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技术历史、技术、我们身边的事物
自动驾驶仪。 发明和生产的历史
自动驾驶仪是多个设备的组合，它们的联合操作可以在没有人为干预的情况下自动控制飞机或火箭的运动。 自动驾驶仪的发明构成了航空史上的一个重要时代，因为它使航空旅行更加安全。 至于火箭技术，所有飞行都以无人驾驶模式进行，没有可靠的自动控制系统，这项技术根本无法发展。
自动驾驶的主要思想是自动驾驶严格保持车辆在太空中移动的正确方位。 由于这一点，该设备首先保持在空中并且不会掉落，其次，它不会偏离设定的路线，因为其飞行轨迹主要取决于正确的方向。 反过来，设备在空间中的方向由三个角度决定。 首先，这是俯仰角，即设备的纵轴与地平面（或如他们所说的水平平面）之间的角度。 跟踪这个角度可以让飞机保持纵向稳定性——而不是“点头”，导弹沿着弹道飞行——更准确地击中目标。 其次，这是偏航角，即设备的纵轴与飞行平面（我们称其为垂直于水平面并经过起点和目标点的平面）之间的夹角。 偏航角表示设备与设定航向的偏差。 第三，这是滚动角，即设备主体围绕其纵轴旋转时出现的角度。 及时修正侧倾可以使飞机保持横向稳定性并抑制火箭的不稳定旋转。 如果没有可靠和简单的方法来确定这些角度，那么设备的自动控制将是不可能的。 幸运的是，有这样一种方法，它是基于快速旋转的陀螺仪的特性，使其轴在空间中的位置保持不变。 最简单的陀螺仪是儿童陀螺，绕着它的轴快速旋转。 试着用咔哒一声把它敲下来，你会发现这是不可能的——顶部只会弹到一边并继续旋转。
然而，顶部的轴 OA 没有固定的方向，因为它的端 A 不是固定的。 技术中使用的陀螺仪有一个复杂得多的装置：转子（实际上是顶部）固定在所谓的万向节的（环）1 和 2 内，这使得 AB 轴可以在空间中占据任何位置. 这种陀螺仪可以绕轴 AB、DE 和 GK 进行三个独立的旋转，在悬架 O 的中心相交，悬架 O 相对于底座保持固定。 如前所述，快速旋转的陀螺仪的主要特性是它的轴倾向于在世界空间中稳定地保持给它的原始方向。 例如，如果这个轴最初指向某个恒星，那么随着设备本身的任何运动和随机冲击，即使它相对于地球轴的方向发生变化，它也会继续指向这颗恒星。 1852 年，法国物理学家福柯首次利用这一特性通过实验证明地球绕地轴自转。 因此，“陀螺仪”这个名字在希腊语中的意思是“观察旋转”。
当一些外力开始作用在其轴（或框架）上时，陀螺仪的第二个重要特性就会显现出来，倾向于使其相对于悬架中心旋转。 例如，如果力 P 作用在轴 AB 的末端，那么陀螺仪不会偏离力的作用（就像转子没有旋转时那样），而是会在严格垂直于力的作用，然后是（在我们的例子中）将开始围绕轴 DE 旋转，并以恒定速度。 这种旋转称为陀螺仪的进动，陀螺仪本身绕轴 AB 旋转的速度越慢，它就会越慢。 如果在某一时刻外力的作用停止，则进动同时停止，AB 轴瞬间停止。
在儿童陀螺这样一个简单的陀螺仪中也可以观察到进动，其中支点起悬浮中心的作用。 如果顶部以这样的方式展开，其轴不垂直于地板，而是以某个角度倾斜，那么您可以看到这样的顶部的轴不偏离重力方向（即，向下），但在垂直方向，即轴开始围绕垂直于地板旋转，降低到支点。 陀螺仪的这两个特性是自动驾驶仪中使用的几种仪器的基础。 在 70 世纪 XNUMX 年代，陀螺仪开始在军事事务中用于海上鱼雷的自动机。 在发射鱼雷的那一刻，安装在其上的陀螺仪转子以每分钟数千转的速度旋转。 之后，它的轴总是指向目标。
偏心轮连接到陀螺仪的轴 - 一个圆盘，其中心从机器垂直环的轴偏移。 偏心轮靠在滑阀杆上：当鱼雷准确到达目标时，滑阀活塞关闭了管道 1 和 2 的开口，而转向活塞保持不动。 如果由于某种原因，鱼雷偏离航向，则连接到陀螺仪的偏心轮保持静止，并且线轴杆在弹簧的作用下向左或向右滑动并打开一个孔，压缩空气通过该孔管道 1 或 2 进入转向机。 在压缩空气的作用下，舵机的活塞开始运动并移动方向盘，使鱼雷回到正确的航向。
然后陀螺仪在航空中得到了广泛的应用。 在关于飞机的章节中，已经提到对于第一批飞行员来说，一个重要的问题是在飞行中保持飞机的正确方向。 许多设计师随后考虑创建自动稳定器。 1911 年，美国飞行员斯佩里研制出第一台带有大型陀螺仪的自动稳定器。 第一架配备这种稳定器的飞机于 1914 年投入使用。 而在 20 年代初期，Sperry 公司创造了一个真正的自动驾驶仪。 第一个自动驾驶仪只控制方向舵并监控指定飞行模式的保留。 它们的进一步发展导致出现了自动控制方向舵和飞机发动机的系统。 这种自动驾驶仪已经允许无人驾驶飞行和飞机遥控。 他们在第一批火箭中找到了用途。 历史上第一枚 V-2 弹道导弹的创造者德国设计师比其他人更早面临导弹自动控制的问题。 V-2 稳定机由 Horizon 和 Verticant 陀螺仪仪器组成。
“地平线”可以确定水平面和火箭相对于该平面的倾斜角（俯仰角）。 陀螺仪的转子 1 同时是异步电动机的电枢，其绕组 2 通以交流电。 在火箭发射之前，“地平线”的放置方式使得转子的旋转轴平行于地平线。 为此，控制系统包括一个摆锤（铅锤）5，它固定了陀螺仪轴的偏差。 如果该轴从水平方向向上或向下偏离，钟摆也会偏向一侧并在一侧或另一侧接触。 在这种情况下，电磁铁6接收到一个或另一个极性的信号。 电磁铁开始沿 Y 轴从旋转中心向上或向下作用在陀螺仪的轴上。 结果，出现了进动，使陀螺仪垂直于偏转力。 进动一直持续到转子轴回到水平位置。 此话一出，摆锤5的接触打开，进动瞬间停止。 在开始之前，校正装置被关闭。 使用电位计记录火箭与给定俯仰角的偏差 - 一种具有可变电阻的简单传感器。 这是一个环形框架，上面缠绕着金属丝。 一个接触刷沿着这个框架滑动。 如果刷子在帧的开头，则电路中分别包含较少匝数的导线，电位器的电阻较小，输出电压也变得微不足道（如您所知，电压压降 U 由欧姆定律 U = I • R 确定，其中 I 是电流强度，R - 电阻）。 如果电刷移动到框架的末端，电位器的电阻会增加，因此输出电压也会增加。 刷子连接到一个敏感设备，该设备记录了最轻微的电压变化。 如果在飞行过程中设备的纵轴和地平线之间的角度由于某种原因开始偏离指定的角度，则与设备主体相关的电位计8相对于固定在其中的陀螺仪旋转。空间和与之相连的接触刷。 在这种情况下，电位器的输出端会出现一个电信号，其大小与偏转角成正比。 该信号被放大并馈送到舵机的水平舵，从而使火箭水平。 然而，这样一个简单的设备只能在相对较短的飞行时间内有效地工作。 在长途飞行中，必须考虑地球的自转，因此在这种情况下，必须对陀螺仪轴的方向进行校正。 “地平线”不仅可以保存，还可以根据给定的程序更改俯仰角。 从所描述的方案中可以看出，如果在设定的时刻将电位器8转动到某个给定的角度，那么方向舵将像设备本身已经偏离相同的角度一样工作。 因此，转动电位器可以使火箭转动。 “地平线”包括一个非常简单的程序机构，由金属带10、偏心轮11、步进电机12和棘轮13组成。偏心轮具有对应于给定程序的表面轮廓。 步进电机通过蜗轮使其运动（步进电机是带有电枢的电磁铁，当向电磁铁施加脉冲时，电枢被磁铁吸引，并通过其边缘将棘轮移动一个齿） . 因此，棘轮的旋转速度取决于施加到电磁铁上的脉冲频率。 止动器 14 是一个闩锁，可防止棘轮向相反方向转动。
与“地平线”相同的工作“垂直”。 在火箭发射之前，陀螺仪转子的轴垂直于预定飞行平面，因此陀螺仪对火箭的俯仰演变不敏感，而是对滚动和航向的转弯做出反应。 陀螺仪校正与地平线相同，在发射前使用摆锤 3 和电磁铁 4 进行。起飞后，电位器 5 响应火箭的偏航并向方向舵传输信号。 由于指向目标的轴与导弹的纵轴重合，因此，当发生滚动时，电位计 7 相对于连接到陀螺仪的固定发动机（刷子）在飞行中移动。 信号被传送到方向舵，从而纠正了横摇。 作者：Ryzhov K.V.
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