[科普中國(guó)]-積分陀螺儀

陀螺儀的研制歷史

早在 18 世紀(jì)，歐拉、拉格朗日等許多學(xué)者都對(duì)高速旋轉(zhuǎn)剛體作了詳細(xì)的研究，并指出這種旋轉(zhuǎn)的剛體具有進(jìn)動(dòng)性和定軸性。尤為突出的是，俄國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家歐拉發(fā)表的《剛體繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)理論》這一名著，導(dǎo)出了剛體繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，為陀螺儀理論奠定了基礎(chǔ)。 1852 年，法國(guó)物理學(xué)家 Foucault 利用高速旋轉(zhuǎn)剛體的方向穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)并制成了一種裝置，將其取名為“陀螺儀”。這是探索陀螺儀走向應(yīng)用的開(kāi)端。 19 世紀(jì)海難事故的頻繁發(fā)生，促進(jìn)了陀螺儀在航海中的應(yīng)用。1909 年美國(guó)制成了陀螺羅經(jīng)用于艦船的導(dǎo)航。1932 年德國(guó)科學(xué)家舒勒提出了舒勒原理，使陀螺羅經(jīng)的精度得到很大提高。50 年代以后，出現(xiàn)了電控羅經(jīng)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展成
為平臺(tái)羅經(jīng)。 陀螺儀在航空上的應(yīng)用比航海稍晚些。從 20 世紀(jì) 20 年代到 30 年代，在飛機(jī)上相繼使用了陀螺轉(zhuǎn)彎儀、陀螺地平儀和方向儀作為指示儀表。30 年代中期開(kāi)始使用陀螺儀表作為敏感元件。從 40 年代到 50 代，航空陀螺儀表向組合式發(fā)展，相繼出現(xiàn)了陀螺磁羅盤(pán)、全姿態(tài)組合陀螺儀和陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。 從 20 世紀(jì) 50 年代末至 60 年代，以液浮陀螺儀構(gòu)成的平臺(tái)使慣導(dǎo)系統(tǒng)得到長(zhǎng)足發(fā)展，并大量裝備各種飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈和航天飛行器。20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，陀螺電機(jī)采用以動(dòng)壓氣浮軸承、浮子采用高比重液體懸浮、輸出軸采用磁懸浮定位的“三浮”陀螺儀得到長(zhǎng)足發(fā)展。國(guó)內(nèi)自 20 世紀(jì) 60 年代初開(kāi)始液浮陀螺儀的研制，并于 80 年代初使用。目前，我國(guó)研制的陀螺儀，其隨機(jī)漂移率已達(dá) 0.001°/h。1

陀螺儀原理高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí)，重力會(huì)向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(dòng)（歲差運(yùn)動(dòng)）。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時(shí)可加以應(yīng)用。

陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來(lái)的定向儀器。不過(guò)它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說(shuō)是角動(dòng)量要夠大)。不然，只要一個(gè)很小的力矩，就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。

用四個(gè)質(zhì)點(diǎn)ABCD來(lái)表示邊上的區(qū)域，這個(gè)邊對(duì)于用圖來(lái)解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)傾斜力作用在頂部的軸上的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)A向上運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C則向下運(yùn)動(dòng)，如其中的子圖1。因?yàn)橥勇輧x是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90度角之后，質(zhì)點(diǎn)A將會(huì)到達(dá)質(zhì)點(diǎn)B的位置。CD兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的情況也是一樣的。子圖2中質(zhì)點(diǎn)A當(dāng)處于如圖的90度位置的時(shí)候會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C也繼續(xù)向下。AC質(zhì)點(diǎn)的組合將導(dǎo)致軸在子圖2所示的運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)陀螺儀的軸在一個(gè)合適的角度上旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，如果陀螺儀逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，軸將會(huì)在運(yùn)動(dòng)平面上向左運(yùn)動(dòng)。如果在順時(shí)針的情況中，傾斜力是一個(gè)推力而不是拉力的話，運(yùn)動(dòng)將會(huì)向左發(fā)生。在子圖3中，當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)了另一個(gè)90度的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)C在質(zhì)點(diǎn)A受力之前的位置。C質(zhì)點(diǎn)的向下運(yùn)動(dòng)受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運(yùn)動(dòng)。傾斜力推軸的力量越大，當(dāng)邊緣旋轉(zhuǎn)大約180度時(shí)，另一側(cè)的邊緣推動(dòng)軸向回運(yùn)動(dòng)。

陀螺電機(jī)是陀螺儀核心部件，其性能決定了陀螺儀的精度。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功能是衡量電機(jī)的主要指標(biāo)，陀螺儀電機(jī)轉(zhuǎn)速自檢頻率即為判斷速率陀螺儀的重要技術(shù)指標(biāo)。其在生產(chǎn)過(guò)程中、發(fā)射場(chǎng)和航天器飛行過(guò)程中，都要對(duì)此項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，以判定電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性和確認(rèn)速率陀螺儀功能的正常性。

未來(lái)發(fā)展隨著我國(guó)導(dǎo)彈、航空、航海以及宇航等技術(shù)的發(fā)展，陀螺儀—這個(gè)各種運(yùn)動(dòng)體上的核心姿態(tài)基準(zhǔn)敏感元件也從無(wú)到有的發(fā)展起來(lái)。

單自由度液浮積分陀螺儀在美、蘇、英、法等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家均作為主要的尖端制導(dǎo)和導(dǎo)航方面的控制儀表被應(yīng)用于軍事和商業(yè)等各類控制系統(tǒng)中，如美國(guó)的阿波羅登月飛行，人馬星座，北極星、三叉戟導(dǎo)彈戰(zhàn)略核潛艇；航天系統(tǒng)；航空民用客機(jī)波音707、747；英法的A一300C等先進(jìn)產(chǎn)品上。

我國(guó)單自由度液浮積分陀螺儀在航海領(lǐng)域中得到比較全面的發(fā)展，初步完成了第一代單自由度液浮積分陀螺儀的研究,設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和產(chǎn)品的使用等工作，隨機(jī)漂移的精度指標(biāo)(一a)達(dá)到了~，初步達(dá)到了慣性級(jí)指標(biāo)的要求。其第一代單自由度積分陀螺儀是指陀螺儀的基本用材為L(zhǎng)Y17硬鋁合金，支承系統(tǒng)為氟氯油和球形小軸紅寶石眼定中心，陀螺馬達(dá)為主軸空氣動(dòng)壓氣體支承的磁滯同步電機(jī)為基本組成的方案系統(tǒng)。這種方案基本適合了我國(guó)過(guò)去和當(dāng)前的設(shè)計(jì)水平以及工藝、材料的發(fā)展水平：今后將開(kāi)始向第二代單自由度液浮積分陀螺儀的方向發(fā)展,它的初步模式是陀螺儀的基本甩材為鍍(B。)材；支承系統(tǒng)為氟澳油和磁懸浮定中心；陀螺馬達(dá)將采用動(dòng)量矩H調(diào)制等技術(shù)。按我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平拿出可供產(chǎn)品使用的元件，大約需要若干年的時(shí)間。因此有必要在研究第二代陀螺儀的同時(shí)，將第一代陀螺儀使之產(chǎn)品化和標(biāo)準(zhǔn)化。2