LN-3慣性航法システム

LN -3 慣性航法システムは、1960 年代にリットン インダストリーズによって開発された慣性航法システム(INS)です。このシステムは、ヨーロッパ軍の攻撃機として使用されているロッキード F-104 スターファイターバージョンに装備されていました。慣性航法システムは、高感度機器を使用して車両内で完全に測定を行い、車両の位置を継続的に判断するシステムです。これらの機器は、車両の加速度を検出して測定する加速度計と、加速度計を適切な方向に保持する ジャイロスコープです。

リットンの最初のINSの開発は、オハイオ州ライト空軍基地のエンジニア、マックス・リップスコムと、カリフォルニア州ビバリーヒルズにあるリットン産業の新設誘導制御部門の責任者、ヘンリー・E・シングルトン博士の共謀の結果でした。

リップスコムの部門はナビゲーション システムの開発に従事することは許可されていませんでしたが、ピッチ、ロール、ヨー インジケーターなどの他の航空機の航空電子機器に従事することは許可されていました。シングルトンは、高精度のピッチ、ロール、ヨー インジケーターを提供するシステムを提供することを提案しました。このシステムは、ジャイロスコープと加速度計によって制御される北を向く安定したプラットフォームです。このようなシステムは、東西方向と南北方向の速度を自動的に提供します。その後、これら 2 つの軸の積分器を提供することで、本格的な慣性航法システムを実現できます。

1956 年半ば頃、ライト空軍基地は、そのような「航空機姿勢システム」の開発のために、リットン インダストリーズに約 30 万ドルの契約を授与しました。シングルトンは、このプログラムのプロジェクト エンジニアとしてシドニー シャピロを任命しました。システムは 1958 年末までに完成し、飛行テストの準備が整いました。

シャピロ氏は、タルマンツ航空の共同経営者であるポール・マンツ氏を航空機の供給元に選んだ。主な理由は、マンツ氏が映画業界で豊富な経験を持っていたからである。彼らは、いくつかのシネラマ旅行記で仕事をしていた。マンツ氏のチームは、ケーリー・グラント主演の映画「北北西に進路を取れ」の仕事を終えたばかりで、この映画ではかなりのスタント飛行が見られた。シャピロ氏のアイデアは、定期的に地面を撮影し、同時に慣性航法システムの出力を撮影することだった。この方法だと、シャピロ氏のチームは誰もデータ取得に関わっていないので、責任を問われる可能性はなかった。そこで、2 台の追加のインテグレーターが設置され、1959 年初頭までにシステムのテスト準備が整った。

1959年までに事態は順調に進み、シャピロは3回連続で飛行し、その精度は時速1マイルを大幅に上回ることに成功した。この結果に基づき、リットン インダストリーズは、NATO の F104 戦闘機に 2000 個のシステムを供給する契約を獲得した。^[1]

冷戦時代のミサイル開発競争は、より小型で軽量、かつより高精度な慣性システムの開発を促しました。慣性システムは、環境に関係なく、あらゆる操作に対して速度と位置情報を正確かつ瞬時に提供し、正確な姿勢と方向の基準となります。LN3-2A は、高性能戦闘機に搭載できるほど小型で軽量、かつ高精度な最初の慣性航法システムでした。

初期のF-104、モデルAからFには慣性航法装置がなかった。1959年頃、戦術爆撃機/攻撃能力を備えたヨーロッパ空軍向けのF-104Gが開発され、この機体にLN-3が導入された。^[2] LN-3により、F-104Gは悪天候でも低空で航行し、1,000kmの距離から最高の精度で核兵器を投下する能力を獲得した。これはF-104Gプログラムにとって極めて重要だった。

LN-3 は、完全な 3 自由度、4 ジンバルの慣性航法装置で、高度 0 ～ 70,000 フィート、速度 0 ～ マッハ 2+、加速度 -5 ～ +9 g の範囲の F-104G の飛行性能範囲をカバーします。

LN3-2A の機能説明には、慣性航法の基本原理に関する知識が必要であり、その LN3-2A への応用を理解しなければなりません。システムの主要コンポーネントは、3 つの加速度計と 2 つのジャイロが取り付けられた安定したプラットフォームです。この安定したプラットフォームは、プラットフォーム ジンバル システムに取り付けられています。飛行機の任意の平面または方向の加速度は、加速度計によって測定され、速度を得るためにコンピュータに統合されます。速度は、距離を得るために統合されます。地球に対する飛行機の初期位置を表す既知の基準点を使用して、このデータを移動距離と方向、および目的地までの距離と方位に変換できます。

このプラットフォームの特徴としては、以下のことが挙げられます。^[3]

1. 直交方向の 3 つの加速度計が基本的な感知要素を提供します。これらは、2 つのグリッド座標軸と垂直 (Z) 軸に沿った加速度を測定します。Z 加速度計は LN3-2A 自体では使用されませんが、自動飛行制御システムに垂直加速度データを提供します。東西と南北の X 軸と Y 軸は LN3-2A で使用されます。加速度計は、飛行機の飛行中にジャイロの感知軸にトルクを出力し、プラットフォーム ジンバルを介して安定したプラットフォームの地球とグリッド北の方向を維持します。
2. 2 つのジャイロは安定プラットフォームを安定させ、さまざまな補正を導入して、慣性空間ではなく地球に対して安定プラットフォームを水平に保ち、3 軸の座標参照システムを提供します。ジャイロはそれぞれ 2 つの自由度を持ち、スピン軸が 90 度離れるように方向付けられています。上部のジャイロは、スピン軸が南北グリッド座標軸に沿って方向付けられており、東西および垂直座標軸の周りのトルク (飛行機の回転) に敏感です。下部のジャイロは、スピン軸が東西グリッド軸に沿って方向付けられており、南北および垂直軸の周りのトルクに敏感です。したがって、2 つのジャイロは 3 つの軸すべてを制御します。
3. プラットフォーム ジンバルは、プラットフォームの加速度計を実際に安定させ、ジャイロ安定化された地球指向プラットフォーム上で飛行機が操縦できるようにするアセンブリです。LN3-2A プラットフォームは、4 つのジンバル システム (外側ロール、ピッチ、内側ロール、方位角) で構成されており、飛行機は全方向に 360 度回転できます。方位角、ピッチ、外側ロール ジンバルは、電気接点にスリップリングとブラシを使用して、無制限の自由度を実現します。内側ロール ジンバルは、方位角と外側ロール ジンバル軸が 90 度のピッチで揃ったときにジンバル ロック状態になるのを防ぐための組み込みの冗長性を提供します。

LN3-2Aコンピュータはプラットフォームを制御し、ナビゲーション情報を計算し、機器の動作に必要な特殊な AC および DC 電圧を提供します。

コンピュータの機能は次のとおりです。

1. プラットフォームの方位、ピッチ、ロール ジンバルの位置を決定します。基本的な手順は、飛行機の操縦によるジャイロの歳差誤差が感知され、プラットフォームの方位同期リゾルバに送られることです。ジャイロ信号はピッチとロールの誤差電圧に分解され、コンピュータで増幅されます。コンピュータはプラットフォームのロールとピッチのジンバル サーボ モーターを駆動します。下側のジャイロは、方位ジンバル モーターを駆動するために、方位方向に歳差運動するようにトルクをかけられます。上側のジャイロは、方位方向に下側のジャイロに固定されます。ジンバル サーボ モーターは、元の偏差を補正するようにジンバルの位置を決定します。
2. ジャイロ スピン モーターの始動と動作に必要な電圧を供給します。システムの始動中、ジャイロは航空機の 115 V AC、400 Hz 電源によって回転速度まで上げられます。1 分間の粗調整フェーズの後、ジャイロの周波数源は電気音叉となり、3 kHz の基準周波数を供給します。この周波数は 8 で割られ、375 Hz の動作周波数と 90 ボルトの動作電圧が供給されます。
3. コンポーネントオーブン、プラットフォーム、ジャイロ、加速度計の加熱を制御します。コンピューター内の一部の回路、たとえばアンプは非常に安定した増幅率を必要としますが、これは特定のコンポーネントが正確に保持された温度に保たれている場合にのみ維持できます。これらのコンポーネントは 71 °C のコンポーネントオーブン内に配置されます。また、ジャイロと加速度計は 71 °C ± 1.1 °C に保たれます。プラットフォーム内の周囲温度は、ヒーターと循環ファンのセット、および二重壁のプラットフォームカバーを通る加圧空気の流れを制御するモーター駆動の冷却空気バルブによって 51.7 °C に維持されます。
4. 加速度から速度と距離の情報を計算します。これらのナビゲーション計算は、精密な電気機械部品と調和した、注意深く設計された電子回路で実行されます。電子部品は、加速度に比例する電圧を供給する加速度計復元アンプです。マイクロ G から G 単位まで、非常に印象的なダイナミック レンジをカバーします。また、小さなジャイロ信号を拾い上げてこれを増幅し、プラットフォーム ジンバル モーターを制御するサーボ アンプには、厳しい仕様があります。加速度計の信号を速度信号に実際に統合するのは、静電容量タコメーターを駆動する速度モーターを制御する電子アンプによって行われます。この静電容量タコメーターのフィードバックは、基本的な積分信号を提供します。これは、静電容量タコメーターの速度が加速度入力に比例するためです。フィードバックは、モーターを停止するために加速度入力をゼロにします。モーターは、速度を表す適切なポテンショメーター信号を取り出すために、速度シャフトを配置します。デッド ゾーン ネットワークは、速度モーターをステップごとに駆動し、これを平滑化して、統合された加速度 (= 速度) 信号を提供します。速度積分器は加速度積分器と同様に動作しますが、いわゆる M トランスミッタはステップ関数デバイスであるため、出力信号は平滑化されません。M トランスミッタは、積分された速度 (= 距離) 信号を位置およびホーミング システム PHI-4 に送信します。
5. プラットフォームの温度に合わせて粗調整フェーズと微調整フェーズを順序付け、制御します。
6. 故障を感知して慣性航法装置のゴー・ノーゴー回路を作動させる。
7. LN-3/PHI-4 ナビゲーション システムは地球の周りで使用されるため、この回転楕円体で使用するためのいくつかの体系的な補正 (地球速度、輸送速度、コリオリ補正) が LN-3 に実装されています。また、固有の誤差を抑えるために、システムはシューラー調整されています。

慣性航法装置を起動する前に、パイロットは F-104G の右側コンソールの「アライン コントロール」パネルに開始点の座標を入力する必要があります。起動シーケンスの最初の選択は、「慣性航法制御」パネルのモード セレクター スイッチをオフからスタンバイに回すことです。

このモードでは、プラットフォームとコンポーネント オーブンが動作温度まで上昇します。これは、IN コントロール パネルの「熱」ライトによって示されます。これには、外気温とシステム温度に応じて数分かかります。

動作温度になると、システムは「アラインメント」に切り替えられ、マシンが動作を開始できるようになります。コンピューターの電源がオンになり、速度シャフトがゼロになります。ジャイロは 115 V および 400 Hz で駆動され、回転数を上げます。プラットフォームは、ジンバル同期トランスミッターを使用して、航空機に対するピッチ、内側および外側のロールが水平になります。また、方位軸は、磁気方位センサーを使用してグリッド北方向に駆動されます。アラインメントのこのフェーズは 1 分かかり、粗アラインメントと呼ばれます。

この 1 分後、システムは微調整フェーズに切り替わります。このフェーズでは、ジャイロ スピン モーターの電力が 95 V および 375 Hz に下げられ、400 Hz を使用する他の航空機システムとの磁気干渉を回避します。プラットフォームの水平調整は、正確に水平ではないことを示す最小の重力成分も感知する X および Y 加速度計によって行われます。安定要素の水平調整は、それぞれのジャイロ トルカーに​​トルクをかけることで達成され、ジンバル モーターが追従して安定要素を水平にします。距離シャフトはゼロに設定され、ジャイロは動作速度にあり、コンピューターはジャイロ、ひいては安定要素に、ローカルな地球の自転の補正を継続的に送信しています。これは、微調整の水平調整フェーズと呼ばれます。

コンピュータがプラットフォームの安定要素が正確にローカルで水平であると判断すると、水平調整は自動的に終了します。これには数分かかる場合があります。水平の場合、位置合わせの最終段階であるジャイロコンパスがオンになります。安定要素は正確に水平でシューラー調整されていますが、ジャイロはまだ地球の自転軸と位置合わせされていません。そのため、安定要素は水平から外れる傾向があり、これは Y 加速度計によって感知され、その信号がジャイロ トルカに送られ、安定要素の方位軸が回転します。このプロセスは、補正信号が小さくなり、50 秒間ほぼゼロに維持できるようになるまで数分間続きます。これにより、システムが水平で位置合わせされていることが確実になります。これは、緑のナビゲーション ライトが点滅するため、パイロットに見えるようになります。

これでシステムは使用可能になり、パイロットが IN コントロール パネルで「Nav 」を選択すると、さまざまな調整フェーズに関係するすべての回路がナビゲート モードに切り替わります。

その他の可能なモードは、飛行中の LN3 障害後に選択できるコンパスのみと、アライメント フェーズを短縮するアラート アラインです。最後の飛行後、航空機の電源を切る前に、稼働中の LN3 の正確な方向が保存され、航空機が移動されていない場合は、次回の起動時に使用できます。

LN-3 の規定航法精度は、 1 時間の航行後、2 海里の円誤差確率(cep) が 50% であり、これは 4 海里の円誤差確率 (cep) が 98% に相当します。LN-3-2A の -9 バージョンが運用されるまで (~1963 年)、結果はこれらの制限をかなり大きく超えていましたが、それ以降は、いくつかの飛行グループでこの制限を大幅に上回っています。

メーカーの開発飛行中、パームデールでは 1961 年 10 月までに約 1,167 回の飛行が行われ、LN-3 と PHI-4 を合わせた cep は仕様から 1 マイルほど外れていました。1961 年 10 月から 1962 年 1 月にかけて、-9 の改造を組み込んだ後、パームデールでさらに 123 回の飛行が評価され、cep はほぼ仕様どおりになりました。

エドワーズ空軍基地ではカテゴリー2のテスト中、パームデールでは「航空電子機器の融合」期間中、9機以前のシステムの平均故障間隔は指定された200時間を大幅に下回っていましたが、それ以降目標を超えています。^[4]

1965 年 11 月、フライング タイガースのボーイング 707 (ポール キャット) に LN-3 システムが搭載され、南極から南極までの 51 時間の飛行が実施され、他の航行手段との性能比較が行われました。南極での誤差は 2 マイルと報告されています。

カリフォルニア州ビバリーヒルズの誘導制御システム部門であるリットンシステムズ社（またはリットンインダストリーズ）は、1950年代から1960年代にかけて米国で慣性システムの大手メーカーの一つであり、数多くのアメリカの航空機向けに一連のシステムを製造してきました。^[5]

慣性航法システムの起源については、次の参考文献で説明されています。

• LN -1はXB-70ヴァルキリーの開発姿勢の基準となった。^[6]
• LN -1AはグラマンE-1A曳光機の精密姿勢基準であった。^{[7] [8]}
• LN -2A（軍用呼称AN/ASN-31または-36）は、A-6Aイントルーダー用のドップラー慣性システムであった。
• LN -2BはE-2Aホークアイ用のシステムであり、
• LN-2CはP-3Aオリオン用のシステムでした。^{[9] [10]}
• LN -3-2A（またはLN3-2A）は、F-104Gスーパースターファイターに使用された慣性航法システムである。（開発は195?-195?年、生産は1960-196?年）LN3-2Aの改良型は-9、-11、-13であった。^[11]
• LN -3-2BはカナダのCF-104に使用されている慣性航法システムです。^[12]
• LN -3-13はイタリアのF-104S/CIとF-104S/CBに装備されています。^[13] 1969年以降のF-104Gの強化型。1980年代初頭にはさらなるアップグレードが行われ、オリジナルのLN-3を維持したF-104S ASAバージョンが登場しました。しかし、1990年代のASA-MバージョンにはLN-30A2慣性航法システムが搭載されました。^[14]
• LN -4は「有人軌道車両」用の小型慣性システムである^[15]
• LN -5は、（1963年）「コンベア340 R4Yに搭載された最先端の実験用宇宙慣性システム」です。^[16]
• LN -7Cは、1960年代後半から1970年代初頭にかけてRC-135C航空機に使用されたAN/ASN-53恒星慣性ドップラーシステムの慣性コンポーネントです。^[17]
• LN -12A/BシリーズはLN-3の進化型で、F-4C（AN/ASN-48）、F-4DとF-4E（AN/ASN-63）、RF-4C（AN/ASN-56）に使用されていますが、それぞれ若干の違いがあります。^[18]

LN3-2AのジンバルプラットフォームはLitton P200プラットフォーム、ジャイロはG200ジャイロ、加速度計はA200加速度計です。^[19]（およびLittonの文書）G-200ジャイロは、LN-2、LN-3、LN-12システムで一般的に使用されています。^[20]

F-104G システムのメーカー指定は LN3-2A です。表記 LN-3 と LN3-2A の違いは、区切りダッシュ「-」の位置で示してください。表記 LN3-2A には、著者には知られていない LN3-1 の余地があります。初期の Litton に関する追加情報は歓迎します。

リトン LN-3 は量産航空機に搭載された最初の慣性航法装置の 1 つでしたが、他のブランドやさまざまな用途向けに、同等の技術を備えた慣性航法装置または慣性測定ユニットなどのシステムも存在していました。

ノースアメリカンA-5ヴィジランテのオートネティクス・レーダー強化慣性航法システム（REINS）は、LN-3/PHI-4とほぼ同等でした。このシステムは、SM-64ナバホ用に開発されたXN-6システム、 AGM-28ハウンドドッグ用のN5Gシステム、 XB-70用のN2C/N2J/N3A/N3Bシステムから派生したもので、 USSノーチラス（SSN-571）で使用されたN6A-1航法システムやLGM-30ミニッツマン用のN10慣性誘導システムと関連がありました。^[21]ボーイング社の歴史では、REINSが量産機における最初の慣性航法であるとされていることに留意してください。

ノートロニクスは、 SM-62 スナーク用の宇宙慣性誘導/航法システムを開発、製造していました。GAM-87 スカイボルト用に開発されたシステムは、後にロッキード SR-71 ブラックバード用に採用され、主に NAS-14 や NAS-21 と呼ばれています。

UGM -27 ポラリスミサイルには MIT が開発した慣性システムが搭載されており、これは後にアポロ PGNCSのデルコ社製 IMU へと進化しました。

サターンV には、PGM-19 ジュピターの ST-90 をさらに発展させた、MSFC が開発したST-124-M3 慣性プラットフォームが搭載されていました。

コンベアB-58 ハスラーには、スペリー社製の AN/ASQ-42 ドップラー慣性システムが搭載されていました。

LN-3 システムは、重要なパラメータを常に監視し、故障が発生した場合にパイロットに警告するように設計されました。問題に応じて、パイロットはシステムをオフにするか、推測航法モードで継続することができます。深刻な自己診断問題が発生した場合、システムは自動的にシャットダウンします。

LN-3 のフライトラインメンテナンス (システムチェックや障害分離など) は、特定のテスト機器を使用して実行されました。

• MATS (モバイル自動テスト システム) (RNlAF は、MATS をフライトラインではなくショップ レベルで運用しました。)
• ラインテストアナラ​​イザー
• ジャイロバイアステストセット

ベース（ナビ）ショップレベルでは、プラットフォーム、コンピューター、アダプターユニットが次のテスト機器を使用してテストおよび修理されました。

• システム テスト コンソール (STC)。
• ベンチテストコンソール（BTC）。

基地レベルの能力を超える修理のために、RNlAF 電子機器基地 (DELM、レーネン) には、LN-3 システムの (より高度な) 基地レベルの修理を処理するための特別なテスト機器とツールが装備されていました。

使用されていた主なテストステーションは次のとおりです。

• プラットフォーム機能テスト コンソール (PFTC)。
• モジュール テスト コンソール。

システムのセンサー、ジャイロ、加速度計の修理はリットン社が担当した。イギリス空軍はリットン・カナダ社にセンサーの修理を依頼し、同社は必要なスペアパーツもすべて提供した。他のヨーロッパのユーザーは、フライブルクとハンブルクのLITEFのようなドイツまたはイタリアの子会社/ライセンシーに依存していた。^[22]

• コブレンツのWehr Technische Studiensammlung (WTS) 。

LN3-2A システム (Alert Align Unit なし) をガラスケースに展示。プラットフォーム ジンバルは、リモート コントロール ボックスを使用して訪問者が回転させることができます。

• フォルケル空軍基地 (オランダ) の HVV (Historische Vliegtuigen Volkel / Historical Fighters Volkel) グループは、旧 DELM / レーネン博物館のナビゲーション システムのコレクションを採用しました。

新品同様に動作する完全なシステムの展示。ご要望に応じてシステムの説明とデモンストレーションを行います。^[23]

LN-3 システムは、2019 年 6 月 14 日金曜日と 15 日土曜日にフォルケルのハンガー 1 で開催された RNlAF 空軍デーで展示されました。

• TO 1F-104G-2-11、「F-104G スターファイター メンテナンス マニュアル」、セクション 4、慣性航法装置、USAF。
• TO 5N1-4-3-3、「慣性航法コンピュータのオーバーホール マニュアル」、USAF。
• TO 5N24-3-3、「慣性航法プラットフォームの保守マニュアル」、USAF。
• 「LN-3 慣性航法システム パイロット ハンドブック」、Litton Systems Inc.、誘導制御システム部門、1963 年 6 月。
• https://web.archive.org/web/20090115181132/http://www.aviationlive.org/forum/viewtopic.php?t=640
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• [1] – コブレンツのドイツ防衛技術博物館（WTS）のサイト。展示ケースに入ったLN3-2Aシステム一式など、宣伝されていたよりもはるかに驚くべきコレクションを所蔵しています。
• V., Olaf (2014年3月8日). 「Litton LN3-2A慣性航法プラットフォーム」 . 2018年10月14日閲覧。– Litton LN3-2A プラットフォームの写真が掲載された Picasa ウェブアルバム。
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