靜電陀螺儀技術(shù)

靜電陀螺儀是精度最高的陀螺儀,而且適用于長時間工作的環(huán)境,因而在核潛艇和遠程飛機上已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。

美國Stafnord大學(xué)在NASA的支持下正在研制衛(wèi)星上用的靜電陀螺儀,準(zhǔn)備在1990年把載有4只實心石英轉(zhuǎn)子的靜電陀螺儀裝入衛(wèi)星送入軌道,整個計劃稱為“GP-B”計劃(意指重力試驗計劃),目的是量測廣義相對論效應(yīng)下陀螺儀的進動。由于這種進動速度的理淪計算值非常小:

(1)在衛(wèi)星軌道平面內(nèi)為6.9角秒/年;

(2)在地球赤進平面內(nèi)為0.044角秒/年。這種靜電陀螺儀的漂移誤差應(yīng)當(dāng)小于0.3x10^（-6）角秒/年,相當(dāng)于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)費,并與Lockheed導(dǎo)彈公司合作。應(yīng)當(dāng)指出,他們所研制的靜電陀螺儀將來可以用在衛(wèi)星和航天飛行器上,作為慣性坐標(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,重視這一項目看來不僅是為了研究廣義相劉浦侖效應(yīng)的實驗 。

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發(fā)展戰(zhàn)略核潛艇的時代,由伊利諾斯大學(xué)諾爾西克教授于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環(huán)的空心球轉(zhuǎn)子框架式靜電陀螺儀.它對轉(zhuǎn)子式不施矩的。因此出了漂移外,轉(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)。這實質(zhì)上是一種二自由度框架式陀螺儀.后來經(jīng)過研究改為現(xiàn)在的球形轉(zhuǎn)子自由陀螺儀。

1955年美國海軍正式立項開始研究，Honeywell公司、GeneralElectric公司以及Arma公司很快也加入了該項目。Rockwell跨國公司的Autonetics分公司是1959年開始研究的.在早期的研究中，只有Honeywell公司和Autonetics分公司的工作最后實現(xiàn)了導(dǎo)航產(chǎn)品。

在這中間,美國靜電陀螺儀研究經(jīng)歷的曲折的發(fā)展道路。在20世紀(jì)50～60年代,液浮陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)占據(jù)了艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的統(tǒng)治地位。靜電陀螺儀項目當(dāng)時并未被海軍選用，因此在這期間,Honeywell公司和Autonetics分公司都致力于開發(fā)全姿態(tài)輸出靜電陀螺儀，研發(fā)捷聯(lián)式靜電陀螺儀導(dǎo)航系統(tǒng)，企圖應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域,但始終未成為裝備 。

圖1介紹靜電支承系統(tǒng)的工作原理。球形轉(zhuǎn)子安裝在支承電極的球腔之中。圖上只畫出一路,實際上同樣的系統(tǒng)共有三路。整個電極球腔分割為12塊等面積的電極。當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離電極中心時,在相應(yīng)的兩塊電極上將同時接通正和負等幅度的控制電壓,使轉(zhuǎn)子回到電極中心位置,同時轉(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)系。

轉(zhuǎn)子的姿態(tài)角通過光電信號器轉(zhuǎn)換為電信號。圖2為轉(zhuǎn)子表面上刻線的情況。在轉(zhuǎn)子極點的一側(cè)刻有矩形圖線,當(dāng)轉(zhuǎn)子的極點偏離頂端光電信號器時,將有轉(zhuǎn)子自轉(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)面刻線由側(cè)面光電信號器觀測,產(chǎn)生脈沖信號,作為檢相器參考方波的相位基準(zhǔn)。經(jīng)過上述信號變換,靜電陀螺儀將給出兩路直流信號,成為一個二自由度的位置陀螺儀。

靜電陀螺儀具有加轉(zhuǎn)和阻尼線圈。在陀螺啟動之后,這些線圈不再接入加轉(zhuǎn)和阻尼電流,而是作為加矩線圈使用。如果把頂端和側(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上。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補償陀螺的漂移。

綜上所述,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件。此外為了保證正常工作,還需要有真空維持,溫度控制和外磁場屏蔽等裝置 。