Общие сведения о гироскопе

ЛЕКЦИЯ №13. ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Особое место в семействе ИУ современных ВС играют гироскопические системы и датчики, т.е. системы и датчики основной частью которых является гироскоп.[1]

Под гироскопом понимается техническое устройство представляющее собой быстро вращающееся тело – ротор гироскопа[2] с рамками подвеса.

Различают гироскопы с двумя степенями свободы – двухстепенные и тремя степенями свободы – трехстепенные.

С помощью гироскопических ИУ определяют направление меридиана и истиной вертикали, измеряют угловые скорости и ускорения, а также линейную скорость движения различных объектов и координаты места их расположения. Такое широкое распространение гироскопические ИУ устройства нашли благодаря своим основным свойствам:

- основным свойством трехстепенного гироскопа является свойство сохранять неизменным направление своей главной оси в МИРОВОМ пространстве;

- основным свойством двухстепенного гироскопа является свойство совмещать по кратчайшему пути вектор собственного вращения гироскопа с вектором вынужденного вращения – свойство прецессии.

Общие сведения о гироскопе

Действие ряда гироскопических ИУ основано на применении гироскопов с двумя степенями свободы. К таким гироскопическим ИУ относятся: двухстепенные гироскопы силовых стабилизаторов, датчики угловой скорости и интегрирующие гироскопы, а также вибрационные (тахометрические) гироскопы с двумя степенями свободы.

Гироскоп состоит из ротора, рамки и основания (корпуса), которое условно можно принять за корпус самолета. Ротор гироскопа имеет две степени свободы движения относительно основания: вращение ротора вокруг боковой оси ВС относительно рамкис собственной угловой скоростью dφ/dt; вращение вместе с рамкой вокруг продольной оси ВС относительно основания с угловой скоростью dβ/dt.

При этом вертикальная ось ВС должна быть направлена перпендикулярно плоскости, заключающей оси продольную и боковую так, чтобы трехгранник xyz был правым.

Датчики угла и угловой скорости (ДУС)

Для ручного и автоматического управления летательными аппаратами, помимо определения их углового положения, необходимо измерять угловые скорости вращения относительно осей летательных аппаратов. С этой целью широкое применение находят гироскопические измерители угловой скорости – скоростные гироскопы (СГ).

Датчики угловых скоростей (ДУС), предназначенные для измерения угловой скорости вращения ВС вокруг какой-либо из связанных его осей, применяются в качестве чувствительных элементов автопилотов, а также бескарданных систем ориентации и бескарданных инерциальных навигационных систем.

В основу принципа действия ДУС положено основное свойство двухстепенного гироскопа (свойство прецессии) – совмещать главную ось собственного вращения гироскопа с осью вынужденного вращения.

Скоростной гироскоп имеет две степени свободы, одна из которых – степень свободы рамки – имеет упругое ограничение в виде противодействующей пружины (рис. 13.1). Если гироскоп ориентирован относительно осей самолета и самолет начинает разворачиваться с угловой скоростью, вектор которой ω_с перпендикулярен плоскости рамки, то поскольку гироскоп стремится сохранить неизменным положение оси ротора, опоры рамки, вращаясь вместе с самолетом, будут воздействовать на ось рамки с силами F_ОП. Таким образом, возникнет момент М_ОП пары силF_OП, вектор которого направлен, как и ω_с по оси у.

Этот момент вызовет прецессию с угловой скоростью ω' вокруг оси х рамки, что приведет к деформации противодействующей; пружины Пр. Возникнет момент пружины М_ПР, вектор которого будет направлен противоположно ω'. Под действием М_ПР гироскоп станет прецессировать с угловой скоростьюω'', вектор которой параллелен направлению вектора вращения самолета ω_с.Таким образом, установившееся значениеугла поворота рамки будет пропорционально измеряемой угловой скорости.

К основным погрешностямДУС относятся:

- погрешность, вносимая наклоном измерительной оси у;

- погрешность, порождаемая моментом сил “сухого” трения в подшипниках;

- погрешность, вызываемая нестабильностью характеристик элементов ИУ (определяется конструкцией ИУ и условиями его работы);

- погрешность, вызываемая несбалансированностью гироузла;

- погрешность от динамической несбалансированности гиромотора.

Гирополукомпасы

Гирополукомпас представляет собой трехстепенной гироскоп с вертикальной осью внешней рамки, ось ротора которого удерживается в горизонтальной плоскости системой коррекции. Работа ИУ основана на использовании только инерционных свойств гироскопа, и не имеется никаких устройств, устраняющих возникающие отклонения оси ротора в азимуте (т.е. в горизонтальной плоскости) от первоначального заданного направления. Именно поэтому такое устройство и получило название гирополукомпаса (ГПК).

Ось ротора гироскопа, стремясь сохранить неизменное положение относительно МИРОВОГО пространства, будет отклоняться от начального положения в азимуте из-за вращения Земли. Так как роторГПК по условию удерживается в горизонтальной плоскости, отклонение в какой-либо точке Земли М на широте φ (рис. 13.2) будет обусловливаться вертикальной составляющей ω_ЗВ = ω₃·sinφ угловой скорости ω₃ вращения Земли. При этом относительно Земли гироскоп будет вращаться с угловой скоростью – ω_ЗВ.

Если приложить к гироскопу корректирующий момент, обеспечивающий прецессию со скоростью ω_ЗВ, то ось ротора станет неподвижной относительно Земли. Следовательно, направление этой оси может служить началом отсчета курса.

Гирополукомпасы с подобной компенсацией уходов в азимуте из-за вращения Земли применяются для измерения ортодромического курса и полетов по ортодромии.

Гирополукомпасы применяются как самостоятельные курсовые ИУ, а также служат гироскопическими датчиками курса в курсовых системах и автопилотах.

[1] Термин “гироскоп” получен от греческих слов “гирос” – вращение и “скорпео” – наблюдаю.

[2] Ротор гироскопа вращается со скоростью от 22000 об/мин. и более.