книги из ГПНТБ / Селезнев В.П. Инерциальная навигация летательных аппаратов

§ 2.6. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ НАВИГАЦИИ

Гироскопические элементы

Гироскопические элементы в инерциальных системах навига ции выполняют роль стабилизаторов, обеспечивающих стабильное положение инерциальной системы координат или инерциальной вертикали. В астроинерциальных ориентаторах гироскопы исполь­ зуются в фотоэлектрических следящих системах для обеспечения их устойчивости и «памяти» при временной потере видимости небес­ ных светил.

К гироскопическим устройствам предъявляются требования минимальных уходов гироскопов, вызванных моментами трений и несбалансированности, стабильности кинетического момента гиро­ скопа, малого веса и габаритов конструкций.

Методы обеспечения минимального ухода гироскопов. Уход гироскопов определяется величиной

(2.25)

О

где /И0 — сумма возмущающих моментов, приложенных к оси. перпендикулярной оси вращения гироскопа;

Нг — кинетический момент гироскопа.

Каждая угловая минута ухода гироскопа вызывает погреш­ ность в определении координат местонахождения в 1,85 км. Для уменьшения ухода гироскопа необходимо, с одной стороны, умень­ шать абсолютную величину возмущающих моментов, а с другой стороны, увеличивать кинетический момент гироскопа.

Кинетический момент гироскопа может быть увеличен за счет увеличения габаритов гироскопа и скорости.его вращения. Но уве­ личение размеров гироскопа приводит к росту его веса и моментов трения в опорах подвеса, поэтому такой способ уменьшения уходов гироскопа не является рациональным.-Увеличение скорости враще­ ния гироскопа зависит от качества его подшипников. Значитель­ ное. улучшение шариковых подшипников позволило почти удвоить скорость вращения гироскопов, доведя ее в некоторых образцах до 40—50 тысяч об/мин. Большие возможности в увеличении скорости вращения гироскопа дают воздушные опоры (фиг. 2.18). Ротор ги­ роскопа I помещается в кожух 2, в который через входные штуце­ ры 4 подается воздух под давлением р. Воздух проходит в зазорах между шаровыми опорами 3 и кожухом 2 и его давление создает силы, удерживающие ротор во взвешенном состоянии. Использо­ ванный воздух отводится наружу через штуцеры 5 (на фиг. 2.12 не показан статор электродвигателя, приводящего во вращение гиро­ скоп). Благодаря отсутствию механического контактирования, между ротором гироскопа и кожухом исключается сухое трение в опорах гироскопа. Ценной особенностью такого подвеса является

94

то, что на больших скоростях шаровая опора сама засасывает на­ ружный воздух и обеспечивает взвешенное положение гироскопа. Следовательно, питание опор гироскопа воздухом от внеш­ него источника давления не­ обходимо только в период его запуска. Предельная скорость вращения гироскопа в этом случае ограничивается только его механической прочностью.

Уменьшение возмущающих моментов гироскопов может быть достигнуто за счет умень­ шения моментов несбаланси­ рованности, моментов трения в опорах и моментов токопод­ водящих устройств.

Моменты несбалансирован­ ности возникают вследствие смещения центра тяжести от­

носительно точки пересечений осей подвеса. С целью уменьшения этого смещения в опорах устраняют люфты с помощью пружин, а рамки подвеса выполняют достаточно жесткими. Несбалансиро­ ванность устраняется путем очень тщательной балансировки гиро­

скопических узлов.

Трение в опорах подвеса уменьшается различными способами. Наиболее практичными оказались воздушные подшипники, жидкост­ ные подвесы, подвесы на струне, магнитные подвесы и плавающие подвесы в ртути.

Особенно-перспективными оказались жидкостные подвесы. По­

осевые нагрузки на карданный подвес, и гироскоп избавляется от моментов, возникающих при ускорениях в результате сдвига под­ вешенной массы относительно оси вращения. Гироскопическая система с жидкостным подвесом отличается высокой прочностью и надежностью в условиях действия больших перегрузок и вибра­ ций. Однако эта система требует весьма тщательной балансиров кн и, кроме того, ее ремонт затруднителен.

Трудной проблемой, тесно связанной с подвесом, является спо­ соб подачи энергии к ротору без стеснения свободы движения гиро­ скопа. Для больших роторов применяется легкая эластичная под­ водка. Для миниатюрных роторов используются спиральные пру­ жинные токоподводы, струнные подвесы и ртутные контакты. При больших отклонениях гироскопов относительно рамок подвеса при­ меняются струнные подвесы или пружинные токоподводы со сле­ дящей опорой, устраняющей углы закручивания токоподводов.

Одним из важнейших средств улучшения качества гироскопов является применение компенсационных устройств для уничтожения

95

или уменьшения возмущающих моментов. К таким компенсацион­ ным устройствам относятся интегрирующие звенья, включенные и систему управления гироскопом. Примером такой системы управления гироскопом может служить 'фотоэлектрическая следя­ щая система с интегрирующим звеном. Применение интегрирую­ щих звеньев, позволяет в стационарных условиях полета умень­ шить уходы гироскопов в десятки раз. Параметры следящей компенсационной системы подбирает таким образом, чтобы случайные изменения возмущающего момента не вызывали бы за­ метных уходов гироскопа. При этом интегрирующее звено компен­ сационной схемы запоминает и компенсирует среднюю составляю­ щую возмущающего момента. Для запоминания и компенсации воз­ мущающих моментов гироскопов могут быть использованы не только фотоэлектрические следящие системы, но и допплеровский измеритель путевой скорости, неавтономные радиотехнические средства навига­ ции и радиолокационные прицелы и визиры. Гироскопические ста­ билизаторы. неподвижные относительно инерциального простран­ ства, весьма чувствительны к изменению направления силы тя­ жести в процессе полета. Для компенсации возникающей при этом разбалансировки могут быть применены интегрирующие звенья, если имеется возможность измерить уходы гироскопов относитель­ но инерциального пространства, или применена внешняя компен­ сация. Последняя основана на том, что с помощью двигателя кор­ рекции гироскопа создаются компенсационные моменты, величина которых вычисляется счетно-решающим устройством в соответст­ вии с изменением направления силы тяжести относительно гироско­ па и предполагаемым изменением разбалансировки.

Стабильность кинетического момента, особенно существенная для гироинерциальных ориентаторов с горизонтальным гироста­ билизатором, достигается благодаря^ применению синхронных дви­ гателей гироскопов, питаемых от источников э. д. с. стабилизирован­ ной частоты. Изменения частоты питающего тока нарушают равно­ мерную скорость вращения ротора гироскопа. В связи с этим к источникам питания гироскопов предъявляются требования ста­ бильности частоты до 0,1%. Для обеспечения запуска ротора при­ меняются асинхронные устройства и гистерезисные роторы. Основ­ ная доля энергии электродвигателя гироскопа затрачивается на преодоление аэродинамических моментов. С целью уменьшения затрачиваемой электроэнергии в некоторых конструкциях гироско­ пов их роторы помещают в герметические вакуумированные кожу­ хи, заполненные водородом, гелием и другими газами с малой плотностью. Однако малый расход энергии, затрачиваемый на вращение гироскопа, может существенно увеличить время разгона ротора.

Для управления гироскопами применяются датчики моментов. Если передаточный коэффициент моментного датчика входит мно­ жителем в общий передаточный коэффициент инерциальной систе­ мы, то изменение свойств моментного датчика может нарушить ин­ вариантность инерциальной системы по отношению к ускорениям.

9fi

В этом случае требования к стабильности характеристик моментного датчика и гироскопов совпадают. В качестве моментных дат­ чиков со стабильными характеристиками применяются, например,, магнитоэлектрические устройства, у которых ратором этого устрой­ ства является постоянный магнит, а статором — обмотка, питаемая постоянным током. В тех.случаях, когда требования к стабиль­ ности кинетического момента гироскопа и характеристикам моментного датчика невысокие (гироскоп не входит последователь­ ным звеном в измерительную цепь инерциальной системы), могут быть использованы в качестве приводов гироскопов асинхронные двигатели и моментные датчики в виде индукционных двухфазных двигателей, работающих в заторможенном режиме.

Карданные подвесы гироскопов должны иметь минимальные мо­ менты трения в осях и быть достаточно жесткими, чтобы инерцион­ ные силы не вызывали существенной разбалансировки. Кроме того, принимаются меры, чтобы при изменении температуры линейное расширение деталей карданного подвеса не вызывало ‘смещения центра тяжести гироузла. В тех случаях, когда гироскопические стабилизаторы используются без амортизации, особое внимание уделяется прочности и надежности подшипников гироскопов и кар­ данного подвеса.

Фотоэлектрические следящие системы

Фотоэлектрические следящие системы за небесными светила­ ми в инерциальных системах выполняют роль стабилизаторов. При совместной работе с гироскопическими стабилизаторами фотоэлек­ трические следящие системы устраняют уходы гироскопов. К фо­ тоэлектрическим следящим системам предъявляются требования, чтобы они надежно пеленговали звезды яркостью не менее и 3- звездной величины при помехах со стороны фона неба. Особенно высокие требования предъявляются к системам, следящим за звездами в дневное время. Принцип действия и устройство фото­ электрических следящих систем инерциальных систем навигации ничем не отличаются от фотоследящих систем астрономических ориентаторов, описание которых дано в [1].В качестве характери­ стик. по которым оцениваются фотоследящие системы, прини­ маются:

—точность слежения за небесным светилом, которая должна быть не менее одной угловой минуты;

—время «памяти», исчисляемое единицами и десятками минут;,

минимальная яркость пеленгуемых звезд и их спектральная характеристика;

— высота полета, выше которой обеспечивается надежное сле­ жение за звездами.

Кроме этого, фотоэлектрические следящие системы должны иметь малые габариты и вес. Если телескопы управляются с по­ мощью гироскопов, то требования к гироскопам и их моментным датчикам могут быть невысокие. В тех случаях, когда телескопы

поворачиваются относительно стабилизированной платформы, не­ обходимо иметь прецизионные сервоприводы, обладающие боль­ шой точностью отработки и минимальными забросами. Такими сервоприводами могут быть, например, шаговые двигатели, управ­ ляемые импульсными сигналами. Особенностью шаговых двига­ телей является го, что каждому управляющему электрическому импульсу соответствует вполне определенный угол поворота (шаг) ротора двигателя. Шаговые двигатели могут иметь различный принцип действия. У реверсивных двигателей с храповым механиз­ мом поворот ротора осуществляется с помощью электромагнитов, переметающих собачки. Каждому электрическому импульсу соот­ ветствует поворот ротора на один зуб. При отсутствии сигналов ротор удерживается неподвижно пружинным фиксатором.

Шаговые двигатели могут быть в виде электрической машины, у которой статор имеет большое число пар полюсов, а ротор содер­ жит явно выраженные полюса. Каждый очередной электрический импульс поступает на последовательно подключающиеся пары по­ люсов статора, в результате чего его результирующий поток пово­ рачивается на определенный угол, увлекая за собой ротор. Элекгромашинный шаговый двигатель отличается надежностью, таккак у него нет храповых механизмов, подвергающихся износу.

§ 2.7. ОСОБЕННОСТЙ СЧЕТНО-РЕШАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Счетно-решающие устройства выполняют следующие задачи: интегрируют ускорения и скорости полета, вычисляют сигналы ком­ пенсации погрешностей, вычисляют координаты местонахождения, направления на небесные светила и т. п. В инерциальных системах навигации применяются аналоговые счетно-решающие устройства непрерывного действия и цифровые дискретные счетно-решающие устройства. Аналоговые счетно-решающие устройства — интеграто­ ры, синусно-косинусные элементы, суммирующие и множительные элементы — имеют такой же принцип действия, как и в навига­ ционных автоматах воздушного счисЛения пути.

Однако требования к точности счетно-решающих устройств для инерциальных систем навигации весьма высокие. Так, напри­ мер, при точности измерения координат местонахождения около Г каждый элемент счетно-решающего устройства должен иметь точ­ ность не менее 0,01%. Реализация такой точности с помощью ана­ логовых счетно-решающих устройств представляет значительные технические трудности. Поэтому для решения подобных задач мо­ гут быть применены цифровые дискретные машины, обладающие практически неограниченной точностью. В целях уменьшения объ­ ема математических вычислений или полного исключения счетно­ решающих устройств в инерциальных системах навигации приме­ няются специальные карданные подвесы телескопов — сферанты, которые моделируют параллактические треугольники. В таких си­ стемах погрешности измерения координат местонахождения зави­ сят от ошибок угломерных устройств.

98

Интегрирующие устройства инерциальных систем навигации

Интегрирующие устройства предназначены для интегрирова­ ния по времени ускорений и скорости полета.

Интегрирующие устройства оцениваются следующими харак­ теристиками:

1) кратностью интегрирования, т. е. отношением максимально­ го к минимальному входному сигналу;

2)чувствительностью, т. е. минимальным входным сигналом, при котором начинается работа механизма;

3)линейностью, характеристики.

При выборе, интегрирующего устройства необходимо стре­ миться к тому, чтобы его характеристики удовлетворяли постав­ ленным требованиям, а принцип устройства позволял осуществлять наиболее простое сочетание интегрирующего устройства с другими устройствами навигационной системы.

Интегрирующие устройства могут быть механические, электро­ механические, электрические, электролитические, гироскопические и др.

Механические интегрирующие устройства. Наиболее просто и точно интегрирование осуществляется в счетно-решающих механиз­ мах, в которых результат представляется в форме угловой скорости. Если функция f(t), подлежащая интегрированию, пропорциональ­

где »! и a2 — конечный и начальный углы поворота оси. Следовательно, угол поворота оси механизма, измеренный

в течение времени i, является в определенном масштабе — инте­

гралом функции f(t), выраженной в форме угловой скорости этой оси.

Электромеханические интегрирующие устройства получают на входе интегрируемую величину в виде электрического сигнала, а на выходе — интеграл ее по времени в форме механической угловой величины.

В навигационных системах низкой точности применяются ин­ тегрирующие электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Скорость вращения якоря такого двига­ теля равна:

где и — входное напряжение, пропорциональное интегрируемой функции f(t), так что f{t) *= ku;

/я, R* — ток и сопротивление обмотки якоря;

С— постоянная, зависящая от параметров электродвигателя;

Ф— магнитный поток статора (Ф = const).

Вращающий момент двигателя Мс = А, Ф/„ уравновешивается суммой моментов, состоящей из момента внешней нагрузки И,,,

момента холостого хода М0, создаваемого трением вращающегося

тродвигателя. Угол поворота якоря, представленный в виде опера­ торного изображения, имеет вид:

Если бы не было внешних моментов М„ и М0, а постоянная времени была бы ничтожно мала, то угол поворота якоря был бы пропор­ ционален интегралу f(t):

вследствие торможения электродвигателя под действием внешних моментов сопротивления. Второе слагаемое представляет собой ди­ намическуюпогрешность интегратора, вызванную его инерцион­ ностью.

В счетно-решающих устройствах стремятся-не нагружать шунтовой двигатель, выполняющий роль интегрирующего устройства, какими-либо моментами и предельно уменьшать момент холосто­ го хода. Последнее достигается путем применения опор с малым трением (например, опоры на камнях), использования коллекто­ ров и щеток из благородных металлов (из золота и т. п.), надежно работающих при малых контактах давления. Сердечники якоря делают неподвижными. Вращается только каркас с обмотками, что значительно уменьшает вес, инерционный момент якоря и трение в опорах. Тип обмотки — катушечный. Все это позволяет уменьшить ток якоря и тем самым уменьшить погрешность инте­ грирования

100

Широкое применение в инерциальных системах находят инте­ грирующие приводы, позволяющие интегрировать функции, пред­ ставленные в виде электрических напряжений переменного или постоянного тока. Устройство состоит из двигателя 1 (фиг. 2.19),

М у

где 7. — угол поворота вала двигателя. Напряжение иах пропор­ ционально интегрируемой величине, т.е. иву;= kif(t). Тогда угол поворота

Да. MBpdt — погрешность интегрирования. Если

к2 ку-\~к2

101

коэффициент усиления ky или коэффициент k\ достаточно велики по сравнению с /г2, а погрешность Дад мала, то

Относительная погрешность в этом случае

где M — сумма статических и динамических моментов, преодолевае­ мых двигателем. Особенностью подобного устройства является то, что интегрирующий привод практически не нагружает счетно-ре­ шающий механизм (следствие нулевого метода измерения), исклю­ чая погрешности от нагрузки. При резком изменении интегрируе­ мой функции возможны погрешности интегрирования, вызываемые динамическими моментами подвижных частей всего устройства. При правильном подборе параметров погрешность интегрирования мо­ жет быть менее 0,1%. Интегрирующие устройства могут иметь са­ мый разнообразный принцип действия. Так, например, в инерци­ альных системах находят также применение электролитические инте­ граторы. Если интегрируемая функция( представлена в виде постоян­ ного тока, то количество тока (в кулонах) соответствует интегралу во времени от входной функции. Измерение пройденного’ тока осу­ ществляется по количеству вещества, перемещающегося между электродами в электролите. Упрощение конструкции инерциальной системы достигается благодаря применению интегрирующих аксе­ лерометров, устройство которых было рассмотрено выше. Кроме интегрирующих устройств, в инерциальных системах навигации применяются тригонометрические, суммирующие и другие счетно­ решающие устройства. В связи с требованием высокой точности, наибольшие перспективы применения имеют электронные цифро­ вые вычислительные устройства, которые изучаются в специаль­ ном курсе.

§ 2.8. ПОНЯТИЕ ОБ УСТРОЙСТВЕ ГИРООРИЕНТАТОРА

Гироориентаторы строятся в зависимости от назначения и мо­ гут решать различный объем задач. Простейшие гироориентаторы, предназначенные для навигации и управления летательными аппа­ ратами ближнего действия с кратковременным полетом, выпол­ няют ограниченные функции измерения скорости полета, дальности полета или бокового отклонения от заданного маршрута.

102

На фиг. 2.20 представлено устройство являющееся частью автономного управления ракеты, предназначенное для измерения скорости полета и пройденного расстояния ’.

.Основой устройства является интегрирующий акселерометр типа гиромаятника, установленного в карданной раме G. Ось СД является осью маятника. Карданная рама G может вращаться во­

Рассмотренный интегрирующий акселерометр выдает сигналы на автопилот, который изменяет кривизну траектории ракеты в за­ висимости от соответствия измеренной скорости расчетному дви­ жению.

Если возникает задача измерения только бокового смещения летательного аппарата от заданного направления, то для этого мо­ жет быть использован, например, гироориентатор с одним акселе­ рометром, ось чувствительности которого располагается перпенди­ кулярно вертикальной плоскости, в которой проходит заданная траектория (фиг. 1.8). Акселерометр 1 укретяется на оси 2 опо­ ры внутренней рамки гироскопа 4. Наружная рамка 5 подвеса ги­ роскопа опирается на корпус летательного аппарата. Двигатель в коррекции гироскопа получает сигнал управления, пропорциональ­ ный интегралу от измеряемого ускорения. В результате этого ось вращения гироскопа удерживается в горизонтальной плоскости. При наклонах оси z — z, параллельной продольной оси летатель­ ного аппарата, акселерометр также наклоняется, совершая угло­ вые повороты вокруг оси х' — х' гироскопа.

1) Петров В. П. Искусственные спутники Земли. Воениздат, 1957 г.

103