Учебное пособие: Гироскоп. Гироскопический принцип измерения курса. Выставка оси гироскопа, горизонтальная и азимутальная коррекция

Основным элементом любого гироскопического прибора является гироскоп. Слово гироскоп греческого происхождения: гирос - вра­щение, скопейн - наблюдать. Термин гироскоп был введен французским ученым Л. Фуко, который В технике гироскопом называют быст­ро вращающееся симметричное тело (ротор), установленное в специ­альном подвесе. В авиационных приборах используется, как правило, карданов подвес. Основой авиационных гироскопических приборов являются трехстепенные и двухстепенные гироскопы.

Трехстепенной гироскоп (рис 3.1). Он состоит из ротора 1 , внут­ренней 2 и наружной 3 рам. Ротор гироскопа 1 вращается в опорах вокруг оси O Z в внутренняя рама вместе с ротором может поворачи­ваться вокруг оси O Хв , а наружная рама имеет свободу вращения во­круг оси 0 Ун относительно неподвижного основания. Таким образом, ротор гироскопа имеет три степени свободы, так как может вращаться вокруг трех осей системы О ХвУн Z в, пересекающихся в одной точке О . Такой гироскоп называют трехстепенным. Если центр тяжести гиро­скопа совпадает с точкой О, то его называют астатическим.

Рис 3.1. Гироскоп с тремя степенями вободы.

1-ротор, 2-ось собстенного вращения, 3-внутренняя рама карданова подвеса, 4-внешняя рама карданова подвеса, 5-внутренняя ось подвеса, 6-внешняя ось подвеса.

Гироскоп с быстро вращающимся ротором обладает рядом свойств,которые обусловливают его широкое применение в авиационных при­борах. Основными свойствами трехстепенного гироскопа являются способность сохранять неизменное положение оси вращения ротора в мировом пространстве, невосприимчивость к толчкам и ударам (устой­чивость), способность совершать прецессионное движение.

Рассмотрим визуальные проявления свойств трехстепенного гиро­скопа при лабораторном эксперименте. Направим ось быстро вращаю­щегося ротора гироскопа на определенную точку в пространстве. Со­вершая колебательные движения основания в разных плоскостях, об­наружим, что ось ротора сохраняет приданное ей направление. При ударе по какой-либо раме гироскопа молотком с резиновым наконеч­ником замечаем слабо различимые колебания оси ротора, которые бы­стро затухают. Положение оси ротора в пространстве практически не изменяется. Нажимая на внутреннюю раму (создавая момент внешних сил относительно оси O Хв ), обнаружим, что гироскоп поворачивается вокруг оси 0 Ун наружной рамы, а внутренняя рама остается непод­вижной. Таким образом, гироскоп поворачивается не по направлению действия внешней силы, а в плоскости, перпендикулярной направле­нию этой силы. Такое движение гироскопа под действием момента вне­шней силы называют прецессионным.

Явление, заключающееся в со­противляемости быстро вращаю­щегося тела попыткам изменить его положение в пространстве, назы­вают гироскопическим эффектом. Для пояснения сущности гироско­пического эффекта рассмотрим трехстепенной гироскоп, условно освобожденный от рам карданова подвеса (рис. 3.2).

Предположим вначале, что гиро­скоп не вращается» и приложим в некоторой точке А внешнюю силу . Под действием силы гироскоп начнет вращаться вокруг горизонтальной оси 0х в. Другим будет ре­зультат действия силы , если ротору гироскопа сообщить большую угловую скорость Ω. В этом случае ротор гироскопа будет обладать ки­нетическим моментом , где J - момент инерции ротора отно­сительно оси O Z в . Обозначим конец вектора кинетического момента буквой В. Главный момент внешней силы приложенный к гироскопу, совпадает с направлением оси O Хв. В соответствии с теоремой Резаля скорость v конца вектора кинетического момента (т.е. точки В) геометрически равна главному моменту внешних сил . Следовательно, скорость v направлена параллельно оси O Хв и равна по величине . Таким образом, при действии силы на вращающий­ся гироскоп движение гироскопа происходит не по направлению силы F B , что имеет место в случае невращающегося ротора, а перпендику­лярно к направлению действия силы , т. е. относительно оси 0 Ун. Это движение и является прецессионным движением гироскопа. Тот факт, что при действии момента гироскоп не вращается относитель­но оси O Хв, говорит о том, что кроме момента на него действует еще какой-то момент, равный моменту и противоположно направлен­ный.

Рис. 3.2. Схема действия сил и моментов при вращении гироскопа

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИИ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Как было показано в предыдущем разделе, гироскоп должен иметь. По возможности большой кинетический момент. Кинетический момент гироско­па - это произведение момента инерции ротора относительно оси вращения I z на угловую скорость вращения H=I z Ω . Следовательно, можно увеличивать ки­нетический момент за счет увеличения момента инерции. Поскольку момент инерции тела вращения выражается форму

(3.1)

где т - масса тела; R - радиус, то выгодно массу ротора размещать по воз­можности на большем удалении от оси вращения. В связи с этим роторы гиромоторов имеют конфигурацию такую, как показано на рис. 3.3. Ротор гиромотора 1 одновременно является якорем асинхронного двигателя переменного то­ка; в якоре имеется беличье колесо. Статором же у такого двигателя является внутренняя обмотка 2.

Рис 3.3 гиромотор в разрезе: 1-ротор, 2-статор.

Конструкция ротора выбирается в основном из соображений максимального момента инерции и отсутствия деформаций ротора от действия центробежных сил, возникающих при вращении ротора.

Авиационные гиромоторы питаются трехфазным напряжением U = 36 В с частотой f = 400 Гц. Так как они являются асинхронными двигателями, облада­ющими скольжением, то обороты ротора гиромоторов п = 22000 ÷23000 об/мин. Существуют гиромоторы, имеющие существенно большие угловые скорости, но ввиду того, что ресурс работы подшипников таких гиромоторов обратно про­порционален угловой скорости ротора, в гражданской авиации их не применяют.

Рис 3.4 вращающиеся подшипники:

1- ось, 2-внутреннее кольцо, 3- неподвижное кольцо

Рис 3.5 электромеханическая схема гироскопического подвеса

1- внутреннее кольцо, 2,4-средние кольца,4-наружное кольцо, Д1,Д2-двигатели

Поскольку способность гироскопа точно сохранять положение своей главной оси в пространстве зависит от величины моментов, действующих по осям его карданова подвеса, при конструировании гироскопов стараются свести эти мо­менты к минимуму.

В качестве опор для осей карданова подвеса гироскопа используют высоко­прецизионные подшипники качения с малыми моментами трения.

Для особо точных приборов, например, гироскопов для курсовых систем, применяют так называемые вращающиеся подшипники с двумя рядами шари­ков, причем внутреннее кольцо 2(рис. 3.4) совершает принудительное вра­щение относительно оси 1 и неподвижного кольца 3.

На принципиальную возможность уменьшения влияния трения в подобных устройствах указал Н. Е. Жуковский. Идея Н. Е. Жуковского сводилась к сле­дующему: если имеется 100 натянутых ниток, на которых лежит какой-нибудь предмет, например, карандаш, то, перемещая все нити вправо, карандаш будет увлекаться ими за счет трения тоже вправо. Если перемещать нити влево, то и карандаш будет двигаться влево. Заставляя каждую четную нить двигаться вправо, а нечетную - влево, будем иметь карандаш неподвижным. Конечно, это при условии, что на каждую нить будет выпадать одинаковая доля массы ка­рандаша и коэффициент трения контактных поверхностей карандаш - нить вез­де одинаков. В этом примере трение не исчезает, оно только взаимно компенси­руется.

На рис. 3.5 представлена конструкция внутренней рамы карданопа под­веса (гироузла). Как видно из рисунка, внутренние кольца 2и 4левого и правого подшипников могут поворачиваться двигателями Д1 и Д2. Причем кольца вращаются с одинаковыми угловыми скоростями, но в противоположные сто­роны. Возникающие при этом силы трении воздействуют на внутреннюю ось гироскопа с помощью моментов, направления которых противоположны, поэто­му их суммарная величина оказывается близкой к нулю, и вредное воздействие моментов трения ослабляется. Сели даже суммарная величина моментов тре­ния заставляет гироскоп прецессировать с некоторой небольшой скоростью, то периодическим изменением направления вращения двигателей (с помощью пере­ключателя В со специальным кулачком) можно менять направление действия этого момента, а следовательно, и направление прецессии, что, в конечном сче­те уменьшает прецессию гироскопа от моментов трения в осях карданова под­веса С помощью такой схемы удается уменьшить собственные «уходы» гиро­скопа в несколько раз по сравнению с обычными подшипниками качения.

Рис 3.6 действие на гироскоп силы тяжести.

Существуют гироскопы с аэродинамическими подшипниками по осям кар­данова подвеса. Такой подшипник представляет собой втулку и ось, между ко­торыми имеется воздушный зазор и ось как бы «плавает» в воздухе. Такие под­шипники тоже имеют весьма малые моменты трения, но в гражданской авиа­ции в силу ряда причин пока не применяются.

Гироскоп должен быть тщательно сбалансирован, т. е. центр масс гиромотора должен совпадать с точкой пересечения осей карданова подвеса. В противном случае, как показано на рис. 3.6, на гироскоп действуют моменты от ускоре­ния силы тяжести.

Следует заметить, что при эксплуатации авиационных гироскопических приборов необходимо строго выполнять правила технической и летной эксплуа­тации, так как от этого зависит точность их работы и долговечность. Необхо­димо также помнить, что гироскопические приборы являются приборами доро­гостоящими.

3.3. Гироскопические асинхронные двигители

Гироскопический двигатель предназначен для разгона маховой массы за определенный промежуток времени до номинальной часто­ты вращения и для последующей ее стабилизации при минимальном потреблении энергии. В настоящее время широкое применение нашли электрические гироскопические двигатели и, в частности, асинхронные.

Асинхронный гироскопический двигатель (АГД) конструктивно объединен в одно целое с маховиком (рис.3.7). Для обеспечения при заданных габаритах и массе наибольшего кинетического момен­та

H = J W , (3.2)

где J - момент инерции маховика относительно оси вращения; W - угловая скорость, стремятся вращающуюся массу разместить на максимальном удалении от оси вращения. С этой целью применя­ют обращенную конструкцию асинхронного двигателя с внешним короткозамкнутым ротором 1 (рис.3.7) и с внутренним неподвиж­ным статором 2 . Для повышения кинетического момента внешний ротор располагают внутри специальной втулки 3, к которой крепятся крышки 4, 5. Втулка выполняется из латуни или бериллия.

Повышение кинетического момента при заданной массе внешнего ротора связано также с максимальным повышением его угловой скорости W (частоты вращения n ). Частота вращения современных АГД лежит в пределах n = 15000 ¸ 60000 об/мин при числе пар полюсов р = 1; 2 . Иногда для повышения частоты вращения АГД его питание осуществляют от автономного источника с повышенной частотой f = 500 ¸ 2000 Гц . Максимум частоты вращения АГД ограничен, как правило, качеством шарикоподшипни­ков.

Отношение кинетического момента Н к массе АГД называют добротностью гироскопического двигателя. Ее повышение обеспечи­вается увеличением плотности материала частей конструкции, вра­щающихся на большом удалении от оси, и уменьшением ее для всех остальных элементов.

На валу АГД нет полезной нагрузки. Он работает в режиме хо­лостого хода, преодолевая моменты трения внешнего ротора о газовую среду и трения в подшипниках, при нулевом к.п.д. Условным к.п.д. АГД принято считать отношение мощности механических потерь к полной потребляемой мощности, характеризующее совершенство асинхронного двигателя в электромагнитном отношении. Величина условного к.п.д. в зависимости от мощности, конструктивного испол­нения и параметров АГД лежит в пределах h = 0,2 ¸ 0,9 .

Рис. 3.7. Конструкция асинхронного гироскопического двигателя (АГД)

Для повышения стабильности частоты вращения при изменении плотности окружающей среди, связанной с изменением высоты полета летательного аппарата, номинальное скольжение АГД выбирают в пределах S н = 0,015 ¸ 0,12 . В некоторых случаях с целью исключения влияния высоты полета на работу АГД его помешают в специальную газовую или вакуумную камеру. Снижение вентиляцион­ных потерь достигается в АГД полировкой внешней поверхности ротора.

Улучшение характеристик АГД путем увеличения массы ротора с другой стороны приводит к увеличению длительности процесса его запуска, которая лежит в пределах от десятков секунд до десятков минут. Для обеспечения приемлемых пусковых характеристик при проектировании АГД стремятся добиться кратности пускового момен­та M п / M н > 1,5 , кратности максимального момента (перегрузоч­ной способности) M ЭМ М / M н = 2 ¸ 5 и критического скольжения S кр = 0,3 ¸ 0,4. Под номинальным моментом АГД понимают сум­марный момент его потерь в номинальном режиме.

Поскольку АГД работает с нагрузкой, близкой по своему харак­теру к вентиляционной, то в процессе запуска избыточный электро­магнитный момент DM ЭМ меняется не существенно (рис. 3.8). При этом запуск происходит с практически постоянным ускорением. Для сокращения времени запуска иногда применяют запуск АГД при повышенном напряжении питания.

Рис.3.8. Механическая характеристика АГД

Стремление по возможности уменьшить суммарный момент по­терь, т.е. величины номинального скольжения и активной составля­ющей тока статора, обусловило характерную особенность АГД - от­носительно большой намагничивающий ток, достигающий 60 - 90% от номинального значения. Коэффициент мощности составляет при этом cosj =0,4 + 0,8 . Он будет тем меньшим, чем с меньшим скольжением работает АГД.

Для обеспечения максимальной точности к АГД предъявляется ряд специфических требований:

Механическая стабильность элементов конструкции и их соеди­нений, т.е. способность элементов конструкции сохранять постоян­ство положений центров масс в различных режимах работы и при различных внешних воздействиях;

Симметрия и жесткость конструкции в целом, связанные с необходимостью симметричного расположения (относительно продо­льной и поперечной осей симметрии) вращающихся и наиболее на­гретых элементов конструкции, имеющих значительную массу;

Минимум и постоянство в процессе работы потребляемой мощ­ности, т.е. нагрева АГД, и неравномерности распределения темпера­тур, что связано с уменьшением аэродинамических потерь (потерь на трение внешнего ротора о воздух), с обеспечением постоянства осевой нагрузки на подшипники и сохранности смазки, с применением подшипников, их сборок и смазки повышенного качества.

Реализация этих требований привела к созданию симметричных конструкций АГД, состоящих из минимального количества элементов. Так, например, внутренние дорожки качения подшипников (рис.3.7) часто изготавливаются непосредственно на оси, чем сокращается количество соединений деталей и повышается точность сборки.

В отличие от асинхронных машин обычного исполнения АГД не имеют осевого люфта в подшипниковых узлах. Требуемая жесткость конструкции обеспечивается предварительной осевой нагрузкой под­шипников, которая в процессе работы должна оставаться неизменной.

Симметрия и жесткость конструкции АГД достигаются примене­нием конструкционных материалов, имеющих одинаковый коэффициент расширения. Так, например, ось, крышки, кольца подшипников и ротор АГД выполняются из подшипниковой стали, а втулка - из бериллия.

Указанные особенности относятся также к синхронным гироско­пическим двигателям (СГД), в качестве которых находят широкое применение гистерезисные двигатели.

В гироскопах авиационных приборов, устанавливае­мых на самолетах гражданской авиации, ротор объединен с внутрен­ней рамой в единый конструктивный блок - гироузел. Гироузел со­стоит из гирокамеры и размещенного в гирокамере гиромотора. Гирокамера выполняет роль внутренней рамы гироскопа и имеет оси для подвеса в опорах наружной рамы. Гиромоторы в большинстве случаев представляют собой трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым внешним ротором и внутренним статором. Гиромотор ГМ-4П (рис. 3.9) состоит из ротора, статора, шарикоподшипниковых опор и оси. Статор имеет пакет железа 2, обмотку 1 и втулками 3 и 12 жестко укреплен на оси 5 . Выходные провода обмотки статора выведены на­ружу через полую часть оси 5 . Ротор гиромотора состоит из латунного обода 10, пакета железа 8 с короткозамкнутой обмоткой 16 и мас­сивного кольца 14. Пакет 8 ротора и кольцо 14 посажены в обод рото­ра на прессовой посадке. Фланцы 6 и 11 посажены в обод 10 с натягом и крепятся к нему винтами. Внутренние кольца шариковых подшипни­ков 4 и 13 установлены на цапфы фланцев 6 и 11 ротора с натягом. На­ружное кольцо подшипника 4 вставлено во втулку 3 с радиальным зазо­ром, а наружное кольцо подшипника 13 - во втулку 12 с натягом В гнезде статора под наружным кольцом свободно сидящего шарико­вого подшипника 4 поставлена пружинная шайба 7. Она служит для компенсации температурных изменений линейных размеров гиромотора Прокладки 9 и 15 служат для установления осевого натяга на ша­риковых подшипниках Концы оси гиромотора имеют резьбу. При по­мещении гиромотора в гирокамеру его ось пропускается через отвер­стия в корпусе и крышки гирокамеры После крепления крышки гирокамеры к ее корпусу ось гиромотора крепится к ним с помощью гаек. Гироузлы одинаковых типов могут применяться в различных гиро­скопических приборах, Иначе обстоит дело с наружными рамами. Кон­структивное исполнение наружных рам определяется в первую оче­редь типом гироприбора и является в каждом конкретном случае сугу­бо индивидуальным. В раме 1 на посадочные места по оси Ох н закреп­ляются наружные кольца шариковых подшипников (рис. 3.10) Во внутренних кольцах шариковых подшипников закрепляются оси гирокамеры гироузла. По оси 0у н в раме закреплены полуоси 2 и 3, предназначенные для подвеса рамы в корпусе гироприбора.

Рис. 3.9.Консрукция гиромотора ГМ-4П

Рис. 3.10. Конструкция наружной рамы гироприбора

3.4 Виды подвесов гироскопа

При конструировании гироприборов большое внимание уделяется выбору опор, обеспечивающих сво­боду вращения и осуществляющих двустороннюю удерживающую связь между ротором, рамами карданова подвеса и корпусом прибо­ра. Опоры гироскопа делятся на главные, обеспечивающие свободу вращения ротора, и опоры карданова подвеса, обеспечивающие сво­боду движения рам вокруг своих осей. Такая классификация обус­ловлена различными условиями работы опор Главные опоры в те­чение длительного времени рабо­тают при повышенных скоростях вращения, в то время как опоры карданова подвеса работают при малых скоростях и небольших углах поворота. Основными пока­зателями качества опор являются: момент сил трения М тр , осевые я радиальные люфты, долговечность работы Т р . Момент сил трения в главных опорах не влияет на точность гироприбора, но влияет на выбор мощности гиромотора и срок его службы. Момент трения в опорах карданова подвеса в значительной степени оказывает влия­ние на точность гироприбора. В связи с этим разрабатываются спе­циальные меры для снижения трения в опорах карданова подвеса От­рицательное влияние на точность гироприборов оказывают также люф­ты в главных опорах карданова подвеса.

Наибольшее распространение в авиационных гироскопах получили шарикоподшипниковые опоры. Разработанные в настоящее время опо­ры такого типа позволяют получить достаточную точность и надежность приборов.

В тех случаях, когда необходимо повысить точность работы прибора, используют определенные конструктивные меры. В частности, момен­ты трения по внутренним осям карданова подвеса гироагрегатов кур­совых систем уменьшают с помощью специальных «вращающихся» подшипников (рис. 3.11). Гироузел 3 трехстепенного гироскопа подве­шен на оси 4 в наружной раме 7 с помощью комбинированных двой­ных подшипников. Средние кольца 2 , 8 подшипников на левом и пра­вом концах оси подвеса гироузла приводятся во вращение в противо­положные стороны (привод вращения средних колец на рисунке не показан). Оси вращения 5 , 9 наружной рамы закреплены в подшипниках 1, 6, наружные кольца которых неподвижны относительно основа­ния.

Пусть кинетический момент гироскопа совпадает с направлением полета. Тогда при повороте самолета относительно поперечной оси с угловой скоростью Ф наружная рама гироскопа будет разворачиваться вместе с основанием относительно неподвижной оси 4 подвеса гироузла с угловой скоростью - .Ось 4 остается неподвижной в силу основного свойства трехстепенного гироскопа - сохранять неизменным в прост­ранстве положение главной оси.

При равенстве моментов трения в опорах уход гироскопа отсутствует. Однако на практике равенства моментов обеспечить не удается и уход имеет место, но со значительно меньшей скоростью, чем при невращающихся опорах. Снижению систематиче­ского ухода способствует введение периодического реверсирования вращения средних колец.

Рис. 3.11. Схема конструкции «вращающихся» подшипников

В случае равных и небольших времен вращения средних колец под­шипников в разные стороны при реверсировании гироскоп будет откло­няться от среднего положения на равные и противоположные углы, со­вершая тем самым малые колебания относительно первоначального положения оси кинетического момента.

Рис. 3.12. Привод вращения средних колес «вращающихся» подшипников

Реверсирование вращения средних колец подшипников в гироагрегатах курсовых систем (рис. 3.12) производится переключателем В", управляемым специальным кулачком. Кроме «вращающихся» подшип­ников, могут быть использованы другие конструкции, позволяющие существенно снизить (или практически исключить) трение в подвесе гироскопа путем компенсации силы тяжести подвешиваемой части ги­роскопа некоторой другой противоположно направленной силой. К подвесам такого типа (рис. 3.13) относят: жидкостный (а ), гидроста­тический (б ), магнитный (в), электростатический (г) и др.

Из перечисленных типов подвесов в авиационных гироскопических приборах используется в настоящее время только жидкостный подвес (рис, 3.13, а ). В гироскопе герметичный гироузел 1 подвешивается в герметичном корпусе 2 , заполненном жидкостью. Плотность жидкости подбирается такой, чтобы масса вытесняемого гироузлом объема жид­кости была равна массе гироузла. Тем самым воспринимаемая опорами нагрузка снижается практически до нуля, что обеспечивает весьма ма­лые моменты сил трения в опорах подвеса гироузла.

Существуют также гироприборы на основе трехстепенного гироско­па с подвесом данного типа.

В гидростатическом подвесе жидкость или газ вводится под давле­нием через узкие отверстия 1 в зазор 2 между неподвижной частью опо­ры 4 и гироузлом 3 (рис. 3.13, б). При уменьшении зазора, вызванном нагрузкой, уменьшение расхода жидкости приводит к увеличению местного давления. Параметры подвеса выбираются таким образом, чтобы сумма сил местного давления уравновешивала силу веса гироузла при зазоре в пределах сотых долей миллиметра.

Магнитный подвес чувствительного элемента используется в крио­генных гироскопах. Техническая реализация такого гироскопа бази­руется на использовании явления сверхпроводимости некоторых мате­риалов, которое наступает при температурах, близких к абсолютному нулю. Это явление состоит в резком уменьшении электрического со­противления материала. При помещении шарика из сверхпроводящего материала в магнитное поле, напряженность которого не превышает не­которого критического значения, на его поверхности наводятся токи, препятствующие проникновению поля внутрь шарика. Вследствие этого шарик может висеть в магнитном поле, не имея механической точки опоры. Если вокруг шарика создан вакуум, то практически исключатся все силы сопротивления вращению шарика.

В экспериментальном криогенном гироскопе (рис. 3.13, в) корпус прибора представляет собой криогенную установку 7 , заключенную в кожух 8 (сосуд Дьюара). Криогенная установка охлаждается жидким гелием или азотом и внутри сферической полости 4 в корпусе прибора поддерживается температура, близкая к абсолютному нулю. Ток, протекающий по обмоткам катушек 1 , соз­дает центрирующее магнитное поле 2. На поверхности полой тонкостенной сфе­ры 3, сделанной из сверхпроводящего металла, например ниобия, образуются вихревые токи, создающие магнитное поле, препятствующее проникновению центрирующего магнитного поля в ме­талл. Силы взаимодействия центрирую­щего магнитного поля и поля, наводи­мого в металле сферы, удерживают ее во взвешенном состоянии внутри сфери­ческой полости корпуса прибора. Сфера 3 и тяжелый обод (5, помещенный внутри сферы, образуют ротор гироскопа, ко­торый приводится во вращение с боль­шой угловой скоростью Ω вокруг оси z , перпендикулярной плоскости обода, электродвигателем 5. В пространстве между сферическим ротором и полостью корпуса создается высокий вакуум. Электродвигатель 5 используется только для разгона ротора. После отключения двигателя ротор движется по инерции в течение нескольких дней и даже месяцев.

Рис. 3.13. Виды подвесов гироскопа

Гироскопы с электростатическим подвесом (рис. 3.13, г) конструк­тивно аналогичны криогенным гироскопам. Ротор 1 такого гироскопа изготовлен из бериллия в виде тонкого полого шара, помещенного в сферическую полость камеры 3 , выполненной из специальной керами­ки, являющейся изолятором. На внутренней поверхности камеры рас­положены три пары чашеобразных электродов 2 , питаемых перемен­ным электрическим током. Оси симметрии каждой пары таких электро­дов направлены по трем взаимно перпендикулярным направлениям, поэтому создаваемое ими электростатическое поле удерживает центр сферического ротора в центре О камеры. Ротор раскручивается с по­мощью вращающегося магнитного поля, создаваемого статором 4, несущим на себе электрическую обмотку. В полости камеры 3 поддер­живается высокий вакуум. Электрическое напряжение на обмотку статора подается лишь в период разгона ротора. В дальнейшем ротор длительное время вращается по инерции.

3.5 Устройства для передачи энергии

Устройства для передачи энергии служат для подвода элект­рической энергии от внешних источников к элементам гироприборов, расположенным на перемещающихся относительно друг друга узлах. С помощью данных устройств осуществляется электрическая связь между элементами, помещенными на корпусе прибора и наружной раме карданова подвеса или на наружной и внутренней рамах.

Наиболее просто энергия передается посредством гибких проволоч­ных проводников (рис. 3.14), Гибкий проводник 3 представляет собой пучок металлических жил, помещенных в изоляционную оплетку.

Рис. 3.14. Использование гибкого проводника для передачи энергии в гироскопе

Концы жил заделаны в общий наконечник, закрепленный на переход­ных контактах 4. Контакты обеспечивают соединение наконечника с жестким проводом 5 , расположенным на соответствующей детали 1 подвеса. Контакты монтируют на колодке 2 , изолирующей контакты от металлической поверхности детали.

В тех случаях, когда углы взаимного разворота деталей гироприбора достигают существенных значений, для передачи энергии применя­ют скользящие контакты (рис. 3.15, а ). Щетка 3 , по которой передает­ся электрический ток, скользит по токоприемному кольцу 2. Кольцо изолировано от оси рамы 1 сплошной изоляционной втулочкой с ре­бордами, предохраняющими щетку от схода с кольца. Если в местах со­членения деталей подвеса необходимо осуществить несколько изолиро­ванных друг от друга линий передачи электрического тока, то по оси подвеса устанавливается необходимое число токоприемных колец.

Широко применяемой разновидностью устройств передачи энергии являются точечные контакты. Они отличаются от скользящих контак­тов тем, что в данном случае точка контакта лежит на оси вращения элементов токоподвода. Каждый точечный контакт (рис. 3.15, б) состо­ит из неподвижного 3 и подвижного 4 контактов, образующих контакт­ную пару. В приведенном примере неподвижные контакты закрепле­ны на наружной раме 2 , а подвижные-на оси вращения внутренней рамы 1. Контакты 3 и 4 изолированы от металлических деталей подвеса электроизоляционным материалом 5 .

Рис 3.15 контактные устройства используемеые в гироприборах.

а-скальзящие, 2-набор точечных контактов.

3.6 Корректирующие устройства.

Одним из основных свойств трехсте­пенного гироскопа является способность сохранять неизменным поло­жение оси вращения ротора (главной оси гироскопа) в мировом про­странстве. Однако для решения ряда практических задач необходимо, чтобы главная ось гироскопа сохраняла неизменное направление не в мировом пространстве, а относительно той или иной выбранной систе­мы координат. Так, для определения с помощью трехстепенного гиро­скопа углов крена и тангажа ЛА необходимо, чтобы ось вращения ро­тора была направлена по вертикали места. При определении с помощью трехстепенного гироскопа отклонений ЛА от заданного направления необходимо, чтобы его главная ось выдерживала заданное направле­ние в горизонтальной плоскости. Для устранения нежелательных от­клонений главной оси гироскопа от требуемого направления или ком­пенсации различного рода возмущающих моментов, нарушающих нор­мальный режим работы гироскопического прибора, применяют коррек­тирующие устройства.

Корректирующие устройства гироскопических приборов обеспечи­вают сохранность требуемого положения главной оси гироскопа пу­тем приложения к гироскопу внешних управляющих (корректирую­щих) моментов или компенсацию уходов гироскопа в показаниях гироприбора. Основными элементами корректирующих устройств являют­ся чувствительные элементы и исполнительные органы. В качестве чувствительных элементов выбирают элементы, обладающие избира­тельностью к опорному направлению или устойчиво сохраняющие за­данное им направление, В авиационных приборах в основном исполь­зуют гравитационные, магнитные и ориентированные по небесным све­тилам чувствительные элементы.

Опорным направлением для гравитационных элементов является направление вертикали места, совпадающее с направлением ускоре­ния силы тяжести. Магнитные чувствительные элементы реагируют на магнитное поле Земли, поэтому опорным направлением для них яв­ляется направление магнитного меридиана. Чувствительные элементы, ориентированные по небесным светилам, обеспечивают задание устой­чивого направления на Солнце, Луну, планеты или звезды. Исполни­тельными органами корректирующих устройств авиационных прибо­ров являются, как правило, двухфазные" реверсивные асинхронные электродвигатели, работающие в заторможенном режиме, а также сельсинные и потенциометрические следящие системы.

Среди гравитационных чувствительных элементов наиболее широ­кое распространение получили жидкостные маятниковые датчики на­правления вертикали. Используются однокоординатные и двухкоординатные жидкостные маятниковые датчики (маятниковые переключа­тели).

Однокоординатный жидкостный маятниковый датчик (ЖМД) (рис. 3.16) представляет собой стеклянный баллон 1 с вваренными в него платиновыми электродами 3, 5, 6. Баллон заполнен токопроводящей жидкостью (электролитом) 2 так, что оставшийся воздушный пузырек 4 при горизонтальном положении датчика поровну и примерно на­половину перекрывает электроды 3 , 5. Электрическая схема взаимо­действия ЖМД и исполнительного органа (двухфазного асинхронного двигателя) системы коррекции приведена на рис. 15.13. Электроды 3 и 6 в сосуде 5 соединены с обмотками управления двигателя 2, Общая точка обмоток управления 1 подключена к одной из фаз источника ли­тания переменного тока. Центральный контакт 4 подключен к другой фазе.

Рис. 3.16. Однокоординатный жидкостный маятниковый датчик

Рис. 3.17. Электрическая схема однокоординатной системы коррекции

Схемы коррекции главной оси трехстепенного гироскопа в плоскости горизонта и по направлению вертикали места приведены на рис. 3.18. На рис.3.18, а приведена схема горизонтальной коррекции главной оси

Рис. 3.18. Коррекция главной оси трехстепенного гироскопа:

а – схема горизонтальной коррекции; б – схема коррекции по направлению вертикали места

трехстепенного гироскопа (1 - жидкостный маятниковый датчик, 2 - коррекционный двигатель). При го­ризонтальном положении главной оси гироскопа, а следовательно, и датчика электрическое сопротивление между средним электродом 6 (см. рис. 3.16) и каждым из крайних электродов 3, 5 одинаково, и по управляющим обмоткам коррекционного двигателя протекают токи, равные по величине, но противо­положные по направлению. В этом слу­чае двигатель неподвижен и момента не создает. При отклонении главной оси гироскопа от плоскости горизонта воз­душный пузырек смещается относитель­но электродов и изменяется площадь контактной поверхности электролита с электродами. Электрическое сопротивле­ние цепей между центральным и край­ними электродами изменяется. При этом большим становится сопротивление цепи того электрода, поверхность соприкос­новения которого с жидкостью меньше. В результате по управляющим обмоткам коррекционного двигателя потекут разные по значению и направле­нию токи. Двигатель создаст момент относительно оси подвеса на­ружной рамы, и гироскоп начнет прецессировать относительн

Гироскопические устройства

гироскопические приборы, электромеханические устройства, содержащие Гироскопы, и предназначенные для определения параметров, характеризующих движение (или положение) объекта, на котором они установлены, а также для стабилизации этого объекта. Г. у. используют при решении задач навигации, управления подвижными объектами и др.

Наиболее существенными признаками, характеризующими применяемые в технике разнообразные Г. у., являются: тип гироскопа, физический принцип построения чувствительного гироскопического элемента, тип подвеса, назначение Г. у.

Типы гироскопов. Различают два основных типа гироскопов: с тремя и двумя степенями свободы. Гироскопы с тремя степенями свободы делятся на уравновешенные, или астатические, и неуравновешенные, или позиционные.

Гиростабилизатор

[править | править вики-текст]

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск

Гиростабилизированная платформа, используемая в МБР.

Гиростабилизатор - гироскопическое устройство, предназначенное для стабилизации отдельных объектов или приборов, а также для определения угловых отклонений объектов. По принципу действия гиростабилизаторы делятся на непосредственные, силовые и индикаторные.

Состав[править | править вики-текст]

Гиростабилизированная платформа обычно состоит из 1, 2 или 3 гироскопов, электронной системы обработки сигналов. Также может содержать акселерометры и другие датчики.

Гиростабилизированные платформы, как измерительный прибор, обычно используются в составе системы управления ракетами, космическими кораблями и орбитальными станциями, самолётами, морскими судами, подводными лодками и т. п.

Также гиростабилизированые платформы применяются в системах видеонаблюдения на базе БПЛА и аэростатов. Дополнительная стабилизация гироскопами применяется в панорамных головках и других устройствах для киносъёмки с движения.

Астатическим называется гироскоп, у которого центр тяжести совпадает с точкой пересечения осей карданова подвеса (т. е. с точкой подвеса). Сила тяжести не влияет на движение оси такого гироскопа и её уходы при внешних возмущениях могут вызываться лишь моментами сил в осях подвеса (моменты сил трения и др.). При отсутствии моментов внешних сил гироскоп называется свободным. Хотя астатические гироскопы не обладают избирательностью по отношению к заданному направлению, т. е. «направляющей силой», стремящейся привести ось гироскопа в определенное положение, они используются в ряде Г. у., например, в гироскопах направления (См. Гироскоп направления), гировертикалях и др., причём прецизионные гироскопы могут применяться без корректирующих устройств.

Позиционным называется гироскоп, обладающий избирательностью по отношению к некоторому направлению; при отклонении его оси от этого направления возникает «направляющая сила», стремящаяся вернуть ось гироскопа в заданное положение. Для придания Г. у. позиционных свойств применяют два способа. Первый состоит в смещении центра тяжести гироскопа относительно точки подвеса. Он используется в Гирокомпасах, у которых «направляющая сила» возникает при отклонении оси гироскопа от плоскости меридиана, и в гиромаятниках, у которых «направляющая сила» возникает при отклонении оси гироскопа от вертикали места. Др. способ состоит в применении астатического гироскопа и соответствующей системы коррекции, например маятниковой (см. Гировертикаль).

Гироскопы с двумя степенями свободы используют в Г. у. чаще всего в качестве дифференцирующих и интегрирующих гироскопов, которые осуществляют дифференцирование (или интегрирование) входного сигнала, т. е. измеряют производную (или интеграл) от той величины, на воздействие которой реагирует Г. у. Например, в Гиротахометре дифференцирующий гироскоп, реагируя на поворот объекта, измеряет его угловую скорость, а поплавковый интегрирующий гироскоп (см. Гироскопический интегратор), реагируя на угловую скорость объекта, измеряет угол его поворота.

Физические принципы построения чувствительных гироскопических элементов. Различают гироскопы с механическим ротором, с жидкостным ротором, вибрационные, лазерные, ядерные. Наиболее распространены гироскопы с механическим ротором: у них носителем кинетического момента является быстровращающееся массивное твёрдое тело - ротор. Носителем кинетического момента может быть и жидкая среда. Вибрационные гироскопы (См. Вибрационный гироскоп) в качестве чувствительного элемента содержат вибрирующие массы (например, ротор с упругим подвесом или упругие пластины) и служат для определения угловой скорости объекта. Лазерный гироскоп представляет собой устройство, в котором используется оптический Квантовый генератор направленного излучения и содержится плоский замкнутый контур (образованный тремя и более зеркалами), где циркулируют два встречных световых потока (луча); он также служит для определения угловой скорости объекта (см. Квантовый гироскоп). Ядерный гироскоп основан на том свойстве, что ядро атома содержит протоны, обладающие спиновыми и орбитальными моментами количества движения, а также связанными с ними магнитными моментами. При этом наличие механического вращательного момента у ядра сообщает ему свойства гироскопа, а наличие магнитного момента даёт возможность ориентировать ось этого гироскопа в пространстве и определять её положение. Ядерные гироскопы могут использоваться в качестве стабилизаторов направления, датчиков угловых скоростей.

Типы подвесов гироскопов. В гироскопах с механическим ротором различают механический, поплавковый, газовый, магнитный, электростатический типы подвесов. В большинстве Г. у. используются гироскопы с механическим подвесом; выполненным в виде карданова подвеса (см. Гироскоп).

В различных двух- и трёхстепенных гироскопах для разгрузки механических опор применяются жидкостные, или поплавковые, подвесы (например, в поплавковом интегрирующем гироскопе), вследствие чего подобные гироскопы мало подвержены вибрационным, ударным и др. возмущающим воздействиям и обладают высокой точностью.

Существенное повышение точности Г. у. достигается при применении гироскопов с газовым подвесом. Ротор такого гироскопа обычно имеет сферическую форму и опирается па чрезвычайно тонкий газовый слой, образующийся между шаром-ротором и специальной опорой. Такой шар является практически свободным гироскопом. Газовые опоры могут также применяться в осях подвеса ротора и кардановых колец.

В некоторых Г. у. используется гироскоп с магнитным подвесом, ротор которого, выполненный в виде ферритовой сферы, поддерживается магнитным полем во взвешенном состоянии. Необходимые характеристики поля автоматически регулируются специальной следящей системой. Другой разновидностью магнитного подвеса является т. н. криогенный подвес ротора, в котором используется взаимодействие магнитных полей, создаваемых токами в сверхпроводниках (См. Сверхпроводники). Поддерживающие силы магнитного поля возникают при изменении положения ротора по отношению к элементам подвеса. Материал ротора, катушек электромагнитов и специальных экранов приводится в сверхпроводящее состояние путём глубокого охлаждения.

В гироскопе с электростатическим подвесом ротор представляет собой полую сферу, наружная поверхность которой имеет высокую проводимость. Ротор помещается между электродами, к которым подводится высокое напряжение, регулируемое специальной следящей системой. Под действием электростатических сил ротор центрируется в пространстве между электродами.

Основные Г. у. По назначению Г. у. подразделяют на следующие группы: 1) Г. у. для определения угловых отклонений объекта. Сюда относятся различные астатические и позиционные гироскопы, а именно: гироскопы направления, определяющие азимутальные отклонения объекта (углы рыскания корабля или летательного аппарата), и гировертикали или гиромаятники, определяющие отклонения объекта относительно плоскости горизонта (углы килевой и бортовой качки корабля, углы тангажа и крена летательного аппарата); 2) Г. у. для определения угловых скоростей и угловых ускорений объекта, в которых используются дифференцирующие гироскопы. К ним относятся гиротахометры и вибрационные гироскопы, определяющие угловые скорости вращения объекта и гиротахоакселерометры, определяющие угловые скорости и угловые ускорения вращения объекта; 3) Г. у. для определения интегралов от входных величин, в которых используются интегрирующие гироскопы: гироскопические интеграторы угловых скоростей, определяющие углы отклонения объекта; интегро-дифференцирующие гироскопы, определяющие углы и угловые скорости вращения объекта, а также гироскопические интеграторы линейных ускорений, которые служат для нахождения линейной скорости объекта; 4) Г. у. для стабилизации объекта или отдельных приборов и устройств, а также для определения угловых отклонений объекта, называют Гиростабилизаторами; 5) Г. у. для решения навигационных задач. Сюда относятся: гирокомпасы, определяющие курс объекта и азимут (пеленг) ориентируемого направления; гиромагнитные компасы (См. Гиромагнитный компас), определяющие магнитный курс объекта, гирошироты, предназначенные для определения широты места; гирошироткомпасы, с помощью которых определяются курс и широта местоположения объекта; гирогоризонткомпасы, служащие для определения курса объекта и углов отклонения его относительно плоскости горизонта, инерциальные навигационные системы (См. Инерциальная навигационная система), которые предназначены для нахождения ряда параметров, необходимых для навигации объектов; Гироорбитанты, которые служат для определения углов рыскания, искусственного спутника Земли; гирорулевые, обеспечивающие автоматическое управление курсом корабля.

Г. у. применяют в морском флоте, авиации, ракетной и космической технике, народном хозяйстве для решения разнообразных задач навигации и управления подвижными объектами, а также при проведении некоторых специальных работ (маркшейдерских, геодезических, топографических и др. - см.

Гироскопом называется массивное симметричное тело, вращающееся с большой угловой скоростью. При обеспечении трех степеней свободы вращения гироскоп сохраняет свое положение неизменным в инерциальном пространстве, то есть абсолютно неподвижном пространстве. Вторым важным свойством гироскопа является прецессия, сущность которой заключается в следующем. Если к гироскопу приложить силу, стремящуюся его повернуть вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, то гироскоп станет поворачиваться вокруг третьей оси, перпендикулярной к первым двум. Направление этого прецессионного движения определяется по правилу: вектор кинетического момента гироскопа (главная ось гироскопа) стремится совместиться с вектором момента внешней силы по кратчайшему расстоянию.

Рис.11. Магнитный компас на основе гироскопа с тремя степенями свободы

Использование второго свойства гироскопа - прецессировать под воздействием внешней силы - позволяет первоначально ориентировать и в дальнейшем стабилизировать положение оси ротора относительно Земли. Это дает возможность определять с помощью гироскопических приборов углы ориентации ЛА в пространстве (курс, крен, тангаж) и другие величины.

Угловая скорость прецессии определяется соотношением:

wп = М / JW = M / H,

где М - момент внешней силы, равный произведению силы на плечо; W - угловая скорость вращения ротора гироскопа; J - момент инерции ротора гироскопа; Н - кинетический момент гироскопа.

Гироскопы современных курсовых приборов имеют кинетические моменты от 3000 до 24000 гс см с при угловых скоростях вращения ротора 20000 - 24000 об/мин.

При гироскопическом способе измерения курса ЛА используется гироскоп с тремя степенями свободы и горизонтальным расположением главной оси (оси ротора). В курсовых приборах такой гироскоп называется курсовым. Свойство гироскопа сохранять положение главной оси в пространстве неизменным дает устойчивое опорное направление для измерения курса. Свойство прецессии используется для сохранения горизонтального положения его главной оси.

Положение главной оси курсового гироскопа, которая моделирует опорное направление, изменяется относительно осей навигационных систем координат. Причинами изменения азимута главной оси курсового гироскопа являются: суточное вращение Земли, перемещение ЛА относительно земной поверхности, собственный уход главной оси гироскопа.

В современных курсовых приборах, работающих в режиме гирополукомпаса, необходимость коррекции курса в основном определяется наличием собственного ухода главной оси гироскопа, которая составляет 0.5 - 2 0/ч. Если исходить из интервала коррекции гироскопического курсового прибора 45 мин - 1ч, то при путевой скорости полета 1200 - 700 км/ч можно сделать вывод о возможности измерения ортодромического курса в гирополукомпасном режиме при удалениях от главной ортодромии 300 - 500 км, при этом ошибка измерения ортодромического курса не превысит 0.50, так как при каждой коррекции курсового прибора она будет компенсироваться.

Практически гирополукомпас обеспечивает измерение условного курса относительно опорного направления осчета курса, называемого опорным меридианом. В качестве опорных меридианов для измерения условного курса принимаются: истинный (магнитный) меридиан аэродрома (ИПМ, ППМ), истинные меридианы с долготой 00 или 900 при полетах в высоких широтах, главная ортодромия (параллель) или меридиан ортодромической системы координат.

Гироско́п (от др.-греч. γῦρος - круг + σκοπέω - смотрю) - устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа - юла (волчок).

Термин впервые введен Ж. Фуко в его докладе в 1852 году во Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп».

Прецессия

Иллюстрация к основному свойству 3-степенного гироскопа (идеализированное функционирование)

Классификация[править | править вики-текст]

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

двухстепенные,

трехстепенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

механические гироскопы,

оптические гироскопы.

Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов, использующих ЯМР для отслеживания изменения спина атомных ядер.

Механические гироскопы[править | править вики-текст]

Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п - быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа - способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.

Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Свойства трехстепенного роторного гироскопа[править | править вики-текст]

См. также: Гироскопический тренажёр

Прецессия механического гироскопа.

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Поведение гироскопа в инерциальной системе отсчёта описывается, согласно следствию второго закона Ньютона, уравнением

где векторы M и L являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса.

Изменение вектора момента импульса L под действием момента силы возможно не только по величине, но и по направлению. В частности, момент силы M, приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный L , приводит к движению, перпендикулярному как M, так и L, то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы:

то есть обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа. Одновременно с возникновением прецессии, согласно следствию третьего закона Ньютона, гироскоп начнёт действовать на окружающие его тела моментом реакции, равным по величине и противоположным по направлению моменту M, приложенному к гироскопу. Этот момент реакции называется гироскопическим моментом.

То же движение гироскопа можно трактовать иначе, если воспользоваться неинерциальной системой отсчёта, связанной с кожухом ротора, и ввести в ней фиктивную силу инерции - так называемую кориолисову силу. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать.

Вибрационные гироскопы[править | править вики-текст]

Вибрационные гироскопы - устройства, сохраняющие поворачивающие или сохраняющие направление своих колебаний при повороте основания пропорционально угловой скорости (ДУС - датчики угловой скорости) или углу поворота основания (интегрирующие гироскопы). Этот тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторными гироскопами. В англо-язычной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрационные гироскопы» - хотя принцип их действия основан на эффекте действия силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.

Например, микромеханические вибрационные гироскопы применяются в системе измерения наклона электрического самоката Сигвей. Система состоит из пяти вибрационных гироскопов, чьи данные обрабатываются двумя микропроцессорами.

Подобные типы микрогироскопов используются в мобильных устройствах, в частности, в мультикоптерах, фотоаппаратах и видеокамерах (для управления стабилизацией изображения), в смартфонах и т.д.

Принцип работы

Два подвешенных грузика вибрируют на плоскости в MEMS-гироскопе с частотой.

При повороте гироскопа возникает Кориолисово ускорение равное, где - скорость и - угловая частота поворота гироскопа. Горизонтальная скорость колеблющегося грузика получается как: , а положение грузика в плоскости - . Внеплоскостное движение, вызываемое поворотом гироскопа равно:

m - масса колеблющегося грузика.

kop- коэффициент жёсткости пружины в направлении, перпендикулярном плоскости.

Величина поворота в плоскости перпендикулярно движению колеблющегося грузика.

Разновидности[править | править вики-текст]

Гироскоп на МАКС-2009

Пьезоэлектрические гироскопы.

Твёрдотельные волновые гироскопы. Работа одной из разновидностей ТВГ разработанные с 80-х гг. компаниями GE Marconi, GE Ferranti (ВБ), Watson Industires Inc. (США), Inertial Engineering Inc. (США) Innalabs, и другими основаны на управлении двумя стоячими волнами в физическом теле - резонаторе, который может быть как осесимметричным, так и циклически-симметричным. При этом, осесимметричная форма резонатора позволяет достичь характеристик гироскопа, а именно: значительно увеличить срок жизни гироскопа и его удароустойчивость, что критично для многих систем стабилизации. Резонаторы подобных КВГ вибрируют по второй форме колебаний (как и в HRG). Таким образом, стоячие волны - это колебания эллиптической формы с четырьмя пучностями и четырьмя узлами, расположенными по окружности края резонатора. Угол между смежными узлами / пучностями составляет 45 градусов. Эллиптическая форма колебаний возбуждается до определенной амплитуды. Когда гироскоп поворачивается вокруг оси чувствительности, результирующие Кориолисовы силы, воздействующие на элементы вибрирующей массы резонатора, возбуждают парную форму колебаний. Угол между главными осями двух режимов составляет 45 градусов. Замкнутый контур управления (компенсационная обратная связь - КОС) гасит парную форму колебания к нулю. Амплитуда силы (то есть сигнал пропорциональные току или электрическому напряжению в цепи КОС), необходимая для этого, пропорциональна угловой скорости вращения датчика. Соответствующая система замкнутого контура управления называется компенсационной аналогично КОС маятниковых акселерометров и классических роторных ДУС. Для генерирования компенсационной силы и считывания вызванных движений используются пьезоэлектрические элементы, закреплённые на резонаторе. Подобная электромеханическая система в высокой степени эффективна и обеспечивает низкий уровень шума выходного сигнала и широкий диапазон измерения, необходимые для многих «тактических» применений (хотя и снижает чувствительность датчика пропорционально расширению его диапазона измерений). Отметим, что упомянутые гироскопы используют современные сплавы инварного типа с паянными пьезоэлектрическими элементами ввода-вывода или пьезокерамические резонаторы с вжиганием электродов. В любом случае, их добротность теоретически ограничена величинами порядка 100тыс. (на практике, обычно, не выше 20тыс.), что на несколько порядков ниже много-миллионной добротности резонаторов КВГ из кварцевого стекла или монокристаллов, используемых для «стратегических» применений.

Камертонные гироскопы.

Вибрационные роторные гироскопы (в том числе динамически настраиваемые гироскопы).

МЭМС-гироскопы.

Применение в технике[править | править вики-текст]

Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе

Свойства гироскопа используются в приборах - гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА", BB" и CC", пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае - статическими гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы.

Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента.

Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, ИНС и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. При использовании в гировертикали показания гироскопа должны корректироваться акселерометром (маятником), так как из-за суточного вращения Земли и ухода гироскопа происходит отклонение от истиной вертикали. Кроме того, в механических гироскопах может использоваться смещение его центра масс, которое эквивалентно непосредственному воздействию маятника на гироскоп.

Системы стабилизации[править | править вики-текст]

Системы стабилизации бывают трех основных типов.

Система силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, в начале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки.

Система индикаторно-силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент, которым можно пренебречь.

Система индикаторной стабилизации (на трехстепенных гироскопах)

Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки

Первое свойство дгухстепенного гироскопa: главная ось гироскопа с двумя степенями свободы поворачивается в направлении силы, действующей относительно оси рамы.

Второе свойство двухстепенного гироскопа заключается в том, что его главная ось стремится совместиться по кратчайшему пути с вектором угловой скорости вращения ос­нования, на котором он установлен.

Поскольку двухстепенный гироскоп реагирует на угловую скорость вра­щения основания вокруг оси Y, то эту ось называют входной осью (осью мак­симальной чувствительности), а ось Х - выходной осью прибора.

2. Гироприборы на основе двухстепенного гироскопа

В рассматриваемых ниже приборах используется принцип уравновешивания гироскопического момента, возникающего вследствие вращения основа­ния вокруг входной оси прибора, моментом противодействующей пружины, зависящим от угла поворота гироскопа вокруг выходной оси.

2.1. Выключатель корреции ВК-53

Предназначен для отключения систем маятниковой коррекции гироско­пических приборов на вираже ЛА, так как действующая при этом на маятниковый чувствительный элемент центробежная сила инерции (см. рис.) при­водит к погрешности, в несколько раз большей, чем из-за суммарного ухода гироскопа (для АГД-1 - это погрешность в измерении угла крена).

Выключатель коррекции ВК-53 (рис.) состоит из двухстепенного гироскопа, выполненного в виде гиромотора ГМ, укрепленного с помощью подшипников в корпусе прибора и электромеханического устройства задержки времени.

Гироскоп opиентируется на ЛА так, что входная ось Y (ось чувствитель­ности), выходная ось Х (ось цапф гиромотора) и главная ось Z соответственно параллельны нормальной оси Y 1 , продольной оси Х 1 и поперечной оси Z 1 ЛА, причем ось Z направлена в сторону левого крыла.

При вираже ЛА с угловой скоростью w, вектор которой совпадает с осью Y, возникает гироскопический момент Мг= Н·w, стремящийся совместить век­тор кинетического момента Н с вектором о по кратчайшему пути, в результате чего гиромотор начнет поворачиваться вокруг оси X. Этому повороту препят­ствует пружина, развивающая момент M ПР =K ПР β,

где Кпр - удельный упругий момент пружины;

β - угол поворота гиромотора вокруг оси X.

Момент Мпр направлен противоположно моменту Мг, поэтому поворот гиромотора будет происходить до тех пор, пока момент пружины не уравнове­сит гироскопический момент, т.е. пока не выполнится условие: Кпр·β = Н·w, откуда:

Таким образом, угол поворота гиромотора вокруг оси Х пропорционален угловой скорости виража.

При этом щетка ламельного датчика Л, жестко укрепленная на оси цапф гиромотора, переместится с изолированного участка «с» на токопроводящую ламель «а», в результате чего по обмотке управления OY 1 двухфазного двига­теля Дв типа ДИД-0,5 устройства задержки времени потечет ток i 1 . Двигатель через редуктор Ред. станет поворачивать щетки потенциометра П обратной связи и корпус контактного диска К вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. По мере вращения вала двигателя корпус диска К повернется таким образом, что его токопроводяшие (незаштрихованные на рисунке) участки окажутся под неподвижными щетками; при этом через короткозамкнутый участок замкнется цепь питания реле Р, контакты которого выключат системы ма­ятниковой коррекции. Таким образом, срабатывание реле Р происходит не сра­зу после перемещения щетки датчика Л на ламель «а», а по истечение некото­рого промежутка времени, что гарантирует неотключение коррекции при слу­чайных колебаниях ЛА по углу рысканья.

Одновременно при повороте щеток потенциометра П на вторую управ­ляющую обмотку ОУ 2 двигателя будет подано напряжение, так что по этой об­мотке потечет возрастающий ток i 2 , противоположный по фазе току i 1 . При ра­венстве величин токов (точнее, магнитных потоков) двигатель остановится.

После прекращения виража гироскопический момент Mi = H·w обратится в нуль, поскольку w станет равной нулю, и гироузел под действием пружины вер­нется в исходное положение. При этом щетка ламельного датчика переместится на изолированный участок «с» и управляющая обмотка OY 1 двигателя обесточится. В результате действия момента, создаваемого током i 2 , двигатель станет вращаться в противоположную сторону до тех пор, пока щетки потенциометра П не займут положения, при котором их потенциалы уравняются. В момент остановки двига­теля щетки контактного диска окажутся на изолированных участках, в результате чего цепь питания реле Р разомкнется и включатся системы маятниковой коррек­ции гироприборов.

Поскольку повороту гироприбора вокруг оси Х под действием гироско­пического момента препятствует не только момент пружины, но и момент сил сухого трения в подшипниках, в которых укреплены цапфы гироузла, и поскольку, кроме того, изолированный участок «с» ламельного датчика имеет определенные размеры, то перемещение щетки на ламель «а» происходит только при угловых скоростях виража, больших некоторого минимального значения wпор, называемого порогом чувствительности прибора.

В случае изменения направления виража ЛА щетка ламельного датчика будет перемещаться на токопроводящую ламель «в», двигатель станет вра­щаться в противоположную сторону, а работа остальные элементов происхо­дит аналогично описанному выше.

Основные технические характеристики:

- кинетический момент гироскопа Н=0,4 кг·м 2 ·с -1 ;

Частота вращения ротора n=21-22 тыс. об/мин;

Порог чувствительности w пр =0,1-0.3 град/с;

Время задержки выключения коррекции t З =5-15с;

Ток в фазах асинхронного гиромотора ГМ 4; 0,3 А;

Питание прибора: от источника трехфазного переменно) о тока напряжением 36 В частотой 400 Гц и от источника постоянного тока напряжением 27 В;

Масса прибора не более 2,6 кг

Проверка ВК-53 производится на установке типа УПГ-48.Ппри этом проверяются: потребляемый ток, пороговая чувствительность и время задержки выключения коррекции.

Кроме выключателя коррекции ВК-53 применяются выключатели кор­рекции ВК-90, имеющие электронную систему задержки времени.

Гироскопические вертикали предназначены для определения направления истинной вертикали на движущихся объектах, т. е. для измерения и задания углов крена и тангажа ЛА, крена и диферента корабля и других объектов, а также для сохранения заданного углового положения прицела относительно плоскости горизонта и т. д.

На неподвижном основании направление истинной вертикали определяют жидкостным уровнем с воздушным пузырьком или любым короткопериодическим физическим маятником.

Короткопериодический маятник, установленный на корабле или ЛА, при изменении скорости или направления движения объекта отклоняется к направлению кажущейся вертикали. Кажущаяся вертикаль совпадает с направлением равнодействующей всех ускорений, действующих в точке подвеса маятника, включая ускорение силы тяжести (считая его направленным вверх). Следовательно, он не пригоден для непосредственного определения и задания направления истинной вертикали. В отличие от маятника свободный гироскоп не подвержен действию ускорений и сохраняет направление оси фигуры в абсолютном пространстве неизменным.

Если ось ротора гироскопа установить по истинной вертикали, то с течением времени она отклонится от этого направления вследствие суточного вращения Земли.

Для придания гироскопу избирательности к истинной вертикали он корректируется с помощью физического маятника. При этом одновременно используется способность физического маятника

различать направление истинной вертикали при установившемся движении корабля или самолета и способность свободного гироскопа сохранять направление оси фигуры неизменным в абсолютном пространстве.

Гироскопический маятник , . Простейшей гировертикалью является гироскопический маятник, представляющий собой гироскоп, центр тяжести которого смещен вдоль оси его ротора и не совпадает с неподвижной точкой О (рис. VIII. 19).

Рис. VIII. 19. Гироскопический маятник: 1 - ротор; 2 - внутренняя рамка; 3 - наружная рамка; 4 - основание

Движение оси ротора гироскопа будем определять в относительной системе координат Эта система таким образом связана с траекторией движения объекта, что ось совпадает с направлением истинной вертикали, ось сферической нормалью к траектории объекта, а ось перпендикулярна первым двум и образует вместе с осями правую систему координат.

Подвижная ось координат направлена по оси ротора гироскопа, ось х - по оси внутренней рамки кардана, а ось у - перпендикулярна им таким образом, чтобы система также была правой.

Положение подвижной системы координат по отношению к трехграннику задается углами причем угловые скорости направлены по осям Полагая углы а и Р малыми и пренебрегая угловой скоростью суточного вращения Земли и моментами трения в осях карданова подвеса, получим приближенные уравнения прецессии гиромаятника, установленного, например, на корабле, движущемся с ускорением по направлению ортодромии, а именно:

где - собственный (или кинетический) момент гироскопа;

Вес гироскопа (рамки кардана считаем невесомыми);

Расстояние от центра тяжести гироскопа до точки пересечения осей карданова подвеса;

Масса гироскопа;

Скорость движения корабля.

Обозначая частоту собственных колебаний гиромаятника через получим

Если принять, что в уравнениях (VIII.86) частота собственных колебаний гиромаятника равна частоте собственных колебаний математического маятника, длина которого равна радиусу Земли, т. е.

то получим

Частное решение уравнений (VIII.88) при любой функции имеет вид

а общее решение

где - случайные начальные отклонения оси ротора гироскопа от истинной вертикали.

Уравнения (VIII.89) и (VIII.90) показывают, что если в начале движения корабля ось ротора гиромаятника совпадала с направлением истинной вертикали, то в процессе движения она отклоняется от истинной вертикали лишь на величину скоростной девцации а в направлении к борту. Это отклонение совершается независимо от закона изменения скорости корабля, т. е. гиромаятник не обладает баллистическими погрешностями. При отклонении гиромаятника от истинной вертикали на угол а на гироскоп действует момент а от веса маятника, который Вызывает прецессию оси ротора гироскопа с угловой скоростью, равной угловой скорости поворота истинной вертикали в абсолютном пространстве.

При изменении скорости движения корабля на гироскоп действует также инерционный момент, развиваемый маятником и равный Если условие (VIII.87) выполняется, то гироскоп под влиянием

этого момента прецессирует в направлении к борту с такой угловой скоростью, что он неизменно оказывается в положении, соответствующем частному решению (VIII.89) уравнений (VIII.88). При случайном отклонении оси ротора гироскопа от положения равновесия, определяемого уравнениями (VIII.89) (например, вследствие трения в осях карданова подвеса), ось ротора гироскопа совершает незатухающие собственные колебания около положения равновесия. Период этих колебаний равен

Для обеспечения затухания собственных колебаний гиромаятника применяют специальные устройства: сообщающиеся сосуды, заполненные жидкостью, или дополнительные маятниковые устройства, которые управляют воздушной струей, выбрасываемой ротором гироскопа.

Рис. VIII.20. Гировертикаль с маятниковым корректирующим устройством

Рис. VIII.21. К составлению уравнений движения гировертикали

Однако в этом случае в гироскопическом маятнике при ускорении возникают возмущающие моменты.

Если не выполняется условие (VI 11.87), то возникают также баллистические погрешности гиромаятника.

Практически изготовление гиромаятника с периодом, равным 84,4 мин, связано со значительными техническими трудностями.

Гиромаятниковые вертикали в сочетании с разного рода демпфирующими устройствами не получили широкого распространения. На кораблях и самолетах применяются гировертикали, представляющие собой астатические гироскопы, движение которых корректируется специальными маятниковыми устройствами.

Гироскопические вертикали с маятниковым корректирующим устройством , . Гироскопические вертикали (рис. VIII.20) с маятниковыми корректирующими устройствами применяют в авиации и морском флоте. В качестве маятникового чувствительного элемента гировертикали используется жидкостной переключатель 4,

а коррекционные моменты накладываются на гироскоп с помощью асинхронных электродвигателей 2 и 3 с заторможенными роторами.

Питание управляющих обмоток осуществляется через маятниковый переключатель 4, представляющий собой жидкостной реостат. Корректирующее устройство имеет пропорциональную характеристику с ограничением или характеристику типа гистерезисной петли.

Если в процессе полета корректирующее устройство работает в зоне пропорциональности, то величина момента коррекции (рис. VIII.21) определяется по формулам:

Используя прецессионные уравнения движения с учетом моментов трения в подшипниках карданова подвеса при малых углах получим:

где - углы отклонения оси ротора от гировертикали; - эффективность коррекции;

Скорость прецессии гироскопа при действии моментов трения;

Е - крутизна характеристики корректирующего устройства;

Моменты трения в подшипниках осей наружной и внутренней рамок карданова подвеса;

Угловая скорость виража.

Уравнения прецессии гироскопа позволяют определить погрешности гировертикали на неподвижном основании:

погрешность гировертикали при полете с ускорением

и максимальную погрешность гировертикали на вираже:

Гироскопические вертикали с релейной или гистерезисной характеристикой корректирующего устройства также обладают погрешностями при полете с ускорением и на вираже.

При определении скоростной погрешности гировертикали необходимо учитывать суточное вращение Земли и движение самолета по отношению к Земле. Максимальная угловая скорость поворота направления истинной вертикали в абсолютном пространстве равна сумме переносной угловой скорости и суточного вращения Земли и относительной угловой скорости облета вокруг Земли

где R - радиус Земли.

Для того чтобы ось ротора гироскопа следила за направлением истинной вертикали, на гироскоп должен действовать момент, равный Такой момент развивает корректирующее устройство, и положение равновесия гировертикали определится равенством моментов

Из выражения (VIII.98) найдем

Последняя формула определяет максимальную величину скоростной погрешности гировертикали с пропорциональной коррекцией.

Выходными координатами прибора являются Рассмотрим динамические погрешности по координате . В прямолинейном полете возмущением поданной координате является угол отклонения кажущейся вертикали от истинной и угловая скорость поворота направления истинной вертикали в абсолютном пространстве,

где - постоянная времени коррекции.

Первое слагаемое определяет баллистические погрешности в динамике, второе - скоростные. С увеличением эффективности коррекции возрастают баллистические погрешности и уменьшаются скоростные.

Для уменьшения возможно применение апериодических и колебательных фильтров в контуре коррекции с большими постоянными времени.

Сигналы, пропорциональные углам, крена и тангажа самолета (крена и диферента корабля), снимаются с потенциометрических датчиков 1 и 5 (рис. VIII. 20). Напряжения, снимаемые со щеток, в первом приближении определяются по формулам

где - углы тангажа и крена самолета;

Соответствующие коэффициенты усиления сигналов, снимаемых с потенциометрических датчиков угла.

Для идеальной гировертикали , следовательно,

Для уменьшения баллистических погрешностей гировертикалей иногда ось ротора гироскопа наклоняют в направлении движения корабля или самолета на угол, пропорциональный скорости его движения.

В некоторых случаях для уменьшения баллистических погрешностей при движении самолета с ускорением корректирующие устройства выключают.

Гироскопические вертикали повышенной точности. При определении погрешностей гировертикалей повышенной точности нельзя считать, что направление кажущейся вертикали в установившемся режиме полета совпадает с направлением истинной вертикали. Дело в том, что полет самолета следует рассматривать как сложное движение: полет самолета относительно Земли, траектория которого определяется средствами навигации и пилотирования (относительное движение), и движение самолета вместе с Землей (переносное движение). При этом, если самолет летит по ортодромии (дуга большого круга Земли), то вектор скорости вследствие суточного вращения Земли поворачивается вокруг направления истинной вертикали с угловой скоростью и возникает поворотное ускорение, направленное по отрицательной оси (см. рис. VIII. 21) и равное

Вследствие чего направление кажущейся вертикали отклоняется от истинной в плоскости на угол

Если полет происходит по локсодромии (линия равных курсов), то вектор приобретает дополнительную угловую скорость вращения вокруг направления истинной вертикали, равную угловой скорости поворота географического трехгранника вокруг оси , а именно

где - восточная составляющая скорости полета.

Вследствие этого возникает центростремительное ускорение

которое направлено по отрицательной оси . При этом кажущаяся вертикаль еще отклоняется в плоскости на угол

При этом любой физический маятник в установившемся режиме полета с неизменным географическим курсом оказывается отклоненным от направления истинной вертикали на угол

Рассмотрим движение гировертикали (см. рис. VIII. 21) в полете в предположении, что в начале движения ось ротора гироскопа направлена по истинной вертикали (ось ), а оси у и х совпадают с осями и 5 соответственно. Предположим, что корректирующее устройство гировертикали, показанное на рис. VIII.20, выключено, и гировертикаль представляет собой астатический гироскоп, ось ротора которого сохраняет неизменное направление в абсолютном пространстве. При этом угловая скорость вращения направления истинной вертикали (ось в абсолютном пространстве будет

и ось ротора свободного гироскопа в рассматриваемый момент времени отклоняется от направления истинной вертикали с угловыми скоростями:

Если представить, что вокруг оси кардана гировертикали действуют коррекционные моменты, соответственно равные то скорости отклонения оси ротора гироскопа от направления истинной вертикали будут

Пусть с помощью специального счетно-решающего механизма формируются моменты коррекции в соответствии с уравнениями

где - соответственно широта места и курс самолета, определяемые с помощью счетно-решающего устройства; и - соответствующие коэффициенты пропорциональности. Тогда

Таким образом,

Если параметры счетно-решающего устройства подобрать так, чтобы уравнения (VIII. 104) обращаются в тождества:

при условии, что в начале движения направление оси ротора гироскопа совпадает с направлением истинной вертикали, т. е. при

Физический смысл такой коррекции заключается в том, что моментные датчики развивают моменты, создающие прецессию гироскопа со скоростью, соответствующей угловой скорости поворота истинной вертикали в инерциальном пространстве.

Рассмотренную выше некорректируемую от маятника гировертикаль использовать в продолжительном полете не представляется возможным, однако ее можно применять кратковременно во время маневра самолета. Для уменьшения погрешностей в установившемся полете и придания гировертикали свойств избирательности по отношению к направлению истинной вертикали применяют радиальную коррекцию, осуществляемую от физического маятника. Положение равновесия гировертикали с радиальной коррекцией в установившемся полете определяется из уравнений и

где - угловая скорость поворота вектора V вокруг Оси отсчитываемая относительно Земли.

Первый член первого уравнения (VIII. 106) и оба члена, стоящие в правой части второго уравнения, определяют скоростную погрешность гировертикали.

Второй член первого уравнения (VIII. 106) представляет собой погрешность, порождаемую поворотным, или кориолисовым, ускорением.

Третий член первого уравнения (VIII. 106) является навигационной погрешностью гировертикали, зависящей от метода навигации. Так, например, при полете по ортодромии , следовательно, навигационная погрешность равна нулю.

При полете по локсодромии навигационная погрешность

Величина погрешности, порождаемой кориолисовым ускорением, и навигационной погрешности гировертикали не зависит от крутизны радиальной коррекции.

Погрешность, порождаемую кориолисовым ускорением, и навигационную погрешность можно вычислить и устранить с помощью счетно-решающего механизма. При этом повышение точности гировертикали с радиадьной коррекцией достигается путем создания комплексной системы, включающей в себя гироскопическую вертикаль и счетно-решающий механизм, построенный с использованием навигационного автомата.

Гироскопические вертикали для самолетов, выполняющих фигуры высшего пилотажа , . При рассмотрении погрешностей гироскопических вертикалей при различных условиях полета предполагалось, что ось наружной рамы карданова подвеса гироскопа расположена параллельно продольной оси самолета. При такой

установке прибора погрешность показаний гироскопической вертикали не зависит от величины угла крена самолета на вираже. При пикировании самолета (рис. VIII.22), когда ось наружной рамки кардана приближается к совмещению с осью ротора гироскопа, т. е. угол Я мал, точность показаний прибора существенно зависит от угла тангажа самолета.

Рис. VIII.22. Движение гироскопа при сближении осей рамок карданова подвеса

Основная трудность создания гировертикалей для самолетов, выполняющих фигуры высшего пилотажа, заключается в том, что при совмещении оси ротора гироскопа с осью наружной рамки гироскоп теряет одну степень свободы, а следовательно, теряет специфические свойства гироскопа.

При совмещении этих осей под действием момента Мн вследствие потери гироскопических свойств рамка вместе с кожухом начнет ускоренно вращаться вокруг оси наружной рамки карданова подвеса.

Таким образом, при совмещении оси ротора гироскопа и оси наружной рамки кардана правильность показаний прибора при выполнении самолетом фигур высшего пилотажа не может быть гарантирована. Для предотвращения совмещения осей применяют различные устройства. Вариант такого устройства с неподвижным упором представлен на рис. VIII.23.

Рис. VIII.23. Гировертикаль с упором: 1 - упор; 2 - стержень; 3 - шайба; 4 - кожух; 5 - полая ось; 6 - наружная рамка

Через полую ось 5 наружной рамки карданова подвеса пропущен упор 1, а на кожухе 4 ротора гироскопа установлен стержень 2 с шайбой 3.

При опасном сближении оси ротора гироскопа с осью наружной рамки 6 кардана шайба соприкасается с неподвижным упором, и реакция упора создает реактивный момент, вектор которого направлен по оси внутренней рамки кардана. Этот момент вызывает прецессию гироскопа вокруг оси наружной рамки кардана. Шайба 3, скользя по поверхности упора 1, обойдет его, и совмещения осей не произойдет. Однако при таком способе предотвращения совмещения осей после совершения фигуры высшего пилотажа гироскоп все-таки отклоняется от направления истинной вертикали на угол, по меньшей мере, равный углу недохода оси ротора до совмещения с осью рамки.

Другим примером прибора, применяемого на самолетах, выполняющих фигуры высшего пилотажа, может служить авиагоризонт, показанный на рис. VIII.24. В этом авиагоризонте угол между осью наружной рамки кардана и осью ротора гироскопа автоматически поддерживается примерно равным 90° при любых эволюциях самолета, благодаря чему гироскоп сохраняет постоянно свою максимальную устойчивость. При этом гиромотор 6 (рис. VIII.24) и наружная рамка 5 подвешены на подшипниках в следящей рамке 4, которая автоматически удерживается электродвигателем 1 в таком положении, чтобы ось рамки 5 была перпендикулярна к оси ротора гироскопа.

Рис. VIII.24. Кинематическая схема АГИ: 1 - электродвигатель отработки; 2 - контакт выключателя; 3 - выключатель электродвигателя; 4 - следящая рамка; 5 - наружная рамка карданова подвеса; 6 - гиромотор; 7 - сферическая шкала; 8 - силуэт самолета

Чувствительным элементом, регистрирующим нарушение перпендикулярности осей и включающим электродвигатель который восстанавливает перпендикулярность осей, является выключатель 3, укрепленный на наружной рамке 5, и скользящий контакт 2, связанный с кожухом гиромотора.

Прецизионные гировертикали . Важным элементом в инерциальной системе является прецизионная (точная) гировертикаль.

Рассмотрим основные принципы ее построения.

Рис. VIII.25. Анализ движения прецизионной гировертикали

В некоторых случаях для определения направления истинной вертикали используется астатический гироскоп. При этом в начале полета ось ротора астатического гироскопа совмещают с направлением истинной вертикали. В процессе полета вследствие того, что направление истинной вертикали поворачивается в пространстве с угловой скоростью, равной (рис. VIII.25), а астатический гироскоп сохраняет направление неизменным в абсолютном пространстве, ось ротора гироскопа отклоняется от направления истинной вертикали с угловой скоростью где - абсолютная линейная скорость самолета.

Абсолютная линейная скорость составляет сумму относительной V и переносной линейной скорости, возникающей

вследствие суточного вращения Земли. Максимальная угловая скорость поворота направления истинной вертикали в пространстве равна

Для уменьшения скорости отклонения оси ротора гироскопа от направления истинной вертикали с помощью моментного датчика наложим на гироскоп момент внешних сил, равный М (рис. VIII.25).

Под действием момента М гироскоп прецессирует с угловой скоростью

Если в начале движения ось ротора гироскопа совпадает с направлением истинной вертикали, а затем угловая скорость поворота оси ротора гироскопа равна угловой скорости поворота направления истинной вертикали в пространстве, то ось ротора гироскопа неизменно следит за направлением истинной вертикали.

Гироскопы предназначены для демпфирования угловых перемещений моделей вокруг одной из осей, либо стабилизации их углового перемещения. Применяются в основном на летающих моделях в случаях, когда необходимо повысить стабильность поведения аппарата или создать ее искусственно. Наибольшее применение (около 90%) гироскопы нашли в вертолетах обычной схемы для стабилизации относительно вертикальной оси путем управления шагом рулевого винта. Это обусловлено тем, что вертолет обладает нулевой собственной стабильностью по вертикальной оси. В самолетах гироскоп может стабилизировать крен, курс и тангаж. Курс стабилизируют в основном на турбореактивных моделях для обеспечения безопасного взлета и посадки, - там большие скорости и взлетные дистанции, а ВПП, как правило, узкая. Тангаж стабилизируют на моделях с малой, нулевой, либо отрицательной продольной устойчивостью (с задней центровкой), повышающей их маневренные возможности. Крен полезно стабилизировать даже на учебных моделях.

На самолетах и планерах спортивных классов гироскопы запрещены требованиями FAI.

Гироскоп состоит из датчика угловой скорости и контроллера. Как правило, они конструктивно объединены, хотя на устаревших, а также "крутых" современных гироскопах размешены в разных корпусах.

По конструкции датчиков вращения, гироскопы можно разделить на два основных класса: механические и пьезо. Точнее, сейчас делить особо уже не на что, потому что механические гироскопы полностью сняты с производства как морально устаревшие. Тем не менее, распишем и их принцип работы тоже, хотя бы ради исторической справедливости.

Основу механического гироскопа составляют тяжелые диски, закрепленные на валу электродвигателя. Двигатель в свою очередь имеет одну степень свободы, т.е. может свободно вращаться вокруг оси, перпендикулярной валу двигателя.

Раскрученные двигателем тяжелые диски обладают гироскопическим эффектом. Когда вся система начинает вращаться вокруг оси, перпендикулярной двум другим, двигатель с дисками отклоняется на определенный угол. Величина этого угла пропорциональна скорости поворота (те, кто интересуется силами, возникающими в гироскопах, могут поглубже ознакомиться с кориолисовым ускорением в специальной литературе). Отклонение мотора фиксируется датчиком, сигнал которого поступает на блок электронной обработки данных.

Развитие современных технологий позволило разработать более совершенные датчики угловых скоростей. В результате появились пьезогироскопы, которые к настоящему времени полностью вытеснили механические. Конечно, они по-прежнему используют эффект кориолисова ускорения, но датчики являются твердотельными, то есть вращающиеся части отсутствуют. В наиболее распространенных датчиках используются вибрирующие пластины. Поворачиваясь вокруг оси, такая пластина начинает отклоняться в плоскости, поперечной плоскости вибрации. Это отклонение измеряется и поступает на выход датчика, откуда снимается уже внешней схемой для последующей обработки. Самыми известными производителями подобных датчиков являются фирмы Murata и Tokin .

Пример типичной конструкции пьезоэлектрического датчика угловых скоростей дан на следующем рисунке.

У датчиков подобной конструкции есть недостаток в виде большого температурного дрейфа сигнала (т.е. при изменении температуры на выходе пьезодатчика, находящегося в неподвижном состоянии, может появиться сигнал). Однако достоинства, получаемые взамен, намного перекрывают это неудобство. Пьезогироскопы потребляют намного меньший ток по сравнению с механическими, выдерживают большие перегрузки (менее чувствительны к авариям), позволяют более точно реагировать на повороты моделей. Что касается борьбы с дрейфом, то в дешевых моделях пьезогироскопов есть просто регулировка "нуля", а в более дорогих - автоматическая установка "нуля" микропроцессором при подаче питания и компенсация дрейфа температурными датчиками.

Жизнь, однако, не стоит на месте, и вот уже в новой линейке гироскопов от Futaba (Семейство Gyxxx с системой "AVCS") уже стоят датчики от Silicon Sensing Systems , которые очень выгодно отличаются по характеристикам от продуктов Murata и Tokin. Новые датчики имеют более низкий температурный дрейф, более низкий уровень шумов, очень высокую виброзащищенность и расширенный диапазон рабочих температур. Это достигнуто за счет изменения конструкции чувствительного элемента. Он выполнен в виде кольца, работающего в режиме изгибных колебаний. Кольцо делается методом фотолитографии, как микросхема, поэтому датчик называется SMM (Silicon Micro Machine). Не будем углубляться в технические подробности, любопытные смогут найти все здесь: http://www.spp.co.jp/sssj/comp-e.html . Приведем лишь несколько фотографий самого датчика, датчика без верхней крышки и фрагмента кольцевого пьезоэлемента.

Типичные гироскопы и алгоритмы их работы

Наиболее известными производителями гироскопов на сегодняшний день являются фирмы Futaba , JR-Graupner , Ikarus , CSM , Robbe , Hobbico и т.д.

Теперь рассмотрим режимы работы, которые используются в большинстве выпускаемых гироскопов (всякие необычные случаи рассмотрим потом отдельно).

Гироскопы со стандартным режимом работы

В этом режиме гироскоп демпфирует угловые перемещения модели. Такой режим достался нам в наследство от механических гироскопов. Первые пьезогироскопы отличались от механических в основном датчиком. Алгоритм работы остался неизменным. Суть его сводится к следующему: гироскоп измеряет скорость поворота и выдает коррекцию к сигналу с передатчика, чтобы замедлить вращение, насколько это возможно. Ниже дается пояснительная блок-схема.

Как видно из рисунка, гироскоп пытается подавить любое вращение, в том числе и то, которое вызвано сигналом с передатчика. Чтобы избежать такого побочного эффекта, желательно на передатчике задействовать дополнительные микшеры, чтобы при отклонение ручки управления от центра, чувствительность гироскопа плавно уменьшалась. Такое микширование может быть уже реализовано внутри контроллеров современных гироскопов (чтобы уточнить, есть оно или нет - посмотрите характеристики устройства и руководство по эксплуатации).

Регулировка чувствительности реализуется несколькими способами:

1. Дистанционная регулировка отсутствует. Чувствительность задается на земле (регулятором на корпусе гироскопа) и не меняется во время полета.
2. Дискретная регулировка (dual rates gyro). На земле задается два значения чувствительности гироскопа (двумя регуляторами). В воздухе можно выбирать нужное значение чувствительности по каналу регулирования.
3. Плавная регулировка. Гироскоп выставляет чувствительность пропорционально сигналу в регулирующем канале.

В настоящее время практически все современные пьезогироскопы имеют плавную регулировку чувствительности (а о механических гироскопах можно уже смело забыть). Исключение составляют только базовые модели некоторых производителей, где чувствительность устанавливается регулятором на корпусе гироскопа. Дискретная регулировка необходима только с примитивными передатчиками (где нет дополнительного пропорционального канала или нельзя выставить длительности импульсов в дискретном канале). В этом случае в канал регулирования гироскопа можно включить небольшой дополнительный модуль, который будет выдавать заданные значения чувствительности в зависимости от положения тумблера дискретного канала передатчика.

Если говорить о достоинствах гироскопов, реализующих только "стандартный" режим работы, то можно отметить, что:

• Такие гироскопы имеют довольно низкую цену (вследствие простоты реализации)
• При установке на хвостовую балку вертолета, новичкам проще выполнять полеты по кругу, так как за балкой можно особенно не следить (балка сама разворачивается по ходу движения вертолета).

Недостатки:

• В недорогих гироскопах термокомпенсация сделана недостаточно хорошо. Необходимо вручную выставлять "ноль", который может сместиться при изменении температуры воздуха.
• Приходится применять дополнительные меры по устранению эффекта подавления гироскопом управляющего сигнала (дополнительное микширование в канале управления чувствительности или увеличение расхода рулевой машинки).

Вот довольно известные примеры описанного типа гироскопов:

При выборе рулевой машинки, которая будет подключаться к гироскопу, следует отдавать предпочтение более быстрым вариантам. Это позволит добиться большей чувствительности, без риска, что в системе возникнут механические автоколебания (когда из-за перерегулирования рули начинают сами двигаться из стороны в сторону).

Гироскопы с режимом удержания направления

В этом режиме стабилизируется угловое положение модели. Для начала маленькая историческая справка. Первой фирмой, которая сделала гироскопы с таким режимом, была CSM. Режим она назвала Heading Hold. Поскольку название было запатентовано, другие фирмы стали придумывать (и патентовать) свои собственные названия. Так возникли марки "3D", "AVSC" (Angular Vector Control System) и другие. Такое многообразие может повергнуть новичка в легкое замешательство, но на самом деле, никаких принципиальных различий в работе таких гироскопов нет.

И еще одно замечание. Все гироскопы, которые имеют режим Heading Hold, поддерживают также и обычный алгоритм работы. В зависимости от выполняемого маневра, можно выбирать тот режим гироскопа, который больше подходит.

Итак, о новом режиме. В нем гироскоп не подавляет вращение, а делает его пропорциональным сигналу с ручки передатчика. Разница очевидна. Модель начинает вращаться именно с той скоростью, с которой нужно, независимо от ветра и других факторов.

Посмотрите блок-схему. По ней видно, что из управляющего канала и сигнала с датчика получается (после сумматора) разностный сигнал ошибки, который подается на интегратор. Интегратор же меняет сигнал на выходе до тех пор, пока сигнал ошибки не будет равен нулю. Через канал чувствительности регулируется постоянная интегрирования, то есть скорость отработки рулевой машинки. Разумеется, вышеприведенные объяснения весьма приблизительны и обладают рядом неточностей, но ведь мы собираемся не делать гироскопы, а применять их. Поэтому нас гораздо больше должны интересовать практические особенности применения подобных устройств.

Достоинства режима Heading Hold очевидны, но хочется особо подчеркнуть плюсы, которые проявляются при установке такого гироскопа на вертолет (для стабилизации хвостовой балки):

• на вертолете начинающий пилот в режиме висения может практически не управлять хвостовым винтом
• отпадает необходимость в микшировании шага хвостового винта с газом, что несколько упрощает предполетную подготовку
• триммирование хвостового винта можно производить без отрыва модели от земли
• становится возможным выполнение таких маневров, которые раньше были затруднены (например, полет хвостом вперед).

Для самолетов применение данного режима тоже может быть оправдано, особенно на некоторых сложных 3D-фигурах вроде "Torque Roll".

Вместе с тем следует отметить, что каждый режим работы имеет свои особенности, поэтому использование Heading Hold везде подряд не является панацеей. При выполнении обычных полетов на вертолете, особенно новичками, использование функции Heading Hold может привести к потере управления. Например, если не управлять хвостовой балкой при выполнении виражей, то вертолет опрокинется.

В качестве примеров гироскопов, которые поддерживают режим Heading Hold, можно привести следующие модели:

Переключение между стандартным режимом и Heading Hold производится через канал регулировки чувствительности. Если менять длительность управляющего импульса в одну сторону (от средней точки), то гироскоп будет работать в режиме Heading Hold, а если в другую - то гироскоп перейдет в стандартный режим. Средная точка - когда длительность канального импульса равна примерно 1500 мкс; то есть, если бы мы подключили на этот канал рулевую машинку, то она установилась бы в среднее положение.

Отдельно стоит затронуть тему применяемых рулевых машинок. Для того, чтобы добиться максимального эффекта от Heading Hold, нужно ставить рулевые машинки с повышенной скоростью работы и очень высокой надежностью. При повышении чувствительности (если скорость отработки машинки позволяет), гироскоп начинает перекладывать сервомеханизм очень резко, даже со стуком. Поэтому машинка должна иметь серьезный запас прочности, чтобы долго прослужить и не выйти из строя. Предпочтение стоит отдавать так называемым "цифровым" машинкам. Для самых современных гироскопов разрабатывают даже специализированные цифровые сервомашинки (например, Futaba S9251 для гироскопа GY601). Помните, что на земле, из-за отсутствия обратной связи от датчика вражений, если не принять дополнительных мер, то гироскоп обязательно выведет рулевую машинку в крайнее положение, где она станет испытывать максимальную нагрузку. Поэтому если в гироскоп и рулевую машинку не встроены функции ограничения хода, то рулевая машинка должна уметь выдерживать большие нагрузки, чтобы не выйти из строя еще на земле.

Специализированные самолетные гироскопы

Для применения в самолетах с целью стабилизации крена начали выпускать специализированные гироскопы. От обычных они отличаются тем, что имеют еще один канал внешней команды.

При управлении каждого элерона отдельным серво, самолетчики с компьютерной аппаратурой задействуют функцию флаперонов. Микширование происходит на передатчике. Однако контроллер самолетного гироскопа на модели автоматически определяет синфазное отклонение обоих каналов элеронов и не мешает ему. А противофазное отклонение задействуется в петле стабилизации крена - в ней присутствуют два сумматора и один датчик угловой скорости. Других отличий нет. Если элероны управляются от одного серво, то специализированный самолетный гироскоп не нужен, сгодится и обычный. Самолетные гироскопы делают фирмы Hobbico, Futaba и другие.

Касаясь применения гироскопов на самолете, нужно отметить, что нельзя использовать режим Heading Hold на взлете и посадке. Точнее, в тот момент, когда самолет касается земли. Это потому, что когда самолет находится на земле, он не может накрениться или повернуть, поэтому гироскоп выведет рули в какое-нибудь крайнее положение. А при отрыве самолета от земли (или сразу после посадки), когда модель имеет большую скорость, сильное отклонение рулей может сыграть злую шутку. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать гироскоп на самолетах в стандартном режиме.

В самолетах эффективность рулей и элеронов пропорциональна квадрату скорости полета самолета. При широком диапазоне скоростей, что характерно для сложного пилотажа, необходимо компенсировать это изменение регулированием чувствительности гироскопа. Иначе при разгоне самолета система перейдет в автоколебательный режим. Если же задать сразу низкий уровень эффективности гироскопа, то на малых скоростях, когда он особенно нужен, от него не будет должного эффекта. На настоящих самолетах такое регулирование делает автоматика. Возможно, скоро так будет и на моделях. В некоторых случаях переход в автоколебательный режим органа управления полезен - при очень низких скоростях полета самолета. Многие наверное видели, как на МАКС-2001 "Беркут" С-37 показывал фигуру "харриер". Переднее горизонтальное оперение при этом работало в автоколебательном режиме. Гироскоп в канале крена позволяет делать самолет "несваливаемым на крыло". Подробнее о работе гироскопа в режиме стабилизации тангажа самолетов можно почитать в известной монографии И.В.Остославского "Аэродинамика самолета".

Заключение

В последние годы появилось много дешевых моделей миниатюрных гироскопов, позволяющих расширить сферу их применения. Простота инсталляции и низкие цены оправдывают использование гироскопов даже на учебных и радиобойцовых моделях. Прочность пьезоэлектрических гироскопов такова, что при аварии скорее испортится приемник или серво, чем гироскоп.

Вопрос о целесообразности насыщения летающих моделей современной авионикой каждый решает сам. На наш взгляд, в спортивных классах самолетов, - по крайней мере, на копиях, гироскопы все-таки со временем разрешат. Иначе невозможно обеспечить реалистичный, похожий на оригинал полет уменьшенной копии из-за разных чисел Рейнольдса. На хоббийных аппаратах применение искусственной стабилизации позволяет расширить диапазон погодных условий полетов, и летать в такой ветер, когда только ручное управление не в состоянии удержать модель.