Введение.

Современные летательные аппараты (ЛА) совершают полеты на больших высотах, с большими скоростями, в любых метеорологических условиях. Выполнение таких полетов и решение задач управления различными агрегатами было бы невозможно без комплекса приборов и автоматов, установленных на борту ЛА. Основными приборами любого ЛА являются: акселерометры, высотомеры, датчики угловых скоростей, манометры, следящие системы, топливомеры, интегрирующие гироскопы, гироскопические интеграторы линейных ускорений и т.д. Несмотря на большое разнообразие приборов и автоматов, многие из них имеют общие обязательные, типовые узлы, такие как, например, датчик, который воспринимает чувствительным элементом измеряемую физическую величину и преобразуют ее в величину другой физической природы, более удобную для дальнейших преобразований.

Примером такого чувствительного элемента можно считать датчик угловой скорости, который используется в системах автоматического управления, в счетно-решающих приборах управления, наведения и стабилизации самонаводящихся снарядов, а также в авиационных прицелах для выработки угла упреждения для встречи снаряда с целью.

1. Описание прибора.

Назначение. Датчики угловых скоростей (ДУС) измеряют угловые скорости летательного аппарата относительно его осей X, Y, Z и выдают электрические сигналы пропорциональные этим скоростям в автопилоты или систему управления ЛА для повышения устойчивости и усиления демпфирования системы, поэтому их иногда называют демпфирующими гироскопами. Точные ДУСы используются для стабилизации платформ на ЛА, для построения бескарданных инерциальных навигационных систем (БИНС), определяющих текущие координаты и угловое положение ЛА в пространстве путем интегрирования показаний ДУСа.

Каждый ДУС должен воспринимать угловую скорость ЛА только вокруг своей оси измерения. Для измерения всех составляющих угловой скорости ЛА _x, _y, _z три ДУСа объединяют в блок демпфирующих гироскопов (БДГ) так, чтобы оси измерения трех ДУСов были взаимно перпендикулярны и при установке на ЛА совпадали с осями X, Y, Z ЛА и векторами w_x, _y, _z.

Условия работы. Схема и конструкция ДУСа должны обеспечивать измерения угловой скорости с требуемой точностью в заданном диапазоне частот вибрационных и линейных перегрузок при возможных климатических воздействиях. Земная атмосфера в зависимости от места, времени года и высоты над уровнем моря имеет широкий диапазон изменения состояния по температуре, давлению, влажности, ионизации и другим параметрам. Для большинства ДУСов диапазон температур, в котором они должны обеспечивать нормальную работу, лежит в пределах от -60C до +50C. С увеличением высоты полета меняется состав окружающей воздушной среды – уменьшается плотность и давление воздуха, его диэлектрическая постоянная падает, а ионизация воздуха растет. Высокая концентрация озона на больших высотах способствует окислению металла и органических материалов.

Принцип работы. Датчик угловой скорости представляет собой гироскоп с двумя степенями свободы, вращение которого вокруг оси рамки ограничивается электрической пружиной.

Рис.1 ДУС с электрической пружиной (принципиальная схема).

При вращении основания вокруг оси Y с угловой скоростью _y вокруг рамки возникает гироскопический момент Мг=H_y, под действием которого рамка поворачивается так, что стремится совместить кратчайшим путем вектор кинетического момента H с вектором угловой скорости _y. По мере поворота рамки вокруг оси X под действием гироскопического момента происходит на выходе датчика перемещения изменение Uвых, в результате чего в датчике момента возникает противодействующий момент Mдм=KдмI, который препятствует отклонению рамки гироскопа. Когда электрическая пружина уравновесит гироскопический момент (Мдм=Мг), рамка остановится в новом положении равновесия, а ее угол отклонения  будет характеризовать величину измеренной угловой скорости:

= H_y/ Kдм,

где:

H-кинетический момент ротора гироскопа;

K_дм-крутизна характеристики датчика момента.

При этом связанная с осью X через передаточно-множительный механизм (ПММ) щетка датчика перемещения смещается относительно своего начального положения. Это вызывает изменение величины выходного напряжения, которое пропорционально углу отклонения рамки .

Для улучшения динамических характеристик прибора в его структуре используется демпфер (успокоитель). В этом качестве выступает датчик момента, предназначенный для оптимизации переходного процесса при повороте рамки гироскопа вследствие резких изменений угловой скорости ЛА. Вектор-момент Мд, создаваемый демпфером действует вдоль оси X прибора и направлен противоположно вектору скорости поворота подвижной системы.