Un schéma de l'unité de mesure inertielle, qui utilise un système de cardan pour mesurer la vitesse et l'attitude d'un vaisseau spatial. (Cliquez ici pour une image plus grande.) Avec l'aimable autorisation de la NASA Si vous avez lu des articles comme Comment fonctionnait le vaisseau spatial Apollo, vous avez vu le terme cardan. Si vous ne l'avez pas lu, un cardan est une plate-forme qui peut pivoter. Qu'est-ce que ça veut dire? Bien, cela signifie qu'au lieu d'être fixé sur une base immobile, un objet sur un cardan peut tourner le long d'au moins un axe. Dans le monde de l'aéronautique, ces axes sont rouler , terrain et embardée .
Il est plus facile de comprendre le rouleau, tangage et lacet en visualisant un objet comme un avion. Pensez à une ligne imaginaire qui traverse l'avant de l'avion et sort par l'arrière. Une rotation le long de cette ligne entraînerait un roulis -- l'avion commencerait à faire des tonneaux.
Imaginez maintenant une autre ligne passant par les deux ailes de l'avion. Une rotation le long de cette ligne est un changement de hauteur. L'avion monte ou plonge, selon le sens du pas. Un cercle complet serait une boucle.
Finalement, imaginez une ligne verticale qui sort du haut et du bas de l'avion. C'est l'axe de lacet. La rotation le long de cette ligne entraîne un changement de direction de l'avion - à droite ou à gauche.
Un objet monté sur trois cardans ou plus peut tourner dans presque toutes les directions. Cela peut être utile lorsque vous devez vous assurer que l'orientation d'un objet par rapport à une direction particulière reste stable. Comment? Regardons un exemple.
Imaginez une table de billard à bord d'un bateau de croisière. Si c'était une table normale, les boules de billard roulaient d'avant en arrière sur la surface de la table pendant que le bateau roulait, le tangage et le lacet ont changé. Mais une table de billard montée sur un système de cardan pourrait s'adapter aux changements d'orientation du navire, maintenir une surface de jeu plane. D'un observateur à bord du navire, il semblerait que la table s'incline de manière inhabituelle. Si tu te tenais sur la table, il semblerait que le reste du navire s'incline.
À quoi ressemble un système de cardan ? Découvrez-le dans la section suivante.
À gauche, vous pouvez voir comment chaque cardan permet une rotation autour d'un axe spécifique. Sur la droite, vous pouvez voir un ensemble de cardans dans le verrouillage du cardan. Le cardan le plus à l'intérieur ne peut pas changer de hauteur à moins que quelqu'un ne mette les cardan dans une autre position. CommentStuffWorks Alors qu'un cardan peut être n'importe quel support pouvant pivoter autour d'un axe, la plupart des systèmes de cardan ressemblent à une série d'anneaux concentriques. L'anneau le plus à l'extérieur se monte sur une plus grande surface, comme le tableau de bord d'un bateau. L'anneau le plus grand suivant se connecte à l'anneau le plus à l'extérieur en deux points perpendiculaires au montage en surface de l'anneau extérieur. Puis, le troisième plus grand anneau se monte sur le deuxième plus grand en deux points perpendiculaires à la connexion entre le premier et le deuxième anneau, etc. Cela semble déroutant ? Jetez un œil à l'illustration suivante.
Chaque anneau peut pivoter autour d'un axe. En quoi est-ce utile ? A lui seul, c'est juste intéressant à regarder. Mais en montant un objet au centre du système, vous pouvez vous assurer que l'objet peut faire face à n'importe quelle direction particulière à tout moment.
Bien, presque n'importe quelle direction à tout moment. Un problème avec les systèmes de cardan est verrou de cardan . Le verrouillage du cardan se produit lorsque deux axes d'un système à trois cardan s'alignent. Quand cela arrive, le mouvement de l'objet est limité. Toute une gamme de mouvement devient impossible. C'est ce que vous voyez à droite dans l'illustration ci-dessus.
Le verrouillage du cardan est un problème sérieux. Il existe deux façons d'éviter le blocage du cardan. L'une consiste à ajuster les cardans, soit en manœuvrant la surface de sorte que les cardans se balancent dans un autre sens, soit en réinitialisant physiquement les cardans eux-mêmes. Si le blocage du cardan se produit, les cardans doivent être réinitialisés pour fonctionner à nouveau. Une autre solution consiste à ajouter plus de cardans au système. L'ajout d'un quatrième cardan permet d'éliminer le blocage du cardan, mais cela rend également le système plus volumineux et plus compliqué. Étant donné que la plupart des cardans font partie de systèmes électroniques, ajouter plus de complexité n'est pas toujours le meilleur choix.
Les cardans permettent aux concepteurs de créer des appareils plus flexibles qu'un fixe, appareil fixe. Il est également possible d'orienter un appareil afin qu'il soit orienté dans une direction spécifique indépendamment de la façon dont son environnement se déplace ou change. Une telle application a des dizaines d'utilisations, allant d'un porte-gobelet qui s'ajuste pour que vous n'ayez pas à vous soucier de renverser votre café à un réseau d'antennes satellites qui peuvent se tourner pour faire face aux signaux entrants.
Alors qu'est-ce que cela a à voir avec la NASA ? Découvrez-le dans la section suivante.
Gyre et cardanQuels types d'appareils utilisent des systèmes de cardan ? Ils apparaissent dans toutes sortes d'applications, du banal à l'exotique. Voici un petit échantillon :
La plate-forme à cardan multi-axes de la NASA est utilisée pour tester les astronautes en simulant une condition de rotation dangereuse d'un vaisseau spatial. Avec l'aimable autorisation de la NASA Qu'est-ce que les cardans ont à voir avec la NASA ? La réponse se résume à ceci :presque tout. Non seulement la NASA utilise des cardans lors de la conception de systèmes de navigation et de tableaux de bord, mais aussi pour la construction de simulateurs d'entraînement et d'autres composants terrestres. Sans cardans, il aurait été très difficile pour la NASA de trouver un moyen d'envoyer les premiers astronautes dans l'espace en toute sécurité.
Dans les missions de formation, La NASA utilise des cardans pour simuler les situations que les astronautes rencontreront dans l'espace. Certaines premières simulations d'entraînement obligeaient les astronautes à enfiler un harnais et à se balancer à une suspension, système à cardan pour simuler une sortie dans l'espace. Parce que les astronautes étaient dans un ensemble de cardans, ils pourraient se réorienter dans des directions différentes, comme ils pourraient le faire dans l'espace. Les cardans ont également joué un rôle important dans les simulateurs de mouvement, donnant aux cabines du simulateur une plus grande liberté de mouvement.
Le One-Man Extravehicular Gimbal Arrangement (OMEGA) permet aux sujets de test de la NASA de manœuvrer comme s'ils se trouvaient dans un environnement à zéro g. Avec l'aimable autorisation de la NASA La NASA a utilisé des cardans dans les premiers vaisseaux spatiaux pour tout, des instruments aux systèmes de propulsion. Dans les systèmes de navigation, les cardans sont utiles pour déterminer et changer l'orientation d'un vaisseau spatial par rapport à autre chose, comme la Terre ou une station spatiale. Les cardans sont également utiles pour les composants tels que les panneaux solaires. Monté sur un système de cardan, les panneaux peuvent s'incliner et pivoter pour faire face au soleil même lorsque l'orientation du vaisseau spatial change.
L'un des instruments spatiaux les plus importants de la NASA est le l'unité de mesure inertielle ( IMU ). Une IMU mesure les changements de hauteur, roulis et lacet ainsi que l'accélération. L'IMU contient des accéléromètres et des gyroscopes pour surveiller les changements dans les engins spatiaux rapidité et attitude . Pour les missions Gémeaux, La NASA a utilisé un système à quatre cardan. Mais pour les missions Apollo, La NASA a décidé d'opter pour un système à trois cardan. C'est parce que les ingénieurs craignaient de rater leur objectif d'atterrir un homme sur la lune avant 1970 s'ils attendaient de perfectionner un système à quatre cardan. Parce que le vaisseau spatial Apollo IMU n'utilisait que trois cardans, les astronautes devaient rester vigilants et réaligner le vaisseau spatial pour éviter le verrouillage du cardan.
La NASA a également utilisé des cardans lors de la construction des systèmes de propulsion des engins spatiaux. Un moteur ou un propulseur de fusée fixe ne serait capable de fournir une poussée que dans une seule direction. Monté sur cardan, la même unité de propulsion pourrait s'incliner pour fournir une poussée dans différentes directions. Ceci est critique chaque fois qu'un vaisseau spatial doit s'aligner avec un autre corps, que ce soit un autre vaisseau spatial, une planète ou la lune.
C'est assez étonnant de penser qu'une simple série d'anneaux interconnectés a permis à la NASA d'envoyer un vaisseau spatial habité sur la Lune. Sans cardans, nous ne pouvions pas naviguer ou voyager dans l'espace avec précision.
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Gémeaux contre ApollonLes missions Gemini ont précédé les missions Apollo. Mais le vaisseau spatial Gemini utilisait une IMU montée sur un système à quatre cardan, et le vaisseau spatial Apollo devait s'appuyer sur un système à trois cardan. Pourquoi donc? Bien que les missions Gemini soient lancées avant celles d'Apollo, Le projet Apollo a en fait commencé avant le projet Gemini. Les ingénieurs de Gemini pourraient tirer parti des conceptions du vaisseau spatial Apollo et les améliorer lors de la construction du vaisseau spatial Gemini.
