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

270

центром сферической камеры статора. Разгон ротора и съем вы­ ходного сигнала осуществляются таким ке образом, как и у

электростатического гироскопа. Особенностью гироскопа с элек­

тромагнитным подвесом ротора явля­ ется то, что на его работу сущест­ венно' влияют посторонние магнитные поля, а также магнитные поля элек­ тромагнитов подвеса. Поэтому с точ­ ки зрения большей точности электро­ статические гироскопы являются бо­ лее перспективными.

Неоспоримым преимуществом шаро­ вых гироскопов является отсутствие трущихся рабочих поверхно­ стей, что позволяет получить время непрерывной работы прибора, исчисляемое десятками тысяч часов.

Криогенные гироскопы

Криогенные гироскопы являются приборами, принцип действия которых основан на использовании свойств сверхпроводимости и взаимодействии сверхпроводника с магнитным полем. В I9 II г.

голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес обнаружил, что элек­ трическое сопротивление некоторых металлов практически исчеза­ ет при их охлаждении до температуры 0°К. Так, например, сопро­ тивление ртути при охлаждении до температуры, близкой к абсо­ лютному нулю, уменьшается в I0- ** раз. Вследствие почти полно­ го отсутствия омического сопротивления наведенные в сверхпро­

магнитное поле, и магнитная индукция внутри него стремится к нулю (р и с .б .5 ) . Это явление получило название эффекта Мейссне­ ра. Сущность его выражается в том, что окружающее магнитное поле не создает вращающих моментов, действующих на сверхпро­ водник, а может вызвать лишь его поступательное движение.

Сверхпроводник можно представить как отрицательный диполь, который отталкивается от магнита. Если вокруг него разместить соответствующим образом несколько магнитов (или магнитное по­

271

тического момента будет сохранять неизменное в пространстве положение вне зависимости от изменения поддерживающего внешне­ го магнитного поля. Относительно этого неизмененного положения можно измерять угловое по­ ложение подвижного объекта, на котором устанавливается вращающийся сверхпроводник.

Другими словами, вращающий­ ся сверхпроводник аналоги­ чен свободному трехстепен­ ному гироскопу.

Динамическая устойчи­

Рис.6.5

вость вращающегося сверх­ проводника наблюдается лишь в случае, когда его геометрический

центр подвеса совпадает с центром тяжести. При их несовпадении

Так как магнитное поле проникает в сверхпроводник на очень незначительную глубину (до нескольких микрон), ротор криоген­ ного гироскопа изготавливают в виде тонкой полой сферы из ма­ териала с большим модулем упругости во избежание деформаций ротора под действием центробежных сил. Сфера снаружи посред­ ством вакуумного напыления покрывается сверхпроводниковым ма­ териалом.

Сверхпроводимостью обладает ряд материалов, таких, как ти­ тан, ванадий, тантал, рутений, цинк, кадмий, ртуть, индий, оло­ во, свинец, ниобий и другие. Исследованиями установлено, что критическая температура, при которой материал становится сверх­ проводником, зависит от напряженности магнитного поля, самого материала и температуры окружающей среды. В таблице 6.1 приве­ дены сведения о критической температуре и напряженности внеш­ него магнитного поля для некоторых материалов.

272

Т а б л и ц а 6.1

Обнаружено, что сверхпроводимость зависит в основном от строения кристаллической решетки материала, а не от строения его атомов.

Низкая температура, при которой материал переходит в со­ стояние сверхпроводимости, создается с помощью жидкого гелия. Ротор приводится во вращение дополнительным магнитным полем по принципу, используемому в индукционных или гистерезисных двигателях. Внутри кожуха, в котором вращается ротор, обеспе­ чивается вакуум порядка 10“^ мм р т .с т . Это вызвано необходи­ мостью исключить разогрев вращающегося ротора гироскопа за счет трения о газовую среду.

Криогенный гироскоп, как и всякий шаровой гироскоп, явля­ ется трехстепенным гироскопом с ограниченными углами поворота. Он может использоваться на тех движущихся объектах, цде тре­ буется высокая точность измерения углов в течение длительного времени, а потребляемая мощность, размеры и вес не играют ре­ шающего значения.

Основными источниками погрешностей криогенного гироскопа

ченные магнитные потоки в процессе перехода материала в состоя­ ние сверхпроводимости), а также влияние устройств для коррек­ ции, съема сигнала и привода ротора гироскопа. При внесении энергии в сверхпроводник вследствие работы датчика сигнала, захваченных магнитных полей, работы коррекционных и приводных устройств повышается температура сферы, что приводит к нару­ шению состояния сверхпроводимости. Это вынуждает применять оптические датчики съема сигнала, у которых на узор, нанесен­

275

круг оси, не совпадающей с осью собственного вращения), форма распределения жидкости в оболочке нарушается, что может слу­ жить средством получения информации о характере второго вра­ ла тельного движения.

Такие гироскопы, у которых гироскопический эффект получа­ ется за счет вращения жидкости, называют жидкостными или ги­ роскопами с жидкостным ротором. Жидкости, используемые в ги­ роскопах, могут быть сжимаемыми и несжимаемыми. Сжимаемые жидко­ сти применяют для регистрации поступательных движений, а не­ сжимаемые - вращательного движения.

При технической реализации жидкостного гироскопа возникают затруднения в съеме выходного сигнала. В гироскопах с несжима­ емой жидкостью полезная информация получается посредством из­ мерения разности давления, поскольку характер поля давления зависит от измеряемой угловой скорости. Однако существующие датчики для измерения разности давления имеют достаточно боль­ шой порог чувствительности, что снижает точность жидкостного гироскопа.

Недостатком жидкостного гироскопа является влияние темпе­ ратуры жидкости, вызывающей изменение давления жидкости, на показания прибора. Однако устройство таких гироскопов значи­ тельно проще и эта существенно снижает стоимость их изготов­

ления. Ожидается, что их стоимость составит от 10 до 30% стоимости обычных гороскопов. На рис.6 .8 показан разрез миниа­ тюрного жидкостного гироскопа, разработанного фирмой Сперри. Гироскоп имеет в два раза меньше деталей, чем обычный поплав­ ковый гироскоп, использующийся для построения гироплатформ.

Вибрационные гироскопы

В вибрационных гироскопах момент количества движения ко­ леблющейся массы эквивалентен кинетическому моменту вращающе­ гося ротора обычного классического гироскопа. В качестве вибри­ рующей массы, использующейся для получения гироскопического эффекта, вначале применялся камертон, а в последнее время - тонкостенный полый цилиндр из поликристаллической керамики, обладающей пьезоэффектом.

Принцип действия одного из разновидностей вибрационных ги­ роскопов - гиротрона, основанного на использовании камертона,

276

можно пояснить с помощью рис.6 .9 . Гироскоп имеет следующие части: стержень 7, связанный с основанием 4-, ножки I камерто­ на, пластину 6 для съема сигнала. Ножки камертона принудитель­ но колеблются при помощи катушек электромагнита 2, причем ко­ лебание ножек происходит в одной и той же плоскости во взаимно противоположных направлениях с постоянными амплитудой и ча­ стотой.

При вращении основания вместе с камертоном вокруг оси о у возникнут крутильные колебания стержня вокруг этой оси и пла­ стина начнет вибрировать с амплитудой, зависящей от скорости

вращения основания.

щества ножек будут действовать кориолисовы силы инерции. Ко­ риолисовы силы инерции создают гироскопический момент, направ­

277

сближении ножек гиромомент будет оказывать ускоряющее влияние

ком колебаний являются обмотки электромагнита 2, которые пи­ таются от генератора колебаний, управляемого обмотками обрат­ ной связи 3 (обмотками синхронизации).

Выходной сигнал гиротрона снимается с обмоток 5, которые посредством пластины воспринимают крутильные колебания стержня и преобразуют их в электрический сигнал переменного тока. Сиг­ нал поступает на фазовый детектор, где происходит сравнение фаз колебаний стержня с сигналами от обмоток электромагнита раскачки 2. Выходной сигнал постоянного тока детектора соот­ ветствует скорости и стороне вращения основания.

Работу вибрационного гироскопа на основе цилиндра из поликристаллической керамики можно представить следующим обра­ зом. С помощью специального генератора переменного напряжения, приложенного к обкладкам цилиндра, вызывается деформация его концов. Тем самым вызывается периодическое изменение момента инерции цилиндра относительно его продольной оси. Если воз­ никает вынужденное вращение цилиндра вокруг этой оси, появля­ ются крутильные колебания цилиндра вокруг этой же оси и раз­ ность потенциалов на внутренней и наружной поверхностях цилин­ дра. Амплитуда разности потенциалов пропорциональна величине угловой скорости вращения цилиндра и, следовательно, может быть мерой угловой скорости. Частота колебаний цилиндра ис­ пользуется в качестве задающей для работы генератора, вызы­ вающего вибрацию концов цилиндра.

Вибрационные гироскопы могут использоваться как датчики угловой скорости. Очевидным достоинством таких гироскопов яв­ ляются: почти мгновенная их готовность к действию, отсутствие вращающихся частей, а следовательно, высокая надежность рабо­ ты, малые габариты и вес, относительная простота конструкции и технологии производства.

Диапазон измерения угловых скоростей вибрационными гиро­ скопами 0,007 - 600 град/сек.

279

проходит несколько большее расстояние и его частота уменьшает­ ся, а луч, направленный в противоположную сторону, проходит меньший путь и ”его частота увеличивается. При попадании обоих лучей на полупрозрачное зеркало с фотоэлементом возникает сме­ щение частот излучения, или биения (разность) частот лучей. Вследствие смещения встречных потоков по частоте появляется разностная частота, или частота биений, которая пропорциональ­ на угловой скорости вращения и обратно пропорциональна длине волны, излучаемой лааерон.

Разность частот, или частота биений, регистрируется фото­ элементом со счетной схемой. Если счетная схема выделяет раз­ ность частот, гироскоп является скоростным, если производит интегрирование разностной частоты (суммирование циклов биений), прибор является интегрирующим гироскопом. Имеются лазерные ги­ роскопы, способные измерять угловые скорости до 0,001 град/сек.

Один из вариантов последнего лазерного гироскопа имеет один лазер в виде гелиево-неоновой трубки, являющейся сторо­ ной треугольника. По углам треугольника установлены зеркала для образования замкнутого контура для хода луча.

При разработке лазерных гироскопов для применения на лета­ тельных аппаратах возникает трудность в возможности уменьшения веса и размеров приборов до приемлемых величин. Некоторые пер­ спективы для успешного преодоления этой трудности открываются при использовании новых методов возбуждения генераторов, за­ мене стекла в контуре распространения луча керамическим мате­ риалом, а также при использовании спиральных светопроводов с противоположным направлением намотки спирали.

Исследуются возможности создания гироскопа, сходного по принципу действия с лазерным, но работающего на низкочастотных электромагнитных колебаниях. Эти колебания в сравнении со све­ товыми при их практическом использовании имеют некоторые пре­ имущества, так как они гораздо лучше изучены и, кроме того, имеются готовые типовые детали, которые можно использовать при построении гироскопов.

Атомные гироскопы

Принцип действия атомных, или корпускулярных, гироскопов (иногда их называют ядерными) заключается в использовании «при­ родных" гироскопов в виде таких атомных частиц, как ядра, про­