Гіроскоп навігаційний прилад, основним елементом якого є швидко обертається ротор, закріплений так, що вісь його обертання може повертатися. Три ступені свободи (осі можливого обертання) ротора гіроскопа забезпечуються двома рамками карданова підвісу. Якщо на такий пристрій не діють зовнішні збурення, то вісь власного обертання ротора зберігає постійний напрям в просторі. Якщо ж на нього діє момент зовнішньої сили, яка прагне повернути вісь власного обертання, то вона починає обертатися не навколо напрямку моменту, а навколо осі, перпендикулярної йому (прецесія).
Мал. 1. гіроскоп з трьома ступенями свободи (з двома рамками карданова підвісу), кінематична схема. Iy - вісь власного обертання ротора, уздовж якої спрямований його кінетичний момент; I0 - опорна напрямок кінетичного моменту; j - кут відхилення внутрішньої рамки карданова підвісу; wj - кутова швидкість повороту внутрішньої рамки підвісу (прецесія); Mq - момент обурює зовнішньої сили; wq - кутова швидкість повороту зовнішньої рамки підвісу (нутація).
У добре збалансованому (астатичному | нестійкий) і досить швидко обертається гіроскопі, встановленому на високосовершенних підшипниках з незначним тертям, момент зовнішніх сил практично відсутній, так що гіроскоп довго зберігає майже незмінною свою орієнтацію в просторі. Тому він може вказувати кут повороту підстави, на якому закріплений. Саме так французький фізик Ж. Фуко (1819-1868) вперше наочно продемонстрував обертання Землі. Якщо ж поворот осі гіроскопа обмежити пружиною, то при відповідній установці його, скажімо, на літальному апараті, що виконує розворот, гіроскоп буде деформувати пружину, поки не урівноважиться момент зовнішньої сили. В цьому випадку сила стиснення або розтягування пружини пропорційна кутовий швидкості руху літального апарату. Такий принцип дії авіаційного покажчика повороту і багатьох інших гіроскопічних приладів. Оскільки тертя в підшипниках дуже мало, для підтримки обертання ротора гіроскопа не потрібно багато енергії. Для приведення його в обертання і для підтримки обертання зазвичай буває досить малопотужного електродвигуна або струменя стиснутого повітря.
Прімененіе.Гіроскоп найчастіше застосовується як чутливий елемент вказують гіроскопічних приладів і як датчик кута повороту або кутової швидкості для пристроїв автоматичного управління. У деяких випадках, наприклад в гіростабілізатори, гіроскопи використовуються як генератори моменту сили або енергії.
Див. Також Маховик. Основні області застосування гіроскопів - судноплавство, авіація та космонавтика (див. Інерціальна Навігація). Майже кожне морське судно далекого плавання забезпечено гірокомпасом для ручного або автоматичного керування судном, деякі обладнані гіростабілізатори. У системах управління вогнем корабельної артилерії багато додаткових гіроскопів, що забезпечують стабільну систему відліку або вимірюють кутові швидкості. Без гіроскопів неможливо автоматичне керування торпедами. Літаки і вертольоти обладнуються гіроскопічними приладами, які дають надійну інформацію для систем стабілізації і навігації. До таких приладів відносяться авіагоризонт, Гіровертикаль, гіроскопічний покажчик крену і повороту. Гіроскопи можуть бути як вказують приладами, так і датчиками автопілота. На багатьох літаках передбачаються гіростабілізованого магнітні компаси та інше обладнання - навігаційні візири, фотоапарати з гіроскопом, гіросекстанти. У військовій авіації гіроскопи застосовуються також в прицілах повітряної стрільби і бомбометання. Гіроскопи різного призначення (навігаційні, силові) випускаються різних типорозмірів в залежності від умов роботи і необхідної точності. В гіроскопічних приладах діаметр ротора становить 4-20 см, причому менше значення відноситься до авіаційно-космічним приладів. Діаметри ж роторів суднових гіростабілізаторів вимірюються метрами.
ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ
Гіроскопічний ефект створюється тієї ж самої відцентровою силою, яка діє на дзигу, що обертається, наприклад, на столі. У точці опори дзиґи об стіл виникають сила і момент, під дією яких вісь обертання дзиги відхиляється від вертикалі, а відцентрова сила обертається маси, перешкоджаючи зміни орієнтації площини обертання, змушує дзигу обертатися і навколо вертикалі, зберігаючи тим самим задану орієнтацію в просторі. Таким обертанням, званим прецессией, ротор гіроскопа відповідає на прикладений момент сили відносно осі, перпендикулярній осі його власного обертання. Внесок мас ротора в цей ефект пропорційний квадрату відстані до осі обертання, оскільки чим більше радіус, тим більше, по-перше, лінійне прискорення і, по-друге, плече відцентрової сили. Вплив маси і її розподілу в роторі характеризується його "моментом інерції", тобто результатом підсумовування творів всіх складових його мас на квадрат відстані до осі обертання. Повний же гироскопический ефект обертового ротора визначається його "кінетичним моментом", тобто твором кутової швидкості (в радіанах в секунду) на момент інерції щодо осі власного обертання ротора. Кінетичний момент - векторна величина, що має не тільки чисельне значення, а й напрямок. На рис. 1 кінетичний момент представлений стрілкою (довжина якої пропорційна величині моменту), спрямованої уздовж осі обертання відповідно до "правилом свердлика": туди, куди подається буравчик, якщо його повертати в напрямку обертання ротора. Прецессия і момент сили теж характеризуються векторними величинами. Напрямок вектора кутової швидкості прецесії і вектора моменту сили пов'язане правилом свердлика з відповідним напрямком обертання.
Див. Також Вектор.
Гіроскоп з трьома ступенями свободи
На рис. 1 дана спрощена кінематична схема гіроскопа з трьома ступенями свободи (трьома осями обертання), причому напрямку обертання на ній показані вигнутими стрілками. Кінетичний момент представлений жирної прямий стрілкою, спрямованої уздовж осі власного обертання ротора. Момент сили прикладається натисканням пальця так, що він має складову, перпендикулярну осі власного обертання ротора (другу силу пари створюють вертикальні піввісь, закріплені в оправі, яка пов'язана із заснуванням). Відповідно до законів Ньютона, такий момент сили повинен створювати кінетичний момент, що співпадає з ним у напрямку і пропорційний його величині. Оскільки ж кінетичний момент (пов'язаний з власним обертанням ротора) фіксований за величиною (завданням постійної кутової швидкості за допомогою, скажімо, електродвигуна), це вимога законів Ньютона може бути виконано тільки за рахунок повороту осі обертання (в сторону вектора зовнішнього моменту сили), що приводить до збільшення проекції кінетичного моменту на цю вісь. Цей поворот і є прецесія, про яку говорилося раніше. Швидкість прецесії зростає зі збільшенням зовнішнього моменту сили і убуває зі збільшенням кінетичного моменту ротора.
Гіроскопічний покажчик курсу. На рис. 2 показаний приклад застосування триступеневого гіроскопа в авіаційному покажчику курсу (гирополукомпаса). Обертання ротора в шарикопідшипниках створюється і підтримується струменем стисненого повітря, спрямованої на рифлену поверхню обода. Внутрішня і зовнішня рамки карданова підвісу забезпечують повну свободу обертання осі власного обертання ротора. За шкалою азимута, прикріпленою до зовнішньої рамці, можна ввести будь-яке значення азимута, вирівнявши вісь власного обертання ротора з підставою приладу. Тертя в підшипниках настільки незначний, що після того як це значення азимута введено, вісь обертання ротора зберігає задане положення в просторі, і, користуючись стрілкою, скріпленої з підставою, за шкалою азимута можна контролювати поворот літака. Показання повороту не виявляють жодних відхилень, якщо не брати до уваги ефектів дрейфу, пов'язаних з недосконалістю механізму, і не вимагають зв'язку з зовнішніми (наприклад, наземними) засобами навігації.
Мал. 2. АВІАЦІЙНИЙ ГІРОУКАЗАТЕЛЬ КУРСУ з повітряним приводом. Приклад застосування триступеневого гіроскопа. Аретир служить для утримання осі власного обертання ротора в горизонтальному положенні при введенні азимута за шкалою. 1 - підстава; 2 - зубчасте колесо синхронізатора; 3 - ручка аретира; 4 - аретир; 5 - шкала азимута; 6 - повітряний сопло; 7 - зовнішня рамка; 8 - ротор; 9 - корпус; 10 - піввісь зовнішньої рамки з фіксаторний гайкою; 11 - внутрішня рамка.
двоступеневих гіроскопів
У багатьох гіроскопічних приладах використовується спрощений, двоступеневий варіант гіроскопа, в якому зовнішня рамка триступеневого гіроскопа усунена, а півосі внутрішньої закріплюються безпосередньо в стінках корпусу, жорстко пов'язаного з об'єктом, що рухається. Якщо в такому влаштуванні єдина рамка нічим не обмежена, то момент зовнішньої сили щодо осі, пов'язаної з корпусом і перпендикулярній осі рамки, змусить вісь власного обертання ротора безперервно прецессировать в сторону від цього первісного напрямку. Прецессия триватиме до тих пір, поки вісь власного обертання не опиниться паралельній напрямку моменту сили, тобто в положенні, при якому гіроскопічний ефект відсутній. На практиці така можливість виключається завдяки тому, що задаються умови, при яких поворот рамки щодо корпусу не виходить за межі малого кута. Якщо прецесія обмежується тільки інерційної реакцією рамки з ротором, то кут повороту рамки в будь-який момент часу визначається проінтегрувати пришвидшує моментом. Оскільки момент інерції рамки зазвичай порівняно малий, вона занадто швидко реагує на вимушене обертання. Є два способи усунути цей недолік.
Протидіюча пружина і вязкостний демпфер. Датчик кутової швидкості. Прецесію осі обертання ротора в напрямку вектора моменту сили, спрямованого уздовж осі, перпендикулярній осі рамки, можна обмежити пружиною і демпфером, які впливають на вісь рамки. Кінематична схема двоступеневих гіроскопа з протидіє пружиною представлена на рис. 3. Вісь ротора закріплена в рамці перпендикулярно осі обертання останньої щодо корпусу. Вхідний віссю гіроскопа називається напрямок, пов'язаний з основою, перпендикулярний до осі рамки і осі власного обертання ротора при недеформованою пружині.
Мал. 3. двоступеневих гіроскопів з протидіє пружиною, вязкостним демпфером і стрілочним індикатором кутової швидкості (вязкостний демпфер служить тільки для заспокоєння коливань). 1 - корпус; 2 - пружини; 3 - вязкостний демпфер; 4 - рамка; 5 - ротор; 6 - покажчик вихідного кута рамки j.
Момент зовнішньої сили щодо опорної осі обертання ротора, прикладений до основи в той момент часу, коли підстава не обертається в інерціальній просторі і, отже, вісь обертання ротора збігається зі своїм опорним напрямком, змушує вісь обертання ротора прецессировать в бік вхідних осі, так що кут відхилення рамки починає збільшуватися. Це еквівалентно додатком моменту сили до протидіє пружині, в чому полягає важлива функція ротора, який у відповідь на виникнення вхідного моменту сили створює момент сили відносно вихідного валу (рис. 3). При постійній вхідний кутової швидкості вихідний момент сили гіроскопа продовжує деформувати пружину, поки створюваний нею момент сили, яка впливає на рамку, не змусить вісь обертання ротора прецессировать навколо вхідних осі. Коли швидкість такої прецесії, викликаної моментом, створюваним пружиною, зрівняється із вхідними кутовий швидкістю, досягається рівновага і кут рамки перестає змінюватися. Таким чином, кут відхилення рамки гіроскопа (рис. 3), що вказується стрілкою на шкалі, дозволяє судити про направлення і кутової швидкості повороту об'єкта, що рухається. На рис. 4 показані основні елементи покажчика (датчика) кутової швидкості, що став в даний час одним з найбільш звичайних авіакосмічних приладів.
Мал. 4. УКАЗАТЕЛЬ КУТОВИЙ ШВИДКОСТІ - авіаційний прилад з двоступеневих гіроскопом. 1 - регулювання протидіє пружини; 2 - вісь власного обертання ротора; 3 - рамка; 4 - корпус; 5 - ротор; 6 - повітряний сопло; 7 - турбінний обід ротора; 8 - демпфер рамки; 9 - стрілка; 10 - шкала; 11 - вказує система; 12 - протидіюча пружина.
Вязкостной демпфірування. Для гасіння вихідного моменту сили відносно осі двоступеневих гіроузла можна використовувати вязкостной демпфірування. Кінематична схема такого пристрою представлена на рис. 5; вона відрізняється від схеми на рис. 4 тим, що тут немає протидіє пружини, а вязкостний демпфер збільшений. Коли такий пристрій повертається з постійною кутовою швидкістю навколо вхідних осі, вихідний момент гіроузла змушує рамку прецессировать навколо вихідного валу. За вирахуванням ефектів інерційної реакції (з інерцією рамки пов'язано в основному лише деяке запізнювання відгуку) цей момент врівноважується моментом сил вязкостного опору, створюваним демпфером. Момент демпфера пропорційний кутовий швидкості обертання рамки щодо корпусу, так що вихідний момент гіроузла теж пропорційний цієї кутової швидкості. Оскільки цей вихідний момент пропорційний вхідний кутової швидкості (при малих вихідних кутах рамки), вихідний кут рамки збільшується в міру того, як корпус повертається навколо вхідних осі. Стрілка, що рухається по шкалі (рис. 5), вказує кут повороту рамки. Показання пропорційні інтегралу кутової швидкості обертання щодо вхідний осі в інерціальній просторі, і тому пристрій, схема якого представлена на рис. 5, називається інтегруючим двоступеневих гиродатчик.
Мал. 5. вязкостной демпфірування двоступеневих гіроскопа. Прилад реагує на поворот корпусу щодо вхідний осі. 1 - вязкостний демпфер; 2 - рамка; 3 - корпус; 4 - ротор; 5 - покажчик вихідного кута рамки.
На рис. 6 зображений інтегруючий гиродатчик, ротор (гіромотор) якої укладено в герметично запаяний стакан, плаваючий в демпфирующей рідини. Сигнал кута повороту плаваючою рамки щодо корпусу виробляється індукційним датчиком кута. Положення поплавкового гіроузла в корпусі задає датчик моменту відповідно до надходять на нього електричними сигналами. Інтегрують гиродатчик зазвичай встановлюють на елементах, забезпечених сервоприводом і керованих вихідними сигналами гіроскопа. При такому розташуванні вихідний сигнал датчика моменту можна використовувати як команду на поворот об'єкту в інерціальній просторі.
Див. Також Гірокомпас.
ЛІТЕРАТУРА
Ріглі У. Холлістер У. Денхард У. Теорія, проектування та випробування гіроскопів. М. 1972 Бабаєва Н.Ф. Гіроскопи. Л. 1973 Поплавський М.А. Теорія гіроскопів. Київ, 1986