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(diǎn)是利用超高真空中的強(qiáng)電場�(chǎn)生支承力,取代陀螺馬�(dá)和萬向支架的三對�(jī)械軸�,�(gòu)成一個理想的軸承系統(tǒng),即既沒有�(jī)械接�,又沒有氣體阻力的軸承。在陀螺轉(zhuǎn)子加�(zhuǎn)到需要的�(zhuǎn)速之�,加轉(zhuǎn)電源被切�,�(zhuǎn)子在慣性作用下將長時間自轉(zhuǎn)�
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�(dá)10�10�/�。它不能承受較大的沖擊和振動。它的缺�(diǎn)是結(jié)�(gòu)和制造工藝復(fù)雜,成本較高�
靜電陀螺儀是一種球形轉(zhuǎn)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�(xué)諾爾西克教授�1954年向美國海軍研究辦公室提出來的。他提出的方案是赤道上帶土星�(huán)的空心球�(zhuǎn)子框架式靜電陀螺儀.它對�(zhuǎn)子式不施矩的。因此出了漂移外,�(zhuǎn)子主軸和殼體對應(yīng)的軸將在慣性空間保持形同的姿態(tài)。這實(shí)�(zhì)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�(zhuǎn)子自由陀螺儀�
1955年美國海軍正式立�(xiàng)開始研究,Honeywell公司、GeneralElectric公司以及Arma公司很快也加入了該項(xiàng)�。Rockwell跨國公司的Autonetics分公司是1959年開始研究的.在早期的研究�,只有Honeywell公司和Autonetics分公司的工作�(shí)�(xiàn)了導(dǎo)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(jì)50�60年代,液浮陀螺導(dǎo)航系�(tǒng)占據(jù)了艦船慣性導(dǎo)航系�(tǒng)的統(tǒng)治地�。靜電陀螺儀�(xiàng)目當(dāng)時并未被海軍選用,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�(dǎo)航系�(tǒng),企圖應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)�,但始終未成為裝備�
球形�(zhuǎn)子安裝在支承電極的球腔之中。圖上只畫出一�,�(shí)際上同樣的系�(tǒng)共有三路。整個電極球腔分割為12塊等面積的電�。當(dāng)�(zhuǎn)子偏離電極中心時,在相�(yīng)的兩塊電極上將同時接通正和負(fù)等幅度的控制電壓,使轉(zhuǎn)子回到電極中心位�,同時�(zhuǎn)子始終處在地電位,從而解除了三路支承之間的藕合關(guān)��
�(zhuǎn)子的姿態(tài)角通過光電信號器轉(zhuǎn)換為電信�。圖為轉(zhuǎn)子表面上刻線的情�。在�(zhuǎn)子極�(diǎn)的一�(cè)刻有矩形圖線,�(dāng)�(zhuǎn)子的極點(diǎn)偏離頂端光電信號器時,將有�(zhuǎn)子自�(zhuǎn)頻率的正弦波信號輸出,其幅度和偏角的大小成正比。側(cè)面刻線由�(cè)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(zhǔn)。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�
靜電陀螺儀具有加轉(zhuǎn)和阻尼線�。在陀螺啟動之�,這些線圈不再接入加轉(zhuǎn)和阻尼電�,而是作為加矩線圈使用。如�3所�,如果把頂端和�(cè)面的光電信號送入加矩控制線路,則可以把陀螺轉(zhuǎn)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�(bǔ)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�。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置�
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(xiàn)�,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�(shù)水平。蘇�(lián)和法國也有不少研究報告發(fā)�,但是沒有�(guān)于產(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(dǎo)�。經(jīng)過原理樣�(jī)研制階段,�60年代初開始轉(zhuǎn)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�(dān),分別研制�(shí)心轉(zhuǎn)子和空心�(zhuǎn)子的靜電陀螺儀�
�(shí)心轉(zhuǎn)子靜電陀螺儀是在1964年開始研制的,被轉(zhuǎn)子的直徑�10毫米,采用�(zhuǎn)子質(zhì)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�(jī)慣性系�(tǒng),型號先后有N57,N73和N73H�,但未被空軍采用�
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�(yàn)的優(yōu)異結(jié)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�。ESGM作為潛艇�(nèi)部的定位基準(zhǔn),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(dǎo)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�(yīng)用�
空心�(zhuǎn)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(jī)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�(zhuǎn)子和光電信號�。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(jī),稱為�(biāo)�(zhǔn)精密�(dǎo)航儀(SPN),已生�(chǎn)800套以��1983年試飛的�(jié)果表�,這種慣性系�(tǒng)�12小時連續(xù)飛行�,定位誤差僅為48�,相當(dāng)�0.02海里/小時。這是目前精度的飛�(jī)慣性導(dǎo)航系�(tǒng)。據(jù)該公司介�,空心�(zhuǎn)子靜電陀螺儀與g無關(guān)的漂移誤差小�0.0002�/小時;與g�92有關(guān)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(guān)的漂移誤差系�(shù)非常�,在飛�(jī)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(jī)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�(yīng)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�(biāo)�(zhǔn)精密慣性導(dǎo)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(dāng)于一等測量控制點(diǎn)的精�,。西德等國的軍事部門曾采用GEO一SPIN系統(tǒng)�(jìn)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�(zhǔn)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�(diǎn)是承載能力受到電場擊穿場�(qiáng)的限�,通常小于30g。由于轉(zhuǎn)子加�(zhuǎn)過程中將受熱,一般靜電陀螺儀選擇工作溫度稍高,并要求較�(yán)格的溫度控制。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(diǎn)使得靜電陀螺儀不宜用于�(zhàn)�(shù)武器,�(yīng)�(dāng)用于高精度長時間工作的場��
國內(nèi)研究成果
1965年我國確定研制靜電陀螺儀,由清華大�(xué)等單位承�(dān)�1965~1971年原理樣�(jī)研制成功,1971一1980年轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階�,并在1976年研制成功靜電陀螺三軸穩(wěn)定平�,在飛�(jī)上�(jìn)行了13次飛行試�(yàn)。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�(yàn)的考核,證明靜電陀螺儀完全可以滿足飛機(jī)和船舶的�(huán)境條��1985年靜電陀螺儀通過了部級技�(shù)鑒定,長時間工作的精度�(dá)到了相當(dāng)高的水平,并有較大的潛力�
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�(yuǎn)程飛�(jī)上已�(jīng)得到普遍�(yīng)��
美國Stafnord大學(xué)在NASA的支持下目前正在研制�(wèi)星上用的靜電陀螺儀,�(zhǔn)備在1990年把載有4只實(shí)心石英轉(zhuǎn)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(yàn)計劃),目的是量測廣義相對論效應(yīng)下陀螺儀的�(jìn)�。由于這種�(jìn)動速度的理淪計算值非常小:
(1)在衛(wèi)星軌道平面內(nèi)�6.9角秒/�;
(2)在地球赤�(jìn)平面�(nèi)�0.044角秒/�。這種靜電陀螺儀的漂移誤差應(yīng)�(dāng)小于0.3x10^�-6)角�/�,相當(dāng)�3X10^�-11)度/小時�
Stanford大學(xué)的GP一B計劃1985年得到了NASA的巨額經(jīng)�(fèi),并與Lockheed�(dǎo)彈公司合作。應(yīng)�(dāng)指出,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�(biāo)系的基準(zhǔn)。聯(lián)系到美國正在大力開展星球大戰(zhàn)計劃,重視這一�(xiàng)目看來不僅是為了研究廣義相劉浦侖效應(yīng)的實(shí)�(yàn)�