книги из ГПНТБ / Карпухин А.В. Приборы систем управления ракет учебное пособие

160

датчик момента ДМ. Датчик моментов представляет собой электри­ ческий двигатель постоянного или переменного тока,работающий в заторможенном режиме (ротор не вращается под влиянием разви­ ваемого двигателем момента). На управляющую обмотку ДМ подают при испытаниях ток такой величины и направления, при котором датчик развивает прикладываемый к оси гироузла момент М ^ , равный по величине и обратный по направлению сумме вредных уводящих моментов. В результате этого ось гироузла разгружа­ ется от возмущающих моментов.

Момент сил трения Мгх , обусловленный силами трения в опо­ рах оси гироуэла, снижает точность прибора и определяет порог чувствительности,т.е. восприимчивость прибора к малым угловым скоростям вращения основания.При сборке прибора моментМгхЗатруяняет балансировку гироузла. Поэтому разрабатываются различные конструктивные меры для значительного снижения момента сил трения, в частности используются газовые, жидкостные и вращапреся опоры гироузла. Порог чувствительности, кроме того, сни­ жают увеличением кинетического момента гироскопа.

При длительной эксплуатации прибора опоры подвеса оси ро­ тора изнашиваются и возникают осевые и радиальные люфты. Эти люфты приводят к разбалансу гироузла, следовательно, к сниже­ нию точности прибора. Износ опор ротора зависит от скорости его вращения и времени работы прибора. Поэтому интегрирующие гироскопы со скоростью вращения ротора 30000 об/мин и обычны­ ми шарикоподшипниковыми опорами ротора имеют срок службы не­ сколько сот часов непрерывной работы в лучшем случае.

Поэтому оказывается предпочтительным направлять усилия конструкторов на разработку приборов высокой точности и малой зоны нечувствительности за счет снижения Urx при небольших скоростях вращения ротора. Это позволит создавать приборы со значительным сроком службы.

Так как интегрирующие гироскопы имеют датчики углов, то погрешности датчиков (нелинейность выходной характеристики, аона нечувствительности, остаточное напряжение и т .д .) будут сказываться на погрешности гироскопа и будут увеличивать ее. Поэтому выбор датчика следует производить с учетом допустимой (расчетной) погрешности гироприбора.

Интегрирующий гироскоп используется для измерения угла по­ ворота какого-либо объекта вокруг строго определенной оси вра­ щения. С этой целью гороскоп устанавливают на объект так,чтобы

161

его измерительная ось была строго параллельна оси, угол поворо­ та относительно которой необходимо измерять.При отклонении оси чувствительности гироскопа вследствие прецессии гироскопа от направления измерительной оси объекта гироскоп будет реагиро­ вать на составляющую угловой скорости вращения объекта вокруг

P=Tducosfi± sinp.

Для уменьшения влияния вращения объекта вокруг перекрест­ ной оси Z , на показания прибора предельный угол выбирают небольшим (2 * 6°) и значительно уменьшают время интегрирова­ ния. Следовательно, точные измерения углов при использовании интегрирующего гироскопа могут быть лишь в случае, когда воз­ можные значения углов поворота основания оС невелики, а пара­ метры прибора таковы, что во все время работы прибора угол $ остается небольшим. При необходимости измерения произвольных значений углов поворота объектов интегрирующий гироскоп приме­ няется совместно со следящим приводом и тогда устройство назы­ вается интегрирующим приводом или пространственным интеграто­ ром угловой скорости. Гироскоп в приводе является чувствитель­ ным, или воспринимающим, элементом.

§ 3 .б.ГИРОСКОПЫ С ВОЗДУШНЫМ И ЖИДКОСТНЫМ ПОДВЕСОМ ГИРОУЗЛА

Воздушный подвес гироскопа

Принцип воздушного подвеса (газовых подшипников) не явля­ ется новым и заключается в том, что между трущимися поверхно­ стями опоры, т .е . между цапфой оси, или пятой, и подпятником, создают воздушный зазор, который исключает механический контакт между поверхностями подвеса. Вследствие этого изменяется коэф­ фициент трения и момент сил трения практически уменьшается до нуля.

Конструктивные варианты воздушного подвеса различных гиро­ скопических приборов могут быть самыми разнообразными. В зави­

162

симости от форм тел, между которыми создается газовая прослой­ ка, или воздушная подушка, различают цилиндрические, сфериче­ ские и конусообразные воздушные подвесы.

Рассмотрим работу цилиндрических воздушных опор, которые широко использовались на немецкой баллистической ракете цФау-2". Физическая картина цилиндрического воздушного подвеса описыва­ ется достаточно сложно, поэтому ограничимся элементарным и приближенным объяснением сущности работы этого типа подвеса.

Ротор 3 гироскопа (рис.3.21) установлен на шарикоподшипни­ ках внутри гироузла 2, который выполняется в виде герметичного

кожуха цилиндрической формы. Внутренняя полость кожуха запол­ няется легким инертным газом, например гелием или водородом, для облегчения условий теплоотдачи между гиродвигателем и на­ ружной поверхностью гироузла.

Наружная поверхность гироузла имеет зеркальную обработку, чтобы не искажать картину распределения воздушного потока. Ги­ роузел помещается в корпус I цилиндрической формы, внутренняя поверхность которого имеет также зеркальную обработку. Ради­ альный зазор между гироузлом и корпусом невелик, порядка 0,05 мм.

163

В корпусе имеется кольцевой канал 4, называемый камерой нагне­ тания, в который под давлением 1 , 5 - 2 ати подается очищенный от механических примесей и масла воздух. Через капиллярные от­ верстия 5 воздух из камеры нагнетания поступает в пространство между цилиндром гироузла и внутренней поверхностью корпуса,от­ куда через зазоры между цапфами и опорами А и Б выходит наружу. Количество отверстий и их размеры зависят от веса гироузла, давления газа, условий работы гироприбора и т .д .

Под влиянием силы тяжести гироузел будет стремиться опу­ ститься вниз и лечь своими цапфами на опоры А и Б. Вследствие опускания гироузла зазор между кожухом и корпусом снизу будет меньше, чем сверху, т .е . 8(«=8г . Ввиду малости зазоров 8 , при движении воздуха по каналам между поверхностью гироузла и вну­ тренней поверхностью корпуса прибора аэродинамическое сопротив­ ление достигает значительной величины и существенно влияет на

ствие снизу будет больше, чем вверху, следовательно, скорость движения воздуха внизу будет меньше, чем вверху. Аэродинами­

касаются опор и гироузел оказывается как бы взвешенным в воз­ душной среде.

Благодаря отсутствию контакта между поверхностями подшип­ ника и малой вязкости газов момент сил трения при воздушном подвесе уменьшается в 100 раз и более по сравнению с моментом сил трения в шарикоподшипниках.

Подвод электрического напряжения к статору гиродвигателя, ротору датчика угла ДУ, ротору датчика момента ДМ (при необхо­ димости) осуществляется гибкими токоподводами торсионного ти­ па, которые имеют при малых углах закручивания незначительный по величине противодействующий момент (не более 0,05 Гем).

Цилиндрический воздушный подвес обладает способностью уст­ ранять перекосы гироузла относительно корпуса прибора (рис.322). При возникновении перекоса за счет перераспределения скоростей и давлений в воздушных зазорах создается восстанавливающий мо­ мент, который будет поворачивать гироузел в сторону уменьшения

ш

перекоса. Следовательно, цилиндрический воздушный подвес, осу­ ществляемый при небольших зазорах между корпусом и кожухом ги­ роузла, обладает жесткостью.

Для предохранения от повреждения зеркальных поверхностей гироузла и корпуса прибора при наличии болтанки последнего и

отсутствии воздушного питания (повреждение по­ верхностей приводит к нарушению картины рас­ пределения воздушного потока, что делает при­ бор непригодным к даль­ нейшей работе) гироузел при помощи мембраннопружинного арретира при­ жимается к одной из вну­ тренних торцовых поверх­ ностей корпуса. При по­ даче воздушного питания мембрана преодолевает

усилие пружины, гироузел освобождается и происходит его взве­ шивание.

Ничтожно малый момент трения по оси подвеса гироузла (оси прецессии) позволяет существенно снизить порог чувствительно­ сти гироскопа и повысить его точность. Поэтому гироскопы с воздушным подвесом имеют широкое применение при конструирова­ нии высокоточных гиростабилизаторов для систем управления ле­ тательных аппаратов. Например, основой системы управления на баллистических ракетах пРедстоун" и пЮпитер" (США) является гиростабилизированная платформа, на которой установлены три двухстепенных интегрирующих гироскопа с воздушным подвесом гироузла.

По сравнению с шарикоподшипниками воздушный подвес имеет ряд преимуществ и достоинств, которые определяют его примене­

ми нагрузками, так как их опорная поверхность, так называемая поверхность погружения, в сотни раз больше, чем у шариковых подшипников;

- так как отсутствует касание металлических поверхностей

165

между собой, износ подшипника при работе прибора практически отсутствует;

- подвес позволяет получить более равномерное распределе­ ние температуры гироузла, так как за счет больших поверхностей теплоотдача через газовый подшипник во много раз больше, чем через эквивалентный шариковый подшипник;

- момент сил трения имеет небольшую величину, незначитель­ ный разброс и мало меняется во времени.

Однако наряду с отмеченными преимуществами гироскопов с воздушным подвесом они имеют также и ряд недостатков:

- высокая точность изготовления опор обеспечивается весьма сложной технологией производства;

- для работы гироскопов с воздушным подвесом требуется источ­ ник воздушного питания, который должен обеспечивать требуемый

в работу и его выключение; перед подачей электрического пита­ ния на гиродвигатель необходимо предварительно взвесить гиро­ узел, т .е . подать на прибор воздушное питание. После выключе­ ния электрического питания подача воздуха на гироскоп выклю­ чается по истечении 30-45 минут; такая мера предосторожности

бежать ударений гироузла при отсутствии воздушного питания о внутреннюю поверхность корпуса. От этого недостатка свободны гироскопы с керамическими опорами, которые хорошо противостоят ударным нагрузкам и износу;

- вследствие несимметричности воздушного промежутка в за­ зорах и влияния вязкости газа возникает так называемый момент воздушного дутья, действующий относительно оси гироузла и при­ водящий к уходам гироскопа, однако этот момент имеет постоян­ ное направление и практически постоянную величину, поэтому мо­ жет быть легко определен при заводских испытаниях и скомпен­ сирован при помощи датчика момента.

Поплавковые гироскопы

Многие специалисты гироскопического приборостроения за рубежом и в нашей стране считают, что наиболее эффективным, а

166

потому и перспективным способом повышения точности двухстепен­ ных гироскопов путем снижения порога чувствительности и умень­ шения момента сил трения является применение жидкостного под­ веса гироузла. Согласно установившейся терминологии гироскопы

заключен гиродвигатель. Статор гиродвигателя прикреплен к ра­ ме 4, жестко связанной с внутренней поверхностью цилиндра, а ротор 6 устанавливается в опорах рамы.

гироузлом (поплавком) и внутренней поверхностью корпуса неве­

и датчика момента 9. Статоры этих датчиков прикреплены к кор­ пусу прибора.

Наиболее часто жидкость представляет собой фтороорганиче­ ское соединение на основе тяжелых вязких масел. Она выбирается

167

такой, чтобы ее выталкивающая сила полностью или почти пол­ ностью уравновешивала силу тяжести поплавка. Уравновешивание происходит в том случае, если удельный вес жидкости равен среднему удельному весу*) поплавка вместе о присоединенными к нему деталями (ДУ, ДМ и т . д . ) . При этом соблвдается соотно­ шение

постаточный вес", равный разности силы тяжести поплавка и си­

Это обстоятельство позволило применить в поплавковых гироско­ пах вместо шарикоподшипников опоры скольжения I большей частью из драгоценных камней, подобных тем, которые используются в часах (например агат или сапфир). Момент сил трения мал еще и потому, что жидкость является смазкой трущихся частей опоры. Предельный момент трения для опор в виде цилиндрических

*) Под средним удельным весом поплавка следует понимать отношение его сите тяжести к объему.

168

(точкой приложения выталкивающей силы жидкости) в одной точке, расположенной на оси вращения гироузла. Для этого поплавок подвергается тщательному уравновешиванию. Уравновешивание, как правило, осуществляется с помощью четырех регулировочных винтов (грузов), вворачиваемых в четыре взаимно перпендикуляр­

ных стержня с резьбой, закрепленных на оси поплавка. Одна пара стержней расположена параллельно оси вращения ротора гироскопа, другая - перпендикулярно к ней. Предварительное уравновешива­ ние поплавка производится до установки его в корпус прибора, а окончательное - в полностью собранном приборе после заполне­ ния его жидкостью (прибор при этом находится в рабочих усло­ виях).

Так как различные возмущающие силы передаются к гироузлу от корпуса прибора главным образом через вязкую жидкость, а не через подшипники, то взвешивание гироузла в жидкости при­ дает гироскопу.высокую вибрационную и ударную прочность. При этом удары и вибрации не только не вызывают его повреждений, но и не приводят к значительному нарушению характеристик гиро­

чии перегрузок увеличивается не только вес поплавка, но и ве­ совая плотность жидкости. Поэтому если поплавок был полностью взвешен до появления перегрузок, то он будет взвешен также и при перегрузках и дополнительного давления на опоры поплавка возникать не будет. При наличии остаточного веса гироузла до­ полнительное давление на подшипники будет увеличиваться в число раз, равное перегрузке.

169

Демпфирующий момент при движении поплавка создается за счет трения его цилиндрической поверхности о тонкий слой жидко­ сти. Удельный момент демпфирования поплавкового гироскопа вы­ ражается формулой

д- величина радиального зазора между поплавком и кор­ пусом гироскопа;

используеыын в приборе, неядовитой, взрывобезопасной. Одновременно выполнить указанные требования не представ­

ляется возможным. Многие жидкости при нормальной температуре являются слишком вязкими или вообще твердыми. Для приведения жидкости в рабочее состояние, при котором она приобретает нуж­ ные качества и свойства, используется система обогрева гиро­ скопа. Система обогрева гироскопа обеспечивает автоматическое поддержание заданной рабочей температуры с высокой степенью точности.