Гироскопические датчики угловых скоростей

Начнём рассмотрение гиродатчиков систем ориентации с датчиков угловых скоростей, причём с наиболее распространённого вида таких приборов ─ с гироскопического датчика угловой скорости. Этот измерительный прибор основан на использовании свойств двухстепенного гороскопа. На рис. 5 дана принципиальная схема такого рода прибора. Ротор гироскопа с кинетическим моментом, направленным в начальный момент по оси прибора и равным , укреплён в рамке, способной качаться вокруг оси . Ось качания рамки покоится в подшипниках , неподвижно закреплённых в корпусе КА. Такой прибор способен измерять проекцию угловой скорости на ось , которая обозначена через .

 

 

Рис. 5. Гироскопический датчик угловой скорости:

1 ─ подшипник оси рамки гироскопа; 2 ─ упругая связь; 3 ─ демпфер; 4 ─ моментный датчик; 5 ─ измерительное устройство; 6 ─ гироскоп.

 

 

Действительно, если корпус космического аппарата, а с ним и весь прибор вращать со скоростью , то возникнет гироскопический момент , действующий вокруг оси . Этот момент начнёт поворачивать рамку с ротором как целое вокруг оси , в результате чего рамка повернётся на угол .

Вращению рамки будут препятствовать упругая связь (схематически изображена в виде пружины ) и вязкое трение (схематически представлено поршневым демпфером ).

Описанные здесь гироскопические датчики угловых скоростей являются практически повсеместно применяемыми. Вообще говоря, возможны и другие схемы создания таких приборов. Если говорить об использовании механических принципов, то следует назвать различные типы вибрационных гироскопов, где используются эффекты, связанные не с поворотом вращающегося тела (гироскопа), а с поворотом тела, совершающего колебания высокой частоты (например, тела камертона).

Возможно использование и других физических принципов для измерения компонент угловых скоростей. Большие перспективы имеет в этом отношении лазерная техника; эффекты, возникающие при движении лазерного сигнала по замкнутому контуру, тоже дают возможность измерения угловых скоростей. Наконец, величины угловых скоростей могут быть получены путём дифференцирования сигналов датчика, измеряющего углы ориентации.

 

Свободные гироскопы

Датчики углов (позиционные датчики) играют чрезвычайно важную роль при управлении ориентацией, поскольку, как уже указывалось в начале настоящей главы, задачей системы ориентации является выполнение соотношения (1), связывающего между собой текущее и допустимое значения углов ориентации.

Типичным датчиком такого рода является свободный (обладающий тремя степенями свободы) гироскоп. На рис. 6 приведена одна из возможных схем его конструктивного исполнения. Ротор гироскопа с осью вращения, направленной вдоль оси , создаёт кинетический момент . Этот ротор укреплён во внутренней рамке , способной вращаться вокруг оси , конструктивно закреплённой на внешней рамке , в свою очередь имеющей возможность вращаться вокруг оси относительно корпуса космического аппарата.

 

 

 

Рис. 6. Свободный гироскоп:

1─ внутренняя рамка; 2 ─ внешняя рамка; 3 ─ моментный датчик; 4 ─ преобразующее устройство; 5 ─ гироскоп.

 

 

Как известно из механики, ротор гироскопа обладает свойством сохранять неизменным своё положение в инерциальном пространстве, причём с увеличением кинетического момента уменьшается влияние всякого рода возмущений, нарушающих эту идеализированную картину. Если временно отвлечься от всего, что может нарушить неизменность направления вектора кинетического момента , то очевидно, что вместе с осью ротора неизменным будет сохраняться и положение внутренней рамки подвеса гироскопа. Если корпус КА (на рис. 6 он условно показан в виде заштрихованных подшипников, несущих ось внешней рамки ) будет совершать повороты вокруг оси , то это будет приводить к изменению угла между рамками и , который можно измерить (на рисунке измерительное устройство не показано), а если повороты КА будут происходить вокруг оси , то будет изменяться угол между внешней рамкой и корпусом космического аппарата (на рисунке условно изображена стрелка, измеряющая этот угол).

 

Таким образом, свободный гироскоп даёт возможность измерять два угла поворота КА (этого может быть достаточно для одноосной ориентации, если вектор направить параллельно заданной оси ориентации). В общем случае, если возникает потребность в измерении всех трёх углов, характеризующих угловое положение КА относительно поступательно движущихся осей ориентации, то необходимо использовать комплекс гироскопов, включающий как минимум два свободных гироскопа.