El sistema de navegación inercial LN-3 es un sistema de navegación inercial (INS) desarrollado en la década de 1960 por Litton Industries . Equipó las versiones del Lockheed F-104 Starfighter utilizadas como aviones de ataque en las fuerzas europeas. Un sistema de navegación inercial es un sistema que determina continuamente la posición de un vehículo a partir de mediciones realizadas completamente dentro del vehículo utilizando instrumentos sensibles. Estos instrumentos son acelerómetros que detectan y miden las aceleraciones del vehículo y giroscopios que actúan para mantener los acelerómetros en la orientación adecuada.
El desarrollo del primer INS de Litton fue el resultado de un acto colusorio entre el ingeniero Max Lipscomb de la Base Aérea Wright en Ohio y el Dr. Henry E. Singleton , jefe del recién formado Departamento de Guía y Control de Litton Industries en Beverly Hills, California.
Al departamento de Lipscomb no se le permitió participar en el desarrollo de sistemas de navegación, pero sí se le permitió participar en otros sistemas de aviónica para aeronaves , como indicadores de cabeceo, balanceo y guiñada. Singleton propuso proporcionar un sistema que proporcionara indicadores de cabeceo, balanceo y guiñada de gran precisión. El sistema sería una plataforma estable que buscaría el norte controlada por giroscopios y acelerómetros. Un sistema de este tipo proporcionaría automáticamente velocidades en dirección este-oeste y norte-sur. Y más tarde, al proporcionar integradores para estos dos ejes, se tendría un sistema de navegación inercial completo.
A mediados de 1956, la base aérea Wright otorgó a Litton Industries un contrato por aproximadamente 300.000 dólares para el desarrollo de dicho "sistema de actitud de la aeronave". Singleton nombró a Sidney Shapiro como ingeniero de proyectos para este programa. El sistema se completó y estuvo listo para pruebas de vuelo a fines de 1958.
El Sr. Shapiro seleccionó a Paul Mantz , socio de Tallmantz Aviation, para que le suministrara el avión, principalmente debido a la amplia experiencia de Mantz en la industria cinematográfica. Habían trabajado en varios documentales de viajes de Cinerama. La gente de Mantz también había terminado recientemente su trabajo en la película "Con la muerte en los talones", protagonizada por Cary Grant, en la que había muchos vuelos acrobáticos. La idea de Shapiro era fotografiar el suelo periódicamente y, al mismo tiempo, fotografiar la salida del sistema de navegación inercial. De esa manera, no había posibilidad de señalar con el dedo a nadie, ya que ninguno de los empleados de Shapiro estaba involucrado en la toma de datos. Por lo tanto, se instalaron los dos integradores adicionales y el sistema estuvo listo para la prueba a principios de 1959.
En 1959, las cosas habían ido lo suficientemente bien como para que Shapiro pudiera realizar tres vuelos sucesivos en los que la precisión era sustancialmente mejor que una milla por hora. Sobre la base de estos resultados, Litton Industries recibió un contrato para suministrar 2000 sistemas para el avión de combate F104 de la OTAN . [1]
La carrera de misiles de la Guerra Fría impulsó el desarrollo de sistemas inerciales más pequeños, ligeros y precisos. Independientemente de su entorno, el sistema inercial proporciona información de velocidad y posición de forma precisa e instantánea para todas las maniobras, además de ser una referencia precisa de actitud y rumbo. El LN3-2A fue el primer sistema de navegación inercial lo suficientemente pequeño, ligero y preciso como para ser instalado en un caza de alto rendimiento.
Los primeros modelos F-104, del A al F, no tenían navegador inercial. Fue el desarrollo del F-104G, alrededor de 1959, para las Fuerzas Aéreas europeas con capacidades tácticas de bombardeo y ataque, lo que llevó el LN-3 a la aeronave. [2] El LN-3 le dio al F-104G la capacidad de navegar a baja altura en condiciones meteorológicas adversas y de lanzar un arma nuclear a una distancia de 1000 km con la mejor precisión posible; esto era vital para el programa F-104G.
El LN-3 es un navegador inercial de 4 cardanes y 3 grados de libertad que cubre el rango de rendimiento de vuelo del F-104G, que va desde 0 a 70 000 pies de altitud; velocidad de 0 a Mach 2+ y aceleraciones de −5 a +9 g.
La descripción funcional del LN3-2A requiere ciertos conocimientos de algunos principios básicos de navegación inercial para comprender su aplicación al LN3-2A. El componente principal del sistema es la plataforma estable en la que se montan tres acelerómetros y dos giroscopios. Esta plataforma estable está montada en un sistema de cardanes de plataforma. La aceleración del avión en cualquier plano o dirección se mide mediante los acelerómetros y se integra en la computadora para obtener la velocidad. Las velocidades a su vez se integran para obtener la distancia. Con un punto de referencia conocido que representa la posición inicial del avión con respecto a la Tierra, estos datos se pueden convertir en distancia y rumbo recorridos, y distancia y rumbo al destino.
Se describen las siguientes características de la plataforma : [3]
La computadora LN3-2A controla la plataforma, calcula información de navegación y proporciona voltajes de CA y CC especiales necesarios para el funcionamiento del equipo.
Las funciones del ordenador son:
Antes de poner en marcha el navegador inercial, el piloto debe introducir las coordenadas del punto de partida en el panel de “Control de alineación” de la consola derecha del F-104G. La primera selección en la secuencia de arranque es girar el interruptor selector de modo del panel de “Control de navegación inercial” de Off a Standby .
En este modo, la plataforma y el horno de componentes se llevan a la temperatura de funcionamiento , indicada por la luz de "calor" en el panel de control IN, lo que demora varios minutos dependiendo de la temperatura exterior y del sistema.
A temperatura de funcionamiento, el sistema puede cambiarse a " Alinear ", lo que permite que la máquina comience a funcionar. Se enciende la computadora y se anulan los ejes de velocidad; los giroscopios se alimentan con 115 V y 400 Hz y aumentan las revoluciones; la plataforma se nivela en cabeceo, balanceo interno y externo en relación con la aeronave utilizando los sincrotransmisores del cardán; y el eje acimutal se dirige a la dirección norte de la cuadrícula utilizando el sensor de rumbo magnético. Esta fase de alineación dura 1 minuto y se denomina alineación aproximada.
Después de este minuto, el sistema pasa a la fase de alineación fina , durante la cual la potencia del motor de giro del giroscopio se reduce a 95 V y 375 Hz para evitar cualquier interferencia magnética con cualquier otro sistema de la aeronave que utilice 400 Hz. La nivelación de la plataforma la realizan los acelerómetros X e Y, que detectan incluso el componente más pequeño de gravedad, lo que es una indicación de que no está nivelada con precisión. La nivelación del elemento estable se logra mediante el torque de los respectivos torqueadores del giroscopio, lo que hace que los motores del cardán sigan y nivelen el elemento estable. Los ejes de distancia se establecen en cero; los giroscopios están a velocidad operativa y la computadora alimenta continuamente a los giroscopios, y por lo tanto al elemento estable, con correcciones para la rotación local de la Tierra. Esto se llama la fase de nivelación de la alineación fina .
La nivelación finaliza automáticamente cuando la computadora decide que el elemento estable de la plataforma está exactamente nivelado localmente, lo que puede tardar unos minutos. Si está nivelado, se activa la fase final de alineación; girocompás . El elemento estable está exactamente nivelado y ajustado por Schuler, pero los giroscopios aún no están alineados con el eje de rotación de la Tierra. Por lo tanto, el elemento estable tiende a desnivelarse, lo que es detectado por el acelerómetro Y, cuya señal se envía al torqueador del giroscopio para rotar el eje acimutal del elemento estable. Este proceso continúa durante unos minutos hasta que la señal de corrección se vuelve más pequeña y se puede mantener casi en cero durante 50 segundos, lo que da confianza de que el sistema está nivelado y alineado. Esto es visible para el piloto porque la luz verde de navegación parpadea.
El sistema ahora está listo para usarse y el piloto selecciona " Nav " en el panel de control IN, y todos los circuitos involucrados en las distintas fases de alineación cambian al modo de navegación .
Otros modos posibles son el de solo brújula , que se puede seleccionar después de una falla en vuelo del LN3, y el de alerta de alineación para acortar la fase de alineación. Después del último vuelo, pero antes de apagar la aeronave, se almacena el rumbo preciso del LN3 en funcionamiento y se puede utilizar al iniciar la próxima vez, si la aeronave no se mueve.
La precisión de navegación especificada para el LN-3 es una probabilidad de error circular (CEP) del 50% de dos millas náuticas después de una hora de operación, lo que equivale a una CEP del 98% de cuatro millas náuticas. Hasta que entró en servicio la versión −9 del LN-3-2A (aproximadamente en 1963), los resultados estaban fuera de estos límites por un margen considerable, pero desde entonces se han superado con creces en varios grupos de vuelos.
Durante el desarrollo del fabricante en Palmdale, se realizaron unos 1167 vuelos hasta octubre de 1961, y el CEP del LN-3 y el PHI-4 combinados estaba una milla más o menos fuera de las especificaciones. Desde octubre de 1961 hasta enero de 1962 se evaluaron otros 123 vuelos en Palmdale, tras la incorporación de las modificaciones −9, y el CEP estuvo casi a la altura de las especificaciones.
En la Base de la Fuerza Aérea Edwards, durante las pruebas de categoría 2, y en Palmdale durante el período de "matrimonio de aviónica", el tiempo medio entre fallos de los sistemas anteriores al modelo 9 fue considerablemente inferior a las 200 horas especificadas, pero el objetivo se ha superado desde entonces. [4]
En noviembre de 1965 se instaló un sistema LN-3 en un Boeing 707 de Flying Tigers preparado (el Pole Cat) para realizar un vuelo de polo a polo de 51 horas y comparar su rendimiento con otros medios de navegación. El error citado en el polo sur fue de 2 millas.
Litton Systems Inc., o Litton Industries , la división de sistemas de guía y control de Beverly Hills, California, fue uno de los principales productores de sistemas inerciales en los EE. UU. en las décadas de 1950 y 1960, y ha fabricado una serie de sistemas para varios aviones estadounidenses. [5]
La génesis de los sistemas de navegación inercial se explica en la siguiente referencia.
La plataforma cardánica del LN3-2A es la plataforma Litton P200; el giroscopio es el giroscopio G200; y el acelerómetro es el acelerómetro A200. [19] (y documentación de Litton) El giroscopio G-200 se utiliza comúnmente en los sistemas LN-2, LN-3 y LN-12. [20]
La designación del fabricante del sistema F-104G es LN3-2A. Marque la diferencia en la notación LN-3 y LN3-2A con la posición del guión divisor "-". La designación LN3-2A deja espacio para una LN3-1, desconocida para el autor. ¡Se agradece cualquier información adicional sobre los primeros Litton!
El Litton LN-3 fue uno de los primeros navegadores inerciales en un avión de producción, pero existían otros sistemas, ya fueran navegadores inerciales o unidades de medición inercial, de otras marcas y para diversas aplicaciones con tecnología comparable.
El sistema de navegación inercial mejorado por radar Autonetics (REINS) del North American A-5 Vigilante era más o menos comparable al LN-3/PHI-4. Este sistema se derivaba del sistema XN-6 desarrollado para el SM-64 Navaho , el sistema N5G para el AGM-28 Hound Dog y el sistema N2C/N2J/N3A/N3B para el XB-70 , y estaba relacionado con el sistema de navegación N6A-1 utilizado en el USS Nautilus (SSN-571) y el sistema de guía inercial N10 para el LGM-30 Minuteman . [21] Nótese que la historia de Boeing afirma que el REINS fue la primera navegación inercial en un avión de producción.
Nortronics había desarrollado y producido sistemas de navegación y guía astroinercial para el SM-62 Snark . El sistema desarrollado para el GAM-87 Skybolt fue posteriormente adaptado para su uso en el Lockheed SR-71 Blackbird y se lo conoce generalmente como NAS-14 y/o NAS-21.
El misil UGM-27 Polaris estaba equipado con un sistema inercial desarrollado por el MIT, que luego evolucionó hasta convertirse en la IMU del Apollo PGNCS producida por Delco .
El Saturno V estaba equipado con una plataforma inercial ST-124-M3 desarrollada por MSFC , que era un desarrollo posterior del ST-90 del PGM-19 Júpiter .
El Convair B-58 Hustler estaba equipado con el sistema inercial Dopler AN/ASQ-42, fabricado por Sperry Corporation .
El sistema LN-3 fue diseñado para monitorear constantemente los parámetros críticos y advertir al piloto en caso de un mal funcionamiento. Dependiendo del problema, el piloto podía apagar el sistema o continuar en modo de estima . En caso de problemas graves autodiagnosticados, el sistema se apagaba automáticamente.
El mantenimiento de la línea de vuelo del LN-3, como las comprobaciones del sistema y el aislamiento de fallos, se realizó utilizando equipos de prueba específicos:
En el nivel base (nav)shop se probaron y repararon las unidades de plataforma, computadora y adaptador utilizando el siguiente equipo de prueba:
Para reparaciones que excedieran las capacidades del nivel básico, el Depósito de Electrónica de la RNlAF (DELM, en Rhenen) fue equipado con equipos de prueba y herramientas específicos para manejar las reparaciones de nivel de depósito (superior) del sistema LN-3.
Las principales estaciones de prueba utilizadas fueron:
La reparación de los sensores del sistema, giroscopios y acelerómetros, estuvo a cargo de Litton. La RNlAF encargó la reparación de sus sensores a Litton Canada, que también proporcionó todas las piezas de repuesto necesarias. Otros usuarios europeos confiaron en filiales o licenciatarios alemanes o italianos como LITEF en Friburgo y Hamburgo. [22]
Exposición del sistema LN3-2A (sin unidad de alineación de alerta) en vitrina. Los cardanes de la plataforma pueden ser girados por el visitante mediante una caja de control remoto.
Presentación de un sistema completo, funcionando como nuevo. Si se solicita, se proporciona una explicación y demostración del sistema. [23]
El sistema LN-3 estuvo en exhibición en el Día de la Fuerza Aérea RNlAF, el viernes 14 y el sábado 15 de junio de 2019 en Volkel, Hangar 1.