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靜電陀螺儀
閱讀�8308時間�2017-10-13 09:52:07

    靜電陀螺儀,又稱電浮陀�,英文全稱為electrostatic (suspended) gyroscope。全名為靜電支承的陀螺儀,它的特點是利用超高真空中的強電場�(chǎn)生支承力,取代陀螺馬達和萬向支架的三對機械軸�,構成一個理想的軸承系統(tǒng),即既沒有機械接觸,又沒有氣體阻力的軸承。在陀螺轉子加轉到需要的轉速之�,加轉電源被切�,轉子在慣性作用下將長時間自轉�
    靜電陀螺儀采用非接觸支�,不存在摩擦,所以精度很�,漂移率低�10�10�/�。它不能承受較大的沖擊和振動。它的缺點是結構和制造工藝復�,成本較��

�(fā)展背�

    靜電陀螺儀是一種球形轉子自由陀螺儀,它的基本概念是在美國大力�(fā)展戰(zhàn)略核潛艇的時�,由伊利諾斯大學諾爾西克教授于1954年向美國海軍研究辦公室提出來�。他提出的方案是赤道上帶土星�(huán)的空心球轉子框架式靜電陀螺儀.它對轉子式不施矩的。因此出了漂移外,轉子主軸和殼體對應的軸將在慣性空間保持形同的姿態(tài)。這實質上是一種二自由度框架式陀螺儀.后來�(jīng)過研究改為現(xiàn)在的球形轉子自由陀螺儀�
    1955年美國海軍正式立項開始研�,Honeywell公司、GeneralElectric公司以及Arma公司很快也加入了該項�。Rockwell跨國公司的Autonetics分公司是1959年開始研究的.在早期的研究中,只有Honeywell公司和Autonetics分公司的工作實現(xiàn)了導航產(chǎn)��
    在這中�,美國靜電陀螺儀研究�(jīng)歷的曲折的發(fā)展道�。在20世紀50�60年代,液浮陀螺導航系�(tǒng)占據(jù)了艦船慣性導航系�(tǒng)的統(tǒng)治地�。靜電陀螺儀項目當時并未被海軍選�,因此在這期�,Honeywell公司和Autonetics分公司都致力于開�(fā)全姿�(tài)輸出靜電陀螺儀,研�(fā)捷聯(lián)式靜電陀螺儀導航系統(tǒng),企圖應用于航空和航天領�,但始終未成為裝備�

工作原理

    球形轉子安裝在支承電極的球腔之中。圖上只畫出一�,實際上同樣的系統(tǒng)共有三路。整個電極球腔分割為12塊等面積的電�。當轉子偏離電極中心�,在相應的兩塊電極上將同時接通正和負等幅度的控制電壓,使轉子回到電極中心位�,同時轉子始終處在地電�,從而解除了三路支承之間的藕合關��

靜電支承系統(tǒng)的工作原理

    轉子的姿�(tài)角通過光電信號器轉換為電信�。圖為轉子表面上刻線的情況。在轉子極點的一側刻有矩形圖�,當轉子的極點偏離頂端光電信號器時,將有轉子自轉頻率的正弦波信號輸出,其幅度和偏角的大小成正比。側面刻線由側面光電信號器觀�,�(chǎn)生脈沖信�,作為檢相器參考方波的相位基準。經(jīng)過上述信號變�,靜電陀螺儀將給出兩路直流信�,成為一個二自由度的位置陀螺儀�

轉子表面上刻線的情況

    靜電陀螺儀具有加轉和阻尼線�。在陀螺啟動之�,這些線圈不再接入加轉和阻尼電�,而是作為加矩線圈使用。如�3所�,如果把頂端和側面的光電信號送入加矩控制線路,則可以把陀螺轉子鎖定在頂端光電信號器的零位�。這時靜電陀螺儀成為一個二自由度的速度陀螺儀。加矩線路還可量測和補償陀螺的漂移�
    綜上所�,靜電陀螺儀具有支承系統(tǒng),光電信號器和磁場力矩器等三個主要部件。此外為了保證正常工�,還需要有真空維持,溫度控制和外磁場屏蔽等裝��

國內外研究成�

    國外研究成果
    國外研制靜電陀螺儀的只有美、蘇、法三個國�。在文獻�,對美國的研制過程和產(chǎn)品水平報道較�,可以代表目前國外的技術水�。蘇�(lián)和法國也有不少研究報告發(fā)�,但是沒有關于�(chǎn)品及精度的報��
    在美�,靜電陀螺儀是在1954年提出研制的,由美國海軍科研局(ONR,OfficeofNavalReseareh)資助,目的是用于核潛艇的慣性導�。經(jīng)過原理樣機研制階�,�60年代初開始轉入型號產(chǎn)品的研制,主要由RoekwellInternational公司的Autoneu一tios分部和Honeywen公司兩個廠家承�,分別研制實心轉子和空心轉子的靜電陀螺儀�
    實心轉子靜電陀螺儀是在1964年開始研制的,被轉子的直徑�10毫米,采用轉子質量不平衡的方法來建立陀螺儀的信號器�1967年這種陀螺儀被用來建立捷�(lián)式飛機慣性系�(tǒng),型號先后有N57,N73和N73H�,但未被空軍采��
    1969年該公司把這種陀螺儀組成平臺式慣性系�(tǒng)�1974年美國海軍根�(jù)長時間試驗的�(yōu)異結果決定在三叉戟級核潛艇上采用,型號為ESGM(靜電陀螺監(jiān)控器),首批生產(chǎn)�14套。ESGM作為潛艇內部的定位基�,用于修正液浮陀螺船用慣性系�(tǒng),使得潛艇需要獲得外部定位信號的時間間隔由原來的4天延長到40天以�。這種ESGM/s工Ns組合式導航系�(tǒng)顯著地提高了核潛艇的隱蔽�,因而在核潛�,包括攻擊型核潛艇�,普遍得到應用�
    空心轉子的靜電陀螺儀是Honeywel公司�1962年開始研制的�1967年研制成功平臺式飛機慣性系�(tǒng),型號為AN/AS一130,AN/ASN一136�,目前�(tǒng)稱為GEANS�。這種陀螺儀采用直徑�38毫米的空心被轉子和光電信號器。這種慣性系�(tǒng)早期的精度為0.15海里/小時,被美國空軍選用于B一52H、B一1等型號的飛機,稱為標準精密導航儀(SPN),已生�(chǎn)800套以上�1983年試飛的結果表明,這種慣性系�(tǒng)�12小時連續(xù)飛行�,定位誤差僅為48�,相當�0.02海里/小時。這是目前精度的飛機慣性導航系�(tǒng)。據(jù)該公司介�,空心轉子靜電陀螺儀與g無關的漂移誤差小�0.0002�/小時;與g�92有關的漂移誤差系�(shù)分別小于0.02�/小時/g�0.0002�/小時/g平方。由于靜電陀螺儀與加速度有關的漂移誤差系�(shù)非常�,在飛機等加速度和振動干擾較大的載體�,采用靜電陀螺儀可以顯著地減小機動飛行造成的慣性系�(tǒng)誤差。這是GEANS被美國空軍選用的原因之一�
    70年代中期,人們開始把慣性系�(tǒng)用于大地測量。美國國防測繪局(DMA,De一fenseMappingAgency)選擇GEANS系統(tǒng)作為大地測量和地球重力場測量的儀�。在軟件作相應的改造之�,這種系統(tǒng)的型號稱為GEO一SPIN,意思是大地測量用的標準精密慣性導航儀。根�(jù)1953年Honeywell公司的介�,這種系統(tǒng)�30一60公里的測線上,定位誤差�25~50厘米,相當于一等測量控制點的精�,。西德等國的軍事部門曾采用GEO一SPIN系統(tǒng)進行山區(qū)重力場的測量,重力異常值測量精度為3毫伽,垂線偏差角的測量誤差小于1角秒。這種系統(tǒng)是目前可以同時定位和測量重力的儀�。尤其可貴的�,在GEO一SPIN中靜電陀螺儀租撓性加速度計的誤差系數(shù)只需要每年校準一�。這充分表�(xiàn)出靜電陀螺儀誤差的長時間�(wěn)定��
    靜電陀螺儀的弱點是承載能力受到電場擊穿場強的限�,通常小于30g。由于轉子加轉過程中將受�,一般靜電陀螺儀選擇工作溫度稍高,并要求較嚴格的溫度控�。此外陀螺啟動時不可避免地會�(chǎn)生章�,需要一定的時間加以阻尼。這些特點使得靜電陀螺儀不宜用于�(zhàn)術武�,應當用于高精度長時間工作的場��
    國內研究成果
    1965年我國確定研制靜電陀螺儀,由清華大學等單位承擔�1965~1971年原理樣機研制成�,1971一1980年轉入應用研究階�,并在1976年研制成功靜電陀螺三軸穩(wěn)定平�,在飛機上進行�13次飛行試驗。在海洋重力儀�(wěn)定平�,浪高儀平臺等多種產(chǎn)品中,靜電陀螺儀得到了海上試驗的考核,證明靜電陀螺儀完全可以滿足飛機和船舶的�(huán)境條��1985年靜電陀螺儀通過了部級技術鑒�,長時間工作的精度達到了相當高的水�,并有較大的潛��

未來�(fā)展展�

    靜電陀螺儀是目前精度的陀螺儀,而且適用于長時間工作的環(huán)�,因而在核潛艇和遠程飛機上已�(jīng)得到普遍應用�
    美國Stafnord大學在NASA的支持下目前正在研制�(wèi)星上用的靜電陀螺儀,準備�1990年把載有4只實心石英轉子的靜電陀螺儀裝入�(wèi)星送入軌道,整個計劃稱為“GP-B”計�(意指重力試驗計劃),目的是量測廣義相對論效應下陀螺儀的進動。由于這種進動速度的理淪計算值非常小:
    (1)在衛(wèi)星軌道平面內�6.9角秒/�;
    (2)在地球赤進平面內�0.044角秒/�。這種靜電陀螺儀的漂移誤差應當小�0.3x10^�-6)角�/�,相當�3X10^�-11)度/小時�
    Stanford大學的GP一B計劃1985年得到了NASA的巨額經(jīng)�,并與Lockheed導彈公司合作。應當指�,他們所研制的靜電陀螺儀將來可以用在�(wèi)星和航天飛行器上,作為慣性坐標系的基�。聯(lián)系到美國正在大力開展星球大戰(zhàn)計劃,重視這一項目看來不僅是為了研究廣義相劉浦侖效應的實驗�

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