空电子伺服回路的特殊电机。这种电机比普通电动机更复杂。电机由 115 伏交流电、400 赫兹的电源供电，但这还不足以使电机旋转。电机还有两个低压交流控制绕组，给控制绕组通电将导致电机朝一个方向或另一个方向旋转。

电机 / 转速表单元还包含一个转速表，用于测量电机的转速，供反馈回路使用。转速表由另一个 115 伏交流绕组驱动，并产生与电机转速成比例的低压交流信号。

放大器

放大器组件包含三个独立的误差放大器，每个轴一个，每个包含三个放大器板（用于横滚、俯仰和方位角）、一个直流电源板、一个交流变压器和一个微调电位器。

放大器内部，一些组件堆叠在其他组件之上以节省空间。电路板上覆盖有保护涂层，以防止受潮或受污染物影响。

放大器板的原理图如下。左侧的两个晶体管放大误差和转速表信号，驱动脉冲变压器，脉冲变压器的输出将具有相反的相位，驱动输出晶体管达到 400Hz 的周期，其中一个晶体管将处于正确的相位并将电机控制交流电拉至地，因此，将激活适当的控制绕组（半个周期），让电机以所需的方向进行旋转。

俯仰调整电路

姿态指示器是任何飞机都会用到的关键仪器，在能见度低的条件下飞行时尤其重要。F-4 的姿态指示器超越了普通飞机的人工地平仪，增加了第三个轴来显示飞机的航向。不过，支持第三个轴会使仪器复杂得多。

**现代战斗机避免使用复杂的机电仪表。**相反，它们提供 “玻璃座舱”，大多数数据都以数字方式显示在屏幕上。例如，F-35 的控制台用宽大的全景触摸屏取代了所有仪表，以彩色显示所需的信息。尽管如此，机械仪表尽管不实用，却具有特殊的魅力。

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【拆解】1968 年的美国军用计算机 avatar 芯片之家 2019 年 07 月 15 日 08:05

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机械仪表独特的魅力！F-4 战斗机内部三轴姿态指示器拆解欣赏 原创 Ken 芯片之家 2024 年 10 月 13 日 17:35 广东

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