PIGA accelerometer

En PIGA ( Pendulous Integrating Gyroscopic Accelerometer ) är en typ av accelerometer som kan mäta acceleration och som samtidigt integrerar denna acceleration mot tiden för att också producera ett hastighetsmått. PIGA:s huvudsakliga användning är i tröghetsnavigeringssystem (INS) för styrning av flygplan och i synnerhet för guidning av ballistiska missiler . Den är uppskattad för sin extremt höga känslighet och noggrannhet i samband med drift över ett brett accelerationsområde. PIGA anses fortfarande vara det främsta instrumentet för strategisk missilstyrning, även om system baserade på MEMS- teknik är attraktiva för lägre prestandakrav.

Funktionsprincip

Avkänningselementet i en PIGA är en hängande massa, fri att svänga genom att vara monterad på ett lager. Ett snurrande gyroskop är fäst så att det hindrar pendeln från att "falla" i accelerationsriktningen. Den hängande massan och dess bifogade gyroskop är själva monterade på en piedestal som kan roteras av en elektrisk vridmomentmotor. Rotationsaxeln för denna piedestal är ömsesidigt ortogonal mot gyroskopets spinaxel samt den axel som pendeln är fri att röra sig i. Rotationsaxeln för denna piedestal är också i riktningen för den uppmätta accelerationen.

Pendelns position avkänns av elektriska precisionskontakter eller med optiska eller elektromagnetiska medel. Skulle accelerationen förskjuta pendelarmen från dess nollläge kommer avkänningsmekanismen att styra momentmotorn och rotera piedestalen så att egenskapen gyroskopisk precession återställer pendeln till dess nollläge. Sockelns rotationshastighet anger accelerationen medan axelns totala antal rotationer anger hastigheten, därav termen "integrering" i PIGA-akronymen. En ytterligare nivå av integration av axelrotationer med antingen elektroniska medel eller mekaniska medel, såsom en kul-och-skiva-integrator, kan registrera förskjutningen eller tillryggalagd sträcka, varvid den senare mekaniska metoden används av tidiga styrsystem innan de är tillgängliga lämpliga digitala datorer.

I de flesta implementeringar av PIGA är själva gyroskopet fribärande på änden av pendelarmen för att fungera som själva pendulmassan. Upp till tre sådana instrument kan krävas för varje dimension av en INS med de tre accelerometrarna monterade ortogonalt generellt på en plattform stabiliserad gyroskopiskt inom ett system av kardan.

Ett kritiskt krav på noggrannhet är låg statisk friktion ( stiction ) i pendelns lager; detta uppnås på olika sätt, allt från dubbla kullager med en överlagrad oscillerande rörelse till att vibrera lagret över dess tröskel eller genom användning av gas- eller vätskelager eller genom den alternativa metoden att flyta gyroskopet i en vätska och hålla kvar restmassan genom att juvellager eller elektromagnetiska medel. Även om denna senare metod fortfarande har vätskans viskösa friktion är den linjär och har ingen tröskel och har fördelen av att ha minimal statisk friktion. En annan aspekt är den exakta kontrollen av gyroskopets rotationshastighet.

Missiler som använde PIGA var Polaris , Titan , Redstone , Jupiter , Saturn Series och MX Peacekeeper .

Historia

PIGA var baserad på en accelerometer utvecklad av Dr. Fritz Mueller , då från Kreiselgeraete Company, för LEV-3 och experimentella SG-66 styrsystem för nazisttidens tyska V2 (EMW A4) ballistiska missil och var känd bland tyska raketforskare som MMIA "Mueller Mechanical Integrating Accelerometer". Detta system använde elektriska precisionskontakter för att aktivera vridmomentmotorn och uppnådde en noggrannhet på 1 del på 1000 till 1 del per 10000 känt på tekniskt språk som ett skalfel på 1000 till 100. Detta motsvarade ungefär 600 m noggrannhet över V2 1500 m/s hastighet och 320 km flygning. Eftersom antalet axelrotationer representerade hastighet, användes en kamomkopplare för att initiera missilkontrollsekvenser såsom motorns gaspådrag och avstängning.

PIGA-accelerometrar monterade i AIRS (Advanced Inertial Reference Sphere) är en del av den mest exakta tröghetsnavigeringen (INS) som utvecklats för MX-missilen. INS-drifthastigheterna är mindre än 1,5 x 10 ⁻⁵ grader per timmes drift, cirka 8,5 m per timme med missilens totala noggrannhet som påverkas mer av defekter i gravitationskartorna.

En återvunnen MMIA-accelerometer från en oexploderad V2 presenterades för Dr Charles Stark Draper från USA:s MIT-instrumenteringslabb som hade utvecklat grunden för tröghetsnavigering för flygplan genom att initialt koncentrera ansträngningarna på att uppnå extremt låga gyroskop med avdriftshastighet, känt som ett flytande integrerande gyroskop . Draper kombinerade idéer från sina integrerande gyroskop, som var monterade i burkar som flöt i vätskor som hölls på plats av juvelförsedda lager, med den återvunna V2-accelerometern genom att flyta pendel-gyroskopdelen. Det mer generiska namnet på PIGA föreslogs av Dr Draper på grund av tillägget av olika förbättringar såsom elektromagnetisk eller optisk avkänning av pendelposition. Sådana accelerometrar användes i systemen Titan II och Polaris Systems och Minuteman.

Vid Redstone Arsenal och det angränsande Marshall Space Flight Center, nära Huntsville, Alabama, fortsatte kontingenten av före detta tyska raketforskare som hade förts in i USA under Operation Paperclip, inklusive Dr Mueller, att förfina sina originalinstrument i samband med amerikanska ingenjörer och vetenskapsmän. På förslag av Dr Mueller uppnåddes den tekniskt svåra uppgiften att ersätta de ursprungliga kullagren med gaslager. Till en början användes komprimerat kväve men senare användes fluorkolväten som hade fördelen att kunna återvinnas ombord på missilen eller flygplanet under längre vänteperioder. Därför bestod amerikanska accelerometrar antingen av den flytande typen eller den gasformiga typen med den amerikanska arméns och amerikanska rymdprogrammet som förlitade sig på den senare typen av instrument.

• "Utvecklingar inom området för automatisk styrning och kontroll av raketer", Walter Haeussermann , The Bendix Corporation, Huntsville, Ala. VOL. 4, NEJ. 3 J. VÄGLEDNING OCH KONTROLL MAJ-JUNI 1981, Nyckelteknologiers historia AIAA 81-4120. Från AIAA American Institute for Aeronautics & Astronautics Digital Library
• AIAA 2001-4288, "The Pendulous Integrating Gyroscope Accelerometer (PIGA) från V-2 till Trident D5, Strategic Instrument of Choice", RE Hopkins The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Cambridge, MA, Dr Fritz K. Mueller , Dr. Walter Haeussermann, Huntsville, AL, konferens och utställning för vägledning, navigering och kontroll, 6-9 augusti 2001 Montreal, Kanada. Från AIAA American Institute for Aeronautics & Astronautics Digital Library
• MacKenzie, Donald (1990). Inventing Accuracy: An Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance . MIT Press.