книги / Физические основы получения информации

1.8. Анемотахометр

Первыми указателями скорости, применявшимися на са­ молетах, были анемотахометры - приборы, использующиеся те­ перь для определения скорости ветра.

Анемотахометр представ­ ляет собой крестовину, на кон­ цах которой укреплены полу­ сферы 7, 2, 2, 4, обращенные выпуклостью навстречу относи­ тельному движению (как пока­ зано на рис. 1.11).

Крестовина, имеющая степень свободы вращательного движения, помещенная в поток воздуха, вращается, так как со­ противление вогнутой поверх­

ности полусферы больше сопротивления выпуклой поверхно­ сти. Аэродинамические силы, развиваемые полусферами, опре­ деляются следующими выражениями:

р - Г - г s р ((0г)2

где С/ - аэродинамический коэффициент; S - площадь чашечки. В статическом режиме работы анемотахометра

F . - F ^ F . + F,

или

С3 (К - cor)2 - С, (V + сог)2 - 2С2 (tor)2

21

Отсюда

C3(V2 - 2 V(or + (о2r 2) - C ,( F 2 + 2Va>r + ю2г 2) = 2C2(cor)2 •

(С, - С,) V2 - 2(С, + C,) cor V + (C3 - C, - 2C2 )(<or)2 = 0

Угловая скорость вращения крестовины является функци­ ей скорости потока и замеряется при помощи центробежного тахометра.

Показания анемотахометра практически не зависят от плотности воздуха, т.е. прибор показывает истинную воздуш­ ную скорость.

1.9.Л аг

Вдревности для измерения скорости корабля использова­ ли следующий прием. Матрос бросал с корабля в море попла­ вок (лаг), привязанный к специальной веревке с узелками, рас­ положенными на расстоянии около 15,4 м друг от друга {лаг­ линь). На лаглине на одинаковом расстоянии друг от друга бы­ ли завязаны узелки. Лаг оставался на поверхности воды, а лаг­ линь сматывался с катушки. Матрос переворачивал песочные часы и считал узелки, убегающие на лаглине за корму, пока пе­ сок пересыпался в песочных часах.

Так как расстояние между узелками равнялось 1/120 мор­ ской мили (морская миля - 1852 м), а время, отсчитываемое пе­ сочными часами, - 1/120 ч (полминуты), то можно было, не про­ изводя расчетов, сразу сказать, какова скорость корабля: сколь­ ко сбежало узелков с катушки с лаглинем, столько миль прохо­ дит корабль за 1 час.

Так у моряков появилась единица измерения скорости движения - узел. Один узел - скорость, соответствующая одной миле в час.

Сейчас на кораблях по-другому измеряют скорость дви­ жения, но по морской традиции единица измерения скорости осталась прежней - узел.

22

2. ГИ РО СКО П И ЧЕСКИ Е П РИ БО РЫ

Гироскоп (от греч. giros круг, вращение + skopeo смот­

реть, наблюдать) в широком смысле слова всякое твердое тело, имеющее преимущественное вращение вокруг какой-либо оси и проявляющее связанные с этим специфические (гироскопиче­ ские) свойства.

Гироскоп является основным элементом гироскопических приборов и устройств, широко применяемых для контроля ори­ ентации подвижных объектов и стабилизации в пространстве их и различного рода устройств на них.

2.1. Основные свойства гироскопа в кардановом подвесе

Технический гироскоп представляет собой быстро вра­ щающийся ротор 1 (рис. 2.1), подвешенный в корпусе прибора с помощью двух рамок: внутренней 2 и внешней 3, соединенных между собой, с ротором гироско­ па и корпусом прибора посредст­ вом шариковых подшипников.

Такой подвес называется кардановым (по имени французского математика, изобретшего его). Этот подвес обеспечивает ротору, вместе с собственным вращением, три степени свободы. Поэтому гироскоп называется трехсте­ пенным.

Гироскоп проявляет дина­ мические свойства, отличающие его поведение от поведения невращающихся твердых тел: под

действием постоянного внешнего момента по какой-либо оси карданова подвеса ось собственного вращения ротора движется не равноускоренно, а равномерно, и не по оси приложения момента, а в перпендикулярном ей направлении.

23

Движение гироскопа под действием внешнего момента называется прецессией. Угловая скорость прецессии прямо пропорциональна величине внешнего момента М и обратно пропорциональна кинетическому моменту Н ротора, Н = J Q ( J - полярный момент инерции ротора, П - угловая скорость его собственного вращения), а направление таково, что вектор Н стремится совместиться с вектором М

Шпр=7 Г ’ H = j n ‘

Это выражение называется основным законом пре­ цессии.

Свойство прецессии используют для приведения главной оси гироскопа в требуемое положение, например к вертикали или к плоскости горизонта.

Если на гироскоп не действуют никакие внешние моменты, то такой гироскоп называется свободным. Свободный гироскоп сохраняет направление оси собственного вращения неподвижно в мировом пространстве (относительно неподвижных звезд).

Земная система координат вследствие суточного враще­ ния Земли отклоняется от оси вращения - главной оси гироско­ па, в результате чего возникает видимое вращение гироскопа в вертикальной плоскости и плоскости горизонта. Для компенса­ ции ухода, вызванного вращением Земли и перемещениями са­ молета, а также компенсации собственного ухода гироскопа, возникающего за счет неточности его балансировки и трения в подшипниках, используют корректирующие устройства. В сис­ темах коррекции большое распространение получили маятнико­ вые чувствительные элементы, а в качестве исполнительных ор­ ганов - электродвигатели.

2.2. Гироскопический момент

Свойства гироскопа объясняются гироскопическим эф­ фектом, заключающимся в том, что при изменении положения оси быстровращающегося твердого тела возникает кориолисово

24

ускорение, вследствие чего появляется гироскопический момент реакции.

На рис. 2.2 воспроизведена экваториальная плоскость ротора (перпендикулярная его оси), проходящая через центр опоры.

Пусть одновременно с собственным вращением со скоро­ стью Q вокруг оси х гироскоп находится в условиях вынужден­ ного поворота (вращения) вокруг оси г со скоростью со.

Рассмотрим, с какими линейными ускорениями движутся материальные частицы ротора при постоянных по величине уг­ ловых скоростях Q и со. При вращении ротора материальные частицы движутся с линейными скоростями: переносной скоро­ стью Vt0 и относительной скоростью VQ .

Величина скорости (рис. 2.2, а) определяется расстоя­

нием от рассматриваемой точки ротора до оси вращения z: Vш= со р sin ср,

где р - радиус-вектор /-й частицы ротора с началом в центре О ротора; ф - полярный угол вектора р , отсчитываемый от оси г, Ф = Q Л

Рис. 2.2. Угловые скорости и линейные ускорения материальных точек ротора

25

Линейные ускорения

У, = ~ У а =+copcos<pQ at

в 1-м и 2-м (верхних) квадрантах направлены в положительном направлении оси х, а в 3-м и 4-м - в отрицательном направ­ лении.

Составляющая линейной скорости Vn на ось у:

Vn - VQ cos ф = fip cos ф

(рис. 2.2, б), при вращении со скоростью со изменяет свое на­ правление.

Поворотные ускорения

У2 = Т0>,со = cos Ф®

материальных частичек разных квадрантов ротора совпадают не только по величине, но и по направлению с переносным ускоре­ нием у ,.

Таким образом, в результате одновременного вращения ротора с угловыми скоростями Q - собственного вращения, и со - вынужденного поворота, материальные частицы его дви­ жутся с линейными ускорениями

У = |у,| + |у2| = 2Г2сорсо$ф = 2£2сог,

называемыми кориолисовыми ускорениями.

Движение материальных частиц с ускорениями вызывает силы инерции / (рис. 2.3), направленные противоположно на­ правлению этих ускорений, а последние образуют момент инер­ ционных сил, называемый гироскопическим моментом.

Элементарная сила инерции й материальной частицы массой т

f ——т у = —т • 2 Q со z.

Момент элементарной силы/ относительно осИ У

ДМ,. = / z = - т • 2 Q со z2

26

тальный полет, осуществлять правильный подъем или снижение самолета.

Для решения этого вопроса используют гироскоп с тремя степенями свободы, установленный так, чтобы его главная ось была вертикальна (рис. 2.4). В полете, глядя на прибор, пилот как бы видит свой самолет со стороны.

Рис. 2.4. Принципиальная схема авиагоризонта (ЖМП - жидкостный маятниковый переключатель; КД - коррекционный двигатель)

На лицевой части корпуса прибора имеется черта 1, изо­ бражающая линию горизонта, а с гирокамерой прибора механи­ чески связан силуэт самолета 2.

Положение силуэта самолета относительно горизонталь­ ной линии соответствует действительному положению самолета относительно плоскости горизонта. Так, если самолет осуществ­ ляет подъем, то линия горизонта, связанная с корпусом, опуска­ ется относительно силуэта самолета. При снижении самолета (пикировании) силуэт его оказывается снизу линии горизонта. Так по относительному положению силуэта самолета и линии горизонта определяется угол тангажа. При крене самолета вме­ сте с его корпусом поворачивается и наружная рамка гироскопа 3, внутренняя рамка (гирокамера) 4 постоянно сохраняет поло­ жение, при котором ось вращения ротора гироскопа вертикаль­ на. Поворот наружной рамки относительно гирокамеры приво­ дит к вращению зубчатого колеса 5 вокруг неподвижного коле­ са б. При обкатывании колеса 5 поворачивается и связанный с ним силуэт самолета. Благодаря применению зубчатой передачи

28

силуэт самолета поворачивается в ту же сторону, в которую на­ креняется сам самолет.

Ось вращения свободного гироскопа не может быть дли­ тельное время направлена по вертикали к земной поверхности (главная ось гироскопа сохраняет неизменную ориентацию от­ носительно звезд). Вращение земного шара, а также перемеще­ ние самолета приводят к тому, что ось вращения ротора пере­ стает быть вертикальной. Отклонение главной оси гироскопа от вертикали вызывается также его неуравновешенностью и мо­ ментами сил трения в подшипниках прибора. Поэтому положе­ ние гироскопа нуждается в постоянном исправлении - коррек­ ции. Для этого используют маятниковые устройства, хорошо «чувствующие» вертикаль, и электродвигатели (датчики момен­ та), вырабатывающие корректирующие моменты, под действием которых гироскоп прецессирует к вертикали места.

Схемы современных авиагоризонтов различны по конст­ руктивному исполнению, но все они содержат гироскоп, снаб­ женный маятниковой горизонтальной системой коррекции.

В системах автоматического управления самолетом углы крена и тангажа измеряются не визуально, а преобразуются в электрические сигналы. С этой целью по осям карданова подве­ са гироскопа устанавливают электрические датчики углов. В этом случае прибор обычно называют не авиагоризонтом, а гировертикалью.

2.4. Гироскопы направления (гирополукомпасы)

Курсовые приборы предназначены для измерения курса самолета. Существует несколько разновидностей датчиков кур­ са: магнитный компас, радиокомпас, гироскопический полукомпас и др. Но нет еще такого, который бы полностью удовлетво­ рял требованиям самолетовождения в любых условиях. Поэтому на самолетах устанавливают несколько курсовых приборов с различными принципами работы, каждый из которых использу­ ется в наиболее подходящих для него условиях.

В настоящее время различные курсовые приборы стали объединять в комплексы, называемые курсовыми системами, в которых работа отдельных приборов взаимно связана, что по­ зволяет использовать положительные качества каждого из них.

29

Если оси вращения ротора ГПК задать какое-то направле­ ние, например на аэродром посадки, то при сохранении ориен­ тации в течение всего полета прибор будет в состоянии показы­ вать отклонение самолета от курса, измеряемого по шкале 3. Та­ ким образом, ГПК как бы запоминает опорное направление по­ лета, поскольку направление нуля отсчета курса ГПК сохраня­ ется неизменным.

Однако у свободного гироскопа вследствие суточного вращения Земли и перемещения самолета вокруг центра Земли возникает видимое вращение главной оси гироскопа, т.е. уход ее по отношению к земным ориентирам.

Этот уход имеет место как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной, т.е., например, относительно направления на аэродром посадки. Для постоянного приведения главной оси ГПК к горизонтальному положению используют, как и в авиа­ горизонтах, маятниковую систему коррекции: маятниковое уст­ ройство 5 и коррекционный двигатель 6.

Для компенсации видимого ухода гироскопа относительно оси подвеса наружной рамки, вызванного тем, что Земля вокруг этой оси вращается, а свободный гироскоп неподвижен, приме­ няют так называемую азимутальную систему коррекции. Для

30