Эффективность и конкурентоспособность современных летательных аппаратов (ЛА) во многом определяется совершенством гироскопических датчиков первичной информации, на базе которых строятся навигационные системы и системы управления ЛА.
В настоящее время существует большое многообразие различных типов гироскопических датчиков, правильное применение которых обеспечивает необходимые эксплуатационные качества ЛА.
Каждому типу гироскопических датчиков можно найти оптимальную нишу применения. При выборе гироскопического датчика учитываются следующие его основные характеристики: точность, надежность работы, энергопотребление, габаритные размеры и стоимость. В зависимости от требований, предъявляемых к системам управления и навигационным системам, выбирается соответствующий тип гироскопического датчика.
Тем не менее, из всего многообразия датчиков можно выделить наиболее перспективные по указанным выше характеристикам. Это лазерные гироскопы (ЛГ), волоконно-оптические (ВОГ), волновые твердотельные (ВТГ) и микромеханические гироскопы (ММГ).
Основным их преимуществом является повышенная надежность работы из-за отсутствия быстро вращающихся роторов и карданных подвесов, минимальное потребление электроэнергии за счет реализации основных функциональных узлов на базе сервисной микроэлектроники и возможность повышения точностных характеристик путем математической обработки первичных сигналов датчиков в микропроцессорах.

Гироскопические датчики являются источниками первичной информации при построении пилотажных и навигационных систем летательных аппаратов.
В пилотажных системах они используются в основном в качестве датчиков угловых скоростей в цепях обратной связи автоматических систем управления. В навигационных системах - в качестве датчиков углового положения самолета или индикатора нулевого положения гиростабилизированной платформы. В качестве датчиков линейных ускорений используются акселерометры.
Рассмотрим некоторые схемы построения инерциальных навигационных систем на базе гироскопических датчиков. Основными задачами любой навигационной системы является определение местоположения летательного аппарата в географических координатах – долготы (λ) и широты (φ) местонахождения, скорости (υ) и высоты (h) полета, углового положения относительно своего центра тяжести в инерциальном пространстве – курса (ψ), тангажа (ϑ), крена (γ). На рис.1.1 и рис.1.2 показаны эти параметры, принятые в авиации.

Рис. 1.1 Углы ориентации самолета


Рис.1.2 Системы координат, в которых определяется положение летательного аппарата

На рисунках 1.1, 1.2: – географическая система координат, где ось ξ – совпадает с осью вращения Земли и направлена на Север; ось ς – лежит в плоскости экватора и проходит через Гринвичский меридиан; ось η – также лежит в плоскости экватора и направлена на Восток. – базовый сопровождающий трехгранник, относительно которого определяется угловое положение летательного аппарата, где ось X – направлена на Восток; ось Y – направлена на Север по меридиану; ось Z – по вертикали местности. – оси измерительного трехгранника инерциальной навигационной системы.
Инерциальные навигационные системы подразделяются на две большие группы – платформенные и бесплатформенные.
Независимо от типа навигационной системы информация о скорости полета летательного аппарата и пройденном пути находится из показаний акселерометров путем интегрирования их выходных сигналов – линейных ускорений . Однако достоверность этой информации зависит от точности определения положения осей чувствительности акселерометров относительно заданных в инерциальном пространстве базовых измерительных осей – осей инерциального сопровождающего трехгранника.
В платформенных навигационных системах заданное положение осей базового сопровождающего трехгранника достигается стабилизацией положения в инерциальном пространстве платформы, на которой установлены акселерометры. Необходимая стабильность положения обеспечивается системами автоматического регулирования трех рам карданова подвеса, в которых в качестве датчиков системы регулирования используются, как правило, механические двух или трехстепенные гироскопы с быстро вращающимся ротором, а в качестве исполнительного органа – датчики моментов (DM) соответствующих рам карданова подвеса.


Рис.1.3 Схема построения платформенной навигационной системы

Гироскопы устанавливаются на той же платформе, что и акселерометры (рис.1.3). Чем выше точность гироскопов, тем с меньшей погрешностью осуществляется стабилизация положения платформы, тем точнее определяются скорость и местоположение летательного аппарата.
Информация об угловом положении центра тяжести летательного аппарата снимается с трех датчиков угла , установленных по осям рам карданова подвеса.
В качестве примера рассмотрим стабилизацию положения платформы по одной из измерительных осей навигационной системы – по оси (рис.1.3). При повороте платформы под действием возмущающего момента вокруг оси ось гироскопа начнет прецессировать (поворачиваться) вокруг оси на угол ε. В датчике угла гироскопа появится напряжение рассогласования Uε, которое после усиления подается на моментный двигатель тангажной рамы. Последний создаст момент , под действием которого рама будет возвращаться в исходное положение. При этом ротор гироскопа начнет прецессировать в противоположную сторону до тех пор, пока Uε не станет равным нулю. Информацию об угле поворота летательного аппарата вокруг тангажной оси будем получать от датчика угла , установленного на оси рамы. Аналогичным образом осуществляется управление и определение курсового угла и крена по двум другим осям карданова подвеса.

Из представленной схемы видны основные недостатки платформенных инерциальных систем – большое количество механических вращающихся элементов, наличие аналоговых систем регулирования и, как следствие, невысокая надежность работы системы.
Появление и развитие гироскопических датчиков на новых физических принципах - ЛГ, ВОГ, ВТГ, ММГ, в которых отсутствуют быстро вращающиеся механические ротора, позволило перейти к созданию инерциальных навигационных систем повышенной надежности – бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС).
В БИНСах нет карданова подвеса, а роль стабилизированной платформы выполняет базовый сопровождающий трехгранник (рис.1.2), относительно которого определяется положение измерительных осей БИНС в процессе полета летательного аппарата.
В качестве гироскопических датчиков в БИНС используются три одноосных гироскопа и три акселерометра, которые жестко устанавливаются в блоке чувствительных элементов БИНС по трем ортогональным измерительным осям (рис.1.4). Блок чувствительных элементов, в свою очередь, жестко связан с корпусом летательного аппарата.

Рис.1.4 Измерительные оси блока чувствительных элементов БИНС

Гироскопы служат для определения углового положения измерительных осей блока чувствительных элементов относительно базового сопровождающего трехгранника, то есть углов крена, тангажа и курса летательного аппарата. Поскольку используемые в БИНС гироскопы работают, как правило, в режиме датчиков угловых скоростей, то для определения указанных углов их показания интегрируются . Показания акселерометров, как и в платформенных системах, служат для определения скорости движения летательного аппарата и пройденного им пути. С этой целью показания акселерометров также интегрируются .

Рис.1.5 Начальные углы выставки БИНС

Перед началом полета осуществляется выставка БИНС, то есть определение начального углового положение измерительных осей () относительно осей базового сопровождающего трехгранника () (рис.1.5). Величина этих углов заносится в бортовой компьютер и учитывается при определении углового положения самолета в процессе его полета.
Полное отсутствие механических вращающихся частей делает БИНС чрезвычайно надежной системой в эксплуатации, а использование высокоскоростной бортовой вычислительной машины позволяет повысить точность такой системы за счет алгоритмической компенсации погрешностей гироскопических датчиков, обусловленных колебаниями температуры окружающей среды и механическими воздействиями.
Но не зависимо от типа навигационной системы ее технические возможности определяются в первую очередь техническими характеристиками гироскопических датчиков.

В данном посте рассмотрена малая часть материала, представленная в книге к.т.н. Галкина В.И. «Перспективные гироскопы летательных аппаратов» ISNB 978-3-659-47948-9
В дальнейшем буду предоставлять еще немного информации из этой книги. Но тем кто заинтересовался и кому была полезна статья прошу выразить интерес в покупке книги.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения угловой скорости. Гироскоп содержит пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП), отражающие структуры драйвера поверхностных акустических волн, а также электроды чувствительного элемента разности потенциалов, размещенные попарно за пределами ВШП на расстояниях, не меньших половины периода стоячих поверхностных акустических волн, и параллельно направлению распространения поверхностных акустических волн, по одному электроду каждой пары у одного из противоположных краев пластины пьезоэлектрика. Электроды, которые находятся ближе к одному и тому же краю пластины пьезоэлектрика, электрически соединены под слоем поглотителя акустических колебаний с одной и той же контактной шиной, а находящиеся в одной паре электроды размещены вдоль одной и той же пучности стоячей поверхностной акустической волны, но ближе к противоположным краям пластины пьезоэлектрика. Контактные шины могут быть размещены на ребрах жесткости, находящихся на краях пластины пьезоэлектрика и параллельных основному направлению распространения поверхностных акустических волн. Техническим результатом является повышение точности измерения угловой скорости. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижными объектами, и предназначено для измерения угловой скорости в этих системах.

Известные волоконно-оптические гироскопы и лазерные гироскопы широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения. Преимуществом этих гироскопов является достаточно высокая точность. Недостатком этих гироскопов является достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты. К областям применения, требующим гироскопов менее дорогих и меньшего размера, относятся: системы автомобильной безопасности (системы против скольжения, системы камер), потребительские товары (видеокамеры, GPS, спортивное оборудование), промышленные товары (роботы, управление оборудованием), медицинские изделия (хирургические инструменты) [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283].

Известны микромеханические гироскопы на основе кремния [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283]. Такие гироскопы представляют собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Гироскоп приводится в колебательное движение путем подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При внешнем вращении микромеханического гироскопа возникает сила Кориолиса, создающая колебания относительно измерительной оси. При этом зазор между подвижной массой микромеханического гироскопа и основанием изменяется, что приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей емкости. Измеряя изменение величины емкости, можно определить изменение угловой скорости вращения микромеханического гироскопа.

Однако вышеуказанные гироскопы имеют низкую точность и низкую механическую прочность.

Известен также Виброгироскоп (патент РФ №2123219, H01L 41/08, 1998.12.10.), содержащий твердотельный элемент из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением, с двумя парами сплошных и двумя парами встречно-штыревых электродов. Сплошные электроды соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора. Встречно-штыревые электроды подключены к частотно-задающим цепям второго и третьего генераторов. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход которого подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора.

Стабильность и помехоустойчивость позволяют применять виброгироскоп в компактных системах навигации и автоматического управления подвижными объектами.

Однако виброгироскоп имеет ограничения по рабочим характеристикам из-за принципа действия, который основан на вибрации подвешенных механических структур. Кроме того, эта подвешенная механическая структура очень чувствительна к внешним ударам и вибрации, т.к. она не может быть жестко присоединена к подложке из-за резонансной вибрации. Это ограничивает диапазон его применения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гироскоп [Патент US №6,516,665. "Микро-электро-механический гироскоп"/ Varadan V.K., Pascal B., Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V. Varandan. 2003].

Микро-электро-механический гироскоп включает в себя пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера поверхностных акустических волн (ПАВ), ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

Принцип действия микро-электро-механического гироскопа основан на использовании поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке. В отличие от других, этот гироскоп имеет планарную конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего является устойчивым и ударопрочным.

Недостатком микро-электро-механического гироскопа является низкая точность и соответственно невозможность использования его для высокоточных применений вследствие того, что электроды ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ неизбирательно воспринимают изменения пьезоэлектрических потенциалов, возникающие при действии разнонаправленных сил Кориолиса, соответствующих разнонаправленным движениям частиц пьезоэлектрической пластины, участвующих в формировании ПАВ. Вышеизложенные факты приводят к снижению чувствительности и точности оценивания угловой скорости, что и является недостатками прототипа.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности при измерениях угловой скорости вращения с использованием пьезоэлектрических устройств.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что в электронном гироскопе, содержащем пьезопластину, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры драйвера поверхностных акустических волн, согласно изобретению за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн параллельно направлению распространения поверхностных акустических волн дополнительно попарно, на расстояниях, между двумя соседними парами электродов, не меньших половины периода поверхностных акустических волн, размещены электроды чувствительного элемента разности потенциалов, по одному электроду каждой пары у одного из противоположных краев пьезопластины, причем те из электродов каждой пары, которые находятся ближе к одному и тому же краю пьезопластины, электрически соединены под слоем поглотителя акустических колебаний с одной и той же контактной шиной, а находящиеся в одной паре электроды размещены один напротив другого, но ближе к противоположным краям пьезопластины, выполненной из пьезоэлектрика или пьезополупроводника.

Драйвер поверхностных акустических волн создает поверхностные акустические волны на поверхности пьезопластины, что является первичным вибрационным перемещением для этого гироскопа. Силы Кориолиса и первичные поверхностные акустические волны определяют вторичное вибрационное перемещение (вторичные поверхностные акустические волны) в направлении, ортогональном к направлению первичных поверхностных акустических волн. При этом силы Кориолиса, возникающие при наличии внешнего вращения основания гироскопа и приложенные к частицам пьезоэлектрика или пьезополупроводника, движущимся в одном направлении, противоположны по направлению силам Кориолиса, приложенным к другим частицам пьезоэлектрика или пьезополупроводника, в тот же момент времени на соседнем участке поверхностных акустических волн, движущимся в противоположном направлении.

В отличие от прототипа в электронном гироскопе измеряется не разность потенциалов, создаваемая под действием одновременно разнонаправленных сил Кориолиса всеми пучностями стоячей первичной ПАВ на электродах чувствительного элемента вторичной поверхностной акустической волны, а разность потенциалов, образованная под действием эффекта увлечения частиц пьезоэлектрика или пьезополупроводника одновременно однонаправленными силами Кориолиса, то есть при движении частиц пьезоэлектрика только вдоль тех участков первичной поверхностной акустической волны, которые находятся на расстояниях, кратных периоду поверхностных акустических волн, что позволяет повысить показатели чувствительности и точности при измерении угловой скорости пьезопластины.

Другим отличием от прототипа является то, что расстояния между электродами одной пары электродов чувствительного элемента разности потенциалов, образующими одну пару, примерно равны апертуре драйвера первичных поверхностных акустических волн, а не как у прототипа, у которого расстояния между электродами одной пары электродов встречно-штыревого преобразователя чувствительного элемента вторичной поверхностной акустической волны соответствуют четверти длины волны вторичной поверхностной акустической волны в той ее части, которая распространяется за пределами апертуры встречно-штыревого преобразователя драйвера первичных поверхностных акустических волн.

Технический результат достигается за счет того, что разности потенциалов вдоль одного из участков первичной поверхностной акустической волны образуются в некоторые моменты времени только под действием однонаправленных сил Кориолиса, что обеспечивает увеличение амплитуды совокупной разности потенциалов на контактных шинах и, тем самым, повышение точности и чувствительности измерений по сравнению с прототипом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время автору не известны гироскопы, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, подходящий для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемая конструкция гироскопа.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема электронного гироскопа.

Электронный гироскоп состоит из основания и выполненных на нем встречно-штыревых преобразователей и отражающих структур.

Основанием электронного гироскопа на ПАВ служит прямоугольная пьезопластина 1, выполненная из пьезоэлектрика или пьезополупроводника, например из кварца, ниобата лития или из CdS, CdSe, слоистой структуры LiNbO 3 - Si соответственно .

На двух противоположных краях поверхности прямоугольной пьезопластины 1 в направлении распространения первичной ПАВ сформированы отражающие структуры 4 и ВШП 5 драйвера ПАВ, а в ортогональном направлении по обе стороны от апертуры драйвера ПАВ вдоль направления распространения первичной ПАВ сформированы электроды чувствительного элемента разности потенциалов 6, поглотители акустических колебаний 3 с контактными шинами 2 в соответствующей последовательности.

Отражающие структуры 4 расположены за ВШП 5 драйвера ПАВ, а электроды чувствительного элемента разности потенциалов 6, поглотители акустических колебаний 3 и контактные шины 2 - между другими двумя противоположными краями пьезопластины 1 вдоль направления распространения первичной ПАВ. Поглотители акустических колебаний 3 выполняют функции поглощения ПАВ так, чтобы поверхность пьезопластины 1 за поглотителями акустических колебаний была нечувствительной к ПАВ, создаваемым ВШП 5 драйвера ПАВ, что позволяет аккумулировать на одной контактной шине потенциалы, одновременно сформированные на электродах чувствительного элемента разности потенциалов 6 под действием сил Кориолиса одного направления.

Устройство работает следующим образом. На ВШП 5 драйвера ПАВ от внешнего генератора (не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. Если пьезопластина 1 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.

Первичные ПАВ создаются на пьезопластине 1 встречно-штыревыми преобразователями 5 драйвера ПАВ и отражающими структурами 4. Поверхностные акустические волны распространяются по пьезопластине 1 в области, ограниченной поглотителями акустических колебаний 3. Распространяясь дальше, первичная ПАВ взаимодействует с отражающими структурами 4.

При появлении внешнего вращения основания гироскопа к вибрирующим заряженным частицам материала пластины пьезоэлектрика 1 прикладываются силы Кориолиса. Напряжение на контактных шинах обусловлено поперечным акустоэлектрическим эффектом, возникающим под действием сил Кориолиса .

В результате действия сил Кориолиса вибрирующие заряженные частицы материала пластины пьезоэлектрика 1 смещаются в направлении действия силы Кориолиса, изменяя распределение электрического потенциала. Так возникает разность потенциалов между электродами чувствительного элемента разности потенциалов 6, размещенными у противоположных краев пластины пьезоэлектрика.

Вибрирующие частицы материала пластины пьезоэлектрика 1, смещенные вследствие действия сил Кориолиса, через электроды 6 изменяют потенциалы на контактных шинах 2. Разность потенциалов между контактными шинами 2 является высокочастотным сигналом и может быть измерена, например, анализатором спектра .

Для обеспечения возможности суммирования на контактных шинах 2 разностей потенциалов одного знака между электродами 6 и контактными шинами 2 наносится слой поглотителя акустических колебаний 3 или контактные шины размещаются на ребрах жесткости (не показаны), нечувствительных к колебаниям поверхности пьезоэлектрической пластины. В качестве поглотителя акустических колебаний 3 могут использоваться резиноподобные клеи различных марок.

По разности потенциалов между контактными шинами 2 судят о величине угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика 1. Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике гироскопа. При отсутствии внешнего вращения основания гироскопа силы Кориолиса не возникают, поэтому не возникает и разность потенциалов между контактными шинами 2, которая в этом случае практически равна нулю.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнены следующие условия:

Средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных и других известных до даты подачи заявки средств;

Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

2. Физическая акустика / Под ред. У.Мэзона. М.: Мир, 1969.

3. Кмита А.М., Медведь А.В. Поперечный акустоэлектрический эффект в слоистой структуре LiNbO 3 - Si. "Письма ЖТФ"б, 1971, т.14, в.8, с.455.

1. Электронный гироскоп, содержащий пьезопластину, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры драйвера поверхностных акустических волн, отличающийся тем, что за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн параллельно направлению распространения поверхностных акустических волн дополнительно попарно, на расстояниях между двумя соседними парами электродов, не меньших половины периода поверхностных акустических волн, размещены электроды чувствительного элемента разности потенциалов, по одному электроду каждой пары у одного из противоположных краев пьезопластины, причем те из электродов каждой пары, которые находятся ближе к одному и тому же краю пьезопластины, электрически соединены под слоем поглотителя акустических колебаний с одной и той же контактной шиной, а находящиеся в одной паре электроды размещены один против другого, но ближе к противоположным краям пьезопластины.

Привет всем, уважаемые пользователи лучшего мобильного портала Trashbox. Сегодняшняя шестая по счёту статья из рубрики «Как это работает» посвящается гироскопу. Если вам не известно, что это такое - данная статья для вас. Давайте же узнаем, что такое гироскоп и как это работает. Самое интересное под катом .

Гироскоп (в переводе значит «вращение» или «смотреть») - устройство, имеющее способность измерения изменения углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. В настоящее время известно два типа гироскопов: механический и оптический. По режиму действия гироскопы делятся на: датчики угловой скорости и указатели направления. Однако, одно устройство может работать одновременно в разных режимах в зависимости от типа управления.

Что касается механических гироскопов, то из них больше всех известен роторный гироскоп - это твёрдое тело, которое быстро вращается и ось которого способна изменять ориентацию в пространстве. Скорость вращения гироскопа при этом существенно превышает скорость поворота оси его вращения. Основным свойством данного гироскопа является способность сохранения в пространстве неизменного направления оси вращения при отсутствии какого-либо воздействия на неё внешних сил. Основная часть роторного гироскопа - быстро-вращающийся ротор, имеющий несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Принцип работы

Принцип работы гироскопа заключается в грузиках, которые вибрируют на плоскости с частотой скорости умноженной на перемещение. При повороте гироскопа возникает так называемое Кориолисово ускорение. Если вы пропускали физику в школе или не знаете, то у всех тел есть единое свойство - при вращении они сохраняют свою ориентацию относительно направления силы тяжести. По сути, гироскоп - это волчок, который вращается вокруг вертикальной оси, закреплённый в раме, которая способна поворачиваться вокруг горизонтальной оси, и в свою очередь закреплена в другой раме, которая может поворачиваться вокруг третьей оси. Таким образом, можно придти к выводу: как бы мы не поворачивали волчок, он всегда имеет возможность всё равно находиться в вертикальном положении. Датчики снимают сигнал, как волчок ориентирован относительно рам, а процессор считывает, как рамы в этом случае должны быть расположены относительно силы тяжести.

Гироскопы применяются в технике. Они используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. Что касается той самой системы стабилизации, то она бывает трёх типов: система силовой стабилизации (используется на двухстепенных гироскопах), система индикаторно-силовой стабилизации (также на двухстепенных гироскопах) и система индикаторной стабилизации (на трёхстепенных гироскопах).

А теперь поподробнее об этих трёх основных типах. Система силовой стабилизации: для стабилизации вокруг каждой оси требуется один гироскоп. Сама стабилизация осуществляется непосредственно гироскопом, а также двигателем разгрузки. В начале действует гироскопический момент, а потом уже подключается двигатель разгрузки. Система индикаторно-силовой стабилизации: для стабилизации также требуется один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент. И последняя - система индикаторной стабилизации: для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Использование гироскопа в мобильных устройствах

Давайте же затронем тему использования гироскопа в мобильных устройствах и игровых приставках. В настоящее время в большинстве смартфонов используется так называемый МЭМС-акселерометр. Будучи датчиком ускорения, в покойном состоянии он видит только один вектор - вектор всемирной силы тяготения, который всегда направлен к центру Земли. По разложениям вектора на чувствительные оси датчика без каких-либо затруднений вычисляется угловое положение устройства в пространстве. Также разложение вектора может показать, что датчик неспособен определить разворот устройства по углу курса, то есть поворот влево или вправо при поставленном на ребро смартфоне - проекция вектора на курс всегда равняется нулю. Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo - Wii Remote для игровой приставки Wii, и в нём используется только трёхмерный акселерометр.

Кроме того, гироскоп стал применяться и в игровых контроллерах. Например, Sixaxis для SONY PlayStation третьего поколения и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих игровых контроллерах используются два дополняющих друг друга пространственных сенсора: гироскоп, а также акселерометр. Также в новейших контроллерах, кроме акселерометра, используется дополнительный пространственный сенсор - гироскоп. Если привести работу гироскопа в других вещах, то существуют игрушки на основе гироскопа. Самыми банальными примерами являются йо-йо и волчок или в народе его называют «юла». Волчки же отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки.

В других сферах также есть применение гироскопу - их целый список. Гироскоп используется в приборах навигации в самолётах и космических аппаратах, в оружии (пуля при стрельбе закручивается, это придаёт ей гораздо большую устойчивость и повышает точность стрельбы), колёса велосипеда или подобного устройства работают как гироскопы - это не даёт ездоку упасть. Таким образом, любой вращающийся предмет можно назвать гироскопом - он противодействует отклонению оси вращения.

ГИРОСКОП (от греческого γ?ρος - круг, окружность и σκοπ?ω - наблюдать), устройство, совершающее быстрые циклические (вращательные или колебательные) движения и чувствительное вследствие этого к повороту в инерциальном пространстве. Термин «гироскоп» предложен в 1852 году Ж. Б. Л. Фуко для изобретённого им прибора, предназначенного для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Долгое время термин «гироскоп» использовался для обозначения быстровращающегося симметричного твёрдого тела. В современной технике гироскоп - основной элемент всевозможных гироскопических устройств или приборов, широко применяемых для автоматического управления движением самолётов, судов, торпед, ракет, космических аппаратов, мобильных роботов, для целей навигации (указатели курса, поворота, горизонта, стран света), для измерения угловой ориентации подвижных объектов и во многих других случаях (например, при прохождении стволов штолен, строительстве метрополитенов, при бурении скважин).

Классический гироскоп. Согласно законам ньютоновской механики скорость поворота оси быстровращающегося симметричного твёрдого тела в пространстве обратно пропорциональна его собственной угловой скорости и, следовательно, ось гироскопа поворачивается столь медленно, что на некотором интервале времени её можно использовать в качестве указателя неизменного направления в пространстве.

Простейшим гироскопом является волчок, парадоксальность поведения которого заключается в его сопротивлении изменению направления оси вращения. Под воздействием внешней силы ось волчка начинает двигаться в направлении, перпендикулярном вектору силы. Именно благодаря этому свойству вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали. Это движение называется прецессией гироскопа. Если к оси быстро вращающегося свободного гироскоп придожить пару сил {Р, Р’}, Р’ = -Р, с моментом М = Ph, где h - плечо пары сил (рис. 1), то (против ожидания) гироскоп начнёт дополнительно поворачиваться не вокруг оси х, перпендикулярной к плоскости пары сил, а вокруг оси у, лежащей в этой плоскости и перпендикулярной оси z вращения гироскопа. Если в какой-либо момент времени действие пары сил прекратится, то одновременно прекратится прецессия, т. е. прецессионное движение гироскопа безынерционно. Чтобы ось гироскопа могла свободно поворачиваться в пространстве, гироскоп обычно закрепляют в кольцах карданового подвеса (рис. 2), который представляет собой систему твёрдых тел (рамок, колец), последовательно соединённых между собой цилиндрическими шарнирами. Обычно при отсутствии технологических погрешностей оси рамок карданового подвеса пересекаются в одной точке - центре подвеса. Закреплённое в таком подвесе симметричное тело вращения (ротор) имеет три степени свободы и может совершать любой поворот вокруг центра подвеса. Гироскоп, у которого центр масс совпадает с центром подвеса, называется уравновешенным, астатическим или свободным. Изучение законов движения классического гироскопа - задача динамики твёрдого тела.

Основной количественной характеристикой ротора механического гироскопа является его вектор собственного кинетического момента, называемого также моментом количества движения или моментом импульса,

где I - момент инерции ротора гироскопа относительно оси собственного вращения, Ω - угловая скорость собственного вращения гироскопа относительно оси симметрии.

Медленное движение вектора собственного кинетического момента гироскопа под действием моментов внешних сил, называемое прецессией гироскопа, описывается уравнением

ω x Η = Μ, (2)

где ω - вектор угловой скорости прецессии, Н - вектор собственного кинетического момента гироскопа, М - ортогональная к Н составляющая вектора момента внешних сил, приложенных к гироскопу.

Момент сил, приложенных со стороны ротора к подшипникам оси собственного вращения ротора, возникающий при изменении направления оси и определяемый уравнением

М g = -М = Η x ω, (3)

называется гироскопическим моментом.

Кроме медленных прецессионных движений ось гироскопа может совершать быстрые колебания с малой амплитудой и высокой частотой - так называемые нутации. Для свободного гироскопа с динамически симметричным ротором в безынерционном подвесе частота нутационных колебаний определяется формулой

где А - момент инерции ротора относительно оси, ортогональной оси собственного вращения и проходящей через центр масс ротора. При наличии сил трения нутационные колебания обычно достаточно быстро затухают.

Погрешность гироскопа измеряется скоростью ухода его оси от первоначального положения. Согласно уравнению (2) величина ухода, называемого также дрейфом, пропорциональна моменту сил М относительно центра подвеса гироскопа:

ω ух = М/Н (4)

Уход ω ух обычно измеряется в угловых градусах в час. Из формулы (4) следует, что свободный гироскоп функционирует идеально лишь в том случае, если внешний момент М равен 0. При этом угловая скорость прецессии обращается в нуль и ось собственного вращения будет в точности совпадать с неизменным направлением в инерциальном пространстве.

Однако на практике любые средства, используемые для подвеса ротора гироскопа, являются причиной возникновения нежелательных внешних моментов неизвестной величины и направления. Формула (4) определяет пути повышения точности механического гироскопа: надо уменьшить «вредный» момент сил М и увеличить кинетический момент Н. При выборе угловой скорости гироскопа необходимо учитывать одно из главных ограничений, связанных с пределами прочности материала ротора из-за возникающих при вращении центробежных сил. При разгоне ротора выше так называемой допускаемой угловой скорости начинается процесс его разрушения.

Лучшие современные гироскопы имеют случайный уход порядка 10 -4 -10 -5 °/ч. Ось гироскопа с погрешностью 10 -5 °/ч совершает полный оборот на 360° за 4 тысячи лет! Точность балансировки гироскопа с погрешностью 10 -5 °/ч должна быть выше одной десятитысячной доли микрометра (10 -10 м), то есть смещение центра масс ротора из центра подвеса не должно превышать величину порядка диаметра атома водорода.

Гироскопические устройства можно разделить на силовые и измерительные. Силовые устройства служат для создания моментов сил, приложенных к основанию, на котором установлен гироскопический прибор; измерительные предназначены для определения параметров движения основания (измеряемыми параметрами могут быть углы поворота основания, проекции вектора угловой скорости и тому подобное).

Впервые уравновешенный гироскоп нашёл практическое применение в 1898 году в приборе для стабилизации курса торпеды, изобретённом австрийским инженером Л. Обри. Аналогичные приборы в различных вариантах исполнения начали использовать в 1920-х годах на самолётах для указания курса (гироскоп направления, гирополукомпасы), а позднее для управления движением ракет. На рисунке 3 показан пример применения гироскопа с тремя степенями свободы в авиационном указателе курса (гирополукомпасе). Вращение ротора в шарикоподшипниках создаётся и поддерживается струёй сжатого воздуха, направленной на рифлёную поверхность обода. По шкале азимута, прикреплённой к наружной рамке, можно, установив ось собственного вращения ротора параллельно плоскости основания прибора, ввести требуемое значение азимута. Трение в подшипниках незначительно, поэтому ось вращения ротора сохраняет заданное положение в пространстве. Пользуясь стрелкой, скреплённой с основанием, по шкале азимута можно контролировать поворот самолёта.

Гирогоризонт, или искусственный горизонт, позволяющий пилоту поддерживать свой самолёт в горизонтальном положении, когда естественный горизонт не виден, основан на использовании гироскопа с вертикальной осью вращения, сохраняющей своё направление при наклонах самолёта. В автопилотах применяются два гироскопа с горизонтальной и вертикальной осями вращения; первый служит для сохранения курса самолёта и управляет вертикальными рулями, второй - для сохранения горизонтального положения самолёта и управляет горизонтальными рулями.

С помощью гироскопа созданы автономные инерциальные навигационные системы (ИНС), предназначенные для определения координат, скорости и ориентации подвижного объекта (корабля, самолёта, космического аппарата и тому подобное) без использования какой-либо внешней информации. В состав ИНС кроме гироскопа входят акселерометры, предназначенные для измерения ускорения (перегрузки) объекта, а также компьютер, интегрирующий по времени выходные сигналы акселерометров и выдающий навигационную информацию с учётом показания гироскопа. К началу 21 века созданы настолько точные ИНС, что дальнейшего повышения точностей для решения многих задач уже не требуется.

Развитие гироскопической техники последних десятилетий сосредоточилось на поиске нетрадиционных областей применения гироскопических приборов - разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение координат железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многое другое.

Неклассические виды гироскопов. Высокие требования к точности и эксплутационным характеристикам гироскопических приборов привели не только к дальнейшим усовершенствованиям классического гироскопа с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве. Этому способствовали успехи квантовой электроники, ядерной физики и других областей точных наук.

В гироскопе с воздушной опорой шариковые подшипники, используемые в традиционном кардановом подвесе, заменены «газовой подушкой» (газодинамической опорой). Это полностью устранило износ материала опор во время работы и позволило почти неограниченно увеличить время службы прибора. К недостаткам газовых опор относятся довольно большие потери энергии и возможность внезапного отказа при случайном контакте ротора с поверхностью опоры.

Поплавковый гироскоп представляет собой роторный гироскоп, в котором для разгрузки подшипников подвеса все подвижные элементы взвешиваются в жидкости с большой плотностью так, чтобы вес ротора вместе с кожухом уравновешивался гидростатическими силами. Благодаря этому на много порядков снижается сухое трение в осях подвеса и увеличивается ударная и вибрационная стойкость прибора. Герметичный кожух, выполняющий роль внутренней рамки карданового подвеса, называется поплавком. Ротор гироскопа внутри поплавка вращается на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках со скоростью порядка 30-60 тысяч оборотов в минуту. Для повышения точности прибора необходимо использование системы термостабилизации. Поплавковый гироскоп с большим вязким трением жидкости называется также интегрирующим гироскопом.

Динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) принадлежит к классу гироскопа с упругим подвесом ротора, в которых свобода угловых движений оси собственного вращения обеспечивается за счёт упругой податливости конструктивных элементов (например, торсионов). В ДНГ, в отличие от классического гироскопа, используется так называемый внутренних карданов подвес (рис. 4), образованный внутренним кольцом 2, которое изнутри крепится торсионами 4 к валу электродвигателя 5, а снаружи - торсионами 3 к ротору 1. Момент трения в подвесе проявляется только в результате внутреннего трения в материале упругих торсионов. В ДНГ за счёт подбора моментов инерции рамок подвеса и угловой скорости вращения ротора осуществляется компенсация упругих моментов подвеса, приложенных к ротору. К достоинствам ДНГ относятся их миниатюрность, отсутствие подшипников со специфическими моментами трения, присутствующими в классическом кардановом подвесе, высокая стабильность показаний, относительно невысокая стоимость.

Рис. 4. Динамически настраиваемый гироскоп с внутренним кардановым подвесом: 1 - ротор; 2 - внутреннее кольцо; 3 и 4 - торсионы; 5 - электродвигатель.

Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. К достоинствам КЛГ относятся отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения, высокая точность.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) представляет собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. ВОГ является аналоговым преобразователем угловой скорости вращения основания, на котором он установлен, в выходной электрической сигнал.

Волновой твердотельный гироскоп (ВТГ) основан на использовании инертных свойств упругих волн в твёрдом теле. Упругая волна может распространяться в сплошной среде, не изменяя своей конфигурации. Если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол. Соответствующее движение волны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора. К достоинствам ВТГ относятся: высокое отношение точность/цена; способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшая масса, низкая энергоёмкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды.

Вибрационный гироскоп (ВГ) основан на свойстве камертона сохранять плоскость колебаний своих ножек. В ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодических момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы. К недостаткам ВГ относится нестабильность показаний из-за сложностей высокоточного измерения амплитуды колебаний ножек, а также то, что они не работают в условиях вибрации, которая практически всегда сопровождает места установки приборов на движущихся объектах. Идея камертонного гироскопа стимулировала целое направление поисков новых типов гироскопов, использующих пьезоэлектрический эффект либо вибрацию жидкостей или газов в специально изогнутых трубках и тому подобное.

Микромеханический гироскоп (ММГ) относится к гироскопам низких точностей (ниже 10 -1 °/ч). Эта область традиционно считалась малоперспективной для задач управления движущимися объектами и навигации. Но в конце 20 века разработка ММГ стала одним из наиболее интенсивно разрабатываемых направлений гироскопической техники, тесно связанным с современными кремниевыми технологиями. ММГ представляет собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор типа камертона. Точность современных ММГ невелика и достигает 10 1 -10 2 °/ч, однако решающее значение имеет исключительно низкая стоимость микромеханических чувствительных элементов. Благодаря использованию хорошо отработанных современных технологий массового производства микроэлектроники открывается возможность применения ММГ в совершенно новых областях: автомобили и бинокли, телескопы и видеокамеры, мыши и джойстики персональных компьютеров, мобильные робототехнические устройства и даже детские игрушки.

Неконтактный гироскоп относится к гироскопическим устройствам сверхвысоких точностей (10 -6 -5·10 -4 °/ч). Разработка гироскопа с неконтактными подвесами началась в середине 20 века. В неконтактных подвесах реализуется состояние левитации, т. е. состояние, при котором ротор гироскопа «парит» в силовом поле подвеса без какого-либо механического контакта с окружающими телами. Среди неконтактных гироскопов выделяют гироскопы с электростатическим, магнитным и криогенным подвесами ротора. В электростатическом гироскопе проводящий бериллиевый сферический ротор подвешен в вакуумированной полости в регулируемом электрическом поле, создаваемом системой электродов. В криогенном гироскопе сверхпроводящий ниобиевый сферический ротор подвешен в магнитном поле; рабочий объём гироскопа охлаждается до сверхнизких температур, так, чтобы ротор перешёл в сверхпроводящее состояние. Гироскоп с магниторезонансным подвесом ротора является аналогом гироскопа с электростатическим подвесом ротора, в котором электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор - ферритовым. Современные гироскопы с неконтактными подвесами - это сложнейшие приборы, которые вобрали в себя новейшие достижения техники.

Кроме перечисленных выше типов гироскопов проводились и проводятся работы над экзотическими типами гироскопа, такими, как ионный гироскоп, ядерный гироскоп и др.

Математические задачи в теории гироскопа. Математические основы теории гироскопа заложены Л. Эйлером в 1765 году в его работе «Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum». Движение классического гироскопа описывается системой дифференциальных уравнений 6-го порядка, решение которой стало одной из самых знаменитых математических задач. Эта задача относится к разделу теории вращательного движения твёрдого тела и является обобщением задач, решаемых до конца простыми средствами классического анализа. Однако при этом она настолько трудна, что ещё далека от завершения, несмотря на результаты, полученные крупнейшими математиками 18-20 века. Современные гироскопические приборы потребовали решения новых математических задач. Движение неконтактных гироскопов с высокой точностью подчиняется законам механики, поэтому, решая уравнения движения гироскопа с помощью компьютера, можно точно предсказывать положение оси гироскопа в пространстве. Благодаря этому разработчикам неконтактных гироскопов не приходится балансировать ротор с точностью 10 -10 м, которую невозможно достичь при современном уровне технологии. Достаточно точно измерять погрешности изготовления ротора данного гироскопа и вводить соответствующие поправки в программы обработки сигналов гироскопа. Получающиеся с учётом этих поправок уравнения движения гироскопа оказываются очень сложными, и для их решения приходится применять весьма мощные компьютеры, использующие алгоритмы, основанные на последних достижениях математики. Разработка программ расчёта движения гироскопа с неконтактными подвесами позволяет существенно повысить точность гироскопа, а следовательно, и точность определения местоположения объекта, на котором установлены эти гироскопы.

Лит.: Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. М., 1974; Ишлинский А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976; Климов Д. М., Харламов С. А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. М., 1978; Ишлинский А. Ю., Борзов В. И., Степаненко Н. П. Лекции по теории гироскопов. М., 1983; Новиков Л. З., Шаталов М. Ю. Механика динамически настраиваемых гироскопов. М., 1985; Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М., 1985; Мартыненко Ю. Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. М., 1988.

ГИРОСКОП
навигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться. Три степени свободы (оси возможного вращения) ротора гироскопа обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса. Если на такое устройство не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения ротора сохраняет постоянное направление в пространстве. Если же на него действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия).

В хорошо сбалансированном (астатическом) и достаточно быстро вращающемся гироскопе, установленном на высокосовершенных подшипниках с незначительным трением, момент внешних сил практически отсутствует, так что гироскоп долго сохраняет почти неизменной свою ориентацию в пространстве. Поэтому он может указывать угол поворота основания, на котором закреплен. Именно так французский физик Ж. Фуко (1819-1868) впервые наглядно продемонстрировал вращение Земли. Если же поворот оси гироскопа ограничить пружиной, то при соответствующей установке его, скажем, на летательном аппарате, выполняющем разворот, гироскоп будет деформировать пружину, пока не уравновесится момент внешней силы. В этом случае сила сжатия или растяжения пружины пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. Таков принцип действия авиационного указателя поворота и многих других гироскопических приборов. Поскольку трение в подшипниках очень мало, для поддержания вращения ротора гироскопа не требуется много энергии. Для приведения его во вращение и для поддержания вращения обычно бывает достаточно маломощного электродвигателя или струи сжатого воздуха.
Применение. Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.
См. также МАХОВИК . Основные области применения гироскопов - судоходство, авиация и космонавтика (см. ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ). Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами. В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами. Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота. На многих самолетах предусматриваются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование - навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания. Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4-20 см, причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Гироскопический эффект создается той же самой центробежной силой, которая действует на юлу, вращающуюся, например, на столе. В точке опоры юлы о стол возникают сила и момент, под действием которых ось вращения юлы отклоняется от вертикали, а центробежная сила вращающейся массы, препятствуя изменению ориентации плоскости вращения, вынуждает юлу вращаться и вокруг вертикали, сохраняя тем самым заданную ориентацию в пространстве. Таким вращением, называемым прецессией, ротор гироскопа отвечает на приложенный момент силы относительно оси, перпендикулярной оси его собственного вращения. Вклад масс ротора в этот эффект пропорционален квадрату расстояния до оси вращения, поскольку чем больше радиус, тем больше, во-первых, линейное ускорение и, во-вторых, плечо центробежной силы. Влияние массы и ее распределения в роторе характеризуется его "моментом инерции", т.е. результатом суммирования произведений всех составляющих его масс на квадрат расстояния до оси вращения. Полный же гироскопический эффект вращающегося ротора определяется его "кинетическим моментом", т.е. произведением угловой скорости (в радианах в секунду) на момент инерции относительно оси собственного вращения ротора. Кинетический момент - векторная величина, имеющая не только численное значение, но и направление. На рис. 1 кинетический момент представлен стрелкой (длина которой пропорциональна величине момента), направленной вдоль оси вращения в соответствии с "правилом буравчика": туда, куда подается буравчик, если его поворачивать в направлении вращения ротора. Прецессия и момент силы тоже характеризуются векторными величинами. Направление вектора угловой скорости прецессии и вектора момента силы связано правилом буравчика с соответствующим направлением вращения.
См. также ВЕКТОР .
ГИРОСКОП С ТРЕМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ
На рис. 1 дана упрощенная кинематическая схема гироскопа с тремя степенями свободы (тремя осями вращения), причем направления вращения на ней показаны изогнутыми стрелками. Кинетический момент представлен жирной прямой стрелкой, направленной вдоль оси собственного вращения ротора. Момент силы прикладывается нажатием пальца так, что он имеет составляющую, перпендикулярную оси собственного вращения ротора (вторую силу пары создают вертикальные полуоси, закрепленные в оправе, которая связана с основанием). Согласно законам Ньютона, такой момент силы должен создавать кинетический момент, совпадающий с ним по направлению и пропорциональный его величине. Поскольку же кинетический момент (связанный с собственным вращением ротора) фиксирован по величине (заданием постоянной угловой скорости посредством, скажем, электродвигателя), это требование законов Ньютона может быть выполнено только за счет поворота оси вращения (в сторону вектора внешнего момента силы), приводящего к увеличению проекции кинетического момента на эту ось. Этот поворот и есть прецессия, о которой говорилось ранее. Скорость прецессии возрастает с увеличением внешнего момента силы и убывает с увеличением кинетического момента ротора.
Гироскопический указатель курса. На рис. 2 показан пример применения трехстепенного гироскопа в авиационном указателе курса (гирополукомпасе). Вращение ротора в шарикоподшипниках создается и поддерживается струей сжатого воздуха, направленной на рифленую поверхность обода. Внутренняя и наружная рамки карданова подвеса обеспечивают полную свободу вращения оси собственного вращения ротора. По шкале азимута, прикрепленной к наружной рамке, можно ввести любое значение азимута, выровняв ось собственного вращения ротора с основанием прибора. Трение в подшипниках столь незначительно, что после того как это значение азимута введено, ось вращения ротора сохраняет заданное положение в пространстве, и, пользуясь стрелкой, скрепленной с основанием, по шкале азимута можно контролировать поворот самолета. Показания поворота не обнаруживают никаких отклонений, если не считать эффектов дрейфа, связанных с несовершенствами механизма, и не требуют связи с внешними (например, наземными) средствами навигации.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .