Un PIGA ( Acelerómetro Giroscópico Integrador Pendular ) es un tipo de acelerómetro que puede medir la aceleración y, simultáneamente, integrar esta aceleración en función del tiempo para producir también una medida de velocidad. El uso principal del PIGA es en los sistemas de navegación inercial (INS) para la guía de aeronaves y, más particularmente, para la guía de misiles balísticos . Es valorado por su sensibilidad y precisión extremadamente altas en conjunto con su funcionamiento en un amplio rango de aceleración. El PIGA todavía se considera el principal instrumento para la guía de misiles de grado estratégico, aunque los sistemas basados en tecnología MEMS son atractivos para requisitos de rendimiento más bajos.
El elemento sensor de un PIGA es una masa pendular, que puede girar libremente gracias a que está montada sobre un cojinete. Se le coloca un giroscopio giratorio de manera que impida que el péndulo "caiga" en la dirección de la aceleración. La masa pendular y el giroscopio acoplado están montados sobre un pedestal que puede girar mediante un motor de par eléctrico. El eje de rotación de este pedestal es mutuamente ortogonal al eje de giro del giroscopio, así como al eje en el que el péndulo puede moverse libremente. El eje de rotación de este pedestal también está en la dirección de la aceleración medida.
La posición del péndulo se detecta mediante contactos eléctricos de precisión o por medios ópticos o electromagnéticos. Si la aceleración desplaza el brazo del péndulo de su posición nula, el mecanismo de detección hará funcionar el motor de par y hará girar el pedestal de manera que la propiedad de precesión giroscópica restablezca el péndulo a su posición nula. La velocidad de rotación del pedestal proporciona la aceleración, mientras que el número total de rotaciones del eje proporciona la velocidad, de ahí el término "integración" en el acrónimo PIGA. Un nivel adicional de integración de las rotaciones del eje, ya sea por medios electrónicos o por medios mecánicos, como un integrador de bolas y discos , puede registrar el desplazamiento o la distancia recorrida; este último método mecánico se utilizó en los primeros sistemas de guía antes de la disponibilidad de computadoras digitales adecuadas.
En la mayoría de las implementaciones del PIGA, el giroscopio en sí está en voladizo en el extremo del brazo del péndulo para actuar como la propia masa del péndulo. Pueden requerirse hasta tres de estos instrumentos para cada dimensión de un INS, con los tres acelerómetros montados ortogonalmente, generalmente sobre una plataforma estabilizada giroscópicamente dentro de un sistema de cardanes.
Un requisito crítico para la precisión es la baja fricción estática ( fricción estática ) en los cojinetes del péndulo; esto se logra por varios medios que van desde un cojinete de bolas doble con un movimiento oscilatorio superpuesto hasta la oscilación del cojinete por encima de su umbral o mediante el uso de cojinetes gaseosos o de fluido o por el método alternativo de flotar el giroscopio en un fluido y restringir la masa residual mediante cojinetes de joya o medios electromagnéticos. Aunque este último método todavía tiene la fricción viscosa del fluido, es lineal y no tiene umbral y tiene la ventaja de tener una fricción estática mínima. Otro aspecto es el control preciso de la velocidad de rotación del giroscopio.
Los misiles/cohetes que utilizaban PIGAs fueron el Redstone , Jupiter , Saturno V , Titan , Polaris , Minuteman , Peacekeeper , [1] y Trident II (D5) . [1]
El PIGA se basaba en un acelerómetro desarrollado por el Dr. Fritz Mueller , entonces de la empresa Kreiselgeraete, para el sistema de guía LEV-3 y el sistema experimental SG-66 del misil balístico alemán V2 (EMW A4) de la era nazi y era conocido entre los científicos alemanes de cohetes como el MMIA "Acelerómetro Integrador Mecánico de Mueller". Este sistema utilizaba contactos eléctricos de precisión para accionar el motor de par y lograba una precisión de 1 parte por 1000 a 1 parte por 10000 (conocido en el lenguaje técnico como un error de escala de 1000 a 100). Esto equivalía a unos 600 m de precisión sobre la velocidad de 1500 m/s del V2 y un vuelo de 320 km. Dado que el número de rotaciones del eje representaba la velocidad, se utilizó un interruptor de leva para iniciar las secuencias de control del misil, como la reducción del acelerador y el apagado del motor.
Un acelerómetro MMIA recuperado de un V2 sin explotar fue presentado al Dr. Charles Stark Draper del laboratorio de instrumentación del Instituto Tecnológico de Massachusetts , quien había estado desarrollando las bases de la navegación inercial para aeronaves, inicialmente concentrando esfuerzos en lograr giroscopios con una tasa de deriva extremadamente baja, conocidos como giroscopios integradores flotantes. Draper combinó ideas de sus giroscopios integradores, que estaban montados en latas que flotaban en fluidos que se mantenían en su lugar mediante cojinetes con joyas, con el acelerómetro V2 recuperado haciendo flotar la parte del péndulo-giroscopio. El Dr. Draper sugirió el nombre más genérico de PIGA debido a la adición de varios refinamientos, como la detección electromagnética u óptica de la posición del péndulo. Dichos acelerómetros se utilizaron en los sistemas ICBM Titan II, Polaris y Minuteman.
Los acelerómetros PIGA montados en la esfera de referencia inercial avanzada ( AIRS ) forman parte de la navegación inercial (INS) más precisa desarrollada para el misil Peacekeeper. Las tasas de deriva de la INS son inferiores a 1,5 x 10 −5 grados por hora de funcionamiento, unos 8,5 m por hora, y la precisión general del misil se ve afectada en mayor medida por los defectos en los mapas gravitacionales.
En el Arsenal Redstone y el adyacente Centro Marshall de Vuelos Espaciales, cerca de Huntsville, Alabama, el contingente de ex científicos alemanes de cohetes que habían sido traídos a los Estados Unidos bajo la Operación Paperclip , incluido el Dr. Mueller, continuó refinando sus instrumentos originales en conjunto con ingenieros y científicos estadounidenses. Por sugerencia del Dr. Mueller, se logró la tarea técnicamente difícil de reemplazar los cojinetes de bolas originales por cojinetes gaseosos. Inicialmente, se utilizó nitrógeno comprimido, pero más tarde se utilizaron fluorocarbonos que tenían la ventaja de ser reciclables a bordo del misil o la aeronave durante períodos de espera prolongados. Por lo tanto, los acelerómetros estadounidenses consistían en el tipo flotante o el tipo de cojinete gaseoso; el ejército y el programa espacial de los EE. UU. dependían del último tipo de instrumento.