Как это устроено: Гироскопы

См. также № 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13/09

Гироскопы – это скрытый мозг, поддерживающий на курсе самолёты в воздухе, спутники на орбите и суда в океане. Первые гироскопы для практического применения начали выпускаться в 1910 г. фирмой Sperry Gyroscope Co. Это были судовые стабилизаторы и так называемый «искусственный горизонт», который показывал пилотам высоту полёта. После смерти изобретателя и основателя фирмы Элмера Сперри в 1930 г. многочисленные дочерние фирмы продолжили дело и воплотили 400 его патентов в автоматизированные системы навигации и наведения военного назначения, предназначенные для использования в самолётах, ракетах, бомбах, спутниках и космических аппаратах. Сегодня гироскопы, как неотъемлемая часть навигационной системы, устанавливаются на роботах, в антиблокировочных системах (предотвращающих пробуксовывание колёс автомобиля), на автомобильных приборных досках, в космических летательных аппаратах и космических телескопах, марсоходах и системах индивидуального передвижения космонавтов в открытом космосе. Работа гироскопа базируется на двух принципах: любая вращающаяся масса стремится сохранить положение своей оси вращения в пространстве. Вращающийся гироскоп поддерживает постоянной ориентацию спутника относительно Земли, что обеспечивает надёжную связь с ним. Вращающаяся масса сопротивляется действию силы, стремящейся изменить её положение. В середине 1900-х гг. на судах ставили гигантские гироскопы, массой несколько тонн, которые вращались с помощью двигателей. Эти устройства выравнивали положение судна на волнах, поддерживая его всё время «мачтами вверх». Свободно вращающийся гироскоп под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей – прецессирует. Прецессия возникает, например, если крыло самолёта, в котором установлен гироскоп, начинает крениться. Тогда пилот на приборной доске видит угол поперечного крена (wing angle), что очень важно, если нет никаких ориентиров. Кроме того, он видит продольный крен (pitch of the plane), от носа до хвоста. Если гироскоп связан с акселерометрами (приборами, измеряющими скорость самолёта), то может функционировать как автопилот, т.е. автоматически поддерживать самолёт на курсе. Механических гироскопов сейчас всё меньше и меньше. В 1980-х гг. появились кольцевые лазерные и световодные гироскопы, которые точнее отслеживают изменения параметров полёта по изменению интерференционной картины. Кроме того, они легче и компактнее. Стоит лазерный гироскоп 3–4 тыс. долл. Путём микромеханической обработки кварца или кремния делают также крошечные гироскопы, чувствующие параметры вибраций. Они не такие точные, но зато могут производиться в больших количествах, как интегральные схемы, и довольно дёшевы – примерно по 20 долл. за штуку. Применяются такие гироскопы в бытовых устройствах и, в частности, в автомобилях.

• В микромеханическом гироскопе кремниевое кольцо свободно подвешено на изогнутых кремниевых пружинках, которые одним концом крепятся к неподвижной центральной шайбе. Когда на управляющие электроды подаётся напряжение, то под действием электростатических сил кольцо начинает вибрировать, возникает стоячая волна, которую отслеживают считывающие электроды. Если кольцо под действием внешних сил поворачивается, стоячая волна искажается, и сигнал о направлении поворота поступает на считывающие электроды. По величине искажений можно судить о скорости поворота.

• В кольцевом лазерном гироскопе при подаче напряжения на два анода и катод газ возбуждается и генерируются две световые волны одной и той же частоты, распространяющиеся в противоположных направлениях. На детекторе возникает интерференционная картина. Если кольцо поворачивается под действием внешней силы, то одна волна распространяется немного быстрее другой, и по изменению интерференционной картины можно судить о скорости и направлении поворота. Чтобы частоты пучков слегка различались исходно, миниатюрный моторчик трясёт лазер.

• В гироскопе с динамической подстройкой железный ротор приводится во вращение двигателем постоянного тока и вращается в подшипниках с постоянной скоростью. Если гироскоп поворачивается под действием внешней силы, ротор начинает прецессировать, что вызывает изменение магнитного поля и появление сигнала, который несёт информацию о направлении и скорости поворота. Этот сигнал также воздействует на магниты подстройки, которые компенсируют прецессию, не допуская тем самым, чтобы ротор упёрся в кожух.

Знаете ли вы, что?..

• Стабильность показаний (уход) гироскопа зависит от трения в подшипниках и температуры. Наилучший пока результат – 0,01 град/ч, что позволяет навести снаряд на цель с точностью 1 морская миля (1,6 км) после часа полёта. Во время афганской войны бомбы наводились гироскопами с уходом 1 град/ч. Гироскопы в антиблокировочных автомобильных устройствах имеют уход 3600 град/ч, но вполне удовлетворяют потребителя, поскольку они задействованы очень короткое время, всего несколько секунд.

• В 1914 г. на аэрошоу в Париже Лоуренс Сперри, сын изобретателя гироскопа, продемонстрировал действие этого устройства: он провёл свой биплан на бреющем полёте, убрав руки с ручек управления, а его механик в это время прогуливался по крылу. Позднее отец и сын изобрели устройство, названное ими автоматическим пилотом, которое позволило Вилли Посту осуществить в 1933 г. первый кругосветный полёт. Автопилоты на судах часто называют «Железный Майк» (Metal Mike), признавая его невидимым членом экипажа.

• Законы США запрещают экспорт высокоточных гироскопов. В 1999 г. был арестован китайский бизнесмен, который пытался приобрести световодный гироскоп, предназначенный для наведения «умных» бомб. В 1995 г. ныряльщики подняли такой гироскоп со дна Тигра вблизи Багдада и передали его СССР, где в то время разрабатывались системы наведения баллистических ракет.

Продолжение следует

Scientific American, 2002, June, p. 96–97.
Сокр. пер. с англ. Н.Д.Козловой