Как это работает. Гироскоп
Механизм, изобретенный в начале XIX века, сегодня находит применение практически повсеместно. Гироскопы используются в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах, игровых приставках и квадрокоптерах. Рассказываем об удивительном гироскопе – его истории, устройстве и принципе действия.
От детского волчка до полетов в космос
В основе многих научных открытий лежит наблюдение за простыми повседневными вещами. Так и один из важных приборов, применяющихся в составе современных устройств, – гироскоп – родился из старинной детской игрушки, известной как волчок. Сильно раскрученный волчок, удерживающий вертикальное положение даже при воздействии на него внешних сил, привлек внимание ученых. Изучая его свойства, люди науки задумывались о практическом применении эффекта. Волчком интересовались англичанин Исаак Ньютон, российский академик Леонард Эйлер, опубликовавший в 1765 году труд «Теория движения твердых тел», и другие ученые.
Первые механические гироскопы появились в начале XIX века. Но только в 1852 году французский физик Леон Фуко предложил использовать устройство для контроля изменения направления и дал ему название «гироскоп». Первый промышленный гироскоп был создан в конце XIX века − австрийский инженер Людвиг Обри придумал использовать его для стабилизации курса торпеды.
Следующим шагом в истории гироскопии стало создание лазерного гироскопа. Подготовка к его «рождению» заняла практически весь XX век, ведь для этого нужно было подтянуть квантовую физику и создать новые методы обработки материалов. Разработка лазерных гироскопов началась в 1970-х годах, а массовое применение пришлось на 2000-е. Сегодня мы находимся на этапе развития нового поколения гироскопов – волновых твердотельных и микромеханических.
В наше время гироскопы применяются в самых разных областях: для стабилизации фото- и видеокамер, в мобильных устройствах и игровых контроллерах, в огнестрельном оружии и робототехнике, в гироскутерах и квадрокоптерах, в системах навигации и управления в авиации, на кораблях и в космосе. Современные гироскопы на МЭМС-технологиях могут достигать миллиметровых размеров.
Устройство механического гироскопа
Как мы уже выяснили, гироскопы различаются в зависимости от принципа действия. Волчок, или юла – это простейший вариант механического гироскопа. Если массивный волчок раскрутить до достаточно высокой скорости, он сможет долго простоять в вертикальном положении, пока не затормозится, а также практически не отклоняться по вертикальной оси при применении к нему силы. Волчок не падает благодаря тому, что вращающееся тело стремится сохранить величину своей угловой скорости и направление оси вращения. Свободно вращающийся волчок под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей. Это явление называется прецессией.
Рассмотрим устройство на примере чуть более сложного роторного гироскопа с тремя степенями свободы. Подобный гироскоп, способный выполнять роль гирокомпаса, демонстрировал Леон Фуко. Три степени свободы гироскопа обеспечиваются с помощью карданового подвеса. Он состоит из двух колец: большого кольца, которое может вращаться вокруг вертикальной оси, и малого кольца, вращающегося вокруг горизонтальной оси. Внутри малого кольца закрепляется вращающееся тело – ротор. В результате благодаря кардановой системе подвеса ось ротора может иметь любое направление.
Механический гироскоп в движении
Для начала работы ротор раскручивается: чем быстрее раскручено колесо ротора, тем выше его сопротивление изменениям направления оси вращения. Как бы мы ни вращали все устройство, движущийся внутри него ротор сохраняет направление оси вращения в пространстве.
На этих свойствах вращающегося гироскопа основана работа гирокомпаса. Например, в авиации гирокомпас позволяет определять положение самолета в отсутствие ориентиров. Если самолет кренится в продольной или поперечной плоскости, с помощью гирокомпаса пилот увидит это отклонение по приборам. Кроме того, гирокомпас необходим в работе автопилота.
При очевидной полезности у механического гироскопа есть ряд недостатков. Для его стабильной работы нужны уникальные подшипники и предельная балансировка. Кроме того, на точность показаний влияет неизбежное трение в осях устройства.
Лазерный гироскоп − до сих пор на высоте
Избавиться от перечисленных слабых мест механики удалось в гироскопах следующего поколения − лазерных. В основе работы лазерного гироскопа – эффект Саньяка, открытый еще в 1913 году. Его суть заключается в том, что время прохождения светового луча по замкнутому контуру зависит от того, покоится или вращается данный контур, а также от направления его вращения. Применить этот эффект в гироскопии удалось только с появлением лазеров.
Первые работы по созданию лазерного гироскопа были начаты практически одновременно в США и СССР. В 1962 году американские ученые В. Мацек и Д. Девис создали и запустили первый макетный образец лазерного гироскопа на базе кольцевого газового He-Ne-лазера. В середине 1963 года аналогичный результат был достигнут советскими учеными Л.Н. Курбатовым (НИИПФ) и В.Н. Курятовым (НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, сегодня входит в холдинг «Швабе» Ростеха).
Бесплатформенная навигационная система БИНС-СП-1 с лазерным гироскопом
Впоследствии наиболее значимые разработки лазерных гироскопов были организованы в НИИ «Полюс» под руководством его основателя М.Ф. Стельмаха, а начиная с 1969 года запущено промышленное производство и поставки серийных образцов.
Сегодня применяются лазерные гироскопы трех основных типов – вибрационный, фарадеевский и зеемановский. У первого частотная подставка основана на механическом реальном вращении гироскопа путем угловых вибраций, у второго и третьего – на искусственном, электрически управляемом расщеплении частот встречных волн в гироскопе. Лазерные гироскопы используются в составе инерциальных навигационных систем, позволяющих определять местоположение самолета без опоры на внешние источники информации.
Помимо НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха на сегодняшний день масштабными производителями лазерных гироскопов являются Раменский приборостроительный завод и Тамбовский завод «Электроприбор», входящие в «Концерн Радиоэлектронные технологии». Их гироскопы применяются в навигационных устройствах, которые устанавливаются на десятки моделей российских самолетов и вертолетов. Несмотря на общую тенденцию к миниатюризации техники и на совершенствование гироскопов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС-технологии), лазерные гироскопы в силу своей высокой точности продолжают доминировать на рынке навигационных устройств.
События, связанные с этим
Как это работает. Высотомер
Ка-62: из военных в гражданские
ГИРОСКОП
быстро вращающийся ротор (волчок, диск, маховик), ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве. Наиболее распространены Г. в кардановом подвесе, обеспечивающем 3 степени свободы по 3 осям вращения. При отсутствии внешних сил ось такого Г. устойчиво сохраняет первоначальное направление, приданное ей при пуске ротора. Г. широко применяются в качестве основы различных гироскопических устройств.
Синонимы:
виброгироскоп, волчок, жироскоп
Синонимы слова «ГИРОСКОП»:
Смотреть что такое ГИРОСКОП в других словарях:
ГИРОСКОП
(Gyroskope). Под гироскопом подразумевается прибор, в состав которого входит так называемый tore, или, по-русски, волчок, состоящий из оси (обыкновенно. смотреть
ГИРОСКОП
(от Гиро. и . скоп) быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве. Г. обладает рядом . смотреть
ГИРОСКОП
ГИРОСКОП, -а, м. Используемый для автоматического регулированияустойчивости прибор с диском и свободной осью, всегда сохраняющей неизменноеположение. II прил. гироскопический, -ая, -ое и га-роскопный, -ая, -ое. смотреть
ГИРОСКОП
гироскоп м. Свободно подвешенное, быстро вращающееся тело (волчок), ось вращения которого может изменять свое положение в пространстве, но благодаря быстрому вращению сохраняет неизменное направление при любых изменениях положения подвеса.
. смотреть
ГИРОСКОП
гироскоп м. тех.gyroscope
ГИРОСКОП
гироскоп сущ., кол-во синонимов: 4 • виброгироскоп (1) • волчок (4) • жироскоп (1) • свч-гироскоп (1) Словарь синонимов ASIS.В.Н. Тришин.2013. . Синонимы: виброгироскоп, волчок, жироскоп. смотреть
ГИРОСКОП
ГИРОСКОП (от гиро. и . скоп), быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения к-рого может изменять своё направление в пространстве. Г. обладает ряд. смотреть
ГИРОСКОП
Гироскоп (Gyroskope). — Под гироскопом подразумевается прибор, в состав которого входит так называемый tore, или, по-русски, волчок, состоящий из оси (. смотреть
ГИРОСКОП
(от греч. gyros — круг, gyreuo — кружусь, вращаюсь и skopeo — смотрю, наблюдаю), быстро вращающееся симметричное тв. тело, ось вращения к-рого . смотреть
ГИРОСКОП
gyroscope* * *гироско́п м.gyro(scope)аррети́ровать гироско́п — cage a gyroвводи́ть гироско́п в меридиа́н — settle a gyro on the meridian, align a gyr. смотреть
ГИРОСКОП
ГИРОСКОП(греч., от gyros — круг, и skopein — смотреть). Прибор, придуманный Фуко для доказательства вращения земли, основанный на отклонении плоскости . смотреть
ГИРОСКОП
ГИРОСКОПнавигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться. Три степени свободы (оси возможного вращения) ротора гироскопа обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса. Если на такое устройство не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения ротора сохраняет постоянное направление в пространстве. Если же на него действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия).В хорошо сбалансированном (астатическом) и достаточно быстро вращающемся гироскопе, установленном на высокосовершенных подшипниках с незначительным трением, момент внешних сил практически отсутствует, так что гироскоп долго сохраняет почти неизменной свою ориентацию в пространстве. Поэтому он может указывать угол поворота основания, на котором закреплен. Именно так французский физик Ж.Фуко (1819-1868) впервые наглядно продемонстрировал вращение Земли. Если же поворот оси гироскопа ограничить пружиной, то при соответствующей установке его, скажем, на летательном аппарате, выполняющем разворот, гироскоп будет деформировать пружину, пока не уравновесится момент внешней силы. В этом случае сила сжатия или растяжения пружины пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. Таков принцип действия авиационного указателя поворота и многих других гироскопических приборов. Поскольку трение в подшипниках очень мало, для поддержания вращения ротора гироскопа не требуется много энергии. Для приведения его во вращение и для поддержания вращения обычно бывает достаточно маломощного электродвигателя или струи сжатого воздуха.Применение. Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии. См. также МАХОВИК.Основные области применения гироскопов — судоходство, авиация и космонавтика (см. ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ). Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами. В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами. Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота. На многих самолетах предусматриваются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование — навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания.Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4-20 см, причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.См. также:ГИРОСКОП: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯГИРОСКОП: ГИРОСКОП С ТРЕМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫГИРОСКОП: ДВУХСТЕПЕННЫЙ ГИРОСКОП. смотреть
ГИРОСКОП
Рис. 1. Трёхстепенной гироскоп в кардановом подвесе.гироско́п (от греч. gyréuō кружусь, вращаю, и scopeo смотрю, наблюдаю) устройство для измерен. смотреть
Четырехчастотный гироскоп: на шаг ближе к Арктике
«Почему лазеры, почему навигация? Потому что считается, что уровень развития страны определяется тем, какого качества у нее есть навигационные системы, как ни странно это звучит», ― так отвечает Алексей Фомичев на вопрос о предпосылках создания и основания лаборатории. Речь идет о точном вычислении местоположения чего угодно. Легко ориентироваться, стоя на твердой поверхности; но стоит подняться в воздух, как земля улетает со скоростью 700 км/ч. Мы оказываемся в абсолютном пространстве, где важно точно знать свои координаты. Поэтому самолеты, ракеты и корабли нуждаются в качественных навигационных системах.
Руководитель лаборатории Алексей Фомичев. Фото: Андрей Змеев
В 1990 году сотрудники и выпускники МФТИ основали «ЛАЗЕКС» ― предприятие для исследования и разработки навигационных систем на основе лазерных гироскопов. Работа фирмы началась с первых лазерных систем по заказу «Аэрофлота», когда в большинстве самолетов использовали приборы на основе механических гироскопов. Они были не просто неточными, но и очень ненадежными. Так, среднее «время жизни» той навигационной системы равнялось всего 170 часам: пять раз слетать из Норвегии в Японию и обратно. Такое маленькое время работоспособности оборудования приемлемо в военных самолетах или в ракетах ― дольше и не нужно. Гражданская же техника должна работать десятки тысяч часов без нареканий.
Уже в 95-м команда Фомичева оборудовала лазерными навигационными системами грузовые самолеты ИЛ-76. Первые «лазеры» по надежности не сильно отличались от механических предшественников, но спустя время сотрудники «ЛАЗЕКСа» добились десяти тысяч часов работы прибора. «Есть у нас лазерный гироскоп, который работает 10 тысяч часов и больше… Сейчас на Кубе летают самолеты с нашей навигацией уже по 17–18 тысяч часов. Механические системы столько «не живут»», ― комментирует Алексей Фомичев.
Курс на Арктику
Два года назад завлабораторией и его сотрудники получили государственное задание на разработку высокоточного датчика для полетов в арктические регионы. «Вертолеты России» ожидают новую навигационную систему к 2022–2023 году. Алексей Фомичев признает, что времени мало.
Навигация в Арктике сопряжена с проблемами, которых не возникает в остальных регионах. Туман, ветер, минус 50 за окном, а полярная станция одна в радиусе 300 километров ― если пролететь мимо, горючего на обратный путь может не хватить. Пилот в Арктике окружен белым безмолвием. Вероятность найти дорогу без высокоточной навигационной системы самостоятельно стремится к нулю.
В таких условиях нужен точный и долговечный прибор, и лазерный гироскоп кажется подходящей «начинкой» для системы. Обычные лазерные гироскопы работают на основе эффекта Саньяка: изменение угловой скорости вращения пропорционально сдвигу по фазе встречных электромагнитных волн в кольцевом интерферометре. Но когда вертолет летит в арктических широтах, он находится в непосредственной близости от магнитного полюса, где магнитные поля меняются быстро и непредсказуемо. Поэтому из-за действия эффектов Фарадея и Зеемана у стандартных приборов возникает большая погрешность в определении углов курса. Точность ухудшается в несколько раз.
Фото: Андрей Змеев
Разрабатываемый лабораторией четырехчастотный лазерный гироскоп призван избавить датчик от ошибок, вызванных магнитными полями. Вместо двух стандартных волн в нем распространяются волны на четырех разных частотах: две с левой круговой поляризацией и две ― с правой. На волны левой и правой поляризаций магнитное поле действует ровно противоположно, то есть абсолютное значение погрешности одинаково, но отличается знак. Поэтому после усреднения сигналов магнитная составляющая обнуляется.
Хотя сам четырехчастотный гироскоп уже сконструировали, просто поставить его в самолет и полететь в Арктику не получится. Перед тем, как прототип на основе новых физических принципов станет прибором, его надо тщательно исследовать и разработать подходящее компьютерное обеспечение. Нужна цифровая электроника, чтобы вычислять координаты по показаниям гироскопов и акселерометров. «Поэтому мы рассчитываем изучить работу нашего гироскопа на стенде. Далее будем с индустриальными партнерами совместно производить прототипы таких приборов», ― планирует Алексей Фомичев.
Фото: Андрей Змеев
Тест-драйв гироскопа
В лаборатории не только проектируют, строят и исследуют датчики, но и пишут программы для преобразования результатов измерений в понятный человеку вид. Сотрудники могут собрать систему навигации от и до, остается только поставить в самолет. Ограничение техническое: чтобы качественно производить датчики сотнями штук, нужно оптимизировать процессы, необходимы специальные заводы. Такие фабрики в России есть. Роль лаборатории лазерных навигационных систем пионерная ― сделать прототип, пройти испытания. После этого можно запускать производство в индустриальном масштабе.
Испытания нового датчика ― как раз следующий пункт в чек-листе ученых. В декабре лаборатория получила от Физтеха высокоточный имитатор движения. Этот стенд калибрует ошибки во вращении гироскопов, запоминает их реальные, а не идеальные теоретические характеристики. В результате система обучается разным условиям эксплуатации.
Фото: Андрей Змеев
Одного гироскопа для испытаний в имитаторе движения недостаточно, потому что он измеряет угловую скорость вращения только по одной координате. Минимум два, а лучше три гироскопа становятся рабочим прибором только в комплекте с электроникой, которая по показаниям гироскопов вычисляет координаты. Калибровка такой сложной системы раньше занимала две недели. С появлением нового стенда можно уложиться в сутки.
В лаборатории сотрудников немного ― дюжина человек. У каждого своя задача. Алексей Фомичев помогает всем быть в курсе работы друг друга: если человек не понимает общей цели, вряд ли он правильно представляет себе конечный результат. Завлаб задает направление исследований и продумывает основные идеи. Ему и принадлежит идея четырехчастотного гироскопа.
Фото: Андрей Змеев
В лаборатории работают аспиранты, несколько преподавателей, два доцента ― пока все физтехи. Штат будет расширяться: планируется взять в аспирантуру ребят и из МАИ. В приоритете молодые физики, которые продолжат исследования в лаборатории.
Сам Алексей Фомичев окончил аспирантуру на кафедре квантовой электроники. После выпуска работал в «Полюсе» ― базовом НИИ кафедры, а в 1975 году вернулся в МФТИ. В 90-м защитил докторскую диссертацию, основал «ЛАЗЕКС», в 94-м получил звание профессора. Сейчас он руководит лабораторией, «ЛАЗЕКСом» и работает заместителем руководителя кафедры квантовой электроники.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Российская армия начала использовать новую «чудо-бомбу» на Украине
Вооруженные силы России в зоне СВО начали применять новый боеприпас. Украинские боевики назвали его «чудо-бомбой» россиян.«Он представляет собой крылатую планирующую бомбу 30 сантиметров в диаметре», – пишут медиа.
Российские войска начали применять в зоне спецоперации новую разновидность боеприпасов – это универсальная межвидовая планирующая бомба УМПБ Д-30CH. Эти бомбы оснащены спутниковой системой самонаведения на цель, а их боевая часть весит свыше 100 килограммов.
Их могут использовать не только авиационные войска, но и сухопутные. Так, боеприпас подходит для применения посредством РСЗО «Торнадо»: в этом случае он фактически превращается в ракету.
Российские военные самолеты на сегодняшний день применяют новые бомбы без двигателя, однако эксперты предполагают, что вскоре он появится и на авиационном варианте УМПБ Д-30CH.
Украинские боевики уже отметили высокую эффективность «чудо-бомбы» ВС РФ, передает « Газета .ру» со ссылкой на телеграм-канал Fightbomber.