Uno schema dell'unità di misura inerziale, che utilizza un sistema cardanico per misurare la velocità e l'assetto di un veicolo spaziale. (Clicca qui per un'immagine più grande.) Per gentile concessione della NASA Se hai letto articoli come Come funzionava la navicella spaziale Apollo, hai visto il termine gimbal. Se non l'hai letto, un gimbal è una piattaforma che può ruotare. Che cosa significa? Bene, significa che invece di essere fissato ad una base immobile, un oggetto su un gimbal può ruotare lungo almeno un asse. Nel mondo dell'aeronautica, questi assi sono Rotolo , pece e imbardata .
È più facile da capire roll, beccheggio e imbardata visualizzando un oggetto come un aeroplano. Pensa a una linea immaginaria che attraversa la parte anteriore dell'aereo e fuoriesce dal retro. Una rotazione lungo questa linea comporterebbe un rollio:l'aereo comincerebbe a fare rollio a botte.
Ora immagina un'altra linea che attraversa entrambe le ali dell'aereo. Una rotazione lungo questa linea è un cambiamento di tono. L'aereo o sale o si tuffa, a seconda della direzione del passo. Un cerchio completo sarebbe un loop-the-loop.
Finalmente, immagina una linea verticale che esce dalla parte superiore e inferiore del piano. Questo è l'asse di imbardata. La rotazione lungo questa linea determina un cambiamento di direzione per il piano, a destra oa sinistra.
Un oggetto montato su tre o più gimbal può girare in quasi tutte le direzioni. Questo può tornare utile quando è necessario assicurarsi che l'orientamento di un oggetto in relazione a una particolare direzione rimanga stabile. Come? Diamo un'occhiata a un esempio.
Immagina un tavolo da biliardo a bordo di una nave da crociera. Se fosse un tavolo normale, le palle da biliardo rotolavano avanti e indietro sulla superficie del tavolo mentre la nave rollava, beccheggio e imbardata cambiati. Ma un tavolo da biliardo montato su un sistema cardanico potrebbe adattarsi ai cambiamenti nell'orientamento della nave, mantenendo una superficie di gioco uniforme. Da un osservatore a bordo della nave, sembrerebbe che il tavolo si inclini in modi insoliti. Se dovessi stare sul tavolo, sembrerebbe che il resto della nave si stia inclinando.
Che aspetto ha un sistema cardanico? Scopri nella prossima sezione.
Sulla sinistra, puoi vedere come ogni gimbal consente la rotazione attorno a un asse specifico. Sulla destra, puoi vedere una serie di gimbal nel blocco cardanico. Il gimbal più interno non può cambiare intonazione a meno che qualcuno non metta i gimbal in un'altra posizione. Come funzionano le cose Mentre un gimbal può essere qualsiasi supporto che può ruotare attorno a un asse, la maggior parte dei sistemi cardanici sembra una serie di anelli concentrici. L'anello più esterno si monta su una superficie più ampia, come il cruscotto di una barca. L'anello successivo più grande si collega all'anello più esterno in due punti perpendicolari alla superficie di montaggio dell'anello esterno. Quindi, il terzo anello più grande si monta sul secondo più grande in due punti perpendicolari al collegamento tra il primo e il secondo anello, e così via. Suona confuso? Dai un'occhiata alla seguente illustrazione.
Ogni anello può ruotare attorno a un asse. Come è utile? Da solo, è solo interessante da guardare. Ma montando un oggetto al centro del sistema, puoi assicurarti che l'oggetto possa essere rivolto in qualsiasi direzione particolare in qualsiasi momento.
Bene, quasi ogni direzione in qualsiasi momento. Un problema con i sistemi gimbal è blocco cardanico . Il blocco del gimbal si verifica quando due assi in un sistema a tre gimbal si allineano. Quando ciò accade, il movimento dell'oggetto è limitato. Un'intera gamma di movimento diventa impossibile. Questo è quello che vedi a destra nell'illustrazione sopra.
Il blocco cardanico è un problema serio. Esistono due modi per evitare il blocco del gimbal. Uno è quello di regolare i gimbal, o manovrando la superficie in modo che i gimbal oscillino in un altro modo o ripristinando fisicamente i gimbal stessi. Se si verifica il blocco del gimbal, i gimbal devono essere ripristinati per funzionare di nuovo. Un'altra soluzione è aggiungere più gimbal al sistema. L'aggiunta di un quarto gimbal aiuta ad eliminare il blocco del gimbal, ma rende anche il sistema più ingombrante e complicato. Poiché la maggior parte dei gimbal fa parte di sistemi elettronici, aggiungere più complessità non è sempre la scelta migliore.
I gimbal consentono ai progettisti di creare dispositivi più flessibili di quelli fissi, dispositivo fisso. È anche possibile orientare un dispositivo in modo che sia rivolto in una direzione specifica indipendentemente da come si muove o cambia l'ambiente circostante. Tale applicazione ha dozzine di usi, che vanno da un portabicchieri che si regola in modo da non doversi preoccupare di versare il caffè a una serie di antenne satellitari che possono girare per affrontare i segnali in arrivo.
Quindi cosa ha a che fare questo con la NASA? Scopri nella prossima sezione.
Gyre e GimbalChe tipo di dispositivi utilizzano i sistemi gimbal? Si presentano in tutti i tipi di applicazioni, dal banale all'esotico. Ecco un piccolo esempio:
Il gimbal rig multiasse della NASA viene utilizzato per testare gli astronauti simulando una pericolosa condizione di rotazione del veicolo spaziale. Per gentile concessione della NASA Cosa hanno a che fare i gimbal con la NASA? La risposta si riduce a questo:quasi tutto. Non solo la NASA usa i gimbal durante la progettazione di sistemi di navigazione e pannelli degli strumenti, ma anche per costruire simulatori di addestramento e altri componenti terrestri. Senza gimbal, sarebbe stato molto difficile per la NASA trovare un modo per inviare i primi astronauti nello spazio in sicurezza.
Nelle missioni di addestramento, La NASA utilizza i gimbal per simulare le situazioni che gli astronauti incontreranno nello spazio. Alcune prime simulazioni di addestramento richiedevano agli astronauti di indossare un'imbracatura e penzolare da un sospeso, sistema cardanico per simulare una passeggiata spaziale. Perché gli astronauti erano in una serie di gimbal, potrebbero riorientarsi in direzioni diverse, proprio come potrebbero nello spazio. I gimbal hanno anche svolto un ruolo importante nei simulatori di movimento, conferendo alle cabine del simulatore un maggiore grado di libertà di movimento.
Il One-Man Extravehicular Gimbal Arrangement (OMEGA) consente ai soggetti dei test della NASA di manovrare come se si trovassero in un ambiente a gravità zero. Per gentile concessione della NASA La NASA ha utilizzato i gimbal nei primi veicoli spaziali per qualsiasi cosa, dagli strumenti ai sistemi di propulsione. Nei sistemi di navigazione, i gimbal sono utili per determinare e modificare l'orientamento di un veicolo spaziale in relazione a qualcos'altro, come la Terra o una stazione spaziale. I gimbal sono utili anche per componenti come i pannelli solari. Montato su un sistema cardanico, i pannelli possono inclinarsi e ruotare per affrontare il sole anche se l'orientamento della navicella cambia.
Uno degli strumenti più importanti per i veicoli spaziali della NASA è il unità di misura inerziale ( IMU ). Un'IMU misura i cambiamenti di tono, rollio, imbardata e accelerazione. L'IMU contiene accelerometri e giroscopi per monitorare i cambiamenti nei veicoli spaziali velocità e atteggiamento . Per le missioni Gemini, La NASA ha utilizzato un sistema a quattro giunti cardanici. Ma per le missioni Apollo, La NASA ha deciso di utilizzare un sistema a tre gimbal. Questo perché gli ingegneri temevano di perdere l'obiettivo di far atterrare un uomo sulla luna prima del 1970 se avessero aspettato di perfezionare un sistema a quattro cardini. Poiché la navicella spaziale Apollo IMU usava solo tre gimbal, gli astronauti dovevano stare all'erta e riallineare la navicella per evitare il blocco del gimbal.
La NASA ha anche utilizzato i gimbal durante la costruzione dei sistemi di propulsione per i veicoli spaziali. Un motore a razzo fisso o un propulsore sarebbe in grado di fornire solo spinta in un'unica direzione. Montato su gimbal, la stessa unità di propulsione potrebbe inclinarsi per fornire spinta in direzioni diverse. Questo è fondamentale ogni volta che un veicolo spaziale deve allinearsi con un altro corpo, se è un'altra navicella spaziale, un pianeta o la luna.
È piuttosto sorprendente pensare che una semplice serie di anelli interconnessi abbia permesso alla NASA di inviare un veicolo spaziale con equipaggio sulla luna. Senza gimbal, non potevamo navigare o viaggiare nello spazio con precisione.
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Gemelli contro ApolloLe missioni Gemini hanno preceduto le missioni Apollo. Ma la navicella Gemini usava un'IMU montata su un sistema a quattro gimbal, e la navicella Apollo doveva fare affidamento su un sistema a tre cardini. Perché? Sebbene le missioni Gemini siano state lanciate prima di quelle Apollo, Il progetto Apollo in realtà è iniziato prima del progetto Gemini. Gli ingegneri di Gemini potrebbero trarre vantaggio dai progetti delle navicelle Apollo e migliorarli durante la costruzione della navicella Gemini.
