Электромеханические гироскопы различных назначений. Электромеханические гироскопы применяются в. качестве силовых стабилизаторов, датчиков угловых скоростей, ускорений, а также в качестве датчиков курса, называемых обычно гироорбитантами. Рассмотрим общие свойства электромеханических гироскопов.
Электромеханический гироскоп представляет собой электрический двигатель с ротором, обладающим большим моментом инерции и выполненным в виде маховика. Чтобы обеспечить большую маховую массу ротора, последний конструируют как внешнюю часть электродвигателя. Ротор гироскопа не имеет выходного устройства вала, так как, вращаясь в подшипниках, он работает только на разгон своей массы или на ее торможение. Статор электродвигателя при питании постоянным током имеет систему полюсов машины постоянного тока со щеткодержателями. При питании переменным током статор двигателя-гироскопа является статором обычного двух- или трехфазного электродвигателя.
Рассмотрим некоторые электромеханические характеристики гироскопа на постоянном токе, физически более простые при анализе работы электродвигателей-маховиков для систем ориентации космического летательного аппарата.
Непосредственно после включения такого двигателя в сеть начинается период разгона ротора, в течение которого двигатель потребляет большой ток и развивает большой момент вращения, обеспечивающий этот разгон. По мере разгона ротора и возникновения в его обмотках электродвижущей силы обратного направления, ток при постоянно приложенном напряжении автоматически уменьшается (вместе с моментом вращения) до ничтожной величины, достаточной только для преодоления трения в подшипниках и побочных потерь. При работе ротора гироскопа в глубоком вакууме энергия, подводимая к двигателю, расходуется только на потери в подшипниках и электромагнитные потери в статоре и роторе. В течение последних лет повсеместно в электромеханических гироскопах коллекторные машины постоянного тока были заменены двигателями переменного тока повышенной частоты[2]. Возникающее при этом вращающееся поле разгоняет ротор до допустимого по прочности конструкции числа оборотов, исчисляемого обычно десятками тысяч в минуту.
Такое устройство с постоянно вращающимся ротором обладает весьма интересными свойствами. Если, например, держать корпус такой машины двумя руками, расположив ось вращения перпендикулярно к туловищу, и поворачивать корпус вокруг собственной оси вращения, то руки экспериментатора никакой внешней силы чувствовать не будут, кроме сил тяжести и ничтожных сил, вызываемых трением в подшипниках (а в условиях невесомости и сила тяжести не будет ощущаться). Если теперь попытаться повернуть корпус электродвигателя на себя или от себя, т. е. вокруг оси, перпендикулярной к собственной оси вращения, то мускулы рук в соответствии с законами механики будут ощущать достаточно большую силу, направление которой будет несколько неожиданным: оно не будет совпадать с направлением, по которому была сделана попытка повернуть ось гироскопа. Электродвигатель-гироскоп будет создавать такой момент вращения, при котором направление собственной оси ротора совпало бы с направлением оси, вокруг которой экспериментатор пытается повернуть корпус на себя или от себя. Такой гироскоп (рис. 9) называется моментным электрогироскопом и используется, как будет показано в дальнейшем, для поворота корпуса искусственного спутника Земли вокруг своих строительных осей.
Рис. 9. Схема силового моментного электрогироскопа:
Т — корпус аппарата; Эд — моментный электродвигатель; j — передаточное число редуктора; У — ускоритель; Д — датчик; К — корпус электрогироскопа: Г — гироскоп; Y — ось поворота гироскопа; X — ось вращения корпуса
Рис. 10. Схема шарового электродвигателя:
Ш — шаровой ротор; S — обмотка статора; G — внутреннее карданное кольцо; 1 — корпус; 2 — внешнее карданное кольцо
Таким образом, силовые процессы поворота зависят от начального пространственного расположения вращающегося ротора. Если ось вращения такого гироскопа направить в данном месте земного шара строго вдоль оси вращения Земли, то она все время будет сохранять свое направление. Если ось фигуры гироскопа случайно не направлена вдоль оси вращения земного шара, то силы, возникающие вследствие вращения Земли, будут ориентировать гироскоп так, чтобы направление оси вращения совпало бы с направлением оси вращения Земли. А это значит, что такой гироскоп будет принимать участие во вращении Земли в системе «неподвижных звезд» и тем самым указывать на вращение Земли вокруг своей оси.
Электромеханические гироскопы в форме шарового электродвигателя (рис. 10) широко применяются на морских судах в качестве измерительных приборов для регистрации бортовой и килевой качки корабля. Ротор такого электродвигателя представляет собой металлический шар с большой инерциальной массой, статор — кольцо, опоясывающее шар, с двух- или трехфазной обмоткой в электрической машине переменного тока. Ротор-шар вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости кольца (без подшипников), будучи подвешен на струе газа или с помощью электрического или магнитного подвеса. Работа подвеса обеспечивается системой автоматического регулирования зазора между ротором, статором и подставкой. Предварительно электрически разогнав шар относительно оси, проходящей через определенную звезду, можно получить Направленный волчок, сохраняющий направление в соответствии с законом сохранения кинетического момента ротора шарового электродвигателя. Соответствующая электромагнитная или оптическая система в виде датчиков, расположенных «а шаре, определяет направление и отклонения оси вращения шара относительно статора электродвигателя, жестко закрепленного в корпусе корабля. Такое электромеханическое устройство называется шаровым гироскопическим датчиком.
Гироскопы как измерительные чувствительные элементы в системах автоматического управления могут быть не только электромеханическими, но и вибрационными, жидкостными, ядерно-корпускулярными, лазерными. Все они основаны на принципе сохранения микромоментов количества движения относительно «неподвижных» звезд.
Электромеханический датчик угловых скоростей. Датчик угловой скорости предназначен для измерения угловой скорости объекта по осям крена, тангажа и рыскания и соответствующей выдачи сигналов, пропорциональных измеренной угловой скорости, в блок управления. В качестве таких датчиков используется электродвигатель-гироскоп с двумя степенями свободы и усилителем обратной связи. Принцип действия их основан на свойствах двухстепенного гироскопа.
На рис. 11 дана принципиальная схема двухстепенного электромеханического гироскопа. Электродвигатель-гироскоп укреплен в рамке, способной качаться вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора гироскопа (ось OY). Ось качания рамки расположена в подшипниках, неподвижно закрепленных в корпусе космического аппарата. Если корпус космического аппарата, а с ним и весь гироскоп вращать относительно оси ОХ, то возникнет гироскопический момент, который начнет поворачивать рамку с ротором как целое вокруг этой оси OY, пытаясь совместить ось вращения ротора с осью ОХ. Конструктивно рамка может быть связана с корпусом аппарата с помощью гибкой пружины и демпфера или же с помощью мини-электрической машины со свойствами «пружины и демпфера». В соответствии с законами механики рамка должна повернуться на небольшой угол, пропорциональный угловой скорости корпуса космического аппарата относительно этой оси.
Рис. 11. Схема двухстепенного гироскопа — датчика угловых скоростей: