Un esquema de la unidad de medida inercial, que utiliza un sistema de cardán para medir la velocidad y la actitud de una nave espacial. (Haga clic aquí para ampliar la imagen). Cortesía de la NASA. Si ha leído artículos como Cómo funcionó la nave espacial Apollo, has visto el término cardán. Si no lo ha leído, un cardán es una plataforma que puede pivotar. ¿Qué significa eso? Bien, significa que en lugar de estar fijado a una base inmóvil, un objeto en un cardán puede girar a lo largo de al menos un eje. En el mundo de la aeronáutica, estos ejes son rollo , terreno de juego y guiñada .
Es más fácil de entender el rollo cabeceo y guiñada visualizando un objeto como un avión. Piense en una línea imaginaria que atraviese la parte delantera del avión y salga por la parte trasera. Una rotación a lo largo de esta línea daría como resultado un balanceo:el avión comenzaría a hacer rollos de barril.
Ahora imagina otra línea que atraviesa ambas alas del avión. Una rotación a lo largo de esta línea es un cambio de tono. El avión sube o se zambulle, dependiendo de la dirección del terreno de juego. Un círculo completo sería un bucle.
Finalmente, imagina una línea vertical que sale de la parte superior e inferior del avión. Este es el eje de guiñada. Girar a lo largo de esta línea da como resultado un cambio en la dirección del avión, ya sea hacia la derecha o hacia la izquierda.
Un objeto montado en tres o más cardanes puede girar en casi cualquier dirección. Esto puede resultar útil cuando necesite asegurarse de que la orientación de un objeto en relación con una dirección en particular permanezca estable. ¿Cómo? Veamos un ejemplo.
Imagínese una mesa de billar a bordo de un crucero. Si fuera una mesa normal, las bolas de billar rodaban hacia adelante y hacia atrás por la superficie de la mesa a medida que el barco avanzaba, cambio de cabeceo y guiñada. Pero una mesa de billar montada en un sistema de cardán podría ajustarse a los cambios en la orientación del barco, mantener una superficie de juego nivelada. De un observador a bordo del barco, Parecería que la mesa se inclina de manera inusual. Si tuvieras que pararte sobre la mesa, Parecería que el resto de la nave se estaba inclinando.
¿Cómo se ve un sistema de cardán? Descúbrelo en la siguiente sección.
A la izquierda, puede ver cómo cada cardán permite la rotación alrededor de un eje específico. A la derecha, puede ver un conjunto de cardán en el bloqueo del cardán. El cardán más interno no puede cambiar de tono a menos que alguien coloque los cardanes en otra posición. Como funcionan las cosas Mientras que un cardán puede ser cualquier soporte que pueda pivotar alrededor de un eje, la mayoría de los sistemas de cardán se ven como una serie de anillos concéntricos. El anillo más externo se monta en una superficie más grande, como el panel de instrumentos de un barco. El siguiente anillo más grande se conecta al anillo más exterior en dos puntos que son perpendiculares al montaje de la superficie del anillo exterior. Luego, el tercer anillo más grande se monta al segundo más grande en dos puntos perpendiculares a la conexión entre el primer y el segundo anillo, etcétera. ¿Suena confuso? Eche un vistazo a la siguiente ilustración.
Cada anillo puede girar alrededor de un eje. ¿Cómo es esto útil? Por sí mismo, es interesante de ver. Pero al montar un objeto en el centro del sistema, puede asegurarse de que el objeto pueda mirar hacia cualquier dirección en particular en cualquier momento.
Bien, casi en cualquier dirección en cualquier momento. Un problema con los sistemas de cardán es bloqueo de cardán . El bloqueo del cardán ocurre cuando dos ejes en un sistema de tres cardán se alinean. Cuando eso pasa, el movimiento del objeto es limitado. Todo un rango de movimiento se vuelve imposible. Esto es lo que ve a la derecha en la ilustración de arriba.
El bloqueo del cardán es un problema grave. Hay dos formas de evitar el bloqueo del cardán. Uno es ajustar los cardanes, ya sea maniobrando la superficie para que los cardanes se balanceen en otra dirección o restableciendo físicamente los propios cardanes. Si se produce un bloqueo del cardán, los cardanes deben reiniciarse para que funcionen nuevamente. Otra solución es agregar más cardanes al sistema. Agregar un cuarto cardán ayuda a eliminar el bloqueo del cardán, pero también hace que el sistema sea más voluminoso y complicado. Dado que la mayoría de los cardanes son parte de sistemas electrónicos, agregar más complejidad no siempre es la mejor opción.
Los cardanes permiten a los diseñadores crear dispositivos que son más flexibles que un fijo, dispositivo estacionario. También es posible orientar un dispositivo para que mire en una dirección específica independientemente de cómo se mueva o cambie su entorno circundante. Esta aplicación tiene decenas de usos, que van desde un portavasos que se ajusta para que no tenga que preocuparse por derramar su café hasta una serie de antenas satelitales que pueden girar para enfrentar las señales entrantes.
Entonces, ¿qué tiene esto que ver con la NASA? Descúbrelo en la siguiente sección.
Gyre y Gimbal¿Qué tipo de dispositivos utilizan sistemas de cardán? Aparecen en todo tipo de aplicaciones, de lo mundano a lo exótico. Aquí hay una pequeña muestra:
La plataforma de cardán multieje de la NASA se utiliza para probar a los astronautas simulando una peligrosa condición de giro de una nave espacial. Cortesía de la NASA. ¿Qué tienen que ver los cardanes con la NASA? La respuesta se reduce a esto:casi todo. La NASA no solo usa cardanes al diseñar sistemas de navegación y paneles de instrumentos, sino también para la construcción de simuladores de entrenamiento y otros componentes terrestres. Sin cardanes Habría sido muy difícil para la NASA encontrar una manera de enviar a los primeros astronautas al espacio de manera segura.
En misiones de entrenamiento, La NASA usa cardanes para simular situaciones que los astronautas encontrarán en el espacio. Algunas de las primeras simulaciones de entrenamiento requerían que los astronautas se pusieran un arnés y colgaran de un Sistema de gimbaled para simular un paseo espacial. Debido a que los astronautas estaban en un juego de cardanes, podrían reorientarse en diferentes direcciones, tal como pudieron en el espacio. Los cardanes también jugaron un papel importante en los simuladores de movimiento, dando a las cabinas del simulador un mayor grado de libertad de movimiento.
La disposición de cardán extravehicular para un solo hombre (OMEGA) permite a los sujetos de prueba de la NASA maniobrar como si estuvieran en un entorno de gravedad cero. Cortesía de la NASA. La NASA usó cardanes en las primeras naves espaciales para todo, desde instrumentos hasta sistemas de propulsión. En los sistemas de navegación, Los cardanes son útiles para determinar y cambiar la orientación de una nave espacial en relación con otra cosa, como la Tierra o una estación espacial. Los cardanes también son útiles para componentes como paneles solares. Montado en un sistema de cardán, los paneles pueden inclinarse y girar para mirar hacia el sol incluso cuando cambia la orientación de la nave espacial.
Uno de los instrumentos de la nave espacial más importantes de la NASA es el unidad de medida Inercial ( IMU ). Una IMU mide los cambios en el tono, balanceo y guiñada, así como aceleración. La IMU contiene acelerómetros y giroscopios para monitorear los cambios en las naves espaciales. velocidad y actitud . Para las misiones de Géminis, La NASA usó un sistema de cuatro cardán. Pero para las misiones Apolo, La NASA decidió ir con un sistema de tres cardán. Eso se debe a que a los ingenieros les preocupaba perder su objetivo de llevar a un hombre a la luna antes de 1970 si esperaban para perfeccionar un sistema de cuatro cardán. Debido a que la nave espacial Apollo IMU solo usó tres cardanes, los astronautas tenían que mantenerse alerta y realinear la nave espacial para evitar el bloqueo del cardán.
La NASA también usó cardanes al construir los sistemas de propulsión para naves espaciales. Un propulsor o motor de cohete fijo solo podría proporcionar empuje en una sola dirección. Montado en cardanes, la misma unidad de propulsión podría inclinarse para proporcionar empuje en diferentes direcciones. Esto es fundamental siempre que una nave espacial deba alinearse con otro cuerpo, si es otra nave espacial, un planeta o la luna.
Es bastante sorprendente pensar que una simple serie de anillos interconectados hizo posible que la NASA enviara una nave espacial tripulada a la luna. Sin cardanes no podíamos navegar o viajar en el espacio con precisión.
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Géminis contra ApoloLas misiones de Géminis precedieron a las misiones de Apolo. Pero la nave espacial Gemini usó una IMU montada en un sistema de cuatro cardán, y la nave espacial Apollo tuvo que depender de un sistema de tres cardán. ¿Porqué es eso? Aunque las misiones de Géminis se lanzaron antes que las de Apolo, El Proyecto Apollo en realidad comenzó antes que el Proyecto Gemini. Los ingenieros de Gemini podrían aprovechar los diseños de la nave espacial Apollo y mejorarlos al construir la nave espacial Gemini.
