Acelerómetro PIGA - PIGA accelerometer
Un PIGA ( Acelerómetro giroscópico de integración pendular ) es un tipo de acelerómetro que puede medir la aceleración y simultáneamente integra esta aceleración contra el tiempo para producir una medida de velocidad también. El uso principal de PIGA es en Sistemas de Navegación Inercial (INS) para guiar aviones y más particularmente para guiar misiles balísticos . Se valora por su sensibilidad y precisión extremadamente altas junto con el funcionamiento en un amplio rango de aceleración. El PIGA todavía se considera el principal instrumento para la guía de misiles de grado estratégico, aunque los sistemas basados en tecnología MEMS son atractivos para requisitos de rendimiento más bajos.
Principio de funcionamiento
El elemento sensor de un PIGA es una masa pendular, libre de pivotar al estar montada sobre un cojinete. Se adjunta un giroscopio giratorio de manera que impida que el péndulo "caiga" en la dirección de la aceleración. La masa pendular y su giroscopio adjunto están montados en un pedestal que puede girar mediante un motor de par eléctrico. El eje de rotación de este pedestal es mutuamente ortogonal al eje de giro del giroscopio, así como al eje en el que el péndulo puede moverse libremente. El eje de rotación de este pedestal también está en la dirección de la aceleración medida.
La posición del péndulo se detecta mediante contactos eléctricos de precisión o por medios ópticos o electromagnéticos. Si la aceleración desplaza el brazo del péndulo desde su posición nula, el mecanismo sensor accionará el motor de par y hará girar el pedestal de manera que la propiedad de precesión giroscópica restablezca el péndulo a su posición nula. La tasa de rotación del pedestal da la aceleración mientras que el número total de rotaciones del eje da la velocidad, de ahí el término "integrador" en el acrónimo PIGA. Un nivel adicional de integración de las rotaciones del eje por medios electrónicos o mecánicos, como un integrador de bola y disco , puede registrar el desplazamiento o la distancia recorrida, este último método mecánico es utilizado por los primeros sistemas de guía antes de la disponibilidad de Computadoras digitales adecuadas.
En la mayoría de las implementaciones del PIGA, el giroscopio en sí está en voladizo en el extremo del brazo del péndulo para actuar como la propia masa pendular. Se pueden requerir hasta tres de estos instrumentos para cada dimensión de un INS con los tres acelerómetros montados ortogonalmente generalmente en una plataforma estabilizada giroscópicamente dentro de un sistema de cardanes.
Un requisito crítico para la precisión es una baja fricción estática ( adherencia ) en los cojinetes del péndulo; Esto se logra por varios medios que van desde el rodamiento de bolas doble con un movimiento oscilatorio superpuesto hasta el movimiento oscilante del rodamiento por encima de su umbral o mediante el uso de rodamientos gaseosos o fluidos o mediante el método alternativo de hacer flotar el giroscopio en un fluido y restringir la masa residual mediante cojinetes de joyas o medios electromagnéticos. Aunque este último método todavía tiene la fricción viscosa del fluido, es lineal y no tiene umbral y tiene la ventaja de tener una fricción estática mínima. Otro aspecto es el control preciso de la velocidad de rotación del giroscopio.
Los misiles que usaban PIGA eran Polaris , Titan , Redstone , Jupiter , Saturn Series y MX Peacekeeper .
Historia
El PIGA se basó en un acelerómetro desarrollado por el Dr. Fritz Mueller , entonces de la Kreiselgeraete Company, para el LEV-3 y el sistema de guía experimental SG-66 del misil balístico alemán V2 (EMW A4) de la era nazi y era conocido entre los alemanes. científicos de cohetes como el MMIA "Acelerómetro Integrador Mecánico Mueller". Este sistema utilizaba contactos eléctricos de precisión para accionar el motor de torsión y alcanzaba una precisión de 1 parte en 1000 a 1 parte por 10000, conocida en el lenguaje técnico como un error de escala de 1000 a 100. Esto equivalía a unos 600 m de precisión sobre el V2. Velocidad de 1500 m / sy 320 km de vuelo. Dado que el número de rotaciones del eje representaba la velocidad, se utilizó un interruptor de leva para iniciar las secuencias de control de misiles, como la aceleración y el apagado del motor.
Los acelerómetros PIGA montados en AIRS (Esfera de referencia inercial avanzada) son parte de la navegación inercial (INS) más precisa desarrollada para el misil MX. Las tasas de deriva del INS son menos de 1,5 x 10-5 grados por hora de operación, alrededor de 8,5 m por hora, con la precisión general del misil afectada más por defectos en los mapas gravitacionales.
Un acelerómetro MMIA recuperado de un V2 sin detonar se presentó al Dr. Charles Stark Draper del laboratorio de instrumentación del MIT de los Estados Unidos, quien había estado desarrollando la base de la navegación inercial para aeronaves al concentrar inicialmente los esfuerzos en lograr giroscopios de velocidad de deriva extremadamente baja conocidos como giroscopio integrador flotante. . Draper combinó las ideas de sus giroscopios integradores, que estaban montados en latas que flotaban en fluidos que se mantenían en su lugar mediante cojinetes con joyas, con el acelerómetro V2 recuperado al hacer flotar la porción de péndulo-giroscopio. El Dr. Draper sugirió el nombre más genérico de PIGA debido a la adición de varios refinamientos, como la detección electromagnética u óptica de la posición del péndulo. Estos acelerómetros se utilizaron en los sistemas Titan II y Polaris Systems y Minuteman.
En el Arsenal de Redstone y el Centro de Vuelo Espacial Marshall contiguo, cerca de Huntsville, Alabama, el contingente de ex científicos de cohetes alemanes que habían sido traídos a los Estados Unidos bajo la Operación Paperclip , incluido el Dr. Mueller, continuó refinando sus instrumentos originales junto con Ingenieros y científicos estadounidenses. Por sugerencia del Dr. Mueller, se logró la tarea técnicamente difícil de reemplazar los rodamientos de bolas originales por rodamientos gaseosos. Inicialmente, se utilizó nitrógeno comprimido, pero posteriormente se utilizaron fluorocarbonos que tenían la ventaja de ser reciclables a bordo del misil o del avión durante períodos de espera prolongados. Por lo tanto, los acelerómetros de EE. UU. Consistían en el tipo flotante o en el tipo de cojinete gaseoso con el Ejército de los EE. UU. Y el programa espacial de los EE. UU.
Referencias
- "Desarrollos en el campo de la guía y el control automáticos de cohetes", Walter Haeussermann , The Bendix Corporation, Huntsville, Ala. VOL. 4, NO. 3 J. ORIENTACIÓN Y CONTROL MAYO-JUNIO DE 1981, Historia de las tecnologías clave AIAA 81-4120. De la biblioteca digital del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica de la AIAA
- AIAA 2001-4288, "El acelerómetro de giroscopio de integración pendular (PIGA) del V-2 al Trident D5, el instrumento estratégico de elección", RE Hopkins The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Cambridge, MA, Dr. Fritz K. Mueller , Dr. Walter Haeussermann, Huntsville, AL, Conferencia y exhibición de orientación, navegación y control, 6-9 de agosto de 2001 Montreal, Canadá. De la biblioteca digital del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica de la AIAA
- MacKenzie, Donald (1990). Inventar la precisión: una sociología histórica de la orientación de misiles nucleares . MIT Press.