[科普中國]-陀螺六分儀

簡介

由陀螺水平儀提供測量水平基準(zhǔn)的六分儀。陀螺六分儀的裝置，一直是航空和航海上航行姿態(tài)及速率等最方便實用的參考儀表。從力學(xué)的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動。

陀螺六分儀由兩個望遠(yuǎn)鏡、一個角度測量頭、一個基準(zhǔn)平臺以及計算裝置組成。角度測量頭裝在具有3個1自由度的框架上，平臺上裝有一個平面鏡、棱鏡組合件和一個陀螺組件，它測量月球明亮邊緣和亮星之間的夾角。當(dāng)測量第一顆恒星與月球中心之間夾角時，航天器位于錐面的某個地方，此錐體的頂點在月球中心的位置上，而錐體軸在恒星方向上。對另一顆恒星和月球進(jìn)行第二次測量，建立起另一個錐面。航天器位于兩個錐面的兩條相交線上，其中有一條是假的，可根據(jù)航天器飛行的物理特性來識別其真假。2 航天器的姿態(tài)是通過測量兩顆或兩顆以上的恒星，與固定在六分儀基座上的基準(zhǔn)反射鏡之間的夾角來確定的。裝在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的光源可以自動對準(zhǔn)基準(zhǔn)反射鏡，因而可作為望遠(yuǎn)鏡的基準(zhǔn)。相對于基準(zhǔn)反射鏡的夾角確定了慣性空間的一個方向，另一個姿態(tài)方向是通過測量一個或幾個恒星與棱鏡組件之間夾角來確定的。棱鏡組件則安裝在基準(zhǔn)反射鏡上，與反射鏡有一仰角。兩次測量經(jīng)過處理機(jī)處理后便得到精確的姿態(tài)信息。
這種陀螺六分儀由美國空軍從1973年開始組織研制，從1975年到1978年完成工程模型硬件研制，在1982年通過航天飛機(jī)進(jìn)行的飛行實驗，20世紀(jì)80年代后期正式提供使用。根據(jù)在航天飛機(jī)進(jìn)行的飛行實驗結(jié)果，陀螺六分儀可以同時提供軌道和姿態(tài)的測量結(jié)果。軌道位置精度為240 m，速度精度為O．03 m/s。這些精度與軌道高度有關(guān)，軌道高度越低，速度精度越高。三軸姿態(tài)精度為1”(角度)。空間六分儀質(zhì)量25 kg，功耗50 w，設(shè)計壽命5年。

特性陀螺六分儀被廣泛用于航空、航天和航海領(lǐng)域。這是由于它的兩個基本特性：一為定軸性(inertia or rigidity)，另一是進(jìn)動性(precession)，這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。

定軸性當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有任何外力矩作用在陀螺六分儀上時，陀螺六分儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個固定的方向;同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺六分儀的定軸性或穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：3

1.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，穩(wěn)定性愈好;

2.轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

所謂的“轉(zhuǎn)動慣量”，是描述剛體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的物理量。當(dāng)以相同的力矩分別作用于兩個繞定軸轉(zhuǎn)動的不同剛體時，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性大;反之，轉(zhuǎn)動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性小。

進(jìn)動性當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺六分儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動;若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺六分儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺六分儀的進(jìn)動性。進(jìn)動角速度的方向取決于動量矩H的方向(與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉(zhuǎn)角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。4

進(jìn)動方向這可用右手定則判定。即伸直右手，大拇指與食指垂直，手指順著自轉(zhuǎn)軸的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌與4指彎曲握拳，則大拇指的方向就是進(jìn)動角速度的方向。

進(jìn)動角速度的大小取決于轉(zhuǎn)子動量矩H的大小和外力矩M的大小,其計算式為進(jìn)動角速度ω=M/H。

進(jìn)動性的大小也有三個影響的因素：

1.外界作用力愈大，其進(jìn)動角速度也愈大;

2.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，進(jìn)動角速度愈小;

3.轉(zhuǎn)子的角速度愈大，進(jìn)動角速度愈小。

用途陀螺六分儀最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據(jù)需要，5陀螺六分儀能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導(dǎo)航儀來控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器，陀螺六分儀能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對地面穩(wěn)定等等。作為精密測試儀器，陀螺六分儀能夠為地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。由此可見，陀螺六分儀的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。6

現(xiàn)在廣泛使用的MEMS陀螺(微機(jī)械)可應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。并且MEMS陀螺相比傳統(tǒng)的陀螺有明顯的優(yōu)勢：

1.體積小、重量輕。適合于對安裝空間和重量要求苛刻的場合，例如彈載測量等。

2.低成本。

3.高可靠性。內(nèi)部無轉(zhuǎn)動部件，全固態(tài)裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長。

4.低功耗。

5.大量程。適于高轉(zhuǎn)速大g值的場合。

6.易于數(shù)字化、智能化?？蓴?shù)字輸出，溫度補(bǔ)償，零位校正等。