Гироскопические приборы наведения

Гироскопические приборы наведения (ГН) предназначены для задания определенных неизменно-ориентированных направлений на движущемся объекте и для изменения угловых отклонений осей объектов от заданных направлений.

Классификация ГН.

В зависимости от задаваемого направления ГН можно разделить на:

1) ГН, задающие направления, связанные с плоскостью орбиты;

2) ГН, задающие направления, относительно плоскости горизонта (гировертикали, гирогоризонты);

3) ГН, задающие направление относительно плоскости меридиана (курсовые гироскопы – гироазимуты, гирополукомпасы, указатели курса);

4) ГН, задающие определение направления в инерциальном пространстве;

5) ГН, задающие непрерывно изменяющиеся в пространстве направления (например, на цель).

В зависимости от типа гироскопа ГН можно разделить на:

- ГН со свободным гироскопом;

- ГН с управляемым (корректирующим) гироскопом.

ГН представляет собой трёхстепенной астатический (уравновешенный) гироскоп, снабженный горизонтальной и азимутальной системами коррекции (рис. 10).

Горизонтальная система коррекции, удерживающая внутреннее карданово кольцо 2 (ось гироскопа 1) в плоскости горизонта, состоит из маятника-корректора 4, определяющего угол отклонения оси гироскопа от плоскости горизонта, и датчика моментов 5, прикладывающего к гироскопу соответствующие корректирующие моменты.

Азимутальная система коррекции, удерживающая ось гироскопа в заданном азимутальном направлении (т. е. под заданным углом, например, к плоскости меридиана), состоит из датчика моментов 6 и вычислительного устройства 7, вырабатывающего момент азимутальной коррекции. При этом учитываются поправки на вращение Земли и на движение объекта относительно Земли. Азимутальная коррекция ГН может также осуществляться от чувствительного элемента, обладающего избирательностью по отношению к стабилизируемому направлению, например от магнитной стрелки (гиромагнитный компас). Датчик угла 8 служит для измерения углов рыскания и поворота объекта вокруг вертикальной оси. Погрешности данного ГН характеризуются уходами оси гироскопа в азимуте.

Рис. 10

ГН используют для определения углов рыскания и поворота ЛА и кораблей, а также для кратковременного указания курса. ГН может применяться и как чувствительный элемент системы автоматической стабилизации курса объекта, например, в автопилоте ЛА.

Гироазимут - вектор главного кинетического момента трехстепенного гироскопа развернут параллельно плоскости земли.

Гирокомпас - центр тяжести трехстепенного гироскопа смещён ниже точки подвеса.

Подвесим к нижней части гирокамеры 1 гироскопа груз 2 (рис. 11), в результате чего центр тяжести G гирокамеры окажется смещенным относительно точки подвеса О. Допустим, что гироскоп находится на экваторе, главная ось гироскопа хх в данный момент горизонтальна и выведена из меридиана на угол, равный 90°, т. е. расположена в направлении линии Ost-West.

В этом положении момент силы тяжести P относительно точки подвеса О, называемый маятниковым моментом, равен нулю, так как направление силы тяжести проходит через точку подвеса. Затем, вследствие вращения Земли плоскость истинного горизонта повернется на некоторый угол (восточная половина горизонта опустится), а ось , сохраняя первоначальное направление, составит с горизонтом также угол . При этом сила тяжести Р, всегда направленная по отвесной линии, создаст момент относительно оси , под действием которого гироскоп начнет совершать прецессионное движение вокруг оси к меридиану, и его ось в конечном итоге установится в плоскости меридиана. Такой гироскоп с пониженным центром тяжести становится указателем меридиана, т. е. чувствительным элементом гирокомпаса. Однако после того как гироскоп прецессионным движением устанавливается в плоскости меридиана, его главная ось будет совершать незатухающие колебания вокруг истинного меридиана, что препятствует использованию такого прибора.

Чтобы гирокомпасом можно было пользоваться, необходимо, разместить главную ось чувствительного элемента в плоскости меридиана на постоянной основе. Для гашения незатухающих колебаний (постоянное нахождение в плоскости меридиана), существует специальное устройство - жидкостный успокоитель.

Рис. 11

Гирокомпас, в отличие от магнитного компаса, не подвержен магнитным возмущениям, однако он не работает в высоких широтах, т.к. величина вектора угловой скорости вращения земли там мала. Гирокомпас нельзя установить на ЛА, т.к. он перемещается со скоростью большей, чем угловая скорость вращения земли.

Для этих целей используют гироазимуты, в конструкцию которых вводят широтную (азимутальную) коррекцию.

При пилотировании ЛА необходимо также знать его положение относительно плоскости земного горизонта. Положение ЛА относительно плоскости горизонта определяется двумя углами: углом тангажа и углом крена. Угол тангажа - угол между продольной осью ЛА и плоскостью горизонта, отсчитываемый в вертикальной плоскости. Угол крена - угол поворота ЛА вокруг его продольной оси, отсчитываемый от вертикальной плоскости. проходящей через продольную ось ЛА.

Гировертикаль - гироскопический прибор, предназначенный для определения направления истинной вертикали места (направления силы земного притяжения в данной точке земной поверхности) или плоскости горизонта, а также измерения углов наклона объекта относительно этой плоскости. Используется для выдачи углов крена и тангажа в системы управления самолётом.

Если физический маятник установить на ЛА, который совершает горизонтальный полет с ускорением а (рис. 12), то на массу маятника будут действовать силы от ускорения силы тяжести и инерционная сила от ускорения . Сумма моментов от этих сил относительно точки подвеса маятника равна нулю.

Рис. 12

Следовательно, маятник, установленный на ЛА, движущемся с ускорением, отклоняется в сторону, противоположную действию ускорения, и показывает так называемую «кажущуюся вертикаль». Современные ЛА могут иметь ускорения, соизмеримые по величине с ускорением силы тяжести, поэтому угол отклонения маятника от вертикали может достигать значительных величин. Таким образом, физический маятник не пригоден для определения направления вертикали места, т. е. для измерения углов крена и тангажа, если самолет совершает полет с ускорением.

Для сохранения вертикального положения относительно плоскости горизонта на кожухе (внутреннее карданово кольцо) гироскопа 1 размещают два акселерометра: вдоль оси - акселерометр 3, вдоль оси - акселерометр 4. На рис 13 также введены обозначения: 2 - внешнее карданово кольцо; 5 и 6 - интеграторы; 7 и 8 - датчики моментов.

Рис.13

Из рис. 12 следует, что , т.е. измерения осевых ускорений и позволяет рассчитать углы и (с учетом матрицы преобразования для двух поворотов).

В случае гироверткали (рис. 14) трёхстепенной астатический гироскоп 1 имеет систему коррекции состоит из маятников-корректоров 4, 5, фиксирующих углы отклонения оси гироскопа от вертикали места, и датчиков моментов 6, 7, прикладывающих к гироскопу соответствующие корректирующие моменты, вызывающие прецессию оси гироскопа к вертикали места. Потенциометры 8 и 9 служат для определения углов наклона объекта относительно плоскости горизонта. Погрешности ГН этого типа, определяемые отклонениями оси гироскопа от вертикали места, могут составлять от долей градуса до единиц угловых минут. В прецизионных ГН для повышения их точности учитываются поправки на вращение Земли и собственное движение объекта.

Рис. 14

В гировертикалях и авиагоризонтах используется электролитический маятник-корректор (рис. 15), представляющий собой плоскую медную чашу 3, заполненную токопроводящей жидкостью 1 с большим удельным электрическим сопротивлением. Жидкости в чаше столько, что остается место для воздушного пузырька 2. Чаша закрыта крышкой из изоляционного материала, в которую вмонтировано четыре контакта 4, пятым контактом является сама чаша.

Рис. 15

Если маятник расположен горизонтально, то все четыре контакта равномерно перекрываются жидкостью и электрическое сопротивление участков между ними и чашей одинаково. Если же чаша наклонится, то пузырек воздуха, занимая верхнее положение в чаше, оголит один из контактов и тем самым изменит электрическое сопротивление участка, которое при малых углах (до 30') пропорционально углу наклона чаши.

Контакты маятника-корректора включаются в электрическую цепь. При наклоне маятника сопротивление между контактами 3 и а будет больше, чем сопротивление между контактами 3 и б. Тогда ток, который проходит по управляющей обмотке датчика момента будет меньше тока основной обмотки коррекционного двигателя. Обмотки намотаны встречно, поэтому разностный ток создает магнитный поток, который, взаимодействуя с магнитным потоком обмотки возбуждения, формирует вращающий момент. Ротор датчик момента закреплен на оси карданова подвеса, следовательно, к оси подвеса приложен момент, под действием которого гироскоп прецессирует. Прецессия гироскопа продолжается до тех пор, пока существует момент по оси карданова подвеса, а этот момент действует до установки маятника в горизонтальное положение.

Погрешности гировертикалей

Погрешность от моментов трения в осях карданова подвеса. В осях карданова подвеса неизбежно существуют моменты трения, поэтому прецессия гироскопа под действием коррекционных моментов продолжается до тех пор, пока коррекционный момент больше момента трения. Движение гироскопа прекращается при равенстве этих моментов. Таким образом, из-за трения в осях карданова подвеса гировертикаль имеет зону застоя, которая зависит от величины момента трения в осях карданова подвеса и, естественно, от зоны нечувствительности маятниковой коррекции. Чем больше удельный момент, развиваемый коррекционными двигателями, тем зона застоя меньше. Слишком большой удельный момент приводит к значительным ошибкам на вираже. Для авиагоризонтов зона застоя обычно равна (0,5¸1)°.

Виражная погрешность. Когда ЛА совершает разворот с конечной угловой скоростью, то на маятник, кроме силы тяжести , еще действует центробежная сила , а, в случае полета с переменной угловой скоростью , также действует нормальная сила (рис. 16). В результате маятник устанавливается не по истинной вертикали, а по равнодействующей этих сил, т.е. по направлению вектора . На коррекционные двигатели поступают сигналы, и главная ось гироскопа устанавливается в положение кажущейся вертикали. Этот процесс происходит тем быстрее, чем больше удельные моменты системы коррекции. Hа вираже, в основном, неверно работает система поперечной коррекции.

Рис. 16

Как известно, , , , .

В современных гировертикалях и авиагоризонтах поперечная коррекция на виражах отключается специальным устройством.

Естественно, что и линейные ускорения ЛА, например, при увеличении скорости, также приводят к аналогичным ошибкам (рис. 12). Поэтому в авиагоризонтах отключается и продольная коррекция. При отключении коррекции гировертикаль работает в режиме «памяти». После окончания ЛА эволю­ции, связанных с ускорениями, система коррекции включается и приводит главную ось гироскопа в вертикальное положение, если за время работы в режиме «памяти» она отклонилась. Появляется ошибка у гировертикалей и за счет суточного вращения Земли, и за счет перемещения ЛА в полете относительно Земли, а также под влиянием трения в опорах карданова подвеса, остаточной несбалансированности гироскопа и ряда других причин, что приводит к отклонению направления вектора от положения истинной вертикали места (рис. 13).

На ЛА гироскоп авиагоризонта располагается таким образом, что ось внешней рамы ( - рис. 13) направлена параллельно продольной оси самолета, а ось внутренней рамы ( - рис. 13) - параллельно поперечной оси ЛА.

Такое расположение осей карданова подвеса на самолете дает следующие преимущества:

- авиагоризонт дает показания истинных углов крена и тангажа;

- устойчивость гироскопа авиагоризонта зависит не от углов крена, а от углов тангажа и определяется выражением:

,

где - момент инерции ротора гироскопа;

угловая скорость вращения ротора гироскопа;

- угол тангажа ЛА.

Как видно из приведенного выражения, при горизонтальном полете ( = 0) устойчивость гироскопа наибольшая. При углах тангажа, близких к 90°, устойчивость гироскопа уменьшается до минимума и ось гироскопа может сбиваться с вертикального положения.

Дата добавления: 2015-10-21