En schematisk bild av tröghetsmätningsenheten, som använder ett gimbalsystem för att mäta ett rymdfarkosts hastighet och inställning. (Klicka här för en större bild.) Courtesy NASA Om du har läst artiklar som Hur rymdskeppet Apollo fungerade, du har sett termen gimbal. Om du inte har läst den, en gimbal är en plattform som kan svänga. Vad betyder det? Väl, det betyder att istället för att fixeras till en orörlig bas, ett objekt på en gimbal kan rotera längs minst en axel. I luftfartsvärlden, dessa axlar är rulla , tonhöjd och gira .
Det är lättast att förstå roll, pitch och gäspa genom att visualisera ett objekt som ett flygplan. Tänk på en imaginär linje som går genom planets framsida och ut på baksidan. En rotation längs denna linje skulle resultera i en rulle - planet skulle börja göra fatrullar.
Föreställ dig nu en annan linje som går genom planets båda vingar. En rotation längs denna linje är en förändring i tonhöjd. Planet klättrar eller dyker, beroende på banans riktning. En hel cirkel skulle vara en loop-the-loop.
Till sist, tänk dig en vertikal linje som kommer ut från planets övre och nedre del. Detta är gungaxeln. Att rotera längs denna linje resulterar i en riktningsändring för planet - antingen höger eller vänster.
Ett föremål monterat på tre eller flera gimbal kan vända i nästan vilken riktning som helst. Detta kan vara praktiskt när du behöver se till att ett objekts orientering i förhållande till en viss riktning förblir stabil. Hur? Låt oss titta på ett exempel.
Föreställ dig ett biljardbord ombord på ett kryssningsfartyg. Om det var ett normalt bord, biljardbollarna skulle rulla fram och tillbaka över bordets yta som skeppets rulle, tonhöjd och yaw ändrades. Men ett biljardbord monterat på ett gimbalsystem kan justera för förändringar i fartygets orientering, upprätthåller en jämn spelyta. Från en observatör ombord på fartyget, det skulle se ut som om bordet lutade på ovanliga sätt. Om du skulle stå på bordet, det skulle se ut som om resten av fartyget lutade.
Hur ser ett gimbalsystem ut? Ta reda på det i nästa avsnitt.
Till vänster, du kan se hur varje gimbal tillåter rotation runt en specifik axel. Till höger, du kan se en uppsättning gimbals i gimbal lås. Den innersta gimbalen kan inte förändras i tonhöjd om inte någon sätter gimbalen i en annan position. Hur saker fungerar Medan en gimbal kan vara vilket stöd som helst som kan svänga runt en axel, de flesta gimbalsystem ser ut som en serie koncentriska ringar. Den yttersta ringen monteras på en större yta, som en båts instrumentpanel. Den näst största ringen ansluter till den yttersta ringen vid två punkter som är vinkelräta mot den yttre ringens ytmontering. Sedan, den tredje största ringen monteras på den näst största på två punkter vinkelrätt mot förbindelsen mellan den första och andra ringen, och så vidare. Låter förvirrande? Ta en titt på följande illustration.
Varje ring kan svänga runt en axel. Hur är detta användbart? På egen hand, det är bara intressant att titta på. Men genom att montera ett objekt i mitten av systemet, du kan se till att objektet kan vända sig åt någon särskild riktning när som helst.
Väl, nästan vilken riktning som helst. Ett problem med gimbalsystem är gimbal lås . Gimbal-lås uppstår när två axlar i ett tre-gimbal-system är i linje. När det händer, objektets rörelse är begränsad. Ett helt rörelseomfång blir omöjligt. Detta är vad du ser till höger i ovanstående illustration.
Gimbal lås är ett allvarligt problem. Det finns två sätt att undvika kardanspärr. Det ena är att justera gimbal, antingen genom att manövrera ytan så att gimbalerna svänger ett annat sätt eller genom att fysiskt återställa gimbalarna själva. Om gimbal lås uppstår, gimbalarna måste återställas för att fungera igen. En annan lösning är att lägga till fler gimbals till systemet. Att lägga till en fjärde gimbal hjälper till att eliminera gimbal lås, men det gör också systemet större och mer komplicerat. Eftersom de flesta gimbals är en del av elektroniska system, att lägga till mer komplexitet är inte alltid det bästa valet.
Gimbals tillåter designers att skapa enheter som är mer flexibla än en fast, stationär enhet. Det är också möjligt att orientera en enhet så att den vetter mot en specifik riktning oberoende av hur den omgivande miljön rör sig eller förändras. En sådan applikation har dussintals användningsområden, allt från en kopphållare som justeras så att du inte behöver oroa dig för att spilla ditt kaffe till en rad satellitantenner som kan vända sig mot inkommande signaler.
Så vad har detta att göra med NASA? Ta reda på det i nästa avsnitt.
Gyre och GimbalVilken typ av enheter använder gimbalsystem? De dyker upp i alla möjliga applikationer, från det vardagliga till det exotiska. Här är ett litet urval:
NASA:s multi-axel gimbalrigg används för att testa astronauter genom att simulera ett farligt spinnförhållande för rymdfarkoster. Med tillstånd av NASA Vad har gimbals att göra med NASA? Svaret går ut på detta:nästan allt. NASA använder inte bara kardborre när man utformar navigationssystem och instrumentpaneler, men också för att bygga träningssimulatorer och andra markbundna komponenter. Utan gimbal, det hade varit mycket svårt för NASA att hitta ett sätt att skicka de första astronauterna upp i rymden säkert.
I utbildningsuppdrag, NASA använder gimbals för att simulera situationer astronauter kommer att stöta på i rymden. Vissa tidiga träningssimuleringar krävde att astronauter tog på sig en sele och dinglade från en hängande, gimbaled -system för att simulera en rymdpromenad. Eftersom astronauterna var i en uppsättning gimbaler, de kunde omorientera sig till olika riktningar, precis som de kunde i rymden. Gimbals spelade också en viktig roll i rörelsesimulatorer, ger simulatorhytter en högre grad av rörelsefrihet.
One-Man Extravehicular Gimbal Arrangement (OMEGA) låter NASA-testpersoner manövrera som om de befinner sig i en nollg-miljö. Med tillstånd av NASA NASA använde gimbals i tidiga rymdfarkoster för allt från instrument till framdrivningssystem. I navigationssystem, gimbals är användbara för att bestämma och ändra orienteringen av ett rymdfarkoster i förhållande till något annat, som jorden eller en rymdstation. Gimbals är också användbara för komponenter som solpaneler. Monterad på ett gimbalsystem, panelerna kan luta och rotera mot solen även om rymdfarkostens orientering ändras.
Ett av NASA:s viktigaste rymdfarkostinstrument är tröghetsmätningsenhet ( IMU ). En IMU mäter förändringar i tonhöjd, rulla och gäpa samt acceleration. IMU innehåller accelerometrar och gyroskop för att övervaka förändringar i rymdfarkoster hastighet och attityd . För Gemini -uppdragen, NASA använde ett system med fyra gimbal. Men för Apollo -uppdragen, NASA bestämde sig för att gå med ett tre-gimbal-system. Det beror på att ingenjörer oroade sig för att de skulle missa sitt mål att landa en man på månen före 1970 om de väntade på att göra ett fyrgimbalsystem perfekt. Eftersom Apollo -rymdfarkosten IMU endast använde tre gimbal, astronauter var tvungna att vara vaksamma och justera rymdfarkosten för att undvika gimbal -lås.
NASA använde också gimbals när de byggde framdrivningssystemen för rymdfarkoster. En fast raketmotor eller thruster skulle bara kunna ge dragkraft i en enda riktning. Monterad på kardborre, samma framdrivningsenhet kan luta för att ge drag i olika riktningar. Detta är kritiskt när en rymdfarkost måste anpassa sig till en annan kropp, om det är en annan rymdfarkost, en planet eller månen.
Det är ganska fantastiskt att tänka på att en enkel serie av sammankopplade ringar gjorde det möjligt för NASA att skicka ett bemannat rymdfarkoster till månen. Utan gimbal, vi kunde inte navigera eller resa i rymden med någon precision.
Vill du lära dig mer om NASA och andra ämnen? Ange en kurs för länkarna på följande sida.
Tvillingarna mot ApolloGemini -uppdragen föregick Apollo -uppdragen. Men Gemini-rymdfarkosten använde en IMU monterad på ett fyrgimbalsystem, och rymdfarkosten Apollo var tvungna att förlita sig på ett tre-kardansystem. Varför är det så? Även om Gemini -uppdragen lanserades före Apollon, Project Apollo kom faktiskt igång innan Project Gemini. Ingenjörer för Gemini kan dra nytta av Apollos rymdfarkostdesign och förbättra dem när de bygger Gemini -rymdfarkosten.
