陀螺儀為什么能感受火箭姿態(tài)的變化？

慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中最核心的部件之一是陀螺儀。可以說(shuō)，陀螺儀是慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的心臟。

陀螺儀的兩個(gè)最基本的特性就是它的定軸性和進(jìn)動(dòng)性。凡是繞自身對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的物體都可以稱為陀螺，陀螺具有特殊的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律。圖1是一個(gè)玩具陀螺。如何讓它在光滑的桌面上直立起來(lái)呢？其實(shí)，只要使它繞垂直軸（重力方向）快速旋轉(zhuǎn)就行了。這時(shí)如果桌面傾斜α角，就會(huì)發(fā)現(xiàn)陀螺轉(zhuǎn)軸方向仍保持不變，如圖1（a）所示，這就是陀螺的定軸性。如果轉(zhuǎn)軸的初始方向不是嚴(yán)格垂直，而是偏離重力方向一個(gè)角度Φ，我們又發(fā)現(xiàn)陀螺轉(zhuǎn)軸會(huì)在一個(gè)以重力方向?yàn)檩S線的圓錐面上運(yùn)動(dòng)，如圖1（b）所示，而不是像不轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體那樣在重力作用下倒下，這就是陀螺的進(jìn)動(dòng)性。陀螺的定軸性和進(jìn)動(dòng)性統(tǒng)稱為陀螺效應(yīng)。

圖一

利用陀螺的定軸性和進(jìn)動(dòng)性，用不同的結(jié)構(gòu)，配以不同的電路，就會(huì)得到不同功能的陀螺儀，如速率陀螺儀（用作測(cè)量角速度）、積分陀螺儀（用作測(cè)量角度）、陀螺加速度計(jì)（用作測(cè)量角加速度）等。

高速旋轉(zhuǎn)的陀螺軸承安裝在框架環(huán)上時(shí)，由于自轉(zhuǎn)軸具有定軸性，因而自轉(zhuǎn)軸與基座的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，即基座運(yùn)動(dòng)而自轉(zhuǎn)軸不動(dòng)。這樣基座與自轉(zhuǎn)軸之間（通過(guò)框架軸的轉(zhuǎn)動(dòng)）在一個(gè)方向上構(gòu)成一個(gè)自由度，這種裝置稱為單自由度陀螺儀，如圖2（a）所示。如果在框架環(huán)外面再套一層框架環(huán)（前者稱為內(nèi)環(huán)，后者稱為外環(huán)），且軸互相垂直，則構(gòu)成一個(gè)雙自由度的陀螺儀，如圖2（b）所示。

圖二

對(duì)單自由度陀螺儀，當(dāng)基座因某種干擾隨箭體出現(xiàn)偏離預(yù)定姿態(tài)，產(chǎn)生俯仰、偏航或滾轉(zhuǎn)的某一方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，因該方向陀螺自轉(zhuǎn)軸保持方向不變，將使機(jī)座相對(duì)于框架環(huán)旋轉(zhuǎn)一定的角度。如果用傳感器把這個(gè)角度換成電信號(hào)，通過(guò)箭上該方向的伺服電子線路，驅(qū)動(dòng)搖擺發(fā)動(dòng)機(jī)或游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（即執(zhí)行機(jī)構(gòu)）擺動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)力矩，使箭體恢復(fù)到受干擾前的狀態(tài)，這就保持了飛行中火箭姿態(tài)在該方向的穩(wěn)定。