PIGA 가속도계

PIGA accelerometer

PIGA는 가속도를 측정할 수 있는 가속도계의 일종으로, 시간에 대비하여 이 가속도를 통합하여 속도 측정도 가능하다. PIGA의 주요 용도는 관성 항법 시스템(Institial Navigation Systems, INS)에 있으며, 특히 탄도 미사일 유도용이다. 광범위한 가속도 범위에서 작동과 연계해 극도로 높은 감도와 정확도로 평가된다. PIGA는 MEMS 기술에 기반한 시스템이 낮은 성능 요구사항에 매력적이긴 하지만 여전히 전략적인 등급의 미사일 지침의 최고의 도구로 간주되고 있다.

작동 원리

PIGA의 감지 요소는 베어링에 탑재되어 피벗이 자유로운 펜들형 질량이다. 회전하는 자이로스코프는 가속 방향으로 진자가 "떨어지는" 것을 억제하도록 부착된다. 펜들형 질량과 부착된 자이로스코프 자체는 전기 토크 모터로 회전할 수 있는 받침대 위에 탑재된다. 이 받침대의 회전축은 자이로스코프의 회전축과 진자가 자유롭게 이동할 수 있는 축과 상호 직교한다. 이 받침대의 회전 축도 측정 가속도 방향에 있다.

진자의 위치는 정밀 전기 접점 또는 광학 또는 전자기 수단으로 감지된다. 가속이 진자 암을 null 위치에서 치환하는 경우 감지 메커니즘은 토크 모터를 작동하고 자이로스코프 전처리 특성이 진자를 null 위치로 복구하도록 받침대를 회전시킨다. 받침대 회전율은 가속도가 붙는 반면 축의 총 회전수는 속도가 붙기 때문에 PIGA 약어로 "통합"이라는 용어가 붙는다. 전자적 수단 또는 볼-디스크 통합자와 같은 기계적 수단에 의한 샤프트 회전 통합의 추가 레벨은 적절한 디지털 컴퓨터의 가용성에 앞서 초기 유도 시스템에 의해 사용되고 있는 변위 또는 이동 거리를 기록할 수 있다.

대부분의 PIGA 구현에서 자이로스코프 자체는 펜딩 질량 그 자체로 작용하기 위해 진자 암의 끝에서 캔틸레버로버링된다. 일반적으로 김발 시스템 내에서 자이로스코프 방식으로 안정화된 플랫폼에 3개의 가속도계가 직교로 탑재된 INS의 각 차원에 대해 최대 3개의 그러한 기구가 필요할 수 있다.

PIGA accelerometer 1.png

정확성에 대한 중요한 요건은 진자의 베어링에 낮은 정적 마찰(스트랙션)이다. 이는 이중 진동 운동을 가진 이중 볼 베어링에서 임계치 이상으로 베어링을 디더링하거나 가스 또는 유체 베어링을 사용하거나 자이로스코프를 떠는 대체 방법에 이르기까지 다양한 방법으로 달성된다.유체를 흡입하고 보석 베어링 또는 전자기 수단으로 잔여 질량을 억제한다. 비록 이 후기 방법은 여전히 유체의 점성 마찰을 가지고 있지만 이것은 선형이고 문턱이 없으며 정전기 마찰을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 또 다른 측면은 자이로스코프의 회전율을 정확하게 제어하는 것이다.

PIGA를 이용한 미사일은 폴라리스, 타이탄, 레드스톤, 목성, 토성 시리즈, MX 피스키퍼였다.

역사

PIGA는 박사가 개발한 가속도계를 기반으로 했다. 프리츠 뮬러 당시 크라이셀레아에테 사의 독일 V2(EMW A4) 탄도 미사일의 LEV-3 및 실험용 SG-66 유도 시스템을 담당했으며 독일 로켓 과학자 사이에서는 MMIA "뮬러 기계 통합 가속도계"로 알려져 있었다. 이 시스템은 토크 모터를 작동하기 위해 정밀 전기 접점을 사용하였고 1000 ~ 100의 스케일 오류로 기술 용어로는 알려진 10000 당 1000 ~ 1 파트의 정확도를 달성하였다. 이는 V2 1500m/s의 속도와 320km의 비행에 대한 약 600m의 정확도에 해당한다. 샤프트 회전 수는 속도를 나타내기 때문에 엔진 스로틀 다운 및 차단과 같은 비산물 제어 시퀀스를 시작하기 위해 캠 스위치를 사용했다.

AIMS(Advanced Inertial Reference Spo)에 탑재된 PIGA 가속도계는 MX Missile용으로 개발된 가장 정확한 관성 항법(Institial Navigation, INS)의 일부다. INS 드리프트 속도는 시간당 1.5 x 10도−5 미만으로, 중력 지도의 결함에 더 많은 영향을 받는 비산물의 전체 정확도를 가진 시간당 약 8.5m이다.

미 MIT 계측 연구소의 찰스 스타크 드레이퍼 박사는 미개척 V2에서 회수된 MMIA 가속도계를 제시했는데, 그는 처음에는 부유 통합 자이로스코프로 알려진 극히 낮은 표류율 자이로스코프를 달성하는 데 집중함으로써 항공기의 관성 항법의 기초를 개발해왔다. 드레이퍼는 보석 베어링에 의해 제자리에 고정된 유체에 떠 있는 캔에 탑재된 그의 통합 자이로스코프에서 나온 아이디어를 진자-자이로스코프 부분을 떠서 회수된 V2 가속도계와 결합했다. PIGA의 보다 일반적인 명칭은 진자 위치의 전자기 또는 광학 감지 등 다양한 정밀한 기술이 추가되었기 때문에 Draper 박사에 의해 제안되었다. 그러한 가속도계는 타이탄 II와 폴라리스 시스템 및 미니트맨 시스템에 사용되었다.

앨라배마주 헌츠빌 인근의 레드스톤 아스널과 인접해 있는 마샬 우주비행센터에서는 뮬러 박사를 비롯한 옛 독일 로켓 과학자들로 구성된 사단이 미국 엔지니어 및 과학자들과 함께 원소속 기구를 계속 다듬었다. 뮬러 박사의 제안으로 원래 볼 베어링을 기체 베어링으로 교체하는 기술적으로 어려운 과제를 달성했다. 처음에는 압축된 질소가 사용되었으나, 나중에는 긴 대기 기간 동안 미사일이나 항공기에 탑승하여 재활용할 수 있다는 장점을 가진 불소화탄소가 사용되었다. 따라서 미국 가속도계는 후자의 기구에 의존하는 미 육군과 미국 우주 프로그램의 부유식 또는 기체 베어링형으로 구성되었다.

참조

  • "로켓의 자동 유도 및 제어 분야의 개발", 월터 해우서만, 더 벤딕스 주식회사, 헌츠빌, 알라. VOL. 4, NO. 3 J. Guidance and Control 1981년 5월, 주요 기술의 역사 AIAA 81-4120 AIAA 미국항공우주연구원 디지털도서관 출처
  • AIAA 2001-4288, "V-2에서 트라이던트 D5까지, 선택 전략 기구인 PIGA" R.E. Hopkins The Charles Stark Draaper Laboratory, Inc. 케임브리지, MA, 프리츠 K 박사님 Mueller, Walter Haussermann 박사, Huntsville, AL, Guidance, Navigation 및 Control Conference & Exhibition, 2001년 8월 6일부터 9일까지 캐나다 몬트리올. AIAA 미국항공우주연구원 디지털도서관 출처
  • MacKenzie, Donald (1990). Inventing Accuracy: An Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance. MIT Press.