[科普中國]-陀螺穩(wěn)定器陀螺儀

使載體在受到外界沖擊時仍然能夠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。載體可以是飛機、人造衛(wèi)星等大型設(shè)備，近年來也將陀螺穩(wěn)定器小型化、民用化，運用于小型無人機、攝影器材等。

由于被穩(wěn)定的對象（例如人造衛(wèi)星）的質(zhì)量往往較大，陀螺產(chǎn)生的陀螺力矩只能在相對短時間內(nèi)起穩(wěn)定作用。在航空航天使用的條件下，事實上往往達(dá)不到長時間穩(wěn)定的要求。

多軸的陀螺穩(wěn)定器的原理與單軸陀螺穩(wěn)定器的原理類似，這里僅對單軸陀螺穩(wěn)定器原理進(jìn)行說明。

如圖是一個單軸的動力陀螺穩(wěn)定器，裝置10為被穩(wěn)定對象。起始時裝置10的主軸與陀螺轉(zhuǎn)子軸平行，當(dāng)基座繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子軸和裝置主軸由于陀螺的定軸性不隨之轉(zhuǎn)動，保持原有方向；當(dāng)基座受到?jīng)_擊時，轉(zhuǎn)子軸與主軸做章動，仍處于原有方向附近。如果在外環(huán)軸上作用一個干擾力矩，轉(zhuǎn)子與內(nèi)環(huán)一起繞內(nèi)環(huán)軸進(jìn)動，進(jìn)動的角速度為。在外力矩作用在外環(huán)軸時，轉(zhuǎn)子繞內(nèi)環(huán)軸做進(jìn)動產(chǎn)生的陀螺力矩通過傳動裝置5也作用在外環(huán)軸上，并且二者大小相等方向相反，這樣使得裝置主軸仍處于起始位置。1

以上就是陀螺穩(wěn)定器的基本工作原理。在此基礎(chǔ)上再增加一個自由度，一套控制回路系統(tǒng)，就可以變成二軸穩(wěn)定平臺。如果再增加，就成為三軸穩(wěn)定平臺或空間穩(wěn)定平臺。

為了提高陀螺穩(wěn)定器的性能，常常設(shè)計的有自動控制回路，這些控制回路分為穩(wěn)定回路和修正回路，均采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)機制。

例如在上圖（單軸動力陀螺穩(wěn)定器）中，減速器電機4為穩(wěn)定回路，其作用是提供陀螺進(jìn)動的阻尼力矩，可以使陀螺發(fā)生進(jìn)動時更快地靜止下來；電機5構(gòu)成修正回路，與外框架固定在一起，為提高穩(wěn)定精度，修正回路產(chǎn)生與摩擦力大小相等方向相反的力矩，以補償摩擦力對裝置的影響。

在各種穩(wěn)定系統(tǒng)中，穩(wěn)定回路的設(shè)計歷來是非常重要的，往往也是復(fù)雜的，根據(jù)反饋回路的控制原理，可以將穩(wěn)定器為積分陀螺組成的穩(wěn)定器和微分陀螺組成的穩(wěn)定器。

為了提高陀螺穩(wěn)定器的精度，增大陀螺角動量通常不可取，因為增大角動量需要增大整個裝置的尺寸和重量。實際采用的方法是減小進(jìn)動軸上的干擾力。因此，現(xiàn)多采用小型單自由度液浮積分陀螺、微分陀螺和撓性陀螺構(gòu)成穩(wěn)定器。這些陀螺的角動量很小，所產(chǎn)生的陀螺力矩對穩(wěn)定回路來說基本沒有影響，因此這種陀螺穩(wěn)定器也不是嚴(yán)格的“動力陀螺”，陀螺在這里只起傳感器或控制器的作用，它們感應(yīng)角速度信號，然后由其他裝置按照設(shè)計的規(guī)則姿態(tài)控制載體姿態(tài)。

空間飛行器的穩(wěn)定系統(tǒng)可分為被動式和主動式兩種。

作用于空間飛行器的力矩是穩(wěn)定系統(tǒng)中的陀螺所產(chǎn)生的，用來平滑干擾力矩，且不采用任何工體（或者燃料），這種穩(wěn)定系統(tǒng)被稱為被動式的。在這里，陀螺除了起穩(wěn)定作用外，同時又是空間飛行器偏離要求的給定方位的敏感器件。

主動式空間飛行器的穩(wěn)定系統(tǒng)是借助于機載陀螺來控制機電、流體等傳動裝置來實現(xiàn)穩(wěn)定，要求消耗工體。