陀螺儀與航天飛船

1、+ 1850年法國(guó)的物理學(xué)家萊昂傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子（rotor），由于慣性作用它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，他用希臘字 gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為gyro scopei 一字來(lái)命名這種儀表。陀螺儀被廣泛用于航空、航天和航海領(lǐng)域。+ +定軸陀螺儀當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以極高速度旋 轉(zhuǎn)時(shí)，就產(chǎn)生了慣性，這 慣性使得陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸保持在空間，指向一個(gè)固定的方向，同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量，這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或慣性。 其慣性隨以下的物理量而改變：轉(zhuǎn)子質(zhì)量愈大，慣性愈大 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)半徑愈大，慣性愈大 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度愈大，慣性愈大。

2、+三軸陀螺儀：同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。 單軸的只能測(cè)量一個(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀，而3軸的一個(gè)就能替代三個(gè)單軸的。3軸的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，是激光陀螺的發(fā)展趨勢(shì)。 航空陀螺儀航空陀螺儀+航空陀螺儀表中的陀螺儀+是把繞自轉(zhuǎn)軸(又叫轉(zhuǎn)子軸)+高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子用框架支撐起來(lái)使轉(zhuǎn)子繞垂直于自轉(zhuǎn)軸方向可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的這樣一種裝置。+具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性+如圖（三自由度軸陀螺儀） 單自由度陀螺儀與二自由度相比轉(zhuǎn)子軸沿著 x 方向向?qū)?少轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。缺乏穩(wěn)定性。 當(dāng)基座沿著 x 方向旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子軸被迫一起繞 x 旋轉(zhuǎn)。 +二自由度陀螺儀：轉(zhuǎn)子僅安裝于內(nèi)環(huán)中這樣支承

3、起來(lái)的轉(zhuǎn)子只能繞著垂直于自轉(zhuǎn)軸的一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)。+定軸性定軸性+進(jìn)動(dòng)性進(jìn)動(dòng)性+利用這兩個(gè)特性我們可以靠陀螺儀來(lái)達(dá)到定向、測(cè)量角速度等目的+當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí),若外力矩繞外環(huán)軸作用,陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；若外力矩繞內(nèi)環(huán)軸作用,陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直的特性,叫做陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性。+進(jìn)動(dòng)角速度 的方向取決于轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩H的方向(與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向,可用右手定則確定。進(jìn)動(dòng)角速度 的大小取決于轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩H的大小和外力矩M的大小,其計(jì)算式為 =M/H。如果這種進(jìn)動(dòng)由陀螺儀中的干擾力矩引起,則叫做漂移,漂移角速度即漂移率是衡量各種陀螺儀表精度的

4、最重要的指標(biāo)。+ 正是因?yàn)橥勇輧x具有上述特性,可以做成測(cè)量飛行器(飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等)角位置和角速度的儀表,還可做成測(cè)量飛行器線加速度和角加速度的儀表。在航空上,陀螺儀表的基本用途是測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角、航向角和角速度,因而成為飛機(jī)飛行的重要儀表。 一、陀螺轉(zhuǎn)彎儀陀螺轉(zhuǎn)彎儀 二、飛機(jī)姿態(tài)和航向的綜合測(cè)量與綜合二、飛機(jī)姿態(tài)和航向的綜合測(cè)量與綜合 顯示顯示 三、陀螺半羅盤三、陀螺半羅盤+在太空中，因?yàn)闆](méi)有什么明顯的參照物，在調(diào)整姿態(tài)時(shí)無(wú)法憑自身的感覺(jué)來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)的角度大小，這是就要靠陀螺儀計(jì)算角速度來(lái)得出旋轉(zhuǎn)的角度+ 陀螺轉(zhuǎn)彎儀是利用二自由度陀螺儀的特性做成的陀螺儀表，用來(lái)測(cè)量飛船的轉(zhuǎn)彎角速度。飛船的轉(zhuǎn)

5、彎就是改變航向,正確的轉(zhuǎn)彎需要一定的傾斜來(lái)協(xié)調(diào)進(jìn)行,而轉(zhuǎn)彎的快慢則用來(lái)轉(zhuǎn)彎角速度來(lái)表示。飛行員除了借助陀螺地平儀和陀螺半羅盤了解飛機(jī)的姿態(tài)和航向之外還需借助陀螺轉(zhuǎn)彎儀了解飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的方向和轉(zhuǎn)彎的快慢。太陽(yáng)系內(nèi)太陽(yáng)系內(nèi) 以已發(fā)現(xiàn)行星的軌道來(lái)定義太陽(yáng)系，則太陽(yáng)系的直徑為120億公里，若從太陽(yáng)系的一端到另一端，若我們將精度要求在3.6萬(wàn)公里內(nèi)(地球同步軌道)，則陀螺儀的精度要求為 =3.64/1.2*1010=3*10-6 rad 很輕松嘛，用超導(dǎo)陀螺儀完全就能達(dá)到了 能不能給力點(diǎn)？銀河系內(nèi)銀河系內(nèi)銀河系的直徑為十萬(wàn)光年，我們把誤差規(guī)定在一個(gè)太陽(yáng)系好了那么算出=1.2*10-8 rad照這樣看來(lái)，目前

6、陀螺儀的精度已經(jīng)能滿足我們太空航行所需的精度了+在航行中，沒(méi)有參照物，可能會(huì)出現(xiàn)誤差，而即使是十分微小的誤差，在宇宙這種大尺度的航行中，也會(huì)累積成極大的誤差，所以飛行過(guò)程中我們需要陀螺儀來(lái)保證飛船飛行的方向不變。+ 全姿態(tài)組合陀螺儀由垂直陀螺儀和航向陀螺儀組合而成。垂直陀螺儀安裝在傾斜隨動(dòng)環(huán)內(nèi),以便俯仰和傾斜的測(cè)量范圍均能達(dá)到360o。航向陀螺儀安裝在俯仰隨動(dòng)環(huán)和傾斜隨動(dòng)環(huán)內(nèi),以便消除飛機(jī)俯仰和傾斜所引起的航向測(cè)量誤差。這樣組合的儀表可同時(shí)精確測(cè)得飛船的姿態(tài)和航向。 陀螺半陀儀陀螺半陀儀+ 陀螺半羅盤是利用三自由度陀螺儀的方向穩(wěn)定性做成的陀螺儀表用來(lái)測(cè)量飛船的航向角。飛行員借此判明飛機(jī)的航向并

7、按一定的航向飛行,才能駕駛飛機(jī)沿著正確的航線飛到預(yù)定的目標(biāo)。+在太空中，在瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)后可以靠陀螺羅盤來(lái)確定自己的位置+在太空中，無(wú)法區(qū)分上下左右，也從地球上的二維運(yùn)動(dòng)變?yōu)槿S運(yùn)動(dòng)，所以原本常用的參考坐標(biāo)和方向都失去了作用，需要從新定義坐標(biāo)系+在太陽(yáng)系內(nèi)航行時(shí)，可以選擇太陽(yáng)系的黃道面作為基準(zhǔn)平面+以太陽(yáng)為原點(diǎn)選擇黃道面上遠(yuǎn)處的一顆恒星作為x軸正方向，垂直黃道面定義一個(gè)正方向，即可建立一個(gè)坐標(biāo)系+在銀河系內(nèi)航行時(shí)，太陽(yáng)系的坐標(biāo)就不適用了，但是我們可以定義一個(gè)以銀心為原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系+當(dāng)航行時(shí)，先根據(jù)定義好的坐標(biāo)系確定自身和目標(biāo)的位置，然后靠轉(zhuǎn)彎陀螺儀調(diào)整方向，再利用陀螺儀來(lái)保持飛行的方向，每隔一段

8、時(shí)間都需要根據(jù)基準(zhǔn)校準(zhǔn)陀螺儀+1、近三十年來(lái),在飛機(jī)姿態(tài)和航向的顯示方面也有許多改進(jìn),出現(xiàn)了諸如全姿態(tài)指示器。+2、對(duì)于現(xiàn)代高速飛機(jī)，飛行員必須及時(shí)觀察和分析各種飛行參數(shù)信息并在此基礎(chǔ)上迅速作出下一步如何操縱飛機(jī)的決策。于是出現(xiàn)了帶有指引顯示的指引地平儀和航道羅盤。+3、為了更加形象地綜合顯示各種飛行參數(shù)和指令信息出現(xiàn)了電子指引地平儀和電子航道羅盤等新型的電子綜合顯示儀表。1942年德國(guó)V2火箭Atlas導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航計(jì)算模型（MAC語(yǔ)言）舡魚(yú)號(hào)潛艇依靠慣性導(dǎo)航在北極冰下航行21天PEG4的導(dǎo)航系統(tǒng)問(wèn)世+我國(guó)在慣導(dǎo)研究方面起步相對(duì)較晚，西安618所馮培德是研制我國(guó)第一套采用液浮慣性器件航空慣

9、性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要負(fù)責(zé)人之一。+如今航天時(shí)代儀器公司的液浮陀螺平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力調(diào)諧陀螺四軸平臺(tái)系統(tǒng)已相繼應(yīng)用于長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭，其它各類小型化捷聯(lián)慣導(dǎo)、光纖陀螺慣導(dǎo)、激光陀螺慣導(dǎo)以及匹配GPS修正的慣導(dǎo)裝置等也已經(jīng)大量應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器、飛機(jī)、艦艇、運(yùn)載火箭、宇宙飛船等。優(yōu)點(diǎn)：(1) 隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；(2)可全天候全球、全時(shí)間地工作于空中地球表面乃至水下；(3)能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低；(4)數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：(1)由于導(dǎo)航信息經(jīng)過(guò)積分而產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間而增大，長(zhǎng)期精度差；(2)每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；(3)設(shè)備的價(jià)格較昂貴；(4)不能給出時(shí)間信息。3、儀器受損、音速墜落4、時(shí)常維護(hù)、防患未然+陀螺儀系統(tǒng)是火箭、飛船與探測(cè)器等慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，它就好比箭船的一雙“眼睛”，通過(guò)實(shí)時(shí)、快速、精確測(cè)量箭船飛行方向的偏差，調(diào)整控制系統(tǒng)，及時(shí)糾偏，確保箭船按預(yù)定軌道精確地飛行?？梢哉f(shuō)，陀螺儀系統(tǒng)這雙“太空明眸”是影響火箭能否將飛船精確送入預(yù)定軌道以及飛船與目標(biāo)飛行器能否實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接的關(guān)鍵所在。+經(jīng)過(guò)為期9年51658次地球軌道飛行，2000年6月4日，康卜吞伽瑪射