9. Авиация и космонавтика

Шибецький В.Ю.

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

ЛІКВІДАЦІЯ ЗОНИ КАУСТИКИ В ПОПЛАВКОВОМУ ГІРОСКОПІ

Технічне рішення належить до точного машинобудування, а саме до поплавкових гіроскопів, і може бути використане у складі інерціальних навігаційних систем гіперзвукових високоточних протикорабельних крилатих ракет, надзвукової авіації, літаючих роботів та інших суборбітальних і атмосферних гіперзвукових літальних апаратів, які при льотній експлуатації підвладні дії потужного ультразвукового випромінювання.

Відомий поплавковий гіроскоп, який містить сферичний корпус із сферичною, частково заповненою робочою рідиною, порожниною і розміщений в корпусі гіровузол з опорами і датчиками кута і моментів [1].

Компенсація швидкості теплового дрейфу гіроскопа здійснюється за рахунок рівності конвективного моменту від Архімедових сил, які викликають на роторах датчиків кута і датчиків моментів, завдяки установці роторів датчика кута і датчика моментів на гіровузлі сферичної форми за допомогою кронштейнів заданої довжини.

Умова забезпечення рівності маси гіровузла і виштовхуючої сили не реалізується, а розвантаження опор карданового підвісу виконується тільки шляхом вибору параметрів рідини.

Недолік цього технічного рішення полягає в складності виготовлення та балансировки підвісу внаслідок наявності в його конструкції деталей з поверхнями сферичної форми, а також у відсутності ефективних технічних рішень по зменшенню дії проникаючого акустичного випромінювання.

Відомий також поплавковий гіроскоп, який містить розміщений в тепловому кожуху циліндричний корпус з внутрішньою циліндричною, заповненою важкою рідиною, порожниною і розміщений в порожнині корпусу герметичний гіровузол з опорами і датчиками кута і моментів для визначення кутової швидкості літального апарату, встановлений на опорах в торцях корпуса [2, 3].

Внутрішня порожнина поплавка зазвичай заповнена інертним газом, зокрема, гелієм. Поплавок спирається на каменеві підшипники і знаходиться в зваженому стані у важкій рідині. Товщина шару рідини між корпусом гіроскопа і поплавком становить в радіальному напрямку приблизно 0,2 мм. Велика густина важкої рідини і мала величина робочого зазору дозволяють сформувати необхідний коефіцієнт демпфірування.

Недолік цього технічного рішення полягає у недостатньо ефективному захисті герметичного гіровузла від збурення підвісу гіроскопа проникаючим ультразвуковим випромінюванням гіперзвукового польоту.

Цей поплавковий гіроскоп є найбільш близьким до заявленого за технічною суттю та досягаємим ефектом і може бути визнаним за найближчий аналог.

В основу пропонуємого технічного рішення поставлена задача зменшення швидкості генеруємих проникаючим ультразвуковим випромінюванням гіперзвукового польоту звукових хвиль в поверхні внутрішньої порожнини корпусу поплавкового гіроскопа і ліквідація зони підвищеної концентрації акустичної активності важкої рідини у вигляді циліндричної каустики, ліквідація збурення, внаслідок цього, поверхні поплавкового підвісу, а також створення комфортних умов для роботи приладу в акустичних полях шляхом додаткового обладнання внутрішньої циліндричної порожнини корпуса жорстко з’єднаною з корпусом циліндричною втулкою з акустично м’якого матеріалу, що послабить збурення важкої рідини, а також зменшить пружні коливання поверхні герметичного гіровузла енергією генеруємих в корпусі звукових хвиль і призведе до зменшення похибок вимірювання кутової швидкості.

Поставлена задача вирішується тим, що усувається недоліки відомого рішення і пропонується нове ефективне технічне рішення з новим технічним результатом.

Поплавковий гіроскоп містить розміщений в тепловому кожуху циліндричний корпус з внутрішньою циліндричною, частково заповненою важкою рідиною, порожниною і розміщений в порожнині корпуса герметичний гіровузол з опорами і датчиками кута і моментів, для визначення кутової швидкості літального апарату, встановлений на опорах в торцях корпуса, новим є те, що внутрішня циліндрична порожнина корпуса додатково обладнана жорстко з’єднаною з корпусом циліндричною втулкою з акустично м’якого матеріалу.

Аналіз причинно-наслідкових зв’язків дає підстави дійти висновку, що наведені ознаки заявленого поплавкового гіроскопа належать до суттєвих, бо забезпечують досягнення нового технічного результату, вигідно відрізняючи запропоноване рішення від відомих аналогів.

Технічний результат від використання заявленого поплавкового гіроскопу забезпечується шляхом додаткового обладнання жорстко з’єднаною з корпусом циліндричною втулкою з акустично м’якого матеріалу, наприклад, з фторопласту – 4 чи полістиролу, питома теплоємність яких практично співпадає з теплоємністю алюмінієвого корпусу поплавкового гіроскопа, що не заважатиме роботі теплового кожуху [4].

Швидкість звуку в алюмінієвому корпусі поплавкового гіроскопа становить . Швидкість звуку в гліцерині, якщо вважати його, для прикладу, за рідинно-фазну складову підвісу герметичного гіровузла становить , тобто суттєво менша. За цих умов, генеруєма в корпусі хвиля буде випромінювати в рідину звукову хвилю під кутом до вектора швидкості [5] –

Прийнявши радіус внутрішньої порожнини корпусу рівним , обчислюємо радіус циліндричної каустики концентрації акустичної активності важкої рідини за формулою

.

Тобто, в проміжку між внутрішньою поверхнею порожнини корпуса і поверхнею герметичного гіровузла, замість статичного стану важкої рідини маємо зону підвищеної концентрації акустичної активності, так звану зону каустики у формі співвісної з корпусом циліндричної поверхні. Це створить небажане для гіроскопа збурення поплавкового гіроскопа і, призведе до виникнення похибок вимірювань в експлуатаційних умовах.

Якщо обладнати внутрішню порожнину корпуса жорстко з’єднану з ним циліндричною втулкою з акустично м’якого матеріалу, наприклад, з фторопласту – 4, ебоніту чи полістиролу, швидкість звукових хвиль в яких лише трохи більша від швидкості в гліцерині, тоді зона каустики ліквідується. Так, для ебоніту і тому, радіус циліндричної каустики складав би . Але, в радіальному напрямку шар важкої рідини має товщину приблизно 0,2 мм, тому зона каустики утворитися не може.

Таким чином, за інших, рівних умов, ліквідується загроза виникнення зон підвищеної концентрації акустичної активності рідинної складової підвісу гіроскопа, що призведе до зменшення похибок визначення кутової швидкості літального апарату в експлуатаційних умовах.

Сукупність наведених ознак заявленого поплавкового гіроскопа забезпечує досягнення нового технічного результату.

Поплавковий гіроскоп (рис. 1) використовується у складі інерціальних навігаційних систем гіперзвукових літальних апаратів, які при льотній експлуатації підвладні дії потужного ультразвукового випромінювання, і містить корпус 1 з циліндричною, діаметром D, порожниною 2, яка частково заповнена важкою рідиною 3. В порожнині 2 корпусу 1 розташований гіровузол 4 з гіромотором 5, який встановлюється на опорах 6 і має датчик кута 7 і датчик моментів 8 для визначення кутової швидкості літального апарату. На корпус 1 надітий тепловий кожух 9 з діаметром D₁ внутрішньої поверхні. В порожнину 2 встановлена жорстко з’єднана з корпусом 1 циліндрична втулка 10.

Робота поплавкового гіроскопа здійснюється наступним чином.

При дії на поплавковий гіроскоп ультразвукового променя 11, частина його відбивається від поверхні теплового кожуха, а інша частка проходить крізь тепловий кожух 9 і надходить до корпусу 1, а потім до втулки 10, яка буде випромінювати в рідину звукову хвилю під заданим кутом.

Рис. 1. Поплавковий гіроскоп

Таким чином, використання заявленого поплавкового гіроскопа дозволить, за допомогою нових властивостей, запобігти виникненню зони підвищеної концентрації акустичної активності важкої рідини у вигляді циліндричної каустики, ліквідувати збурення, внаслідок цього, поверхні поплавкового підвісу створити комфортні умови для роботи приладу в акустичних полях і, тим самим, суттєво зменшити похибки вимірювань кутової швидкості гіперзвукових літальних апаратів.

Література:

1. А.с. СССР № 1779129, Поплавковий гіроскоп [Текст]/ G01С19/20, 1996.

2. Данилин, В.П.. Гироскопические приборы [Текст]: уч. пособие/ В.П. Данилин. – М.: Высш. шк., 1965. - 539 с.

3. Ригли, У. Теория, проектирование и испытание гироскопов [Текст]: пер. с анг./ У. Ригли, У. Холлистер, У. Денхард.. – М.: Мир, 1972. - 416 с.

4. Справочник по элементарной физике [Текст]/ Главная редакция физико-математической литературы; Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. – М.: Наука, 1964. – 248 с. (ст. 70, табл. 26).

5. Шендеров, Е.Л. Волновые задачи гидроакустики [Текст]: моногр./ Е.Л. Шендеров – Л.: Судостроение, 1972. - 352 с. (ст. 316, рис. 122).