陀螺稳定平台
陀螺稳定平台(gyroscope-stabilized platform)是利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置。简称陀螺平台、惯性平台。用来测量运动载体姿态,并为测量载体线加速度建立参考坐标系,或用于稳定载体上的某些设备。它是导弹、航天器、飞机和舰船等的惯性制导系统和惯性导航系统的主要装置。
分类和组成:
按结构形式可分为框架陀螺平台和浮球平台两种。
①框架陀螺平台。按其稳定的轴数,又分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台(图1)。它主要由平台台体、框架系统(即内框架、外框架和基座)、稳定系统(由平台台体上的陀螺仪、伺服放大器和框架轴上的力矩电机等构成,又称稳定回路、伺服回路)和初始对准系统(包括平台台体上的对准敏感元件、变换放大器和稳定系统)等组成。陀螺稳定平台使用何种陀螺仪作为稳定敏感元件,就称为何种陀螺平台,如气浮陀螺平台、液浮陀螺平台、挠性陀螺平台和静电陀螺平台等。
②浮球平台。又称高级惯性参考球平台。主要由浮球(即内球)、球壳(即外球)、信号传输系统、姿态读出系统、加矩系统、温控系统、自动校准与对准系统和计算机接口装置等组成(图2)。
工作原理:
三轴陀螺稳定平台有3条稳定系统通道,2条初始对准系统水平对准通道和1条方位对准通道。其工作状态:一是陀螺平台不受载体运动和干扰力矩的影响,能使平台台体相对惯性空间保持方位稳定;二是在指令电流控制作用下,使平台台体按给定规律转动而跟踪某一参考坐标系进行稳定。利用外部参考基准或平台台体上的对准敏感元件,可以实现初始对准。三轴陀螺稳定平台应用较广泛。
浮球平台的浮球内装3个陀螺仪、3个加速度计和电子组件,浮球与球壳之间充以低粘性的碳氢液体,通常用电动涡轮液压泵提供连续流动悬浮液,将浮球悬浮在球壳中。在球壳上安装有倍增器、倍减器、姿态读出器(激励带式感应传感器)、加速度计读出器、温控器与计算机接口装置等。浮球中的陀螺仪、加速度计和姿态传感器信号传输系统,采用混频和多路传输,经电刷送到直流线路并在外电子组件中处理,然后由载波编码,通过接口送到计算机中。采用液压反作用式力矩器的加矩系统,使浮球相对一定的参考坐标系实现控制和稳定。利用热交换器进行温度控制。通过计算机程序对浮球进行自动校准和自动对准。浮球平台具有框架陀螺平台的全部功能,而且对载体振动、冲击等有良好的隔离作用,克服了框架陀螺平台因轴承摩擦引起的平台静差角;并能承受导弹机动发射的恶劣环境和再入时的大过载,有效提高了制导精度;能进行全姿态测量;具有高精度的快速自动对准,缩短了发射时间;解决了弹道导弹发射时目标更换问题;具有信息数字化传输和自动化检测功能;隔热和温控效能高,有利于保证惯性器件的测量精度。但结构复杂,成本昂贵,维护困难,多用于战略弹道导弹。
发展概况:
陀螺稳定平台的发展,随着陀螺仪的演变而变化。早在1936年,出现了滚珠轴承式的动力陀螺稳定平台,在军舰上用作测距仪的稳定器。1950年美国研制成功三轴陀螺稳定平台XN-1。之后,在导弹和运载火箭惯性制导系统中,相继出现了静压气浮陀螺平台、动压气浮自由转子陀螺平台、液浮陀螺平台等,由于陀螺平台采用了这些浮力支承,摩擦力矩减小的陀螺仪,其精度得到提高。美国分别应用在“潘兴”I导弹、“土星”运载火箭、“民兵”Ⅰ、Ⅱ导弹以及“北极星”导弹上。60年代末,美国研制出结构简单、精度高、成本低的挠性陀螺仪为敏感元件的挠性陀螺平台,它在“三叉戟”Ⅰ潜地导弹、“战斧”巡航导弹,以及“潘兴”Ⅱ导弹上得到应用。随着陀螺平台技术的研究和发展,1973年美国研制出没有框架的浮球平台,即高级惯性参考球平台。为了进一步提高制导精度和可靠性,对浮球平台的支撑系统和温控系统进行了改进。陀螺稳定平台已由框架陀螺平台发展到浮球平台,陀螺平台的质量由几十千克发展到仅0. 8千克,外廓尺寸由0.5米以上发展到仅为0.08米的小型陀螺平台。
陀螺稳定平台将继续向高精度、高可靠性、低成本、小型化,并对陀螺平台误差进行补偿的方向发展。