前面我們介紹了陀螺的進動性和穩定性,但是我們知道在實際陀螺儀中,由於結構和工藝的不盡完善,總是不可避免的存在有幹擾力矩。例如,框架上支撐的摩擦力矩,陀螺組件的質量不平衡力矩等等,這些都是作用在陀螺儀上的幹擾力矩。因此,要在有幹擾力矩的情況下來討論陀螺儀的穩定性或定軸性問題,才有實際意義。
今天我們來看一下在在幹擾力矩的作用下陀螺的漂移。我們首先來看一下它的概念。在幹擾力矩的作用下,陀螺儀將產生進動,使自轉軸相對慣性空間偏離原來給定方位。在幹擾力矩作用下陀螺自轉軸的方位偏離運動,稱為陀螺漂移或簡稱漂移。
在幹擾力矩的作用下的陀螺進動角速度即為陀螺漂移角速度,進動的方向即為漂移的方向。設陀螺角動量為H,作用在陀螺儀的幹擾力矩為Md,則漂移角速度的量值顯然為:
陀螺儀可以在多種對象和系統中應用,隨著使用場合的不同,對陀螺漂移率的要求也不相同,就一般而言,在指示儀表或者飛行控制系統中應用時,對陀螺儀精度的要求相對低一些,其漂移率要求一般為幾十度每小時到1度每小時;
在飛機和艦船慣性導航或戰略飛彈慣性制導系統中應用時,對陀螺儀的精度就必須很高,其漂移率要求一般為0.01度/小時~0.001度/小時甚至更小(漂移率達到或小於0.01度/小時的陀螺儀常稱之為慣性級陀螺儀)。而且,工作時間越長,對陀螺儀精度的要求也越高,例如長時間在水下潛伏航行的核潛艇中使用的慣性導航系統,就需要有極低漂移率的陀螺儀才行。
為降低陀螺漂移率,應儘量減小幹擾力矩,在陀螺儀中造成幹擾力矩的因素有很多,例如框架上支承的摩擦、陀螺組件的質量不平衡、結構的非等彈性、輸電裝置的接觸摩擦或彈性約束、電磁元件的電磁幹擾以及製造工藝上的誤差等。在陀螺儀的設計、結構、材料和工藝等方面,都應儘量減小造成幹擾力矩的各種因素。另一方面,則是不斷尋求各種新穎支承方法和新穎工作原理的陀螺儀,以期獲得更低的漂移率。
為降低陀螺漂移率,還必須適當增加陀螺角動量,這可通過適當增大轉子轉動慣量和自轉軸速度來實現,但過多加大角動量會帶來儀表體積、重量、功耗和發熱增大等不利影響,而且對降低漂移率並無明顯效果、這是因為隨著重量的增大,與重量有關的幹擾力矩例如軸承摩擦和質心偏移等引起的幹擾力矩也相應增大。而且隨著發熱的增大,與發熱有關的幹擾力矩,例如熱變形和熱對流等引起的幹擾力矩也相應增大。這樣一來,使得增大角動量的效果在很大程度上被幹擾力矩的增大所低消,甚至還會適其反。
通過上面的介紹我們知道了陀螺漂移是由於幹擾力矩所引起的,陀螺漂移也有漂移角速度,精度要求越高的導航系統,要求陀螺的漂移也要越小。現在人們已經製造出了各式各樣的新型陀螺儀,我們也知道終有一天經典陀螺會退出歷史舞臺。
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