Hvad er en gimbal - og hvad har det at gøre med NASA?

Hvis du har læst artikler som Hvordan Apollo -rumfartøjet fungerede, du har set udtrykket gimbal. Hvis du ikke har læst det, en gimbal er en platform, der kan dreje. Hvad betyder det? Godt, det betyder, at i stedet for at blive fastgjort til en urokkelig base, et objekt på en gimbal kan rotere langs mindst en akse. I luftfartsverdenen, disse akser er rulle , tonehøjde og yaw .

Det er lettest at forstå rulle, pitch og gab ved at visualisere et objekt som et fly. Tænk på en imaginær linje, der løber gennem forsiden af ​​flyet og ud af bagsiden. En rotation langs denne linje ville resultere i en rulle - flyet ville begynde at lave tønde ruller.

Forestil dig nu en anden linje, der løber gennem flyets begge vinger. En rotation langs denne linje er en ændring i tonehøjde. Flyet klatrer eller dykker, afhængig af banens retning. En hel cirkel ville være en loop-the-loop.

Endelig, forestil dig en lodret linje, der kommer ud af toppen og bunden af ​​flyet. Dette er gaffelaksen. Rotation langs denne linje resulterer i en retningsændring for flyet - enten til højre eller venstre.

Et objekt, der er monteret på tre eller flere gimbals, kan dreje i næsten enhver retning. Dette kan være praktisk, når du skal sikre dig, at et objekts orientering i forhold til en bestemt retning forbliver stabil. Hvordan? Lad os se på et eksempel.

Forestil dig et billardbord ombord på et krydstogtskib. Hvis det var et normalt bord, billardkuglerne rullede frem og tilbage hen over bordets overflade som skibets rulle, tonehøjde og gab ændret sig. Men et poolbord monteret på et gimbal system kunne justere for ændringer i skibets orientering, opretholde en jævn spilleoverflade. Fra en observatør ombord på skibet, det ville se ud som om bordet vippede på usædvanlige måder. Hvis du skulle stå på bordet, det ville se ud som om resten af ​​skibet vippede.

Hvordan ser et gimbalsystem ud? Find ud af det i det næste afsnit.

Gimbal systemer

Mens en gimbal kan være enhver støtte, der kan dreje rundt om en akse, de fleste gimbalsystemer ligner en række koncentriske ringe. Den yderste ring monteres på en større overflade, som en båds instrumentpanel. Den næststørste ring forbinder den yderste ring på to punkter, der er vinkelret på den ydre rings overflademontering. Derefter, den tredjestørste ring monteres på den næststørste på to punkter vinkelret på forbindelsen mellem den første og anden ring, og så videre. Lyder det forvirrende? Tag et kig på følgende illustration.

Hver ring kan dreje rundt om en akse. Hvordan er dette nyttigt? På egen hånd, det er bare interessant at se på. Men ved at montere en genstand i midten af ​​systemet, du kan sørge for, at objektet til enhver tid kan vende i en bestemt retning.

Godt, næsten enhver retning til enhver tid. Et problem med gimbalsystemer er kardanlås . Gimbal-lås opstår, når to akser i et tre-gimbal-system flugter. Når det sker, objektets bevægelse er begrænset. En hel bevægelse bliver umulig. Det er det, du ser til højre i ovenstående illustration.

Gimbal lås er et alvorligt problem. Der er to måder at undgå kardanlås. Den ene er at justere gimbalerne, enten ved at manøvrere overfladen, så gimbalerne svinger en anden vej eller ved fysisk at nulstille selve gimbalerne. Hvis der opstår gimbal -lås, gimbalerne skal nulstilles for at fungere igen. En anden løsning er at tilføje flere gimbals til systemet. Tilføjelse af en fjerde gimbal hjælper med at fjerne gimbal lås, men det gør også systemet større og mere kompliceret. Da de fleste gimbals er en del af elektroniske systemer, tilføjelse af mere kompleksitet er ikke altid det bedste valg.

Gimbals giver designere mulighed for at oprette enheder, der er mere fleksible end en fast, stationær enhed. Det er også muligt at orientere en enhed, så den vender i en bestemt retning uafhængigt af, hvordan dens omgivende miljø bevæger sig eller ændres. En sådan applikation har snesevis af anvendelser, lige fra en kopholder, der justeres, så du ikke skal bekymre dig om at spilde din kaffe til en række satellitantenner, der kan vende sig mod indkommende signaler.

Så hvad har dette at gøre med NASA? Find ud af det i det næste afsnit.

Hvilken slags enheder bruger gimbal -systemer? De vises i alle slags applikationer, fra det hverdagslige til det eksotiske. Her er et lille eksempel:

• Kameraophæng
• Maskinpistol tårne
• Bevægelsessimulatorer
• Parabolmonteret parabol
• Sporbelysningssystem

Gimbals i rummet

Hvad har gimbals at gøre med NASA? Svaret bunder i dette:næsten alt. NASA bruger ikke kun gimbals ved design af navigationssystemer og instrumentpaneler, men også til opbygning af træningssimulatorer og andre terrestriske komponenter. Uden gimbals, det ville have været meget svært for NASA at finde en måde at sende de første astronauter sikkert op i rummet.

I uddannelsesmissioner, NASA bruger gimbals til at simulere situationer, astronauter vil støde på, mens de er i rummet. Nogle tidlige træningssimuleringer krævede, at astronauter tog en sele på og dinglede fra en hængende, gimbaled system til at simulere en rumvandring. Fordi astronauterne var i et sæt gimbals, de kunne omlægge sig selv til forskellige retninger, lige som de kunne i rummet. Gimbals spillede også en vigtig rolle i bevægelsessimulatorer, giver simulatorhytter en højere grad af bevægelsesfrihed.

NASA brugte gimbals i tidlige rumfartøjer til alt fra instrumenter til fremdriftssystemer. I navigationssystemer, gimbals er nyttige til bestemmelse og ændring af et rumfartøjs orientering i forhold til noget andet, såsom jorden eller en rumstation. Gimbals er også nyttige til komponenter som solpaneler. Monteret på et gimbal system, panelerne kan vippe og rotere for at vende mod solen, selvom rumfartøjets orientering ændres.

Et af NASAs vigtigste rumfartøjsinstrumenter er inertial måleenhed ( IMU ). En IMU måler ændringer i tonehøjde, rul og gab samt acceleration. IMU indeholder accelerometre og gyroskoper til overvågning af ændringer i rumfartøjer hastighed og holdning . Til Gemini -missionerne, NASA brugte et fire-gimbal system. Men for Apollo -missionerne, NASA besluttede at gå med et tre-gimbal system. Det er fordi ingeniører bekymrede sig for, at de ville gå glip af deres mål om at lande en mand på månen før 1970, hvis de ventede på at perfektionere et fire-gimbal-system. Fordi Apollo -rumfartøjet IMU kun brugte tre gimbals, astronauter måtte være på vagt og justere rumfartøjet for at undgå kardanlås.

NASA brugte også gimbals, når de byggede fremdriftssystemerne til rumfartøjer. En fast raketmotor eller thruster ville kun kunne levere tryk i en enkelt retning. Monteret på gimbals, den samme fremdriftsenhed kunne vippe for at give tryk i forskellige retninger. Dette er kritisk, når et rumfartøj skal rette sig ind i et andet legeme, om det er et andet rumfartøj, en planet eller månen.

Det er ret fantastisk at tænke på, at en simpel serie af sammenkoblede ringe gjorde det muligt for NASA at sende et bemandet rumfartøj til månen. Uden gimbals, vi kunne ikke navigere eller rejse i rummet med nogen præcision.

Vil du lære mere om NASA og andre emner? Indstil et kursus for linkene på den følgende side.

Gemini -missionerne gik forud for Apollo -missionerne. Men Gemini-rumfartøjet brugte en IMU monteret på et fire-gimbal-system, og Apollo-rumfartøjet måtte stole på et tre-gimbal-system. Hvorfor det? Selvom Gemini -missionerne blev lanceret før Apollo -missionerne, Project Apollo kom faktisk i gang før Project Gemini. Ingeniører til Gemini kunne drage fordel af Apollo -rumfartøjsdesign og forbedre dem, når de skulle bygge Gemini -rumfartøjet.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerede rumfartøjet Apollo
• Hvordan fungerer det at gå på badeværelset i rummet?
• Sådan fungerede Gemini -rumfartøjet
• Hvor længe kan et menneske overleve i det ydre rum?
• Sådan fungerede månelandingen
• Sådan fungerer NASA
• Sådan fungerer raketmotorer
• Sådan fungerer satellitter
• Sådan fungerer rumdragter
• Sådan fungerer rumstationer
• Sådan fungerer rumturisme

Flere store links

• NASA

Kilder

• "Vejledning, Navigation og kontrol. "NSTS Shuttle Referencehåndbog. NASA. Adgang 5. maj, 2008. http://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/sts-gnnc.html
• Jones, Eric M. og Fjeld, Paul. "Gimbal vinkler, Gimbal Lock og en fjerde Gimbal til jul. "Apollo Lunar Surface Journal. NASA. 3. januar, 2006. Adgang 5. maj, 2008. http://history.nasa.gov/alsj/gimbals.html
• Smith, S.E. "Hvad er en gimbal?" WiseGeek. Adgang 5. maj, 2008. http://www.wisegeek.com/what-is-a-gimbal.htm
• Ugyldig, Sobeit. "Kvarternionskræfter." Februar 2003. Ver. 1.2. Adgang 5. maj, 2008. http://www.gamedev.net/reference/articles/article1095.asp