Акселерометр PIGA - PIGA accelerometer

А ПИГА (Маятниковый интегрирующий гироскопический акселерометр) является разновидностью акселерометр который может измерять ускорение и одновременно объединять это ускорение со временем, чтобы также произвести измерение скорости. Основное применение PIGA - Инерциальные навигационные системы (INS) для наведения самолетов и особенно для баллистическая ракета руководство. 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 МЭМС технологии привлекательны для более низких требований к производительности.

Принцип действия

Чувствительный элемент PIGA представляет собой подвесную массу, которая может свободно поворачиваться, будучи установленной на подшипнике. Спиннинг гироскоп прикреплен таким образом, чтобы удерживать маятник от «падения» в направлении ускорения. Маятниковая масса и прикрепленный к ней гироскоп установлены на пьедестале, который может вращаться с помощью электродвигателя. Ось вращения этой подставки взаимно ортогональна оси вращения гироскопа, а также оси, по которой маятник может свободно перемещаться. Ось вращения этой подставки также находится в направлении измеренного ускорения.

Положение маятника определяется точными электрическими контактами или оптическими или электромагнитными средствами. Если ускорение смещает рычаг маятника из его нулевого положения, чувствительный механизм будет приводить в действие моментный двигатель и вращать основание так, что свойство гироскопической прецессии возвращает маятник в его нулевое положение. Скорость вращения пьедестала дает ускорение, в то время как общее количество оборотов вала дает скорость, отсюда и термин «интеграция» в аббревиатуре PIGA. Дополнительный уровень интеграции вращения вала с помощью электронных средств или механических средств, таких как Шаровидный интегратор, может записывать смещение или пройденное расстояние, этот последний механический метод использовался ранними системами наведения до появления подходящих цифровых компьютеров.

В большинстве реализаций PIGA сам гироскоп консольно закреплен на конце плеча маятника, чтобы действовать как сама маятниковая масса. Для каждого измерения ИНС может потребоваться до трех таких инструментов с тремя акселерометрами, установленными ортогонально, как правило, на платформе, гироскопически стабилизированной в системе карданов.

Критическим требованием к точности является низкое статическое трение (прикол ) в опорах маятника; это достигается различными способами, начиная от двойного подшипник с наложенным колебательным движением для смещения подшипника выше его порогового значения, или за счет использования газовых или жидкостных подшипников, или альтернативного метода плавания гироскопа в жидкости и ограничения остаточной массы с помощью ювелирные подшипники или электромагнитными средствами. Хотя этот более поздний метод все еще имеет вязкое трение жидкости это линейно, не имеет порога и имеет то преимущество, что имеет минимальное статическое трение. Другой аспект - точный контроль скорости вращения гироскопа.

Ракеты с использованием PIGA были Полярная звезда, Титан, Редстоун, Юпитер, Сатурн серии и MX Peacekeeper.

История

PIGA был основан на акселерометре, разработанном доктором Дж. Фриц Мюллер, затем компании Kreiselgeraete, для LEV-3 и экспериментальной системы наведения SG-66 времен нацизма. V2 (EMW A4) баллистическая ракета и была известна среди немецких ученых-ракетчиков как MMIA «Механический интегрирующий акселерометр Мюллера». В этой системе использовались прецизионные электрические контакты для приведения в действие моментного двигателя и достигалась точность от 1 части на 1000 до 1 части на 10000, известной на техническом языке как ошибка шкалы от 1000 до 100. Это было эквивалентно точности около 600 м на V2 1500 м. / с скорость и полет 320 км. Поскольку число оборотов вала представляет скорость, a Кулачковый переключатель использовался для запуска управляющих последовательностей ракет, таких как дросселирование и выключение двигателя.

Акселерометры PIGA, установленные в ВОЗДУХ (Advanced Inertial Reference Sphere) являются частью самой точной инерциальной навигации (INS), разработанной для ракеты MX. Скорости дрейфа INS меньше 1,5 x 10⁻⁵ градусов в час работы, около 8,5 м в час, при этом на общую точность ракеты больше влияют дефекты гравитационных карт.

Восстановленный акселерометр MMIA из неразорвавшегося V2 был представлен доктору Чарльз Старк Дрейпер лаборатории приборов Массачусетского технологического института США, которые разрабатывали основы инерциальной навигации для самолетов, первоначально сосредоточив усилия на создании гироскопов с чрезвычайно низкой скоростью дрейфа, известных как плавающий интегрирующий гироскоп. Дрейпер объединил идеи своих интегрирующих гироскопов, которые были установлены в канистрах, которые плавали в жидкостях, удерживаемых на месте драгоценными камнями подшипниками, с восстановленным акселерометром V2, перемещая часть маятника-гироскопа. Более общее название PIGA было предложено доктором Дрейпером из-за добавления различных усовершенствований, таких как электромагнитное или оптическое определение положения маятника. Такие акселерометры использовались в системах Titan II, Polaris Systems и Minuteman.

В Redstone Arsenal и прилегающем к нему Центре космических полетов им. Маршалла, недалеко от Хантсвилля, штат Алабама, контингент бывших немецких ученых-ракетчиков был доставлен в Соединенные Штаты Операция Скрепка, включая доктора Мюллера, продолжали совершенствовать свои оригинальные инструменты совместно с американскими инженерами и учеными. По предложению доктора Мюллера технически сложная задача по замене оригинальных шарикоподшипников на газовые подшипники была решена. Первоначально использовался сжатый азот, но позже фторуглероды которые имели то преимущество, что их можно было утилизировать на борту ракеты или самолета в течение длительных периодов ожидания. Таким образом, американские акселерометры были либо плавающего типа, либо газоподшипникового типа, а американская армия и космическая программа США полагались на более поздний тип приборов.

Рекомендации

• «Разработки в области автоматического наведения и управления ракетами», Вальтер Хауссерманн, The Bendix Corporation, Хантсвилл, Алабама, VOL. 4, № 3 J. УПРАВЛЕНИЕ И КОНТРОЛЬ МАЙ-ИЮНЬ 1981, История ключевых технологий AIAA 81-4120. Из Цифровая библиотека Американского института аэронавтики и астронавтики AIAA
• AIAA 2001-4288, «Маятниковый интегрирующий гироскоп-акселерометр (PIGA) от V-2 до Trident D5, стратегического инструмента выбора», R.E. Хопкинс Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc. Кембридж, Массачусетс, доктор Фриц К. Мюллер, доктор Вальтер Хойссерманн, Хантсвилл, Альберта, Конференция и выставка по руководству, навигации и управлению, 6-9 августа 2001 г., Монреаль, Канада. Из Цифровая библиотека Американского института аэронавтики и астронавтики AIAA
• Маккензи, Дональд (1990). Изобретая точность: историческая социология управления ракетным ядерным оружием. MIT Press.