I sistemi di guida e navigazione (2) – La IMU

La Inertial Measurement Unit dell’Apollo

Dopo l’introduzione della settimana scorsa, cominciamo ad esaminare le singole componenti del PGNCS. E parto dalla Inertial Measurment Unit, la IMU.

Una IMU (Inertial Measurement Unit) è un dispositivo elettronico che misura la velocità e l’orientamento di un veicolo utilizzando una combinazione di accelerometri e giroscopi. Come abbiamo visto questo dispositivo costituisce l’elmetto fondamentale di un sistema di navigazione inerziale (INS). I dati ottenuti dalla IMU del CSM o del LM permettevano all’AGC di determinare la posizione della capsula utilizzando un metodo noto come Dead Reckoning (Navigazione Stimata, in italiano).

La IMU ideata dal MIT per l’Apollo venne derivata da quella che Charles Stark Draper e il suo team utilizzarono per il missile Polaris.

Lo schema della IMU

La IMU conteneva tre giroscopi (Inertial Rate Integrating Gyros, IRIG) e sei accelerometri: tre Angular Differentiating Accelerometers (ADA) e tre Pulsed Integrating Pendulous Accelerometers (PIPA). Gli IRIG, i PIPA e uno degli ADA erano installati su un stable member (piattaforma stabile) montata sulla più interna delle tre sospensioni cardaniche (la traduzione di ‘gimbal’, termine che userò da qui in avanti per brevità) che costituivano il cuore della IMU: gli Outer, Middle, e Inner gimbal. Quindi aveva tre gradi di libertà di movimento. Gli altri due ADA erano montati sul middle gimbal. Ogni dislocamento della piattaforma veniva rilevata dagli IRIG (magnitudine e direzione) e dagli ADA (velocità di dislocamento). La posizione della piattaforma veniva ristabilita utilizzando dei motori (gimbal toque motors) che agivano sull’orientamento dei gimbal fino all’annullamento del valore letto dagli IRIG.
I PIPA erano invece montati in modo ortogonale tra loro sulla piattaforma e misuravano le variazioni nella velocità della capsula lungo i tre assi fondamentali: questa informazione veniva passata all’AGC e, unita alla conoscenza di una posizione iniziale, permetteva l’aggiornamento della posizione, della velocità e della traiettoria stimata.

I dati dei vari sensori passavano attraverso le Coupling Display Unit (CDU), essenzialmente dei convertitori analogico-digitale / digitale-analogico. Erano quindi dispositivi bidirezionali per interfacciare l’Inertial Subsystem (ISS) con l’AGC.

L’interno della IMU

Uno degli svantaggi principali dell’utilizzo di una IMU per la navigazione è che tende a ‘divergere’ (‘drifting’): poiché il sistema continua ad aggiornare la sua posizione in base alla misura di variazioni (di velocità e posizione) rispetto ai valori precedenti, ogni errore nella misurazione, seppur piccolo se preso individualmente, si accumula. Nel caso dell’Apollo la IMU divergeva di un milliradiante all’ora.

Prima del lancio il PGNCS dell’Apollo veniva allineato tramite una apposita REFSMMAT (Reference To Stable Member Matrix): un lungo acronimo che indicava semplicemente una definizione numerica di un orientamento predefinito dello stable member della IMU rispetto ad un sistema di riferimento inerziale (solitamente le stelle). Ogni variazione dell’orientamento della capsula era misurato come cambiamento rispetto al valore della REFSMMAT. L’orientamento assoluto della capsula veniva determinato a partire dalla REFSMMAT, aggiungendo il cambiamento rilevato dai sensori della IMU. Nel corso di una missione, la REFSMMAT utilizzata, e quindi l’orientamento di riferimento dello stable member, cambiava in base alle necessità operative (ma mai durante una fase di volo attivo, a motori accesi). La REFSMMAT scelta era importante soprattutto per gli astronauti poiché doveva rendere di facile interpretazione i dati sull’orientamento (ad esempio quelli letti sull’FDAI). Sono state utilizzate fino a 8 REFSMMAT nel corso delle missioni più complesse.

Il modo utilizzato per verificare il corretto orientamento della piattaforma inerziale era quello di confrontarlo con un sistema di coordinate stabile – nella maggior parte dei casi le stelle. Il CMP utilizzava il programma P52 del CMC (l’AGC del CSM) insieme al sestante, facente parte del PGNCS, per confrontare la posizione di due stelle (una specie di ‘punto nave’). La differenza tra la posizione rilevata tramite il sestante e quella determinata tramite l’orientamento della IMU era misurata in termini di “gyro torquing angles”: gli angoli (solitamente dell’ordine di qualche millesimo di grado) di cui occorreva modificare la posizione dello stable member per far coincidere le due posizioni delle stelle.

Gimbal Lock
La piattaforma inerziale delle capsule Gemini erano dotate di 4 gimbal. Ne risultava una IMU più pesante ma immune dal problema del Gimbal Lock. Nelle capsule Apollo, principalmente per risparmiare peso, venne deciso di utilizzare 3 soli gimbal. Se 2 dei 3 gimbal venivano a trovarsi allineati, la IMU perdeva la capacità di distinguere l’orientamento lungo i tre assi di riferimento. Era necessario un completo riallineamento della piattaforma inerziale (per informazioni chiedere a Lovell che durante Apollo 8 fu costretto ad effettuarne uno). Le manovre e le REFSMMAT venivano accuratamente calcolati per mantenersi a distanza dalla zona a rischio. Sulle FDAI le aree a rischio gimbal lock erano indicate in rosso. Il LM era dotato di apposite luci di allarme (‘no att’) per avvertire gli astronauti della prossimità alla zona a rischio.

Circa 2 ore dopo l’allunaggio di Apollo 11, il CMP Mike Collins, ebbe la seguente conversazione con il Capcom Owen Garriott.

Garriott: Columbia, Houston. Notiamo che stai manovrando in prossimità del Gimbal Lock. Ti suggeriamo di allontanarti da esso. Passo.
Collins: Si. Mi ci sono avvicinato eseguendo una manovra CMC Auto al valore di rollio 270, beccheggio 101, imbardata 45.
Garriott: Roger, Columbia. (lunga pausa)
Collins: (con tono scherzoso) Cosa ne dite di spedirmi un quarto gimbal per Natale?

Secondo Neil Armstrong: “Questo è Mike al meglio. Lui sapeva benissimo che avevamo un quarto gimbal sulle Gemini”

Lascia un commento

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...