Для чего нужен гироскоп в ракете

18.04.202220.04.2022 admin 0 Comments

Космические гироскопы-для гироастрометрии 21 века

1.УДК 629.735.054.07
КОСМИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ – ХРАНИТЕЛИ НЕБЕСНЫХ
ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ КООРДИНАТ–БУДУЩЕЕ ГИРОАСТРОМЕТРИИ
ДВАДЦАТЬ ПЕРВОГО ВЕКА
Национальный авиационный университет. В.А.Агарев, к.т.н

В статье рассматривается проект, стратегической целью которого является создание космической системы – хранителя инерциальных координат для оперативного решения фундаментальных и прикладных задач двадцать первого века. В качестве основы для таких систем предлагается использовать космические гироскопы, которые доставляются с помощью ракет в точки либрации планет солнечной системы.
————————————
Научно-технический потенциал, имеющийся в авиационных и ракетно-космических технологиях, позволяет человечеству увереннее приступить к постановке и решению фундаментальных и прикладных задач международного масштаба.
Среди них можно назвать:
— установление недеформирующейся небесной системы инерциальных координат;
— изучение характеристик вращения Земли как деформируемого тела;
— изучение собственного движения звезд нашей Галактики и ее вращения;
— экспериментальное подтверждение эффектов, предсказываемых общей теорией относительности и т. п.

Исследуется неравномерность угловой скорости вращения Земли и хода мирового времени, определяется движение полюсов Земли, а также делаются попытки заметить перемещения континентов, уловить изменения форм и других параметров движений нашей планеты, составляющие предмет целой науки – геодинамики.
Спутниковая геодезия сегодня позволяет измерять на Земле расстояния несколько тысяч километров с точностью несколько метров.

Возникает вопрос, а причем тут гироскопы и звезды? Дело в том, что для измерений длин, углов, скоростей и других геометрических и физических величин нужна система координат–система, относительно которой отсчитывается положение интересующих нас точек на Земле или в космосе.

До настоящего времени считается, что единственной возможностью создания такой системы координат является использование звезд. Только фундаментальная небесная инерциальная система, опирающаяся на звезды, позволяет построить в пространстве некоторые стабильные направления, относительно которых и удается изучать движение небесных объектов не только как материальных точек, но и как вращающихся сложным образом тел, изучать малейшие изменения их форм. После огромного труда многих поколений астрономов разных стран, выяснилось, что полюс Мира (след оси вращения Земли на небе) смещается, а сами звезды перемещаются друг относительно друга.

В связи с этим советский академик Михайлов А.А. как-то заметил, что координатная система, опирающаяся на звезды нашей Галактики – «скоропортящийся продукт». Также можно сказать и о системе координат, связанной с землей. Это означает, что человечество пользуется неинерциальной системой координат.

Изучение законов природы с использованием этой системы координат приводит к не учитываемым погрешностям и, в конечном счете, к невозможности постановки и решения задач фундаментального характера космического уровня.

Например, для изучения различных эффектов геодинамики точность воспроизведения опорных направлений должна составлять величину порядка тысячной доли угловой секунды. Очевидно, что система координат для геодинамики не может быть связана с Землей. Предложение «спасти систему» путем проведения систематических гравиметрических измерений не решает проблему и экономически вряд ли оправдано.

Учеными разных стран для преодоления точностного барьера, установленного устаревшими методами и средствами астрометрии, в течение многих лет, начиная с 1967 года, осваивается научно – техническое направление – радиоастрометрическое измерение, включающее в себя радиоинтерферометрический метод со сверхдлинной базой.

Два или три радиотелескопа, разнесенных на тысячи километров друг от друюга, осуществляют синхронный прием радиоизлучений от удаленных внегалактических источников. Принцип действия и методы работы радиоастрометрических приборов и систем позволяют построить небесную систему координат с необходимой точностью, но техника для измерений и эксплуатации очень сложна, громоздка и дорога.

Перспективным методом построения и хранения опорных направлений в пространстве следует считать инерциальную систему координат, построенную космическими гироскопами, которые доставляются с помощью ракет в точки либрации планет Солнечной системы. Постоянно действующие космические гироскопы позволят при любой погоде, в любой момент времени между астрометрическими измерениями, хранить и передавать на различные объекты с необходимой точностью инерциальную систему координат для оперативного решения фундаментальных и прикладных задач.
Космические гироскопы могут составить основу гироастрометрии для астрономических и геодезических баз в космосе.

Известно что, одним из основных природных способностей свободного гироскопа является его упорное стремление сохранить неизменным свое направление в инерциальном пространстве. Эта способность свободного гироскопа соблюдается тем точнее, чем меньше действуют на него возмущающие моменты. Представление о перспективах, в этом отношении, для космических гироскопов, расположенных в близости от точек либрации, можно получить на основе анализа силового поля в районе этих точек. Характерная особенность его состоит в том, что ускорение, создаваемое действующими здесь силами, становится тем меньше, чем ближе космический гироскоп располагается к точке либрации.

Так, например, для точки либрации расположенной между Землей и Луной на расстоянии около 326 000 км относительные ускорения здесь на 4-5 порядков будут меньше по сравнению с ускорением силы тяжести на поверхности Земли. Свободный гироскоп с бесконтактным подвесом ротора в этих условиях уже на первом этапе может обеспечить сохранение своего направления в инерциальном пространстве не хуже чем природный прототип гироскоп – Земля.

Свойства и процессы, связанные со свободным гироскопом и его природным прототипом – земным исполинским гироскопом, во многом, объясняются общей теорией гироскопических явлений. Вследствие экваториального утолщения Земли и наклона ее оси к плоскости эклиптики сила притяжения Земли к Солнцу (а также к Луне) не проходит через центр масс Земли. По этой причине действующие на Землю силы тяготения эквивалентны некоторой силе, приложенной к центру масс Земли, и некоторой паре, стремящейся «выпрямить» земную ось, т. е. сделать ее перпендикулярной к плоскости эклиптики.

Поэтому в процессе движения Земли вокруг Солнца земная ось медленно изменяет направление в пространстве (приблизительно на 50,4 угловых секунд в год). На современном этапе развития науки и техники, создавая космические гироскопы, многие ошибки допущенные в гироскопе Земля можно не допустить.
А если также учесть, что скорость вращения ротора гироскопа много порядков выше скорости вращения Земли, можно полагать, что в 21 веке «звезда в бутылке», так иногда называют свободный гироскоп с бесконтактным подвесом ротора, с большой пользой может быть востребован при создании современных и перспективных космических проектов.

Говоря о времени работы космических гироскопов, можно привести следующие показатели. Ротор свободного гироскопа, раскрученный в вакууме на высоте низкоорбитального спутника, может вращаться с постоянной времени выбега несколько лет. При глубоком вакууме – постоянная времени выбега ротора составит величину от несколько десятков лет до сотен лет. При космическом сверхглубоком вакууме этот показатель может исчисляться тысячелетиями.

Конструктивно – технологический облик космического гироскопа.

Принципы построения космических гироскопов в стадии зарождения и будут включать в себя известные в теории и практике материалы и физические принципы гироскопических устройств, а также конструктивные схемы свободных гироскопов с бесконтактным подвесом ротора переработанные применительно к космическим условиям.
К основным элементам космических гироскопов следует, прежде всего, отнести вращающийся ротор и систему съема и передачи информации о положении ротора в инерциальном пространстве. Возможны несколько способов подвеса ротора в космических гироскопах: подвес в электрических полях, подвес сверхпроводящего ротора в магнитных полях и управление положением спутника с космическим гироскопом таким образом, чтобы отслеживалось пространственное положение ротора, не допуская его контакта с окружающими элементами следящего корпуса.
Последний способ «регулирования» траектории спутника для отслеживания траектории ротора является идеальным путем к устранению всяких поддерживающих сил. Этот способ также хорошо подходит для космических гироскопов расположенных в треугольных точках либрации, позволяющих обеспечить длительное бескоррекционное движение в ограниченной области.

Определение оси вращения сферического ротора осуществляется оптическими методами(с использованием случайного рисунка), а также методом на основе эффекта Месс Бауэра. В последнем случае используется радиоактивная метка, нанесенная на ротор, и слой поглощающего вещества, нанесенного на синхронно вращающийся цилиндр. Вдоль оси цилиндра помещают не вращающийся индикатор излучения (детектор Месс Бауэра).
При совпадении оси вращения ротора и оси цилиндра скорость излучателя относительно поглотителя равна нулю и индикатор выдает нулевой сигнал. При наличии рассогласования указанных осей индикатор выдает сигнал, по которому можно обнаруживать чрезвычайно малые угловые рассогласования ротора и цилиндра.
После определения углового положения оси вращения ротора к ней осуществляют оптическую привязку визирной оси лазерного датчика или оси телескопа.
Форма ротора – сферическая, с равными моментами инерции. Уровень гироскопической теории и научно-экспериментальный задел в области гиротехнологии позволяют создать с использованием космических лабораторий свободный гироскоп с необходимыми характеристиками.

Состав космического гироскопа(КГ), в общем случае, может иметь следующую структуру: конструкция (К); солнечно – гравитационная двигательная установка (СГДУ); бортовой комплекс управления (БКУ); бортовая обеспечивающая аппаратура (БОА); система ориентации и управления движением (СОУД); датчики ориентации (Д О); бортовой вычислительный комплекс (БВК); радио – оптические средства (РОС) КГ для привязки инерциальных систем координат КГ и коррекции инерциальных систем координат высокоорбитальных и среднеорбитальных космических аппаратов (ВКА и СКА) космической навигационной системы ГЛОНАС.

ПРЕИМУЩЕСТВА ДИСЛОКАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ И КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ В ОКРЕСТНОСТЯХ ТОЧЕК ЛИБРАЦИИ.

Оценивая преимущества идеи использования точек либрации, необходимо в первую очередь проанализировать научные и народнохозяйственные задачи, которые при этом могут быть более эффективно решены. Из них, прежде всего:
— астрономические наблюдения и астрофизические измерения;
— повышение точностных характеристик системы геодезических параметров Земли;
— создание глобальной системы связи на Земле;
— организация связи с обратной (невидимой с Земли) стороной Луны и планеты Солнечной системы.

Одним из основных требований к системам космических гироскопов и аппаратов, участвующих в реализации указанных предложений, является требование постоянства их структур.
Например, если ставится задача организации связи с космическим гироскопом и наблюдений за обратной стороной Луны, то выбор точки либрации в космосе определяется возможностью одновременного наблюдения Земли, космического гироскопа и заданной части поверхности Луны.
К другим преимуществам размещения космических гироскопов в районе точек либрации относится существенное уменьшение загрузки измерительных средств, аппаратуры связи, центров координации и вычислительных комплексов, пунктов управления.
Положения точек дислокации космических объектов в этом случае известны, поэтому расчет данных для систем поиска этих объектов значительно упрощается.
Есть и другие аргументы, указывающие на перспективы использования точек либрации системы Земля-Луна для дислокации космических гироскопов и аппаратов научного и хозяйственного значения.
Основные из них:
— отсутствие магнитного поля и радиационного пояса Земли,
— постоянная освещенность Солнцем,
— повышение эффективности астрофизических измерений из-за отсутствия
атмосферы.
Следует заметить, что многие из факторов связанных с атмосферой затрудняют астрометрические измерения и приводят к искажениям результатов наблюдений.

СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ЦЕЛЬ ПРОЕКТА И ПУТИ ЕЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Стратегической целью проекта является – создание постояннодействуюшей космической системы инерциальных координат(КСИК) в пределах солнечной системы для оперативного решения фундаментальных и прикладных задач 21 столетия.
КСИК включает в себя:
— комплекс космических гироскопов (ККГ), использующий точки либрации планет как зоны постоянного базирования хранителей небесной инерциальной системы координат;
— комплекс наземных технических средств (КНТС), включающий ракеты носители и стартовые комплексы с соответствующими техническими средствами управления;
— наземные комплексы связи и обработки информации (НКСИ).

По оценкам специалистов используемая система геодезических параметров Земли (ПЗ–90) в ближайшей перспективе потребует фундаментальных работ по повышению точностных параметров. В России, с целью существенного (на порядок) повышения точности решения задач космической навигации, в НПО прикладной математики (ПМ) разрабатывается новый геодезический комплекс СКА ГЕОИК – 2, который войдет в состав одноименной космической геодезической системы третьего поколения.
Принципиально новым в системе ГЕОИК – 2 является наличие измерительной радиолинии СКА – ВКА и более массовое использование станций слежения за ВКА.
Возможности использования измерений между КА позволяют поднять точность решения целого ряда задач космической навигации. Однако, для достижения точности, какая требуется для решения выше указанных задач фундаментального характера, мешает нестабильность орбитального движения КА.
На параметры орбитального движения КА оказывают влияние следующие факторы: аэродинамическое сопротивление; нецентральность гравитационного поля; солнечные бури; давление солнечной радиации; воздействие космических лучей; соударения метеоритов; магнитное поле Земли.

Решение проблем по точности имеет перспективу, если в рамках таких проектов как ГЕОИК –2 предусмотреть работы по созданию космических гироскопов и органическое их внедрение в системы ГЛОНАС и GPS. Для проведения работ по выше приведенным проектам, учитывая высокую стоимость бортовой аппаратуры, целесообразно привлечь зарубежные фирмы, так как при долевом участии сокращаются сроки разработки систем и затраты каждой стороны. При этом не должны затрагиваться интересы национальной безопасности стран – участниц совместных проектов.

Таким образом, создание космических гироскопов по самостоятельному международному проекту или в рамках уже создаваемой космической геодезической системы ГЕОИК – 2 позволит решать задачи космической геодезии, навигации, геодинамики, геофизики, океанографии и многие другие на уровне требований 21 века.

Источник

Как устроен гироскоп: суть, принцип работы, где применяется

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп

Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц

А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.

Гироскоп: история, определение

Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.

Само слово происходит от греческих gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.

Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.

Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.

Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.

Виды гироскопов

Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические, лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).

Применение гироскопов

Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.

Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен? Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.

Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса, которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!

Источник

megavolt_lab

Записки сумасшедшего ракетчика

В этом блоге я буду много писать о ракетах и космических аппаратах, но для начала давайте разберемся с тем, что же такое ракета и за счет чего она летает. Ведь кроме ракеты есть еще немало видов техники, умеющей летать.

Есть тип летательных аппаратов, которые могут обходиться вообще без двигателя. Это аэростаты (воздушные шары). Летают только засчет силы Архимеда. В сети есть много видео, где люди развлечения ради запускают самодельные воздушные шары с камерой, как они пишут, в космос. Вот пример такого видео:

Но как же подняться выше предельных высот для самолетов и воздушных шаров? Вот тут-то нас и выручит ракета. Основное отличие ракеты от других видов летательных аппаратов состоит в том, что полет ракеты практически никак не зависит от внешних условий (плотности воздуха, его состава и т. п.), поскольку все, что ей нужно для полета у нее с собой.

Для того, чтобы ракета полетела, нужно чтобы сила, с которой она отталкивается от рабочего тела (эту силу называют тягой двигателя) превышала вес ракеты. Параметр, показывающий, во сколько раз тяга двигателя превышает вес ракеты, называется тяговооруженность ракеты.

Современная ракета Союз очень тяжелая. Ее масса вместе с топливом и поднимаемым ей космическим кораблем составляет 307,7 тонн. Для того, чтобы поднять такую массу, ракете нужно выбрасывать рабочее тело с огромной скоростью: от 2,5 км/с, до 3 км/с, что примерно в 9 раз превышает скорость звука у поверхности Земли.

Вот, как выглядит старт этой ракеты:

Но для успешного полета ракете мало только двигателя и топлива. Нужна еще, как минимум, система стабилизации. Дело в том, что сила тяги двигателя прикладывается к ракете снизу, гораздо ниже ее центра тяжести, поэтому ракета в течение всего полета находится в состоянии неустойчивого равновесия. Чтобы понять смысл этих слов попробуйте удержать карандаш острием на пальце.

Работает она очень просто: «крылышки» (называются стабилизаторы) увеличивают площадь поверхности корпуса ракеты позади центра тяжести. При отклонении ракеты от курса набегающий поток воздуха давит на боковую поверхность корпуса тем сильнее, чем больше эта поверхность. Поскольку позади центра тяжести поверхность больше, чем впереди, воздух давит на нее сильнее, заставляя ракету повернуться вокруг центра тяжести и вернуться на курс.

Разумеется, такая система работает только в атмосфере. В космосе, где воздуха нет, аэродинамические стабилизаторы бесполезны. Для космических ракет применяется активная система стабилизации. Она состоит из гироскопа, бортовой электроники и маленьких подруливающих двигателей.

Вот здесь можно посмотреть на то, как работает гироскоп:

Основываясь на показания датчиков, следящих за положением гироскопа относительно ракеты, бортовая электроника выдает команды исполнительным механизмам на изменение положения маленьких подруливающих двигателей, расположенных рядом с основным двигателем. Они изменяют направление вектора тяги, создавая вращательный момент, возвращающий ракету в заданное положение.

На этой фотографии изображен двигатель центрального блока ракеты Союз. Кроме основных четырех сопел видны четыре маленьких сопла, расположенные по краям блока. Это и есть подруливающие двигатели. Они закреплены на кардановом подвесе, поэтому могут поворачиваться.

На этом пока все. В следующей статье я расскажу о том, как ракеты выводят на орбиту космические аппараты.

Источник

Гироскопы, и с чем их едят в авиации

Многие видели видео с этими магическими штуками, не подчиняющимися гравитации. Сегодняшний пост про то, какие радости и печали они приносят на борт самолетов.

Сначала немного истории. В 1914 году во Франции состоялось что-то вроде нашего Макса, т.е. авиашоу + демонстрация новинок в самолетных делах. Один из самолетов пилотировался Лоренсом Сперри и его помощником. Они сделали 3 прохода вдоль реки на глазах у публики и жюри.

— В первом проходе оба пилота убрали руки со штурвала и подняли их над головой. Самолет летел прямо, вдоль реки.

— Во втором проходе помощник Сперри вышел на крыло. Самолет накренился было, но быстро выровнялся и продолжил лететь вдоль реки.

— В третьем проходе Сперри тоже вышел на крыло. В кабине никого не было, самолет летел вдоль реки.

Так мир увидел первый автопилот. Но обо всем по порядку.

1. Авиагоризонт. Вращающийся диск гироскопа стремится сохранить свое положение в пространстве. Правда для этого нужно, чтобы он мог свободно вращаться вокруг всех трех осей; для этого его подвешивают на две рамки.

Если раскрутить диск в горизонтальной плоскости и взять с собой в самолет, то он будет показывать, как располагается горизонт. По нему почти можно будет лететь (на самом деле нет). На этом принципе основано действие авиагоризонта. Обычные авиагоризонты стоят 500-2000 баксов.

Вот на этом видео, где камера крутится вместе со стулом, видно одну интересную особенность. Поначалу кажется, что внутренняя рамка проскакивает через внешнюю рамку, но если приглядеться, то нет. На этой гифке они никогда не совмещаются.

Совмещение рамок приводит к тому, что гироскоп теряет одну степень свободы и перестает сохранять положение в пространстве. Это называется «выбиванием» гироскопа. Такое бывает при очень резких маневрах, например при пилотаже, и приводит вот к чему:

Пока я писала этот пост, мне вспомнилось, что в телефонах тоже есть гироскопы. Они основаны на другом принципе и поэтому, как и лазерные гироскопы, не выбиваются. И да, я только что потратила 10 минут своей жизни на попытки выбить гироскоп в телефоне, прежде чем об этом узнала (телефон не пострадал).

2. Автопилот. Первый автопилот был очень простым: гироскоп механически соединялся с рулями самолета. Если по какой-то причине самолет отклонялся от фиксированного положения, гироскоп активировал рули и тем самым возвращал самолет обратно, что Сперри и продемонствировал во Франции. Кстати выиграл 10 000 баксов тогдашних.

Современные автопилоты конечно намного сложнее.

3. Указатель курса. Давайте я просто гифку покажу.

Здесь мы от свободных гироскопов плавно переходим к несвободным, т.е. тем, которые не могут свободно вращаться в пространстве.

Что за магия, и почему он не падает? Есть такой шутливый ответ на вопрос «почему конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный?» Типа постоянный упирается в конденсатор, а переменный из-за синусоиды его огибает.

Так вот, давайте пока в шутку будем думать, что гироскоп вертел действующие силы, в прямом смысле этого слова:

Сила тяжести пытается уронить гироскоп, при этом развернув его вертикально (белая стрелка). Но гироскоп вертел эту стрелку на 90 градусов по вращению и превратил ее в желтую стрелку. Она и заставляет гороскоп крутиться, а сила тяжести как будто бы исчезла.

Как это он так не падает?

Очень прикольные ощущения, когда пытаешься наклонить раскрученный гироскоп. Он, как живой, сопротивляется и пытается вильнуть в сторону. Представьте, сколько подколок можно придумать, пряча гироскопы внутри обычных предметов. Берешь кружку, а она вырывается из рук.

У этого гироскопа всего 10-30 секунд «полезного» вращения, но его хватает, чтобы наиграться. Он раскручивается резким движением палочки с резьбой.

Вернемся к авиации. Есть такая шутка, «назовите самую большую деревянную деталь в самолете» (летчик). Как вы думаете, какой гироскоп в самолете самый большой? Не авиагоризонт. Вот самый большой гироскоп в самолете: