5. ТРЕХОСНЫЕ, ИЛИ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ, ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Трехосные гиростабилизаторы служат для угловой стабилизации различных устройств в пространстве. Трехосные гиростабилизаторы строятся с использованием принципа силовой гироскопической

стабилизации и индикаторно-силовой (индикаторной) стабилизации.

Трехосные гиростабилизаторы применяют в качестве центральных чувствительных устройств автопилотов курса, крена и тангажа летательного аппарата, в системах инерциальной навигации и для стабилизации антенн головок самонаведения.

Рис. VIII. 12. Кинематическая схема датчика углов курса, крена и тангажа автопилота: 1 — гироскоп; 2 — индуктивный датчик; 3 — платформа; 4 — преобразователь координат; 5 — гироскоп; 6 — индуктивный датчик; 7,8 — корректирующие моментньш датчики; 9 — редуктор; 10 — разгрузочный двигатель; II — виражный механизм; 12 — виражный маятник; 13 — редуктор; 14 — разгрузочный двигатель; 15 — гироскоп; 16 — разгрузочный двигатель; 17 — редуктор; 18 — сельсин-датчик; 19 — индуктивный датчик; 20, 21 — жидкостные переключатели; 22 — сельсин-датчик; 23 — корректирующий моментный датчик; 24 — сельсин-датчик

Пространственный гиростабилизатор по сравнению с двухосным гиростабилизатором отличается тем, что его платформа имеет полную свободу вращения (три степени свободы) относительно корпуса прибора. Углы поворота платформы вокруг осей внутренней и наружной рамок карданова подвеса не ограничены, угол же поворота платформы вокруг средней оси в силу тех же факторов, которые имеют место и в двухосном гиростабилизаторе, обычно не превышает 45°-60°.

Силовой гиростабилизатор. Схема силового пространственного гироскопического стабилизатора, являющегося центральным

датчиком курса и вертикали автопилота, показана на рис. VIII.12. Основной частью прибора является платформа 3, установленная в кардановом подвесе, с гироскопами, корректирующими устройствами и датчиками углов. Платформа 3 служит основанием для трех гироскопов 1, 5, 15, имеющих относительно платформы две степени свободы. На прецессионных осях каждого из гироскопов установлены корректирующие моментные датчики 7, 8, 23 и индуктивные датчики 2,6 и 19 углов поворота гироскопов относительно платформы. На платформе также установлены жидкостные маятниковые переключатели 20 и 21, корректирующие положение платформы по отношению к плоскости горизонта.

Рис. VIII. 13. Принципиальная схема трехосного гиростабилизатора

Гироскопический стабилизатор, показанный на рис. VIII. 12 позволяет с помощью датчиков 18, 22 и 24 определить углы курса, крена и тангажа самолета без карданной погрешности.

Для составления уравнений движения гиростабилизатора (некорректируемого маятником-корректором) воспользуемся рис. VIII. 13, где показаны соответствующие оси координат, определяющие положение платформы гиростабилизатора и самолета в пространстве. Начало О связанной системы координат поместим в центре тяжести

При этом будем считать, что абсолютная угловая скорость поворота трехгранника ххухгг в пространстве равна у и направлена по оси

Для определения положения элементов гиростабилизатора введем следующие системы координат:

1. Систему координат связанную с наружной рамой карданова подвеса, ориентированную таким образом, что направление оси совпадает с направлением оси наружной рамки карданова подвеса, оси с осью внутренней рамки, ось перпендикулярна первым двум и образует с ними правый трехгранник.

2. Системы координат связанные с внутренней рамкой карданова подвеса и платформой, в начальном положении совпадающие с осями .

Положение платформы относительно корпуса ЛА определяем углами ее поворота относительно осей угун и соответственно.

На платформе гиростабилизатора (рис. VIII. 13) установлено три гироскопа с двумя степенями свободы с кинетическими моментами Ни стабилизирующими платформу относительно осей

Углы поворота гироскопов с кинетическими моментами вокруг осей прецессии обозначим через .

Моменты инерции рамки карданова подвеса стабилизатора относительно осей обозначим через моменты инерции внутренней рамки карданова подвеса относительно осей через а моменты инерции платформы относительно осей через соответственно. Моменты инерции гироскопов относительно осей прецессии обозначим через Проекции абсолютной угловой скорости поворота платформы на оси обозначим через

Полагаем, что моменты внешних сил, действующие вокруг осей карданова подвеса, имеют следующие значения:

где — удельные моменты демпфирования, действующие вокруг осей карданова подвеса гиростабилизатора;

— моменты инерции ротора разгрузочного электродвигателя, определяемые относительно осей карданова подвеса гиростабилизатора (для абсолютного поворота платформы);

— моменты инерции ротора разгрузочного электродвигателя, определяемые относительно осей карданова подвеса (для переносного поворота основания);

— инерционные моменты, возникающие в результате несбалансированности платформы.

Сигналы снимаемые с датчиков углов прецессии гироскопов после прохождения координатного преобразователя поступают на разгрузочные электродвигатели осей стабилизации.

Уравнения моментов, действующих относительно осей стабилизации, будут

Уравнения моментов, действующих относительно осей прецессии, будут иметь вид:

где — управляющие моменты.

Дифференциальные уравнения (VIII.52) и (VIII.53) представляют собой замкнутую систему, описывающую в первом приближении движение гиростабилизатора, установленного на летательном аппарате.

Свободное движение гиростабилизатора без разгрузочного устройства при условии, что определяется дифференциальными уравнениями

где

— составляющие абсолютной угловой скорости поворота платформы гиростабилизатора вокруг оси наружной рамки карданова подвеса, внутренней оси и оси вращения платформы.

Частота нутационных колебаний платформы относительно осей его кардана

В связи с тем, что отдельные каналы двухосных и трехосных гиростабилизаторов в первом приближении могут быть представлены как изолированные друг от друга одноосные гиростабилизаторы, многие причины возникновения возмущающих моментов, порождающих погрешности у отдельно взятого одноосного гиростабилизатора, остаются теми же для двухосных и трехосных гиростабилизаторов.

В частности, учет угловой жесткости гироскопов путем введения приведенных моментов инерции, выбор корректирующих звеньев для обеспечения устойчивости системы, определение составляющих собственной скорости прецессии Для каждого отдельного канала трехосного

Рис. VIII. 14. Схема индикаторного силового гиростабилизатора

гиростабилизатора выполняются так же, как и для одноосного стабилизатора.

Динамические составляющие собственной скорости прецессии трехосного гиростабилизатора значительно меньше, чем у одноосного или двухосного, так как переносная угловая скорость вокруг ротора любого гироскопа мала вследствие стабилизации платформы в инерциальном пространстве по всем трем координатам. Для определения динамической погрешности могут быть использованы соотношения (VIII.45), (VIII.46).

Рис. VIII. 15. Разрез поплавкового интегрирующего гироскопа: 1 — штепсельный разъем; 2, 6 и 10 — детали корпуса; 3 и 8 — отверстия для регулировки положения статоров датчиков сигнала и момента; 4 — экран, 5 и 7 — фланцы для крепления датчиков; 11 — крышка; 12 — ленточный токоподвод; 13 — шайба с токоподводами; 14 — мембранная коробка; 15 — винты, 16 — статор датчика момента; 17 — поплавок; 18 — рамка гиромотора; 19 — статор датчика сигналов, 20 — гиромотор, 21 — ось поплавка и камень; 22 — устройство для балансировки поплавка

Важным видом возмущений, действующих на платформу гиростабилизатора и порождающих динамические его погрешности, являются моменты внешних сил, возникающие при угловых колебаниях ЛА [8].

Индикаторно-силовой стабилизатор. На рис. VIII. 14 показан индикаторно-силовой гироскопический стабилизатор, иногда называемый просто индикаторным гиростабилизатором.

В индикаторно-силовом гиростабилизаторе в качестве чувствительных элементов, определяющих положение его платформы в пространстве, применяют интегрирующие гироскопы или

астатические гироскопы — измерители угла поворота платформы, демпфирующие гироскопы — измерители угловой скорости поворота платформы.

Рассмотрим особенности формирования схемы пространственного гироскопического стабилизатора с поплавковыми гироскопами (рис. VIII.15). Внешне схема такого пространственного гиростабилизатора почти не отличается от схемы силового пространственного гироскопического стабилизатора, приведенной на рис. VII 1.13.

Основное отличие схем рис. VIII. 12 и VIII.13 от схемы рис. VIII. 14 заключается в том, что поплавок интегрирующего гироскопа взвешен на платформе с помощью вязкой жидкости, заполняющей зазор между поплавком и корпусом гироскопа.

Термин «индикаторный гиростабилизатор» здесь применяется в связи с тем, что поплавковые гироскопические датчики работают в так называемом индикаторном режиме, т. е. лишь измеряют углы поворота платформы гиростабилизатора в пространстве, и гироскопические моменты, развиваемые поплавковыми гироскопами, практически не участвуют в процессе подавления моментов внешних сил, действующих на платформу гиростабилизатора.

Дифференциальные уравнения движения пространственного гироскопического стабилизатора с поплавковыми гироскопами имеют вид

где

— величина тока в управляющих обмотках разгрузочных электродвигателей;

— крутизна соответствующих характеристик электродвигателей.

Ток, протекающий в управляющей обмотке электродвигателя, поступает с выходного каскада усилителя. Дифференциальные уравнения,

определяющие изменение тока на выходе усилителя, принимаем в виде:

где постоянные времени соответствующих усилителей. Формирование сигналов соответствует выражениям:

где или — передаточная функция в контуре разгрузки канала .

Для простейшей пропорциональной характеристики разгрузочного устройства при отсутствии коррекции:

движение интегрирующих гироскопов описывается уравнениями:

где — удельные демпфирующие моменты.

Без коррекции свободное движение гиростабилизатора при условии, что и угол относительно мал, определяется тремя независимыми дифференциальными уравнениями

где

— передаточное Шсло (передаточный коэффициент) интегрирующего гироскопа.

Статические погрешности стабилизации платформы определяются соотношениями:

Динамические погрешности пространственного гироскопического стабилизатора с поплавковыми гироскопами определяются аналогично погрешностям силового гироскопического стабилизатора.