ВЫЗОВАТЬ акселерометр
PIGA ) ( Маятниковый интегральный гироскопический акселерометр — это тип акселерометра , который может измерять ускорение и одновременно интегрировать это ускорение во времени для измерения скорости. Основное применение PIGA — в инерциальных навигационных системах (INS) для наведения самолетов и, в частности, для наведения баллистических ракет . Его ценят за чрезвычайно высокую чувствительность и точность в сочетании с работой в широком диапазоне ускорений. PIGA по-прежнему считается основным инструментом для наведения ракет стратегического уровня, хотя системы, основанные на технологии MEMS, привлекательны из-за более низких требований к производительности.
Принцип работы
[ редактировать ]Чувствительный элемент PIGA представляет собой подвесную массу, которая может свободно вращаться благодаря установке на подшипнике. Вращающийся гироскоп прикреплен так, чтобы удерживать маятник от «падения» в направлении ускорения. Маятниковая масса и прикрепленный к ней гироскоп сами установлены на постаменте, который может вращаться с помощью электродвигателя. Ось вращения этого постамента взаимно ортогональна оси вращения гироскопа, а также оси, по которой маятник может свободно перемещаться. Ось вращения этого постамента также направлена в направлении измеряемого ускорения.
Положение маятника определяется точными электрическими контактами, оптическими или электромагнитными средствами. Если ускорение сместит рычаг маятника из его нулевого положения, чувствительный механизм запустит моментный двигатель и повернет пьедестал так, что свойство гироскопической прецессии вернет маятник в его нулевое положение. Скорость вращения постамента дает ускорение, а общее количество оборотов вала дает скорость, отсюда и термин «интеграция» в аббревиатуре PIGA. Дальнейший уровень интеграции вращений вала либо с помощью электронных средств, либо с помощью механических средств, таких как шарико-дисковый интегратор , может регистрировать смещение или пройденное расстояние, причем этот последний механический метод использовался ранними системами наведения до появления подходящие цифровые компьютеры.
В большинстве реализаций PIGA сам гироскоп закреплен на конце маятникового рычага и действует как сама маятниковая масса. Для каждого измерения ИНС может потребоваться до трех таких приборов, при этом три акселерометра будут установлены ортогонально, как правило, на платформе, гироскопически стабилизированной внутри системы подвесов.
Критическим требованием точности является низкое статическое трение ( залипание ) в подшипниках маятника; это достигается различными средствами, начиная от двойного шарикоподшипника с наложенным колебательным движением до отклонения подшипника выше его порога или за счет использования газовых или жидкостных подшипников или альтернативного метода плавания гироскопа в жидкости и удержания остаточной массы за счет драгоценные камни или электромагнитные средства. Хотя этот более поздний метод все еще имеет вязкое трение жидкости, он является линейным, не имеет порога и имеет то преимущество, что имеет минимальное статическое трение. Другим аспектом является точный контроль скорости вращения гироскопа.
Ракетами/ракетами, использующими PIGA, были « Полярис » , «Титан» , «Редстоун» , «Юпитер» , «Сатурн V» , «Минитмен» и «Миротворец» .
История
[ редактировать ]PIGA была основана на акселерометре, разработанном доктором Фрицем Мюллером (EMW A4) нацистской эпохи , тогда работавшим в компании Kreiselgeraete, для LEV-3 и экспериментальной системы наведения SG-66 немецкой баллистической ракеты V2 и была известна среди немецких ученые-ракетчики как MMIA «Механический интегрирующий акселерометр Мюллера». В этой системе использовались прецизионные электрические контакты для приведения в действие моментного двигателя, и она достигала точности от 1 части на 1000 до 1 части на 10 000 (на техническом языке это называется ошибкой масштаба от 1000 до 100). Это было эквивалентно точности около 600 м при скорости V2 1500 м/с и полете 320 км. Поскольку количество оборотов вала представляло скорость, кулачковый переключатель использовался для инициирования последовательностей управления ракетой, таких как дросселирование и выключение двигателя.
Восстановленный акселерометр MMIA из неразорвавшегося V2 был представлен доктору Чарльзу Старку Дрейперу Массачусетского технологического института из приборостроительной лаборатории , который разрабатывал основы инерциальной навигации для самолетов, первоначально концентрируя усилия на создании гироскопов с чрезвычайно низкой скоростью дрейфа, известных как плавающие интегрирующие гироскоп. Дрейпер объединил идеи своих интегрирующих гироскопов, которые были установлены в банках, плавающих в жидкостях, удерживаемых на месте подшипниками с драгоценными камнями, с восстановленным акселерометром V2, за счет плавающей части маятникового гироскопа. Более общее название PIGA было предложено доктором Дрейпером в связи с добавлением различных усовершенствований, таких как электромагнитное или оптическое определение положения маятника. Такие акселерометры использовались в системах МБР Titan II, Polaris и Minuteman.
Акселерометры PIGA, установленные в AIRS (Advanced Inertial Reference Sphere), являются частью наиболее точной системы инерциальной навигации (INS), разработанной для ракеты Peacekeeper. Скорость дрейфа ИНС менее 1,5х10. −5 градусов в час работы, около 8,5 м в час, при этом на общую точность ракеты больше влияют дефекты гравитационных карт.
В Редстоунском арсенале и прилегающем к нему Центре космических полетов Маршалла, недалеко от Хантсвилла, штат Алабама, контингент бывших немецких ученых-ракетчиков, прибывших в Соединенные Штаты в рамках операции «Скрепка» , включая доктора Мюллера, продолжал совместно совершенствовать свои оригинальные инструменты. с американскими инженерами и учеными. По предложению доктора Мюллера была решена технически сложная задача по замене оригинальных шарикоподшипников на газообразные. Первоначально использовался сжатый азот, но позже стали использоваться фторуглероды , преимущество которых заключалось в том, что их можно было перерабатывать на борту ракеты или самолета в течение длительных периодов ожидания. Следовательно, американские акселерометры были либо плавающего типа, либо газового подшипника, а армия США и космическая программа США полагались на последний тип приборов.
Ссылки
[ редактировать ]- «Разработки в области автоматического наведения и управления ракетами», Уолтер Хауссерманн , The Bendix Corporation, Хантсвилл, Алабама, VOL. 4, НЕТ. 3 J. НАПРАВЛЕНИЕ И КОНТРОЛЬ, МАЙ-ИЮНЬ 1981 г., История ключевых технологий AIAA 81-4120. Из цифровой библиотеки Американского института аэронавтики и астронавтики AIAA.
- AIAA 2001-4288, «Маятниковый интегрирующий гироскоп-акселерометр (PIGA) от V-2 до Trident D5, стратегический инструмент выбора», Р. Э. Хопкинс, Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc. Кембридж, Массачусетс, доктор Фриц К. Мюллер , Доктор Вальтер Хойсерманн, Хантсвилл, Алабама, Конференция и выставка по наведению, навигации и управлению, 6-9 августа 2001 г., Монреаль, Канада. Из цифровой библиотеки Американского института аэронавтики и астронавтики AIAA.
- Маккензи, Дональд (1990). Изобретая точность: историческая социология наведения ядерных ракет . МТИ Пресс.