Применение свободного гироскопа в курсовых системах

Курсовые системы предназначаются для определения курса ЛА. Если главную ось свободного гироскопа установить горизонтально в плоскости меридиана или под некоторым известным углом по отноше­нию к этой плоскости, то можно считать, что угол между главной осью гироскопа и плоскостью меридиана в течение некоторого време­ни остается постоянным. Это дает возможность использовать свобод­ный гироскоп в курсовых системах как начало отсчета при измерении курса.

Гироскоп, входящий в курсовую систему, называют курсовым ги­роскопом. С помощью свободного курсового гироскопа можно опреде­лить только изменение курса, но не абсо­лютное его значение. Поэтому свободный кур­совой гироскоп называют также гирополуком-пасом.

Ось внешней рамки подвеса курсового гироскопа при горизонтальном полете ЛА располагается вертикально (рис. 2.10).

 

 

Рис. 2.10. Установка курсового гироскопа на ЛА

 

Девиации курсового гироскопа возника­ют по тем же причинам, что и девиации гировертикали.

Девиация курсового гироскопа, вызван­ная вращением Земли. Пусть гироскоп уста­новлен на неподвижном относительно Земли основании. Закрепленная точка гироскопа находится в точке 0 (рис. 2.II). Широта места точки 0 равна , а главная ось гироскопа в начальный мо­мент расположена горизонтально и образует с касательной С-Ю к ли­нии меридиана угол .

 

 

Рис. 2.11. Девиация курсо­вого гироскопа, вызванная вращением Земли

 

 

Возьмем систему отсчета . Ось этой системы сов­местим с начальным направлением оси гироскопа. Ось направим вертикально вверх, а ось - горизонтально, так чтобы образо­валась правая система отсчета.

Система отсчета вращается вместе с Землей со ско­ростью , равной угловой скорости Земли. Как видно из рис. 2.11, проекциями вектора угловой скорости на оси и в данном случае будут

, .

Подставим эти значения в уравнения (1.15) относительного движения гироскопа. Для свободного гироскопа при отсутствии трения в подвесе, которым можно пренебречь, . Учитывая это, найдем

(2.12)

Интегрируя уравнения (2.12) по времени при нулевых начальных условиях, т.е. при получим

(2.13)

Уравнения (2.12) и (2.13) определяют девиацию курсового гиро­скопа вследствие вращения Земли за небольшой промежуток време­ни t, в пределах малых значений углов . Угол и его производная характеризуют девиацию курсового гироскопа в го­ризонтальной плоскости (рис. 2.12); угол и его производ­ная определяют отклонение главной оси гироскопа от плоскости горизонта.

Интенсивность девиации курсового гироскопа и ее направление зависят от широты места точки 0. Так, для северного полушария широта положительная. Поэтому в северном полушарии угловая скорость , и девиация гироскопа в горизонтальной плоскости будет происходить по ходу часовой стрелки в направлении, противо­положном показанному на рис. 2.12. При этом на полюсе, где девиа­ция будет наиболее интенсивной, угловая скорость , т.е. равна по модулю угловой скорости вращения Земли (15’/ мин). На экваторе . При переходе в южное полушарие видимое на­правление девиации в горизонтальной плоскости изменяется на проти­воположное.

Изменение угла , определяющего отклонения главной оси гироскопа от плоскости горизонта, также зависит от угла x, т.е. от начальной ориентации оси гироскопа относительно меридиана.

Скоростная девиация. Спроектируем на оси (рис. 2.13) составляющие и угловой скорости [см. формулы (2.4) -(2.5)] вращения трехгранника , возникающей при движении точки 0 по поверхности Земли. После небольших преобразований по­лучим

(2.14)

Подставим в уравнения (1.15). При найдем

(2.15)

Рис. 2.12. Девиация курсо­вого гироскопа Рис. 2.13. Скоростная девиация курсового

гироскопа

Уравнения (2.15) определяют скоростную девиацию курсового гироскопа.

Вследствие скоростной девиации ось курсового гироскопа откло­няется от горизонтального положения с угловой скоростью р и изменяет свое направление относительно меридиана с угловой скоростью .

Девиации, вызванные дебалансом гироскопа. Проекции момента силы тяжести на оси х и у определяются равенствами (2.9).

В курсовом гироскопе ось z, направленная по главной оси гироско­па, располагается приблизительно горизонтально. Поэтому в данном случае проекция ускорения силы тяжести на ось z близка ну­лю: .

Положение осей x и у в плоскости, перпендикулярной главной оси гироскопа, может быть произвольным. Направим одну из осей, на­пример ось у, вертикально вверх. Будем иметь , . Следовательно, , .

Чтобы определить девиацию курсового гироскопа, вызванную его дебалансом, подставим значения , в уравне­ния (1.15), положив в них . Получим

Знак угловой скорости зависит от знака плеча дебаланса .

На рис. 2.14 показано направление , соответствующее поло­жительному значению . Как видим, вследствие дебаланса курсово­го гироскопа его главная ось, вращаясь вокруг вертикальной оси у, будет отклоняться от начального положения в горизонтальной плос­кости.

Is

Рис. 2.14. Прецессия курсового гироскопа, вызванная дебалансом

 

На девиацию курсового гироскопа также влияет трение в опорах подвеса гироскопа. Характер девиации курсового гироскопа, вызван­ной трением, аналогичен характеру девиации гировертикали.

СВОБОДНЫ ГИРОСКОП С КОРРЕКЦИЕЙ

3.1. Назначение и принцип работы системы коррекции гироскопа

При использовании свободного гироскопа в целях ориентировки на Земле главная ось гироскопа должна устанавливаться в определен­ное положение относительно Земли. Ручная коррекция положения гиро­скопа неудобна, а на беспилотных ЛА вообще невозможна.

Принцип автоматической коррекции состоит в том, что при от­клонении оси гироскопа от требуемого положения создается корректи­рующий момент, воздействующий на гироскоп и возвращающий его ось в требуемое положение. Устройства, воспринимающие отклонение оси гироскопа от требуемого положения, называют датчиками сигнала кор­рекции. Устройства, создающие корректирующие моменты, называют моторами коррекции.

Рис. 3.1. Схема автоматичес­кой коррекции гироскопа

 

В гироскопе, подвешенном в кардановом подвесе, датчики сигна­ла коррекции часто связывают с осями подвеса гироскопа, относительно этих же осей с помощью мото­ров коррекции создаются корректиру­ющие моменты.

На рис. 3.1 показана принципи­альная схема системы автоматической коррекции гироскопа, подвешенного в кардановом подвесе. В требуемое по­ложение ось гироскопа устанавлива­ется соответствующим поворотом рам подвеса. Датчик сигнала коррекции связан с осью внешней рамки подвеса гироскопа и управляет мото­ром коррекции , создающим момент относительно оси внутренней рамки подвеса гироскопа. При отклонении внешней рамки подвеса от требуемого положения создается корректирующий момент относительно оси внутренней рамки. Под действием этого момента гироскоп начи­нает прецессировать. При этом в соответствии с правилом прецессии главная ось гироскопа будет вращаться вокруг оси внешней рамки, увлекая за собой эту рамку. Прецессия прекратится, когда внешняя рамка возвратится в требуемое положение.

Рис. 3.1 Схема автоматической коррекции гироскопа

 

Аналогично с помощью датчика сигнала коррекции и мотора коррекции корректируется положение главной оси гироскопа от­носительно оси внутренней рамки подвеса (рис. 3.1).

В курсовых системах в качестве чувствительного элемента ис­пользуется магнитная стрелка, которая автоматически устанавливает­ся в плоскости магнитного меридиана Земли. Система коррекции, ис­пользующая магнитное поле Земли, называется магнитной коррекцией. Курсовая система с магнитной системой коррекции называется гиро­магнитным компасом.