1. Основы прикладной теории гироскопа

1.1. Основные определения и понятия

1.1.1. Определение понятия «гироскоп»

В соответствии с современным состоянием и перспективами разви­тия гироскопической техники гироскопам в широком смысле называют устройство, содержащее вращающийся или колеблющийся элемент и позволяющее на этой основе обнаруживать и измерять вращение в инерциальном пространстве того основания на котором ЭТО устройство установлено [1]. Такому определению соответствует и само значение вве­денного в 1852 г. французским физиком Л. Фуко (1819—1868) термина гироскоп, образованного из двух греческих слов; гирос — вращение и скопейн — видеть, наблюдать, т. е. в свободном переводе гироскоп — указатель вращения.

В качестве гироскопа могут применяться вращающиеся твердые, жидкие и газообразные тела, практически доказана возможность ис­пользования гироскопических свойств частиц — атомных ядер или электронов, обладающих спиновым или орбитальным моментами. На базе оптических квантовых генераторов созданы лазерные гироскопы.

Однако в настоящее время в технических устройствах, особенно на морском флоте, наибольшее распространение получили гироскопы, в которых используется динамически симметричное быстровращающееся твердое тело (ротор), подвешенное таким образом, что ось его собственного вращения может произвольно изменять направление в пространстве. Следовательно, основными частями гироскопа являются ротор и его подвес.

Ось собственного вращения ротора называется главной осью гиро­скопа (осью фигуры). Две любые другие оси, лежащие в плоскости собственного вращения ротора и перпендикулярные между собой и к главной оси, называются экваториальными.

Понятие «быстровращающийся ротор» означает, что угловая ско­рость собственного вращения ротора на много порядков больше тех угловых скоростей, которые он может иметь относительно экваториальных осей,

Центром подвеса гироскопа называется та его точка, которая ос­тается единственной неподвижной при всех вращательных движениях ротора. Если центр масс гироскопа совпадает с центром подвеса, то гироскоп называется астатическим, или уравновешенным, если не совпадает — тяжелым.

Свободным называется такой гироскоп, на который никакие мо­менты внешних сил не действуют. В технике часто под свободным гироскопом понимают астатический гироскоп с предельно малыми мо­ментами сил трения о подвесе.

1.1.2. Подвесы, применяемые в гироскопах

Степень совершенства гироскопа, построенного на основе твердого ротора, во многом зависит от качества его подвеса. Через подвес ротор гироскопа связан с основанием (объектом, платформой), на котором он установлен. Подвес гироскопа считается тем лучше, чем меньше угло­вые движения основания передаются ротору.

Все гироскопы (гироскопические чувствительные элементы) мож­но разделить на два класса в зависимости от того, что является объектом подвеса:

камера (оболочка), содержащая быстровращающийся ротор (или систему роторов). В этом классе гироскопов применяют карданный, гидростатический (в сочетании с электромагнитным или упругим подвесом), а также газостатический подвес;

собственно быстровращающийся ротор. В этом классе гироскопов применяют подвесы — электростатический, гидродинамический, электромагнитный, криогенный, газодинамический, а также упругий вращающийся.

В тех гироскопах, в которых для подвеса используется электроста­тическое или электромагнитное поле либо силы давления жидкости или газа, собственно ротор или камера, содержащая ротор, как прави­ло, имеет сферическую форму. Эта форма наиболее удобна с точки зрения обеспечения симметрии действующих сил поддержания.

Если принципиально необходимыми составными частями гироско­па являются ротор и подвес, то гироскоп, предназначенный для исполь­зования в гироскопическом устройстве, должен иметь: ротор (камеру с ротором), привод (для придания ротору собственного вращательного движения), а в ряде случаев датчик угла (для слежения за угловым положением гироскопа), и датчик момента для наложения управляю­щих и корректирующих моментов.