Żyroskopy w technice lotniczej Klaudia Magda Żyroskop - każde ciało sztywne wirujące z dużą prędkością kątową wokół osi chwilowego obrotu przechodzącej przez to ciało, które jest wykorzystywane do pomiaru parametrów ruchu obiektów takich, jak samoloty. Żyroskopem nazywamy także różne typy czujników mierzących prędkość kątową (np. żyroskopy laserowe i światłowodowe). Żyroskop daje złudzenie zachowania organizmu człowieka w czasie lotu i manewru samolotu, używany jest do szkolenia pilotów i kosmonautów* *źródło: http://dlapilota.pl/wiadomosci/muzeum-lotnictwa-polskiego/zyroskop-w-muzeum-lotnictwa-polskiego Żyroskopy, które są stosowane w technice lotniczej wykorzystują zjawisko żyroskopowe i są niekonwencjonalnymi czujnikami prędkości kątowej. Przykłady:
1.Żyroskopowe wskaźniki kursu- jeden z najstarszych instrumentów lotniczych Jego przeznaczeniem jest lokalizowanie północy magnetycznej w trakcie lotu samolotem. Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/kompas_%c5%bcyroskopowy#mediaviewer/plik:gyroscope_hg.jpg Poniższe żyroskopy (tj. laserowy i światłowodowy) wykorzystują interferometry. Interferometry - przyrządy pomiarowe oparte na zjawisku interferencji fal. Nałożenie się na siebie 2 fal = powstanie obszarów, wzmocnienie drgań oraz wygaszanie.
Interferometr Sagnaca - to rodzaj inteferometru dwuwiązkowego, przy pomocy którego można wyznaczać obrót poruszających się pojazdów. 2.Żyroskopy laserowe Przeznaczenie: Budowa: - są one najczęściej używane do pomiaru prędkości kątowych -stosowane we współczesnej nawigacji oraz orientacji przestrzennej. Zbudowany jest z bloku kwarcu z wydrążonymi kanałami, które są wypełnione mieszanką gazów (helu i neonu). W kanale tym umieszczone są elektrody (anoda i katoda), które zasilane są wysokim napięciem. Na rogach kwarcu zamocowane są lustra, które odbijają promienie światła. Tym samym lustra z kanałami stanowią zamkniętą drogę optyczną dla promieni światła laserowego. Jedno z luster jest półprzepuszczalne, za którym jest pryzmat i czujnik optyczny. Zasada działania: Wykorzystanie różnicy drogi optycznej dwóch promieni światła, które emitowane są w przeciwne strony w wirującym bloku kwarcowym. Zasada jest zbliżona do interferometru kołowego. Wielkością mierzoną jest zmiana długości fali w światłowodzie Promienie światła przechodzą przez półprzepuszczalne lustro i biegną w dwie przeciwne strony (zgodnie i przeciwnie co do ruchów wskazówek zegara). Czas t które światło pokonuje drogę wynosi: t= c- prędkość światła
Schemat żyroskopu laserowego Promienie świetlne muszą dotrzeć do lustra. Droga światła, poruszającego się zgodnie ze wskazówkami zegara ulega wydłużeniu, a droga promienia poruszającego się w przeciwną stronę, ulega skróceniu; zatem promień poruszający się przeciwnie co do ruchu wskazówek zegara dotrze szybciej do lustra półprzepuszczalnego niż gdy przyrząd stoi w miejscu. 3.Żyroskopy światłowodowe Schemat żyroskopu światłowodowego źródło: http://psi.fuw.edu.pl/pub/ipwb/zyroskop/yroskop.pdf - Warunek działania żyroskopu: musi mieć bardzo stabilne źródło światła
Budowa: -Światłowód, nawinięty na szpulę (pozwala nam to osiągnąć znacznie dłuższą drogę optyczną niż w przypadku żyroskopu laserowego) -Źródło światła (np. dioda laserowa) -Półprzepuszczalne lustro rozszczepiające światło na dwa równoległe promienie -Detektor przesunięcia fazy -Złącze (ma na celu przyłączyć źródło światła oraz detektor do światłowodu, najczęściej jest to soczewka o tłumieniu 3dB) Zasada działania: Żyroskop ten wykorzystuje zasadę działania interferometru Sagnaca. Światło ze źródła zostaje rozdzielone na dwa promienie przez półprzepuszczalne lustro przed wejściem do światłowodu, z których jedna przemieszcza się zgodnie z prędkością ω, a druga przeciwnie. Promienie po przejściu przez światłowód padają na detektor, który wyznacza przesunięcie fazy ɸ, gdy żyroskop obraca się z prędkością ω to druga ulega wydłużeniu, a droga światła zmierzająca w przeciwnym kierunku ulega skróceniu. Między promieniami występuje przesunięcie fazowe ɸ, które zależy od drogi promieni pokonane w światłowodzie L. ɸ = Po odpowiednich przekształceniach otrzymujemy wzór na prędkość kątową: ω= Zatem można stwierdzić, że prędkość kątowa jest zależna od przesunięcia fazowego. 4.Pion żyroskopowy Zwany "sztucznym horyzontem" pomaga otrzymać informację na temat lokalizacji przestrzennej samolotu (tzn. położenie kątowe względem płaszczyzny Ziemi) przyrząd ten jest szczególnie przydatny w lotnictwie
cywilnym i wojskowym, gdy mamy do czynienia z lotem bez widoczności Ziemi. Jest to przykład żyroskopu o 3 stopniach swobody. Wielkości mierzone Kąt pochylenia samolotu ѳ - jest to kąt między podłużną osią samolotu, a horyzontem. Kąt przechylenia samolotu ɣ jest to kąt między poprzeczną osią samolotu, a horyzontem. Budowa: Pion żyroskopowy składa się z dwóch elementów. Z żyroskopu do pomiaru kąta pochylenia, który ma oś główną pionową i z żyroskopu do pomiaru kąta przechylenia samolotu, który ma poziomą oś, kierunki wyznaczone przez te osie stanowią układ współrzędnych. Zasada pomiaru: Najprostszy sposób pomiaru i wizualizacji kątowego położenia
Do osi ramy wewnętrznej (RW) zamocowano wskazówkę, a do ramy zewnętrznej (RZ) skalę kątów przechylenia, gdy statek powietrzny (SP) się przechyla to powoduje takie samo przechylenie RZ i kątowe przemieszczenie skali, odczytywane jako kąt przechylenia SP. Wskazówka kąta pochylenia jest przymocowana do osi RZ, a skala tego kąta do obudowy przyrządu W nowszych rozwiązaniach konstrukcyjnych skale i wskazówki zostały zastąpione przetwornikami, które pozwalają nam uzyskać sygnały elektryczne (proporcjonalne do uzyskanych kątów). Wadą pionu żyroskopowego jest potrzeba sprowadzania osi głównej żyroskopu do żądanego położenia (wynika to z tego, że oś główna odchyla się od kierunku pionu rzeczywistego, co powoduje błędne odczytanie kątów ѳ i ɣ). Można tę wadę zniwelować poprzez mocowanie wahadła w dolnej części węzła żyroskopowego (RW), reagujące na niewielkie odchylanie się osi głównej od pionu rzeczywistego. W nowych konstrukcjach jako wahadło stosuje się elektrolityczne czujniki pionu (ECP). Gdy czujnik odchyla się od położenia pionowego, górna powierzchnia cieczy zachowuje poziome położenie pokrywa całkowicie jedną górną elektrodę, a pęcherzyk powietrza obejmuje elektrodę leżącą naprzeciwko; zwiększa się w ten sposób rezystancja przejścia między nią, a elektrodą dolną. Zmiana ta wywołuje zadziałanie silnika momentowego w konkretnym kierunku i dochodzenie osi głównej żyroskopu do zadanego przez nas położenia.
ŹRÓDŁO: http://psi.fuw.edu.pl/pub/ipwb/zyroskop/yroskop.pdf "Lotnicze systemy pomiarowe, czujniki" autorstwa Tomasza Grzegorczyka i Romana Witkowskiego z biblioteki głównej WAT, Warszawa 2000. Ortyl A.: Systemy nawigacji lotniczej, skrypt WAT, Warszawa 1994. http://irm.am.szczecin.pl/student/instrukcje1r/cw2.pdf Rysunki przedstawiające schematy żyroskopów zostały pobrane z książki "Lotniczych systemów pomiarowych"