Опыт показывает, что прецессионное движение гироскопа под действием внешних сил в общем случае сложнее, чем то, которое было описано выше в рамках элементарной теории. Если сообщить гироскопу толчок, изменяющий угол (см. рис. 4.6), то прецессия перестанет быть равномерной (часто говорят: регулярной), а будет сопровождаться мелкими вращениями и дрожаниями вершины гироскопа - нутациями . Для их описания необходимо учесть несовпадение вектора полного момента импульса L , мгновенной угловой скорости вращения и оси симметрии гироскопа.
Точная теория гироскопа выходит за рамки курса общей физики. Из соотношения следует, что конец вектора L движется в направлении M , то есть перпендикулярно к вертикали и к оси гироскопа. Это значит, что проекции вектора L на вертикаль и на ось гироскопа остаются постоянными. Еще одной постоянной является энергия
 | (4.14) |
где - кинетическая энергия гироскопа. Выражая и через углы Эйлера и их производные, можно, с помощью уравнений Эйлера , описать движение тела аналитически.
Результат такого описания оказывается следующим: вектор момента импульса L описывает неподвижный в пространстве конус прецессии, и при этом ось симметрии гироскопа движется вокруг вектора L по поверхности конуса нутаций. Вершина конуса нутаций, как и вершина конуса прецессии, находится в точке закрепления гироскопа, а ось конуса нутаций совпадает по направлению с L и движется вместе с ним. Угловая скорость нутаций определяется выражением
 | (4.15) |
где и - моменты инерции тела гироскопа относительно оси симметрии и относительно оси, проходящей через точку опоры и перпендикулярной оси симметрии, - угловая скорость вращения вокруг оси симметрии (сравн. с (3.64)).
Таким образом, ось гироскопа участвует в двух движениях: нутационном и прецессионном. Траектории абсолютного движения вершины гироскопа представляют собой замысловатые линии, примеры которых представлены на рис. 4.7.
 |
| Рис. 4.7. |
Характер траектории, по которой движется вершина гироскопа, зависит от начальных условий. В случае рис. 4.7а гироскоп был раскручен вокруг оси симметрии, установлен на подставке под некоторым углом к вертикали и осторожно отпущен. В случае рис. 4.7б ему, кроме того, был сообщен некоторый толчок вперед, а в случае рис. 4.7в - толчок назад по ходу прецессии. Кривые на рис. 4.7 вполне аналогичны циклоидам, описываемым точкой на ободе колеса, катящегося по плоскости без проскальзывания или с проскальзыванием в ту или иную сторону. И лишь сообщив гироскопу начальный толчок вполне определенной величины и направления, можно добиться того, что ось гироскопа будет прецессировать без нутаций. Чем быстрее вращается гироскоп, тем больше угловая скорость нутаций и тем меньше их амплитуда. При очень быстром вращении нутации делаются практически незаметными для глаза.
Может показаться странным: почему гироскоп, будучи раскручен, установлен под углом к вертикали и отпущен, не падает под действием силы тяжести, а движется вбок? Откуда берется кинетическая энергия прецессионного движения?
Ответы на эти вопросы можно получить только в рамках точной теории гироскопам. На самом деле гироскоп действительно начинает падать, а прецессионное движение появляется как следствие закона сохранения момента импульса. В самом деле, отклонение оси гироскопа вниз приводит к уменьшению проекции момента импульса на вертикальное направление. Это уменьшение должно быть скомпенсировано моментом импульса, связанным с прецессионным движением оси гироскопа. С энергетическое точки зрения кинетическая энергия прецессии появляется за счет изменения потенциальной энергии гироскопам
Если за счет трения в опоре нутации гасятся быстрее, чем вращение гироскопа вокруг оси симметрии (как правило, так и бывает), то вскоре после "запуска" гироскопа нутации исчезают и остается чистая прецессия (рис. 4.8). При этом угол наклона оси гироскопа к вертикали оказывается больше, чем он был вначале то есть потенциальная энергия гироскопа уменьшается. Таким образом, ось гироскопа должна немного опуститься, чтобы иметь возможность прецессировать вокруг вертикальной оси.
 |
| Рис. 4.8. |
Гироскопические силы.
Обратимся к простому опыту: возьмем в руки вал АВ с насаженным на него колесом С (рис. 4.9). Пока колесо не раскручено, не представляет никакого труда поворачивать вал в пространстве произвольным образом. Но если колесо раскручено, то попытки повернуть вал, например, в горизонтальной плоскости с небольшой угловой скоростью приводят к интересному эффекту: вал стремится вырваться из рук и повернуться в вертикальной плоскости; он действует на кисти рук с определенными силами и (рис. 4.9). Требуется приложить ощутимое физическое усилие, чтобы удержать вал с вращающимся колесом в горизонтальной плоскости.
Раскрутим гироскоп вокруг его вокруг его оси симметрии до большой угловой скорости (момент импульса L ) и станем поворачивать раму с укрепленным в ней гироскопом вокруг вертикальной оси OO" с некоторой угловой скоростью как показано на рис. 4.10. Момент импульса L , получит при этом приращение которое должно быть обеспечено моментом сил M , приложенным к оси гироскопа. Момент M , в свою очередь, создан парой сил возникающих при вынужденном повороте оси гироскопа и действующих на ось со стороны рамы. По третьему закону Ньютона ось действует на раму с силами (рис. 4.10). Эти силы называются гироскопическими; они создают гироскопический момент Появление гироскопических сил называют гироскопическим эффектом . Именно эти гироскопические силы мы и чувствуем, пытаясь повернуть ось вращающегося колеса (рис. 4.9).
где - угловая скорость вынужденного поворота (иногда говорят: вынужденной прецессии). Со стороны оси на подшипники действует противоположный момент
 | (4.) |
Таким образом, вал гироскопа, изображенного на рис. 4.10, будет прижиматься кверху в подшипнике В и оказывать давление на нижнюю часть подшипника А.
Направление гироскопических сил можно легко найти с помощью правила, сформулированного Н.Е. Жуковским: гироскопические силы стремятся совместить момент импульса L гироскопа с направлением угловой скорости вынужденного поворота. Это правило можно наглядно продемонстрировать с помощью устройства, представленного на рис. 4.11.
1.1.1. Определение понятия «гироскоп»
В соответствии с современным состоянием и перспективами развития гироскопической техники гироскопам в широком смысле называют устройство, содержащее вращающийся или колеблющийся элемент и позволяющее на этой основе обнаруживать и измерять вращение в инерциальном пространстве того основания на котором ЭТО устройство установлено . Такому определению соответствует и само значение введенного в 1852 г. французским физиком Л. Фуко (1819-1868) термина гироскоп, образованного из двух греческих слов; гирос - вращение и скопейн - видеть, наблюдать, т. е. в свободном переводе гироскоп - указатель вращения.
В качестве гироскопа могут применяться вращающиеся твердые, жидкие и газообразные тела, практически доказана возможность использования гироскопических свойств частиц - атомных ядер или электронов, обладающих спиновым или орбитальным моментами. На базе оптических квантовых генераторов созданы лазерные гироскопы.
Однако в настоящее время в технических устройствах, особенно на морском флоте, наибольшее распространение получили гироскопы, в которых используется динамически симметричное быстровращающееся твердое тело (ротор), подвешенное таким образом, что ось его собственного вращения может произвольно изменять направление в пространстве. Следовательно, основными частями гироскопа являются ротор и его подвес.
Ось собственного вращения ротора называется главной осью гироскопа (осью фигуры). Две любые другие оси, лежащие в плоскости собственного вращения ротора и перпендикулярные между собой и к главной оси, называются экваториальными.
Понятие «быстровращающийся ротор» означает, что угловая скорость собственного вращения ротора на много порядков больше тех угловых скоростей, которые он может иметь относительно экваториальных осей,
Центром подвеса гироскопа называется та его точка, которая остается единственной неподвижной при всех вращательных движениях ротора. Если центр масс гироскопа совпадает с центром подвеса, то гироскоп называется астатическим , или уравновешенным, если не совпадает - тяжелым .
Свободным называется такой гироскоп, на который никакие моменты внешних сил не действуют. В технике часто под свободным гироскопом понимают астатический гироскоп с предельно малыми моментами сил трения о подвесе.
1.1.2. Подвесы, применяемые в гироскопах
Степень совершенства гироскопа, построенного на основе твердого ротора, во многом зависит от качества его подвеса. Через подвес ротор гироскопа связан с основанием (объектом, платформой), на котором он установлен. Подвес гироскопа считается тем лучше, чем меньше угловые движения основания передаются ротору.
Все гироскопы (гироскопические чувствительные элементы) можно разделить на два класса в зависимости от того, что является объектом подвеса:
камера (оболочка), содержащая быстровращающийся ротор (или систему роторов). В этом классе гироскопов применяют карданный, гидростатический (в сочетании с электромагнитным или упругим подвесом), а также газостатический подвес;
собственно быстровращающийся ротор. В этом классе гироскопов применяют подвесы - электростатический, гидродинамический, электромагнитный, криогенный, газодинамический, а также упругий вращающийся.
В тех гироскопах, в которых для подвеса используется электростатическое или электромагнитное поле либо силы давления жидкости или газа, собственно ротор или камера, содержащая ротор, как правило, имеет сферическую форму. Эта форма наиболее удобна с точки зрения обеспечения симметрии действующих сил поддержания.
Если принципиально необходимыми составными частями гироскопа являются ротор и подвес, то гироскоп, предназначенный для использования в гироскопическом устройстве, должен иметь: ротор (камеру с ротором), привод (для придания ротору собственного вращательного движения), а в ряде случаев датчик угла (для слежения за угловым положением гироскопа), и датчик момента для наложения управляющих и корректирующих моментов.
Предисловие
Введение
Глава I. Основы динамики твердого тела
§ 1. Эйлеровы углы. Углы Резаля
§ 2. Угловая скорость
§ 3. Линейные скорости точек твердого тела
§ 4. Кинетическая энергия твердого тела
§ 5. Кинетический момент твердого тела
§ 6. Закон моментов. Теорема Резаля
§ 7. Эйлеровы дифференциальные уравнения вращения твердого тела
§ 8. Уравнения моментов в подвижных осях, не связанных с телом. Обобщение уравнений Эйлера
§ 9. Дифференциальные уравнения движения свободного твердого тела
§ 10. Дифференциальные уравнения движения центра инерции в подвижных осях, связанных или не связанных с твердым телом
§ 11. Лагранжевы дифференциальные уравнения движения в обобщенных координатах
Глава II. Приближенная элементарная теория быстро-вращающегося симметричного гироскопа
§ 12. Симметричный гироскоп. Кинетический момент быстро вращающегося гироскопа
§ 13. Правило прецессии
§ 14. Прецессия оси гироскопа, вызываемая непрерывно действующей силой
Глава III. Гироскопический момент
§ 15. Главный вектор сил инерции твердого тела.
§ 16. Гироскопический момент в случае регулярной прецессии симметричного гироскопа. Правило Фуко
§ 17. Внешнее усилие, приложенное к прецессирующему гироскопу. Регулярная прецессия симметричного гироскопа по инерции
§ 18. Регулярная прецессия симметричного гироскопа под действием силы тяжести. Медленная и быстрая прецессия
§ 19. Мельничные бегуны
§ 20. Неуравновешенный ротор
§ 21. Гироскопический момент в общем случае движения симметричного гироскопа
§ 22. Случай быстро вращающегося гироскопа
§ 23. Судовая турбина
Глава IV. Дифференциальные уравнения вращения симметричного гироскопа
§ 24. Дифференциальные уравнения вращения симметричного гироскопа с тремя степенями свободы
§ 25 Случай быстро вращающегося гироскопа
§ 26. Устойчивость оси быстро вращающегося астатического гироскопа с тремя степенями свободы
§ 27. Потеря устойчивости оси быстро вращающегося астатического гироскопа при ограничении числа его степеней свободы
§ 28. Псевдорегулярная прецессия под действием постоянного момента. Псевдорегулярная прецессия под действием силы тяжести
Глава V. Движение симметричного гироскопа под действием силы тяжести (случай Лагранжа)
§ 29. Дифференциальные уравнения задачи
§ 30. Дифференциальное уравнение, определяющее угол нутации
§ 31. Границы изменения угла нутации
§ 32. Определение угла нутации, как функции времени
§ 33. Случай быстро вращающегося гироскопа. Псевдорегулярная прецессия
§ 34. Влияние трения на оси гироскопа
§ 35. Устойчивость вертикального положения оси гироскопа
Глава VI. Движение гироскопа в кардановом подвесе
§ 36. Гироскоп в кардановом подвесе
§ 37. Угловые скорости ротора и кардановых колец
§ 38. Кинетические моменты ротора и кардановых колец
§ 39. Дифференциальные уравнения движения гироскопа в кардановом подвесе
§ 40. Случай быстро вращающегося гироскопа
Глава VII. Гироскопический компас
§ 41. Составляющие вращения земли
§ 42. Первоначальная идея Фуко
§ 43. Гирокомпас Сперри с маятником
§ 44. Незатухающие колебания оси гирокомпаса около ее равновесного положения в плоскости меридиана Уравнения первого приближения
§ 45. Затухание колебаний оси гирокомпаса с маятником
§ 46. Гирокомпас Сперри с ртутными сосудами
§ 47. Малые колебания гирокомпаса с ртутными сосудами
§ 48. Уравнения движения гирокомпаса с ртутными сосудами с учетом движения основания прибора
§ 49. Курсовая девиация гирокомпаса
§ 50. Баллистические девиации гирокомпаса
Глава VIII. Теория гибкого вала с учетом гироскопического эффекта
§ 51. Постановка задачи
§ 52. Координаты диска
§ 53. Угловая скорость диска
§ 54. Дифференциальные уравнения движения диска
§ 55. Статическая задача
§ 56 Окончательный вид дифференциальных уравнений движения
§ 57. Собственные колебания. Собственные частоты
§ 58. Вынужденные колебания
§ 59. Критические числа оборотов гибкого вала
§ 60. Критические числа оборотов, соответствующие "обратной" прецессии
Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов высших технических учебных заведений, специализирующихся в области гироскопического приборостроения. В ней изложены прикладная , основы , применяемых в системах стабилизации и управления подвижными объектами, а также принципы устройства, конструктивные особенности, методические и некоторые инструментальные погрешности однороторных гироскопических приборов.
Значительное внимание уделяется объяснению физической сущности гироскопических явлений. Для лучшего уяснения теоретических положений книга снабжена большим количеством примеров, способствующих самостоятельному изучению предмета, особенно студентами заочных и вечерних факультетов.
Книга может быть полезна научным и инженерно-техническим работникам, занимающимся проектированием, расчетом и исследованием и устройств.
Оглавление
Предисловие
Введение
§ 1. Основная задача навигации
§ 2. Реакция магнитной стрелки и маятника на внешние возмущения
§ 3. Свойства быстро вращающихся тел
Глава I Физическая природа
§ 4. Поворотное ускорение
§ 5. Усилие, необходимое для сообщения телу поворотного ускорения
§ 6. Момент гироскопической реакции
§ 7. Определение момента гироскопической реакции в общем случае
§ 8. Закон прецессии
Глава II Уравнения движения и их анализ
§ 9. Основная кинематическая схема подвесов гироскопа
§ 10. Уравнения движения гироскопической системы
§ 11. Упрощение уравнений движения гироскопической системы
§ 12. Исследование в первом приближении уравнения движения ротора вокруг главной оси гироскопа
§ 13. Линеаризация системы уравнений движения гироскопа
§ 14. Движение гироскопа при воздействии на него момента мгновенных внешних сил (первое приближение)
§ 15. Движение гироскопа при действии постоянного момента внешней силы (первое приближение)
§ 16. Траектория полюса гироскопа
§ 17. Движение гироскопа под влиянием момента внешней силы, изменяющегося по гармоническому закону
§ 18. Действие момента внешней силы на гироскоп с двумя степенями свободы
Глава III Уточнение результатов исследования движения гироскопа в кардановом подвесе
§ 19. Изменение момента внешних сил, действующего на гироскоп относительно его главной оси, при установившейся скорости вращения ротора
§ 20. Систематический дрейф, возникающий при нутационных колебаниях гироскопа
§ 21. Физические причины, обусловливающие систематический дрейф гироскопа в результате его нутационных колебаний
§ 22. Систематический дрейф гироскопа, порождаемый его колебаниями
§ 23. Движение гироскопа в кардановом подвесе до достижения его ротором постоянной угловой скорости собственного вращения
Глава IV Уравнения движения гироскопа в подвижной системе координат и их анализ
§ 24. Составление уравнений движения гироскопа в подвижной системе координат
§ 25. Упрощенные уравнения движения гироскопа в подвижной системе координат
§ 26. Исследование в первом приближении движения гироскопа в подвижной системе координат
§ 27. Движение гироскопа в кардановом подвесе, основание которого закреплено неподвижно на земной поверхности относительно плоскостей горизонта и меридиана
§ 28. Отклонение от земных ориентиров гироскопа в кардановом подвесе, основание которого неподвижно на земной поверхности, а оси подвеса занимают произвольное положение
§ 29. Движение относительно земных ориентиров гироскопа в кардановом подвесе при перемещении его основания у земной поверхности по локсодромии
§ 30. Движение относительно земных ориентиров гироскопа в кардановом подвесе при перемещении его основания у земной поверхности по ортодромии
§ 31. Систематический дрейф гироскопа, обусловливаемый вращением основания прибора
§ 32. Влияние вращения основания прибора на характер движения гироскопа с двумя степенями свободы
Глава V Влияние сил трения в опорах подвеса на движение гироскопа
§ 33. Силы трения и характеристики создаваемых ими моментов
§ 34. Основное требование, предъявляемое к моментам сил трения в опорах гироскопических приборов
§ 35. Влияние сил вязкого трения на движение гироскопа
§ 36. Влияние сил сухого трения на характер движения гироскопа
§ 37. Влияние моментов сил сухого трения в опорах подвеса на характер движения гироскопа при гармонических колебаниях его основания
§ 38. Влияние сил сухого трения на гироскоп при случайном характере колебаний его основания
Глава VI Астатический гироскоп
§ 39. Использование астатического гироскопа в системах управления подвижными объектами
§ 40. Гироскопические приборы вертикант и горизонт
§ 41. Астатические гироскопы для измерения углов отклонения объектов от заданного направления движения
§ 42. Факторы, вызывающие ошибки при измерениях астатическим гироскопом углов поворота объекта
§ 43. Кардановы ошибки астатических гироскопов
§ 44. Исследование кардановых ошибок астатических гироскопов
§ 45. Установка астатического гироскопа по земным ориентирам
§ 46. Траектории движения полюса гироскопа к корректируемому положению
§ 47. Точность выдерживания астатическим гироскопом заданного положения в пространстве
Глава VII Гироскоп направления
§ 48. Принцип устройства гироскопа направления
§ 49. Анализ работы простейшего гироскопа направления
§ 50. Нивелирование главной оси гироскопа направления
§ 51. Движение гироскопа направления с межрамочным нивелированием при неподвижном положении его основания на земной поверхности
§ 52. Уравнения движения гироскопа направления, установленного на объекте, перемещающемся по локсодромии, и их анализ
§ 53. Движение гироскопа направления с маятниковым нивелирующим устройством
§ 54. Гироскоп направления со счетно-решающим устройством
§ 55. Использование гироскопа направления для осуществления перемещений объекта по ортодромии
§ 56. Ошибки гироскопа направления, обусловливаемые нивелирующим устройством. Бикарданов подвес гироскопа
Глава VIII Гиромагнитный компас
§ 57. Принцип действия гиромагнитного компаса
§ 58. Уравнения движения гиромагнитного компаса
§ 59. Движение гиромагнитного компаса с пропорциональной коррекцией при затухающих колебаниях магнитной стрелки
§ 60. Движение гиромагнитного компаса, снабженного корректирующим устройством с пропорциональной характеристикой, при вынужденных колебаниях магнитной стрелки
§ 61. Автоколебания гиромагнитного компаса с релейной характеристи-кой коррекции
Глава IX Гироскопический компас
§ 62. Гирокомпас Фуко
§ 63. Практическое использование гирокомпаса Фуко
§ 64. Гирокомпас для неподвижного основания
§ 65. Мореходный гирокомпас
§ 66. Незатухающие колебания гирокомпаса
§ 67. Исследование незатухающих колебаний гирокомпаса во втором приближении
§ 68. Затухающие колебания гирокомпаса
§ 69. Работа гирокомпаса на подвижном объекте. Скоростная девиация
§ 70. Влияние ускорений подвижного объекта на работу гирокомпаса
§ 71. Условие апериодического перехода гирокомпаса в новое положение равновесия
§ 72. Двухрежимные гирокомпасы
Глава X Гировертикаль
§ 73. Простейшая схема маятниковой гировертикали
§ 74. Скоростная девиация маятниковой гировертикали. Условие ее невозмущаемости
§ 75. Успокоение колебаний маятниковой гировертикали
§ 76. Гирогоризонты
§ 77. Основные разновидности принципиальных схем коррекции гирогоризонтов
§ 78. Влияние характеристики коррекции на движение гирогоризонта к положению равновесия
§ 79. Влияние периодических возмущений на движение гирогоризонта
§ 80. Сравнительная оценка основных видов характеристик систем коррекции гироскопических приборов
§ 81. Движение гирогоризонта при смещении его центра тяжести относительно точки подвеса
§ 82. Девиация гирогоризонта при вираже объекта
§ 83. Компенсация влияния ускорений объекта на гировертикаль
§ 84. Инерциальная гировертикаль
Глава XI Гироскопические приборы для измерения угловых скоростей и ускорений
§ 85. Основные разновидности гиротахометров
§ 86. Гиротахометры с тремя степенями свободы
§ 87. Гиротахометры с двумя степенями свободы
§ 88. Разновидности гиротахометров с двумя степенями свободы
§ 89. Поведение гиротахометра с двумя степенями свободы при колебаниях объекта
§ 90. Вибрационный гиротахометр
§ 91. Гироскопические приборы для измерения угловых скоростей и ускорений
Глава XII Гироскопические рамы
§ 92. Принцип устройства гироскопических силовых рам
§ 93. Поведение гироскопической рамы на подвижном основании
§ 94. Разновидности гироскопических рам
§ 95. Компенсация влияния вращения основания гироскопической рамы вокруг ее оси прецессии
§ 96. Устойчивость гироскопической рамы
§ 97. Демпфирование собственных колебаний гироскопической рамы противоэлектродвижущей силой стабилизирующего двигателя
§ 98. Точность стабилизации гироскопической рамы
§ 99. Влияние сил трения в опорах подвеса гироскопической рамы на точность стабилизации
Глава XIII Гироскопические приборы в системах автоматического управления, стабилизации и контроля
§ 100. Использование гироскопических приборов в автоматических системах стабилизации и управления подвижными объектами
§ 101. Структурная схема и передаточные функции гироскопических приборов, лишенных избирательности
§ 102. Структурная схема и передаточные функции корректируемых гироскопических приборов
§ 103. Дифференцирующие гироскопы
§ 104. Интегрирующие гироскопы
§ 105. Интеграционный гироскоп и гироскопическое реле
§ 106. Возможности использования гироскопов для определения местоположения объекта
§ 107. Гироскопические самопишущие приборы
Литература
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