Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Тенденции развития современной гироскопии

Голосов: 1

Даются краткое описание существующих и разрабатываемых типов гироскопических чувствительных элементов и история их создания. Обсуждается применение гироскопов в различных областях техники. Анализируются тенденции развития современной гироскопии.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                    THE DEVELOPMENT               ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
                                TENDENCIES
                                OF MODERN                     СОВРЕМЕННОЙ ГИРОСКОПИИ
                                GYROSCOPY
                                                              ы. Й. еДкнхзЦздй
                                Yu. G. MARTYNENKO             еУТНУ‚ТНЛИ ˝МВ „ВЪЛ˜ВТНЛИ ЛМТЪЛЪЫЪ
                                                              (ЪВıМЛ˜ВТНЛИ ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ)
                                The short description of
                                existing and developing              ЗЗЦСЦзаЦ
                                types of gyro sensors and                Термин гироскоп, который можно перевести как
                                history of its evolution is                                               ´
                                                                     “наблюдатель вращений” (от греч. gyros – круг, gy-
                                given. The gyroscopes                rйu o – кружусь, вращаюсь и scopeo – смотрю, на-
                                                                     блюдаю), был предложен в 1852 году французским
                                applications in the diffe-           ученым Леоном Фуко для изобретенного им прибо-
                                rent fields of enginee-              ра, предназначенного для демонстрации вращения
                                ring are discussed. The              Земли вокруг своей оси. Фуко поместил вращаю-
                                                                     щийся маховик в некоторое устройство, называе-
                                modern gyroscopy deve-               мое кардановым подвесом1 (рис. 1), поэтому долгое
                                lopment tendencies are               время слово гироскоп использовалось для обозначе-
                                analyzed.                            ния быстро закрученного вращающегося симмет-
                                                                     ричного твердого тела.
                                                                         Согласно законам классической ньютоновской
                                С‡˛ЪТfl Н ‡ЪНУВ УФЛТ‡-                механики, скорость поворота оси гироскопа в про-
                                МЛВ ТЫ˘ВТЪ‚Ы˛˘Лı Л                   странстве обратно пропорциональна его собствен-
                                                                     ной угловой скорости и, следовательно, ось очень
                                 ‡Б ‡·‡Ъ˚‚‡ВП˚ı ЪЛФУ‚                быстро закрученного гироскопа поворачивается
                                „Л УТНУФЛ˜ВТНЛı ˜Ы‚ТЪ-               столь медленно, что на некотором интервале време-
                                ‚ЛЪВО¸М˚ı ˝ОВПВМЪУ‚ Л                ни ее можно использовать в качестве указателя неиз-
                                                                     менного направления в пространстве. И хотя опыт с
                                ЛТЪУ Лfl Лı ТУБ‰‡МЛfl.                 первым гироскопом Фуко оказался не совсем удач-
                                й·ТЫК‰‡ВЪТfl Ф ЛПВМВ-                 ным, морские и военные применения гироскопов
                                МЛВ „Л УТНУФУ‚ ‚ ‡Б-                 потребовали совершенствования гироскопических
                                                                     приборов быстро нарастающими темпами. Путь от
                                ОЛ˜М˚ı У·О‡ТЪflı ЪВıМЛ-               первой демонстрационной модели до практически
                                НЛ. ДМ‡ОЛБЛ Ы˛ЪТfl ЪВМ-               полезных приборов был длительным и сложным.
                                ‰ВМˆЛЛ ‡Б‚ЛЪЛfl ТУ‚ В-                На этом полуторавековом пути, полном напряжен-
                                                                     ного поиска, встречались и блестящие озарения, и
                                ПВММУИ „Л УТНУФЛЛ.                   глубокие заблуждения, присущие лишь великим от-
                                                                     крытиям. Однако без этих удивительных приборов
                                                                     не было бы возможным использование столь при-
                                                                     вычных для нас достижений современной цивили-
                                                                     зации типа полетов аэробусов или стартов космиче-
                                                                     ских кораблей.
                                                                         Развитие гироскопической техники привело к
                                                                     тому, что гироскопами стали называть очень ши-
                                                                     рокий класс приборов, и сейчас термин гироскоп
      © е‡ Ъ˚МВМНУ ы.Й., 1997




                                                                     используется для названия устройств, содержащих
                                                                     материальный объект, который совершает быст-
                                                                     рые периодические движения. В результате этих
                                                                     1
                                                                       Карданов подвес представляет собой систему твердых
                                                                     тел (рамок, колец), последовательно соединенных между
                                                                     собой цилиндрическими шарнирами. Обычно при отсут-
                                                                     ствии технологических погрешностей оси рамок карда-
                                                                     нова подвеса пересекаются в одной точке – центре подве-
                                                                     са. Гироскоп, у которого центр масс совпадает с центром
                                                                     подвеса, называется уравновешенным или свободным.



120                                                                     лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹11, 1997


                                  z                 конус вокруг вертикали; это движение называется
                                      β             регулярной прецессией тяжелого твердого тела.
                                                       Основной количественной характеристикой ро-
                                                    тора механического гироскопа является его вектор
                                                    собственного кинетического момента, называемого
                                                    также моментом количества движения или момен-
                                                    том импульса:
                                                                        H = C Ω.                    (1)
                                                    В этом уравнении C – момент инерции ротора гиро-
                                                    скопа относительно оси собственного вращения,
                                                    Ω – составляющая вектора абсолютной угловой
                                                    скорости ротора, направленная по оси собственно-
                                                    го вращения.
                                                        Медленное движение вектора собственного ки-
                                                    нетического момента гироскопа под действием мо-
                                                    ментов внешних сил называется прецессией гиро-
 x                                                  скопа и описывается векторным уравнением
                                               α                      w Ч H = M.                    (2)
                                                    Здесь w – вектор угловой скорости прецессии, H –
                                               y    вектор собственного кинетического момента гиро-
                                                    скопа, M – ортогональная к H составляющая векто-
                                                    ра момента внешних сил, приложенных к гироскопу.
                                                       Момент сил, приложенных со стороны ротора к
                                                    подшипникам оси собственного вращения ротора,
                                                    возникающий при изменении направления оси и
                                                    определяемый уравнением
                                                                   Mg = − M = H Ч w,                (3)
       Рис. 1. Гироскоп в кардановом подвесе
                                                    называется гироскопическим моментом.
                                                       Погрешность гироскопа измеряется скоростью
движений устройство становится чувствительным к
                                                    ухода его оси от первоначального положения. Со-
вращению в инерциальном пространстве. При та-
                                                    гласно уравнению (2), величина ухода, называемого
ком понимании слова гироскоп для него необяза-
                                                    также дрейфом, оказывается пропорциональной
тельно наличие симметричного массивного быстро
                                                    моменту сил М относительно центра подвеса гиро-
вращающегося ротора, подвешенного без трения
                                                    скопа:
таким образом, чтобы его центр масс совпадал с
центром подвеса.                                                              M
                                                                       ω yx = ---- .
                                                                                 -                  (4)
   Гироскопические приборы можно разделить на                                 H
измерительные и силовые. Силовые служат для со-     Уход ωyx обычно измеряется в угловых градусах в час
здания моментов сил, приложенных к основанию,       времени.
на котором установлен гироприбор, а измеритель-
                                                       Из формулы (4) вытекает, что свободный гиро-
ные предназначены для определения параметров
                                                    скоп функционирует идеально лишь в том случае,
движения основания (измеряемыми параметрами
                                                    если внешний момент M равен нулю. При этом ось
могут быть углы поворота основания, проекции
                                                    собственного вращения будет в точности совпадать
вектора угловой скорости и т.д.).
                                                    с требуемым направлением инерциального прост-
                                                    ранства – направлением на неподвижную звезду.
дгДллауЦлдаЦ Йакйлдйих                                 Как иногда говорят моряки, хороший гиро-
   Простейшим гироскопом, с необыкновенными         скоп – это “звезда в бутылке”. Не беда, что небо
свойствами которого мы знакомимся еще в детстве,    заволокло туманом или его скрывает многометро-
является волчок. Парадоксальность поведения         вая толща воды, гироскоп, раскрученный в начале
волчка заключается в его сопротивлении изменить     плавания, подобно путеводной звезде, будет ука-
направление оси вращения. При действии внешней      зывать верный курс.
силы ось волчка (гироскопа) начинает двигаться         На практике любые средства, используемые для
(прецессировать) в направлении, перпендикуляр-      подвеса ротора гироскопа, являются причиной воз-
ном вектору силы. Именно в силу этого свойства      никновения нежелательных внешних моментов не-
вращающийся волчок не падает, а его ось описывает   известной величины и направления. На первый


еДкнхзЦздй ы.Й. нЦзСЦзсаа кДбЗанаь лйЗкЦеЦззйв Йакйлдйиаа                                                 121


                                                                  удалось бы обнаружить вращение Луны, происхо-
                                                                  дящее в 28 раз медленнее вращения Земли.
                                                                      Лучшие современные гироскопы, о которых
                                                                  речь пойдет ниже, имеют случайный уход на уровне
                                                                  10− 4–10− 5 °/ч. Чтобы почувствовать эту цифру, ука-
                                                                  жем, что ракета, полетом которой будет управлять
                                                                  подобный гироскоп, пролетев несколько тысяч ки-
                                                                  лометров, отклонится от своей конечной цели всего
                                                                  на несколько метров. Ось гироскопа с погрешнос-
                                                                  тью 10− 5 °/ч совершает полный оборот на 360° за
                                                                  4 тыс. лет! Из разобранного выше примера следует,
                                                                  что точность балансировки гироскопа с погрешнос-
                                                                  тью 10− 5 °/ч должна быть лучше одной десятитысяч-
                                                                  ной доли микрона (10− 10 м), то есть смещение центра
         Рис. 2. “Звезда в бутылке” (рисунок И.В. Новожи-         масс ротора из центра подвеса не должно превышать
         лова)                                                    величину порядка диаметра атома водорода.
                                                                     Разумеется, во времена Фуко не существовало
      взгляд формула (4) тривиальна и определяет оче-             средств для раскрутки ротора гироскопа до скоро-
      видные пути повышения точности гироскопа: надо              стей порядка тысячи оборотов в минуту. Только в
      уменьшить вредный момент сил M и увеличить ки-              конце XIX века было предложено использовать для
      нетический момент гироскопа H. Однако любое су-             разгона и поддержания вращения ротора гироскопа
      щественное продвижение на этом пути требует ре-             электрический мотор, тем самым обеспечив воз-
      шения сложнейших проблем как в области теории,              можность получения больших значений кинетичес-
      так и в области технологии. Формула (4) дает воз-           кого момента гироскопа H и его постоянства в тече-
      можность почувствовать уровень требований, сто-             ние неограниченного промежутка времени. Из-за
      ящих перед разработчиками гироскопов. В самом               трения о воздух гироскоп Фуко быстро тормозился,
      деле, пусть ротор гироскопа представляет собой од-          да и возмущающие моменты в осях карданового
      нородный стальной цилиндр радиуса r = 3 см и вы-            подвеса очень велики. Скорость дрейфа гироскопа
      сотой h = 2 см. Масса такого ротора m = 0,458 кг, вес       Фуко превышала скорость вращения Земли, и при
      P = 4,5Н, момент инерции ротора гироскопа относи-           демонстрациях в учебных кабинетах он, к большой
      тельно оси симметрии C = mr 2/2 = − 2,06 ⋅ 10− 4 кг ⋅ м2.   радости студентов, мог показать, что Земля враща-
      При угловой скорости Ω = 60 000 об/мин кинетиче-            ется в противоположную сторону.
      ский момент гироскопа H = 1,3 Н ⋅ м ⋅ с, частота ну-            Впервые уравновешенный гироскоп нашел
      тационных колебаний ν = 1143 Гц. При выборе уг-             практическое (к сожалению, негуманное) примене-
      ловой скорости гироскопа необходимо учитывать               ние в устройстве для стабилизации курса торпеды,
      одно из главных ограничений, связанных с преде-             изобретенном в 80-х годах прошлого столетия ин-
      лами прочности материала ротора из-за возникаю-             женером Обри. Гироскоп Обри устанавливался в
      щих при вращении центробежных сил. Выбранная                кардановом подвесе так, чтобы его ось вращения
      для рассматриваемого нами гироскопа угловая ско-            была параллельна продольной оси торпеды. Ротор
      рость достаточно велика: линейная скорость точек,           гироскопа приводился во вращение за несколько
      расположенных на боковой поверхности ротора,                секунд до выстрела, когда ось торпеды была уже на-
      равна почти 190 м/с и эти точки испытывают “пере-           правлена на цель. При движении торпеды гироскоп
      грузку” порядка 12 000g. Если центр масс нашего             продолжал сохранять исходное направление и при
      гироскопа смещен от центра карданова подвеса на             возникновении отклонений торпеды поворачивал
      величину l = 1 мкм, то вредный момент M = Pl =              ее рули таким образом, чтобы обеспечить неизмен-
      = 4,5 ⋅ 10− 6 Н ⋅ м. Для сравнения: толщина лезвия бе-      ность курса. Аналогичные приборы в различных ва-
      зопасной бритвы составляет 80–100 мкм, то есть              риантах исполнения и под разными наименования-
      выбранное смещение l центра масс гироскопа при-             ми в 20-х годах нашего столетия стали использовать
      близительно в 100 раз меньше толщины лезвия                 также на самолетах для указания курса (гироскопы
      бритвы. Согласно формуле (4), уход рассматривае-            направления, гирополукомпасы), а позднее для уп-
      мого гироскопа составляет                                   равления движением ракет.
                 ωyx = 3,46 ⋅ 10− 6 рад/с = 0,7 °/ч.                  Гироскопы нашли применение при прокладке
                                                                  туннелей для метро и железнодорожного транспор-
      Для современного уровня это достаточно большая              та (наземные маркшейдерские гирокомпасы), при
      скорость. Разумеется, такой гироскоп сможет уве-            выяснении формы буровых скважин (инклиномет-
      ренно (с погрешностью 5%) измерять скорость вра-            ры), а также в качестве компасов сухопутной артил-
      щения Земли, которая составляет 15 °/ч, однако ес-          лерии. Они используются при стабилизации ство-
      ли бы этот гироскоп оказался на Луне, то ему не             лов танковых орудий и в орудийных прицелах


122                                                                 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹11, 1997


зенитной артиллерии. При первом практическом        Таблица 1
применении прицелов этого типа (Сперри-14) во
                                                    Гироскопы
время второй мировой войны зенитные пушки од-       на шариковых
ного из военных кораблей сбили 32 самолета про-     подшипниках
тивника в течение одного боя.
                                                    Гироскопы
    С гироскопическими явлениями приходится         с воздушной
считаться и при конструировании машин, в состав     опорой
которых входят быстро вращающиеся роторы. Так,      ПГ
в стабилизацию вертикального положения велоси-      ДНГ
педа основной вклад вносят гироскопические мо-
менты колес, гироскопический эффект у винтовых      КЛГ
самолетов и вертолетов оказывает существенное       ВОГ
влияние на их угловое движение.                     ВТГ
    Не все технические приложения гироскопов        ММГ
оказались удачными. Нерациональными оказались       ЭСГ
изобретенные в начале XX века гироскопические       МСГ
успокоители качки кораблей из-за неблагоприят-
ных силовых воздействий, которые они оказывали      Точность, °/ч 10− 6 10− 5 10− 4 10− 3 10− 2 10− 1 100 101 102
на корпус, и однорельсовые гироскопические же-
лезные дороги из-за сложности и дороговизны.        полностью устранило влияние износа материала
                                                    опор во время работы и позволило почти неограни-
зйЗхЦ наих ЙакйлдйийЗ                               ченно увеличить время службы прибора. Жесткость
   Постоянно возрастающие требования к точно-       аэродинамического подвеса не меньше, чем обыч-
стным и эксплутационным характеристикам гиро-       ных шариподшипников. К недостаткам газовых
скопических приборов стимулировали ученых и         опор следует отнести довольно большие потери
инженеров многих стран мира не только к дальней-    энергии и возможность внезапного отказа при слу-
шим усовершенствованиям классических гироско-       чайном контакте поверхностей опоры между собой.
пов с вращающимся ротором, но и к поискам прин-
ципиально новых идей, позволяющих решить            иУФО‡‚НУ‚˚В „Л УТНУФ˚
проблему создания чувствительных датчиков для
индикации и измерения угловых движений объекта         Поплавковый гироскоп (ПГ) представляет со-
в пространстве.                                     бой классический роторный гироскоп, в котором
   В настоящее время известно более ста различ-     для разгрузки подшипников подвеса все подвиж-
ных явлений и физических принципов, которые         ные элементы взвешены в жидкости с большим
позволяют решать гироскопические задачи. Выда-      удельным весом так, чтобы вес ротора вместе с ко-
ны многие тысячи патентов и авторских свиде-        жухом уравновешивался гидростатическими сила-
тельств на соответствующие открытия и изобрете-     ми. Благодаря этому на много порядков снижается
ния. И даже их беглое перечисление представляет     сухое трение в осях подвеса и увеличивается удар-
собой невыполнимую задачу. Поэтому остановимся      ная и вибрационная стойкость прибора. Герметич-
только на самых интересных направлениях, с помо-    ный кожух, выполняющий роль внутренней рамки
щью которых получены наиболее значительные          карданового подвеса, называется поплавком. Кон-
практические результаты. При этом надо учесть,      струкция поплавка должна быть максимально сим-
что уровень развития гироскопии оказывал сущест-    метричной. Ротор гироскопа внутри поплавка вра-
венное влияние на обороноспособность, поэтому       щается на воздушной подушке в аэродинамических
во времена холодной войны гироскопы разрабаты-      подшипниках со скоростью порядка 30–60 тыс.
вались в обстановке строжайшей секретности и ин-    оборотов в минуту. ПГ с большим вязким трением
формация о полученных результатах хранилась за      жидкости называется также интегрирующим гиро-
семью печатями.                                     скопом.
   В табл. 1 приведены последние данные о достиг-
нутых точностях для различных типов гироскопов.        ПГ до настоящего времени остается одним из
Дадим расшифровку понятий, использованных в         наиболее распространенных типов гироскопов и,
табл. 1.                                            безусловно, будет широко применяться в ближай-
                                                    шие годы, так как основывается на хорошо отрабо-
                                                    танных технологиях, мощной производственной
ЙЛ УТНУФ˚ Т ‚УБ‰Ы¯МУИ УФУ УИ
                                                    базе. Но новые разработки ПГ, по-видимому, неце-
   В этих гироскопах разработчики заменили ша-      лесообразны, поскольку дальнейшее повышение
риковые подшипники, используемые в традицион-       точности встречает труднопреодолимые препятст-
ном кардановом подвесе, газовой подушкой, что       вия и вряд ли будет экономически оправданным.


еДкнхзЦздй ы.Й. нЦзСЦзсаа кДбЗанаь лйЗкЦеЦззйв Йакйлдйиаа                                                           123


      СЛМ‡ПЛ˜ВТНЛ М‡ТЪ ‡Л‚‡ВП˚В „Л УТНУФ˚                       резонатора должно уложиться целое число волн,
         Динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ)              поэтому на неподвижном основании частоты этих
      принадлежат к классу гироскопов с упругим подве-          волн совпадают. При вращении резонатора лазер-
      сом ротора, в которых свобода угловых движений            ного гироскопа путь, проходимый лучами по конту-
      оси собственного вращения обеспечивается за счет          ру, становится разным и частоты встречных волн
      упругой податливости конструктивных элементов             становятся неодинаковыми. Волновые фронты
      (например, торсионов). В ДНГ в отличие от класси-         лучей интерферируют друг с другом, создавая ин-
      ческого гироскопа используется так называемый             терференционные полосы. Вращение резонатора
      внутренний карданов подвес (рис. 3), образован-           лазерного гироскопа приводит к тому, что интер-
                                                                ференционные полосы начинают перемещаться со
                                                                скоростью, пропорциональной скорости вращения
                                                     4          гироскопа. Интегрирование по времени выходного
                                                                сигнала лазерного гироскопа, пропорционального
                                                                угловой скорости, позволяет определить угол пово-
                                                                рота объекта, на котором установлен гироскоп.
                                     3                               К достоинствам лазерных гироскопов следует
                            3
                                                                отнести прежде всего отсутствие вращающегося ро-
                                                           1
                                                                тора, подшипников, подверженных действию сил
                                                          2     трения. В настоящее время серийно выпускаются
                                                                лазерные гироскопы, имеющие точность на уровне
         5
                                     4                          2 ⋅ 10−3–5 ⋅ 10−1 °/ч.

                                                 3              ЗУОУНУММУ-УФЪЛ˜ВТНЛВ „Л УТНУФ˚
                                                                   Значительные достижения в области разработки
                                                                и промышленного выпуска световодов с минималь-
             Рис. 3. Динамически настраиваемый гироскоп         ным значением погонного затухания и интеграль-
                                                                ных оптических компонентов привели к началу ра-
      ный внутренним кольцом 2, которое изнутри кре-            бот над волоконно-оптическим гироскопом (ВОГ),
      пится торсионами 4 к валу электродвигателя 5, а           представляющим собой волоконно-оптический ин-
      снаружи – торсионами 3 к ротору 1. Момент трения          терферометр, в котором распространяются встреч-
      в подвесе проявляется только в результате внутрен-        ные электромагнитные волны. Наиболее распрост-
      него трения в материале упругих торсионов. В дина-        раненный вариант ВОГ – многовитковая катушка
      мически настраиваемых гироскопах за счет подбора          оптического волокна. Достигнутые в лабораторных
      моментов инерции рамок подвеса и угловой скоро-           образцах точности ВОГ приближаются к точности
      сти вращения ротора осуществляется компенсация            КЛГ. ВОГ из-за простоты конструкции является од-
      упругих моментов подвеса, приложенных к ротору.           ним из наиболее дешевых среднеточных гироско-
      Условие динамической балансировки ДНГ, откры-             пов, и можно ожидать, что он вытеснит КЛГ в диа-
      тое в 1963 году, имеет вид                                пазоне точностей 10−2 °/ч и ниже.

                      Ω2 = 2k(B + C − A )− 1,             (5)   ЗУОМУ‚˚В Ъ‚В ‰УЪВО¸М˚В „Л УТНУФ˚ (ЗнЙ)
      где Ω – угловая скорость вращения ротора, k – ко-             В основе функционирования волнового твердо-
      эффициент угловой жесткости торсионов по внут-            тельного гироскопа (ВТГ) лежит физический прин-
      ренней 4 или наружной 3 осям подвеса ротора, A, B,        цип, заключающийся в инертных свойствах упру-
      C – осевой и экваториальные моменты инерции               гих волн в твердом теле. Упругая волна может
      внутреннего кольца.                                       распространяться в сплошной среде как жесткое те-
         К достоинствам ДНГ следует отнести их миниа-           ло, не изменяя своей конфигурации. Такая частице-
      тюрность, высокую стабильность показаний, отно-           подобная волна называется солитоном и рассматри-
      сительно невысокую стоимость.                             вается как модельное воплощение корпускулярно-
                                                                волнового дуализма: с одной стороны, это волна, с
                                                                другой – неизменность конфигурации приводит к
      дУО¸ˆВ‚˚В О‡БВ М˚В „Л УТНУФ˚
                                                                аналогии с частицей. Однако эта аналогия в некото-
         Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называе-            рых явлениях простирается и дальше. Так, если воз-
      мый также квантовым гироскопом, создан на осно-           будить стоячие волны упругих колебаний в осесим-
      ве лазера с кольцевым резонатором, в котором по           метричном резонаторе, то вращение основания, на
      замкнутому оптическому контуру одновременно               котором установлен резонатор, вызывает поворот
      распространяются встречные электромагнитные               стоячей волны на меньший, но известный угол. Со-
      волны. Длины этих волн определяются условиями             ответствующее движение волны как целого назы-
      генерации, согласно которым на длине периметра            вается прецессией. Скорость прецессии стоячей


124                                                               лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹11, 1997


волны пропорциональна проекции угловой скорости      ками, расположенными в основании жужжалец и
вращения основания на ось симметрии резонатора.      подающими команду на выравнивание корпуса на-
    Резонатор ВТГ представляет собой тонкую упру-    секомого. Система похожа на автопилот, в датчиках
гую оболочку вращения, сделанную из плавленого       которого вращательное движение заменено на ко-
кварца, сапфира или другого материала, обладающе-    лебательное как на более естественное и экономич-
го малым коэффициентом потерь при колебаниях.        ное для биологических систем.
Обычно форма оболочки – полусфера с отверстием в        Первые разработчики вибрационных гироско-
полюсе, поэтому ВТГ называется в литературе полу-    пов предрекали близкую смерть классическим ги-
сферическим резонаторным гироскопом. Один            роскопам с вращающимся ротором. Однако более
край резонатора (у полюса) жестко прикреплен к       глубокий анализ показал, что вибрационные гиро-
основанию (ножке). Другой край, называемый рабо-     скопы отказываются работать в условиях вибрации,
чим, свободен. На внешнюю и внутреннюю поверх-       которая практически всегда сопровождает места ус-
ности резонатора, около рабочего края, напыляются    тановки приборов на движущихся объектах. Непре-
металлические электроды, которые образуют вместе     одолимой оказалась и проблема нестабильности
с такими же электродами, нанесенными на окружа-      показаний из-за сложностей высокоточного изме-
ющий резонатор кожух, конденсаторы. Часть кон-       рения амплитуды колебаний ножек. Поэтому идея
денсаторов служит для силового воздействия на ре-    чистого камертонного гироскопа так и не была дове-
зонатор. Вместе с соответствующими электронными      дена до прецизионного прибора, однако она стиму-
схемами они образуют систему возбуждения коле-       лировала целое направление поисков новых типов
баний и поддержания их постоянной амплитуды. С       гироскопов, использующих либо пьезоэлектричес-
ее помощью в резонаторе устанавливают так назы-      кий эффект, либо вибрацию жидкостей или газов в
ваемую вторую форму колебаний, у которой стоя-       хитро изогнутых трубках и т.п.
чая волна имеет четыре пучности через каждые 90°.
Вторая группа конденсаторов служит датчиками         еЛН УПВı‡МЛ˜ВТНЛВ „Л УТНУФ˚
положения пучностей на резонаторе. Соответству-
ющая (весьма сложная) обработка сигналов этих            Микромеханические гироскопы (ММГ) отно-
датчиков позволяет получать информацию о вра-        сятся к области низких точностей (хуже 10−1 °/ч).
щательном движении основания резонатора.             Эта область традиционно считалась малоперспек-
                                                     тивной для задач управления движущимися объек-
    К достоинствам ВТГ относятся высокое отноше-     тами и навигации и серьезно не рассматривалась в
ние точность/цена, способность переносить боль-      научных и инженерных кругах. Но в последнее вре-
шие перегрузки, компактность и небольшой вес,        мя ситуация резко изменилась, и в печати одно за
низкая энергоемкость, малое время готовности, сла-   другим стали появляться сообщения о новом классе
бая зависимость от температуры окружающей среды.     гироскопических чувствительных элементов, полу-
    Полученные к настоящему времени результаты       чивших название микромеханических. Это одноос-
испытаний опытных экземпляров ВТГ позволяют          ные гироскопы вибрационного типа, изготавливае-
рассчитывать, что ВТГ найдет свою нишу в области     мые на базе современных кремниевых технологий.
датчиков средней точности.                           ММГ представляет собой своеобразный электрон-
                                                     ный чип с кварцевой подложкой площадью в не-
ЗЛ· ‡ˆЛУММ˚В „Л УТНУФ˚                               сколько квадратных миллиметров, на которую мето-
                                                     дом фотолитографии наносится плоский вибратор
   Вибрационные гироскопы основаны на свойст-        типа описанного выше камертона.
ве камертона, заключающегося в стремлении со-
хранить плоскость колебаний своих ножек. Теория          Точность полученных к настоящему времени
и эксперимент показывают, что в ножке колеблю-       ММГ находится на уровне 102 °/ч, но ожидается, что
щегося камертона, установленного на платформе,       ее можно будет повысить на порядок и приблизить к
вращающейся вокруг оси симметрии камертона,          точности гироскопа Фуко. Решающее значение
возникает периодический момент сил, частота ко-      имеет исключительно низкая стоимость микромеха-
торого равна частоте колебания ножек, а амплитуда    нических чувствительных элементов. Благодаря ис-
пропорциональна угловой скорости вращения плат-      пользованию хорошо отработанных современных
формы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки      технологий массового производства микроэлектро-
ножки камертона, можно судить об угловой скоро-      ники ожидаемая цена одного чувствительного эле-
сти платформы. Патент на вибрационный гироскоп       мента будет лежать в пределах от нескольких сот до
принадлежит некоторым видам двукрылых насе-          единиц долларов (при уходах соответственно от 101
комых, обладающих парой стержнеобразных при-         до 103 °/ч).
датков, называемых жужжальцами, которые виб-             В свою очередь, дешевизна ММГ открывает воз-
рируют в полете с размахом до 75° и частотой около   можность их использования в совершенно новых
500 Гц. При повороте туловища возникают колеба-      областях: автомобили и бинокли, телескопы и ви-
ния жужжалец в другой плоскости. Эти колебания       деокамеры, “мыши” и “джойстики” персональ-
воспринимаются особыми чувствительными клет-         ных компьютеров, мобильные робототехнические


еДкнхзЦздй ы.Й. нЦзСЦзсаа кДбЗанаь лйЗкЦеЦззйв Йакйлдйиаа                                                 125


      устройства и даже детские игрушки. Конечно, ММГ         ротора, в которых электрическое поле заменено
      можно использовать и при совершенствовании во-          магнитным, а бериллиевый ротор – ферритовым.
      енной техники (прицелы, “думающие” бомбы, так-          Несмотря на более чем тридцатилетнюю историю
      тическое оружие), но не эти приложения являются         разработок МСГ, он так и не стал объектом серий-
      определяющими в экономическом плане. Имеются            ного производства. Причина заключается в том, что
      прогнозы, по которым производство ММГ может             в конкуренции за достижение сверхвысоких точно-
      достигнуть ста миллионов в год при общей стоимо-        стей выявилось решающее преимущество ЭСГ из-
      сти 4,5 млрд долл.                                      за существенно меньших возмущающих моментов,
         В настоящее время разработка первого поколе-         возникающих при взаимодействии бериллиевого
      ния ММГ уже завершена, решаются задачи их инте-         ротора с электрическим полем, чем ферритового с
      грации в инерциальные измерительные модули              магнитным. Разумеется, достижение точности ги-
      совместно с электроникой и вычислительной тех-          роскопа в 10−4–10−5 °/ч – задача чрезвычайной
      никой. Первые инерциальные модули уже появи-            сложности.
      лись в лабораториях.                                        Современные гироскопы с неконтактными под-
                                                              весами – это сложнейшие приборы, которые вобра-
      зВНУМЪ‡НЪМ˚В „Л УТНУФ˚                                  ли в себя новейшие достижения техники. Только
                                                              три страны в мире в настоящее время способны
          В отличие от ММГ неконтактные гироскопы на-
                                                              производить электростатические гироскопы. Кро-
      ходятся на другом полюсе среди гироскопических
                                                              ме США и Франции в их число входит и Россия.
      чувствительных элементов, так как с их помощью
                                                              Опыт эксплуатации на морских объектах электро-
      удалось достичь сверхвысоких точностей 10−6–5 Ч
                                                              статических гироскопов, созданных в Санкт-Пе-
      Ч 10−4 °/ч. Неконтактные гироскопы имеют резервы
                                                              тербурге в ЦНИИ “Электроприбор”, подтвердил
      дальнейшего повышения точности и по крайней
                                                              высокую точность и достаточную надежность кора-
      мере в обозримом будущем будут оставаться лиде-
                                                              бельных инерциальных навигационных систем на
      рами в этом отношении.
                                                              электростатических гироскопах. В ближайшее время
          Разработка гироскопов с неконтактными подве-        в США планируется запуск специального спутника,
      сами началась с середины нашего века. В неконтакт-      на борту которого будет установлен электростатиче-
      ных подвесах реализуется состояние левитации, то        ский гироскоп, предназначенный для эксперимен-
      есть состояние, при котором ротор гироскопа парит       тальной проверки общей теории относительности.
      в силовом поле подвеса без какого-либо механичес-       Этому гироскопу предстоит измерение величины
      кого контакта с окружающими телами [5]. Среди           угла порядка 7″ в течение одного года.
      гироскопов с неконтактными подвесами можно вы-
                                                                  Кроме перечисленных выше типов гироскопов
      делить гироскопы с электростатическим и магнит-
                                                              проводились и проводятся работы над экзотически-
      ным подвесами ротора.
                                                              ми типами гироскопов, такими, как ионные, ядер-
          В электростатическом гироскопе (ЭСГ) проводя-       ные и т.п. Однако изложенного материала достаточ-
      щий сферический ротор подвешен в вакуумирован-          но для формулирования выводов о тенденциях
      ной полости в регулируемом электрическом поле,          развития гироскопов в настоящее время.
      создаваемой системой электродов. Если поверхность
                                                                  Сегодня созданы настолько точные гироско-
      ротора – идеальная сфера, то силы электрического
                                                              пические системы, что дальнейшего повышения
      поля, действующие по нормали к проводящей по-
      верхности ротора, не могут создать момента относи-
      тельно его центра и возникает возможность создания
      идеального гироскопа. Ротором электростатическо-
      го гироскопа может служить бериллиевый шар диа-
      метром 1 см, раскрученный до скорости порядка
      180 тыс. оборотов в минуту. Для такого подвеса ха-
      рактерно практически полное отсутствие трения
      (при вакууме в подвесе 10−8 мм рт.ст. постоянная
      времени выбега ротора за счет остатков газа имеет
      величину порядка 100 лет). Ничтожно малые вели-
      чины возмущающих моментов сил, действующих
      на левитирующий в вакууме ротор, обеспечивают
      неограниченно долгое и надежное сохранение на-
      правления оси вращения гироскопа в пространстве.
      Фотография основных деталей электростатическо-
      го гироскопа – ротора и кожуха – приведена на рис. 4.
          Гироскопы с магниторезонансным подвесом ро-
      тора (МСГ) являются в определенной степени ана-
      логами гироскопов с электростатическим подвесом                               Рис. 4



126                                                             лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹11, 1997


точностей многим потребителям уже не требуется, а     иске нетрадиционных областей применения при-
сокращение средств, выделяемых для военно-про-        боров. Неожиданно открылись совершенно новые
мышленного комплекса в бюджетах ведущих миро-         интересные задачи. Это и разведка полезных иско-
вых стран, резко повысило интерес к массовым          паемых, и предсказание землетрясений, и сверхточ-
гражданским применениям гироскопической тех-          ное измерение положений железнодорожных путей
ники, которые были ранее на периферии внимания        и нефтепроводов, медицинская техника и многое
разработчиков. Наконец, выдающийся прогресс в         другое, где нас ждут новые результаты и, быть мо-
области высокоточной спутниковой навигации            жет, новые открытия.
GPS сделал ненужными автономные средства нави-
гации в тех случаях, когда сигнал со спутника может
приниматься непрерывно. Не случайно один из ос-       ганЦкДнмкД
новных докладов на последнем симпозиуме круп-
нейших ученых-гироскопистов был назван “Драма-           1. Ишлинский А.Ю., Борзов В.И., Степаненко Н.П. Лек-
тическое развитие гироскопической техники”. Дело         ции по теории гироскопов. М.: Изд-во МГУ, 1983. 248 с.
в том, что разрабатываемая сейчас система навига-        2. Шестов С.А. Гироскоп на земле, в небесах и на море.
ционных спутников третьего поколения позволит            М.: Знание, 1989. 188 с.
определять координаты объектов на поверхности
Земли с точностью до единиц сантиметров. При             3. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной авто-
                                                         номной навигации // Гироскопия и навигация. 1996.
этом отпадает необходимость в использовании даже         № 1 (12). С. 48–55.
курсовых гироскопов, ибо сравнение показаний
двух приемников спутниковых сигналов, установ-           4. Магнус К. Гироскоп: Теория и применение. М.: Мир,
ленных на расстоянии в несколько метров, например        1974. 526 с.
на крыльях самолета, позволяет получить информа-         5. Мартыненко Ю.Г. О проблемах левитации тел в си-
цию о повороте самолета вокруг вертикальной оси.         ловых полях // Соросовский Образовательный Жур-
Такая система оставляет не у дел десятки тысяч ра-       нал. 1996. № 3. С. 82–86.
ботников предприятий, выпускающих гироскопы
для самолетов и морских кораблей.
                                                                               * * *
   В силу перечисленных обстоятельств эволюци-
онное развитие гироскопической техники послед-           Юрий Григорьевич Мартыненко, доктор физико-
них десятилетий подошло к рубежу крупных изме-        математических наук, профессор, зав. кафедрой
нений, и именно поэтому внимание специалистов в       теоретической механики Московского энергетиче-
области гироскопии сейчас сосредоточилось на по-      ского института. Автор более 130 научных работ.




еДкнхзЦздй ы.Й. нЦзСЦзсаа кДбЗанаь лйЗкЦеЦззйв Йакйлдйиаа                                                         127



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика