4. Устройство и принцип работы скоростного гироскопа

Скоростной гироскоп строится на основе двухстепенного гироскопа.

Двухстепенным гироскопом называется быстро вращающийся ротор, укрепленный в рамке, которая может поворачиваться относительно основания (корпуса) гироскопа. Конструктивная схема гироскопа приведена на рис. 1, где 1 - ротор; 2 – рамка; 3 – корпус.

Оси вращения ротора и рамки взаимно перпендикулярны. Центр тяжести гироскопа расположен на оси рамки.

Рис.1. Конструктивная схема двухстепенного гироскопа

Ось вращения ротора называется главной осью гироскопа. Произведение угловой скорости вращения ротора на момент инерции ротора относительно главной оси называется кинетическим моментом гироскопа и обозначается через :

. (1)

Вектор кинетического момента совпадает по направлению с вектором :

. (2)

Двухстепенной гироскоп, в отличие от трехстепенного (свободного) гироскопа, не обладает свойством устойчивости главной оси. Это означает, что если к рамке двухстепенного гироскопа приложить момент относительно ее оси, то рамка с ротором будет вращаться как обычное твердое тело с ускорением в направлении действия момента.

Однако двухстепенной гироскоп обладает специфическим свойством, которое заключается в следующем: при вращении основания гироскопа относительно оси, не совпадающей с главной осью гироскопа (с вектором кинетического момента ) с угловой скоростью , на рамку гироскопа начинает действовать гироскопический момент. Под действием этого момента рамка с ротором поворачивается, стремясь совместить вектор кинетического момента ротора с вектором угловой скорости вращения основания по кратчайшему направлению.

Вектор гироскопического момента вычисляется как векторное произведение кинетического момента ротора и вектора угловой скорости вращения основания :

. (3)

Величина гироскопического момента рассчитывается по формуле:

(4)

где - угол поворота рамки (вектора ).

Из выражений (3) и (4) для гироскопического момента следует, что рамка будет поворачиваться относительно своей оси до тех пор, пока гироскопический момент не станет равным нулю. Это произойдет в тот момент, когда вектор совместится с вектором , т.е. угол станет равным нулю.

При изменении направления вращения основания (знака вектора ) также изменится и направление поворота рамки. Таким образом, двухстепенной гироскоп может служить только указателем наличия и направления угловой скорости вращения основания, но не измерителем величины этой угловой скорости.

Чтобы двухстепенной гироскоп сделать измерителем угловой скорости вращения основания и снимать с него электрический сигнал, пропорциональный , в его конструкцию необходимо ввести несколько дополнительных устройств:

- пружины, создающие моменты, противодействующие , пропорциональные углу отклонения рамки;

- демпфер, рассеивающий энергию колебаний рамки при ее повороте на угол ;

- преобразователь угла поворота рамки в электрическую величину. Такой преобразователь также называют датчиком угла поворота рамки.

Конструктивная схема скоростного гироскопа с указанными устройствами приведена на рис. 2, где:

1. - ротор с гиромотором (электродвигателем);

2. – рычаг, связанный с осью рамки и пружинами;

3. – пружины, создающие на плече рычага 2 момент относительно оси рамки при ее повороте на угол ;

4. – рамка гироскопа;

5. – корпус гироскопа;

6. – потенциометрический датчик угла поворота рамки;

7. – щетка датчика (токосъемник), связанная с осью рамки;

8. – демпфер, состоящий из цилиндра и поршня, который служит для демпфирования (успокоения) колебаний рамки относительно ее оси;

9. – поршень демпфера.

Рис. 2. Конструктивная схема скоростного гироскопа

На рис. 3 приведена электрическая схема гироскопа. Она включает:

- схему питания обмоток статора гиромотора трехфазным переменным электрическим током;

- схему питания потенциометрического датчика угла поворота рамки напряжением постоянного тока;

- выводы для съема напряжения со щетки датчика.

В современных цифровых системах управления сигналы управления формируются в бортовом компьютере ЛА. В таких системах напряжение со щетки датчика преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровой код. Сигнал на выходе АЦП содержит цифровой код, соответствующий измеренной угловой скорости вращения основания .

Рис. 3. Электрическая схема скоростного гироскопа

Скоростной гироскоп имеет две характерные оси: входную и выходную. Входной осью, или осью чувствительности гироскопа является ось , перпендикулярная плоскости, в которой лежат главная ось гироскопа и ось рамки (см. рис. 2). Выходной осью является ось вращения рамки, т.е. ось, с которой снимается сигнал .

Принцип работы скоростного гироскопа заключается в следующем. При вращении основания гироскопа (вместе с корпусом ЛА, на котором жестко закреплен гироскоп) вокруг оси чувствительности с угловой скоростью рамка гироскопа под действием гироскопического момента поворачивается относительно своей оси в направлении совмещения вектора с вектором по кратчайшему направлению. По мере поворота рамки пружина, связанная с осью рамки через рычаг 2, растягивается. Сила растяжения пружины на плече рычага создает момент , противодействующий гироскопическому моменту. Когда угол поворота рамки достигает величины, при которой момент пружины уравновесит гироскопический момент, вращение рамки прекращается. Так как согласно (4) величина гироскопического момента пропорциональна угловой скорости вращения основания гироскопа , а момент, создаваемый пружиной, - углу поворота рамки , то угол оказывается пропорционален угловой скорости вращения основания .