1. Свойства гироскопа с двумя степенями свободы

Двухстепенный гироскоп (рис. ) состоит из ротора Р и внутренней рамы ВР. Наружная рама в таком гироскопе отсутствует. Ось Z вращения рото­ра установлена на подшипниках во внутренней раме, цапфы которой с помо­щью подшипников укреплены в основании. Ось вращения рамы (ось цапфы) обозначим буквой X. Ось Y направим перпендикулярно осям Х и Z.

Рассмотрим поведение двухстепенного гироскопа.

Приложим к раме гироскопа последовательно импульсную силу F_x^И и постоянную силу F_x. При этом заметим, что гироскоп станет вращаться вокруг оси X, причем в первом случае -- равномерно, а во втором – равноускоренно (при отсутствия трения). Таким образом, двухстепенный гироскоп под действием сил, приложенных к раме, ведет себя как обычное твердое тело. Иногда это обстоятельство трактую как первое свойство дгухстепенного гироскопa: главная ось гироскопа с двумя степенями свободы поворачивается в направлении силы, действующей относительно оси рамы.

Придадим основанию гироскопа вращение с угловой скоростью вокргу оси, совпадающей в исходном положении с осью Y. При этом увидим, что гироскоп станет поворачиваться вокруг оси X до тех пор, пока вектор не совместится с вектором угловой скорости. Таки образом, второе свойство двухстепенного гироскопа заключается в том, что его главная ось стремится совместиться по кратчайшему пути с вектором угловой скорости вращения ос­нования, на котором он установлен. Это свойство обусловлено действием гиро­скопического момента. Действительно, в данном случае ротор гироскопа уча­ствует в относительном (вращение вокруг осиZ) и в переносном (вращение во­круг оси Y) движениях, что приводит, как показано в , к возникновению гироскопического момента , под действием которого векторкинетиче­ского момента стремится совместится с векторомвращения (вынужденной прецессии) главной оси по кратчайшему пути.

Поскольку двухстепенный гироскоп реагирует на угловую скорость вра­щения основания вокруг оси Y, то эту ось называют входной осью (осью мак­симальной чувствительности), а ось Х - выходной осью прибора.

2. Гироприборы на основе двухстепенного гироскопа

В рассматриваемых ниже приборах используется принцип уравновешивания гироскопического момента, возникающего вследствие вращения основа­ния вокруг входной оси прибора, моментом противодействующей пружины, зависящим от угла поворота гироскопа вокруг выходной оси.

2.1. Выключатель корреции ВК-53

Предназначен для отключения систем маятниковой коррекции гироско­пических приборов на вираже ЛА, так как действующая при этом на маятниковый чувствительный элемент центробежная сила инерции (см. рис. ) при­водит к погрешности, в несколько раз большей, чем из-за суммарного ухода гироскопа (для АГД-1 - это погрешность в измерении угла крена).

Выключатель коррекции ВК-53 (рис. ) состоит из двухстепенного гироскопа, выполненного в виде гиромотора ГМ, укрепленного с помощью подшипников в корпусе прибора и электромеханического устройства задержки времени.

Гироскоп opиентируется на ЛА так, что входная ось Y (ось чувствитель­ности), выходная ось Х (ось цапф гиромотора) и главная ось Z соответственно параллельны нормальной оси Y₁, продольной оси Х₁ и поперечной оси Z₁ ЛА, причем ось Z направлена в сторону левого крыла.

При вираже ЛА с угловой скоростью w, вектор которой совпадает с осью Y, возникает гироскопический момент Мг= Н·w, стремящийся совместить век­тор кинетического момента Н с вектором о по кратчайшему пути, в результате чего гиромотор начнет поворачиваться вокруг оси X. Этому повороту препят­ствует пружина, развивающая момент M_ПР =K_ПР β,

где Кпр - удельный упругий момент пружины;

β - угол поворота гиромотора вокруг оси X.

Момент Мпр направлен противоположно моменту Мг, поэтому поворот гиромотора будет происходить до тех пор, пока момент пружины не уравнове­сит гироскопический момент, т.е. пока не выполнится условие: Кпр·β = Н·w, откуда:

Таким образом, угол поворота гиромотора вокруг оси Х пропорционален угловой скорости виража.

При этом щетка ламельного датчика Л, жестко укрепленная на оси цапф гиромотора, переместится с изолированного участка «с» на токопроводящую ламель «а», в результате чего по обмотке управления OY₁ двухфазного двига­теля Дв типа ДИД-0,5 устройства задержки времени потечет ток i₁. Двигатель через редуктор Ред. станет поворачивать щетки потенциометра П обратной связи и корпус контактного диска К вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. По мере вращения вала двигателя корпус диска К повернется таким образом, что его токопроводяшие (незаштрихованные на рисунке) участки окажутся под неподвижными щетками; при этом через короткозамкнутый участок замкнется цепь питания реле Р, контакты которого выключат системы ма­ятниковой коррекции. Таким образом, срабатывание реле Р происходит не сра­зу после перемещения щетки датчика Л на ламель «а», а по истечение некото­рого промежутка времени, что гарантирует неотключение коррекции при слу­чайных колебаниях ЛА по углу рысканья.

Одновременно при повороте щеток потенциометра П на вторую управ­ляющую обмотку ОУ₂ двигателя будет подано напряжение, так что по этой об­мотке потечет возрастающий ток i₂, противоположный по фазе току i₁. При ра­венстве величин токов (точнее, магнитных потоков) двигатель остановится.

После прекращения виража гироскопический момент Mi = H·w обратится в нуль, поскольку w станет равной нулю, и гироузел под действием пружины вер­нется в исходное положение. При этом щетка ламельного датчика переместится на изолированный участок «с» и управляющая обмотка OY₁ двигателя обесточится. В результате действия момента, создаваемого током i₂, двигатель станет вращаться в противоположную сторону до тех пор, пока щетки потенциометра П не займут положения, при котором их потенциалы уравняются. В момент остановки двига­теля щетки контактного диска окажутся на изолированных участках, в результате чего цепь питания реле Р разомкнется и включатся системы маятниковой коррек­ции гироприборов.

Поскольку повороту гироприбора вокруг оси Х под действием гироско­пического момента препятствует не только момент пружины, но и момент сил сухого трения в подшипниках, в которых укреплены цапфы гироузла, и поскольку, кроме того, изолированный участок «с» ламельного датчика имеет определенные размеры, то перемещение щетки на ламель «а» происходит только при угловых скоростях виража, больших некоторого минимального значения wпор, называемого порогом чувствительности прибора.

В случае изменения направления виража ЛА щетка ламельного датчика будет перемещаться на токопроводящую ламель «в», двигатель станет вра­щаться в противоположную сторону, а работа остальные элементов происхо­дит аналогично описанному выше.

Основные технические характеристики:

- кинетический момент гироскопа Н=0,4 кг·м²·с^-1;

- частота вращения ротора n=21-22 тыс. об/мин;

- порог чувствительности w_пр=0,1-0.3 град/с;

- время задержки выключения коррекции t_З =5-15с;

- ток в фазах асинхронного гиромотора ГМ 4; 0,3 А;

- питание прибора: от источника трехфазного переменно) о тока напряжением 36 В частотой 400 Гц и от источника постоянного тока напряжением 27 В;

- масса прибора не более 2,6 кг

Проверка ВК-53 производится на установке типа УПГ-48.Ппри этом проверяются: потребляемый ток, пороговая чувствительность и время задержки выключения коррекции.

Кроме выключателя коррекции ВК-53 применяются выключатели кор­рекции ВК-90, имеющие электронную систему задержки времени.