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Polytec hace más fácil el estudio de la atmósfera
Cuando se trata del estudio de la atmósfera el diseño y operación de aviones instrumentados es una tarea retadora especialmente con sistemas ópticos altamente sensibles a las vibraciones, sin embargo el RoboVib de Polytec es una herramienta ideal para esta tarea.
El sistema RoboVib de Polytec ha sido usado para llevar a cabo mediciones de vibración en el instrumento aéreo Gloria con el fin de entender y mejorar su comportamiento dinámico.
Caso Gloria
Gloria (Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere) tiene como objetivo el estudio de la dinámica atmosférica y el rastreo de la composición de gas en la troposfera superior y la baja estratosfera.
Gloria es el resultado de la evolución de un explorador limb a un instrumento de imagen limb (el término «limb» –en inglés- se refiere a técnicas de medición que contemplan aspectos del planeta ubicados en el “limbo o borde” de la Tierra) que permite mediciones de procesos a la escala meso en la atmósfera.
El instrumento está diseñado para volar en el compartimiento del avión alemán de investigación de gran altura y largo alcance “HALO” por sus siglas en inglés y en el Myasishchev ruso M55.
Gloria está equipada con un sistema óptico bastante sensible que es enfriado a 215 K con la ayuda de nieve de dióxido de carbono sólido. Esto es necesario para alcanzar la sensibilidad requerida para la medición de emisiones atmosféricas. El intervalo espectral cubierto se encuentra en el infrarrojo térmico y el infrarrojo medio (780–1,400 cm-1). Esta radiación infrarroja es originada a partir de la emisión de vibraciones y oscilaciones de moléculas en la atmósfera lo cual genera huellas espectrales típicas. Actualmente Gloria ha completado de manera exitosa dos campañas con resultados muy prometedores.
Sistema de enfoque y control
Gloria depende de un concepto flexible para soportar diferentes escenarios y metas científicas. La compensación del movimiento de los tres ejes de las aeronaves es necesaria para garantizar el enfoque preciso del limb. Esto es requerido porque los puntos de enfoque se encuentran bastante lejos (hasta 350 km) y un pequeño error del ángulo del instrumento causa grandes desviaciones en los puntos de enfoque. Por lo tanto, una buena estabilidad es primordial durante los tiempos de adquisición de 1.5 a 30 segundos.
El control de los tres ejes se logró con una estructura cardán que se muestra en la imagen inferior, esta ilustración de Gloria muestra el espectrómetro en una luz azul, la estructura cardán en rojo, el blindaje en verde, la estructura de montaje en aceituna, la fuente de calibración en rosa y la huella esquemática del haz de visión. También se pueden ver la imagen visual y la imagen infrarroja.
Análisis de vibración durante el vuelo
Durante el primer vuelo de investigación del HALO, 7 acelerómetros y un micrófono midieron las vibraciones con una frecuencia de muestreo de 1 kHz. Las extensas mediciones de laboratorio pueden no reproducir la mayoría de las vibraciones significativas que se presentan en un vuelo a 200–240 Hz.
Hasta ahora el origen de las vibraciones oscilatorias observadas durante el vuelo no pueden ser determinadas de manera clara. Sin embargo, es muy probable que éstas sean generadas por fuerzas aerodinámicas, que a su vez se originan en la apertura del compartimiento del instrumento.
¿Por qué usar el RoboVib para llevar a cabo las mediciones?
El alto nivel inesperado de las vibraciones durante el vuelo hizo necesaria una investigación adicional. Se debía revisar el impacto de las vibraciones en la calidad de la estabilización del enfoque y en las mediciones espectroscópicas. Para el proceso de certificación de navegabilidad también salió a la luz la cuestión de la fatiga en los niveles de vibración de medición.
Por lo tanto, se decidió hacer las mediciones con el RoboVib, para poder llevar a cabo el análisis de movimientos relativos entre el instrumento y frecuencias propias del interferómetro y de la estructura cardán, además la medición permitía algo mucho más importante, que era determinar los parámetros de entrada de un modelo FEM diseñado para el análisis y validación de la fatiga.
Resultados
Las mediciones del RoboVib se llevaron a cabo con una excitación mecánica para simular las fuerzas aerodinámicas durante el vuelo, debido al extenso número de puntos de medición fue posible reproducir con una alta calidad el movimiento dentro de Gloria, como se muestra en la imagen 3. Las mediciones del RoboVib han sido de gran valor para el análisis de la vibración, haciendo posible realizar mejoras mecánicas. También se pudieron extraer los parámetros necesarios para el modelo FEM. Las modificaciones de Gloria y del compartimiento finalmente pudieron ser evaluadas durante las pruebas de vuelo en 2015.
Polytec, InFocus Magazine. “When the Atmosphere is Vibrating…”. En http://www.polytec.com/us/ [documento en línea: http://issuu.com/polytecgmbh/docs/om_infocus_2015_e_42345_web_sp?e=11852017/12787359; acceso: 17 de junio de 2015].
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