Передача электроэнергии без проводов- от начала до наших дней. Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

Этот материал составлен на основе статьи «Обзор типов накопителей энергии», ранее опубликованной на http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm, с добавлением нескольких абзацев из других источников, например, http://battery-info.ru/alternatives.

Одна из основных проблем альтернативной энергетики — неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Солнце светит только днем и в безоблачную погоду, ветер то дует, а то утихнет. Да и потребности в электроэнергии не постоянны, например, на освещение днем ее требуется меньше, вечером — больше. А людям нравится, когда по ночам города и деревни залиты огнями иллюминаций. Ну, или хотя бы просто улицы освещены. Вот и возникает задача — сохранить полученную энергию на какое-то время, чтобы использовать тогда, когда потребность в ней максимальна, а поступление недостаточно.

ГАЭС TaumSauk в США. Несмотря на небольшую мощность известна всему миру благодаря верхнему бассейну в форме сердца.

Существуют и менее масштабные гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.

К сожалению, гидравлические системы труднее поддерживать в должном техническом состоянии, чем твердотельные, - прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И ещё одно важное условие - в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, - скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.

Накопители механической энергии

Механическая энергия проявляется при взаимодей­ствии, движении отдельных тел или их частиц. К ней относят кинетическую энергию движения или вращения тела, энер­гию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин).

Гироскопические накопители энергии

Гироскопический накопитель Уфимцева.

В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту, а последние высокотехнологичные разработки обещают плотность накопленной энергии, сравнимую с запасом химической энергии в единице массы наиболее эффективных видов химического топлива. Другой огромный плюс маховика - это возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной лишь пределом прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способностью» электрической, пневматической либо гидравлической передач.

К сожалению, маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком энергии относительно невелико и для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными… Впрочем, современные технологии позволяют кардинально увеличить время хранения - вплоть до нескольких месяцев.

Наконец, ещё один неприятный момент - запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении. Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.

Особенно перспективны так называемые супермаховики , состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше. Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков большого монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.

Современные конструкции с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии более 5 МДж/кг, причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. По оптимистичным оценкам, использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз - до 2-3 ГДж/кг (обещают, что одной раскрутки такого маховика весом 100-150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. на фактически на всё время жизни автомобиля!). Однако стоимость этого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота, так что подобные машины ещё не по карману даже арабским шейхам… Подробнее о маховичных накопителях можно почитать в книге Нурбея Гулиа .

Гирорезонансные накопители энергии

Эти накопители представляют собой тот же самый маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). В результате у него появляются принципиально новые свойства. По мере нарастания оборотов на таком маховике начинают образовываться «выросты»-«лепестки» - сначала он превращается в эллипс, затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками»… При этом после начала образования «лепестков» скорость вращения маховика уже практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика, формирующей эти «лепестки».

Такими конструкциями в конце 1970-х и начале 1980-х годов в Донецке занимался Н.З.Гармаш. Полученные им результаты впечатляют - по его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей всего 7-8 тысяч об/мин, запасённой энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 км против 30 км с обычным маховиком тех же размеров. К сожалению, более свежие сведения об этом типе накопителей неизвестны.

Механические накопители с использованием сил упругости

Этот класс устройств обладает очень большой удельной ёмкостью запасаемой энергии. При необходимости соблюдения небольших габаритов (несколько сантиметров) его энергоёмкость - наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным характеристикам не столь жёсткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоёмкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.

Пружинные механические накопители

Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень большой расход и поступление энергии в единицу времени - пожалуй, наибольшую механическую мощность среди всех типов накопителей энергии. Как и в маховиках, она ограничена лишь пределом прочноcти материалов, но пружины обычно реализуют рабочее поступательное движение непосредственно, а в маховиках без довольно сложной передачи не обойтись (не случайно в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами; до появления огнестрельного оружия для боя на дистанции применялось также именно пружинное оружие - луки и арбалеты, ещё задолго до новой эры полностью вытеснившие в профессиональных войсках пращу с её кинетическим накоплением энергии).

Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость, а кристаллическая решётка металла пружины потихоньку изменяется, причём чем больше внутренние напряжения и чем выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдёт. Поэтому через несколько десятилетий сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные стальные пружины, если они не подвергаются перегреву или переохлаждению, способны работать веками без видимой потери ёмкости. Например, старинные настенные механические часы с одного полного завода по-прежнему идут две недели - как и более полувека назад, когда они были изготовлены.

При необходимости постепенной равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным и капризным (загляните в те же механические часы - по сути, множество шестерёнок и других деталей служат именно этой цели). Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства, а при работе с малыми мощностями (несколько сот ватт и менее) её КПД слишком низок. Отдельной задачей является накопление максимальной энергии в минимальном объёме, так как при этом возникают механические напряжения, близкие к пределу прочности используемых материалов, что требует особо тщательных расчётов и безупречного качества изготовления.

Говоря здесь о пружинах, нужно иметь в виду не только металлические, но и другие упругие цельнотелые элементы. Самые распространённые среди них - это резиновые жгуты. Кстати, по энергии, запасаемой на единицу массы, резина превосходит сталь в десятки раз, зато и служит она примерно во столько же раз меньше, причём, в отличии от стали, теряет свои свойства уже через несколько лет даже без активного использования и при идеальных внешних условиях - в силу относительно быстрого химического старения и деградации материала.

Газовые механические накопители

В этом классе устройств энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно использовать поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях (кстати, существуют и обратимые поршневые двигатели-компрессоры).

Практически каждый современный промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором - ресивером. Правда, давление там редко превышает 10 атм, и потому запас энергии в таком ресивере не очень большой, но и это обычно позволяет в несколько раз увеличить ресурс установки и сэкономить энергию.

Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасённой энергии в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве ресивера и запорной арматуры - десятки лет, - недаром пневматическое оружие, использующее баллончики со сжатым газом, получило такое широкое распространение). Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, - устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс.

Перспективной технологией создания запасов энергии является сжатие воздуха за счет доступной энергии в то время, когда непосредственная потребность в последней отсутствует. Сжатый воздух охлаждается и хранится при давлении 60-70 атмосфер. При необходимости расходовать запасенную энергию, воздух извлекается из накопителя, нагревается, а затем поступает в специальную газовую турбину, где энергия сжатого и нагретого воздуха вращает ступени турбины, вал которой соединен с электрическим генератором, выдающим электроэнергию в энергосистему.

Для хранения сжатого воздуха предлагается, например, использовать подходящие горные выработки или специально создаваемые подземные емкости в соляных породах. Концепция не нова, хранение сжатого воздуха в подземной пещере было запатентовано еще в 1948 году, а первый завод с накопителем энергии сжатого воздуха (CAES - compressed air energy storage) с мощностью 290 МВт работает на электростанции Huntorf в Германии с 1978 года. На этапе сжатия воздуха большое количество энергии теряется в виде тепла. Эта утерянная энергия должна быть компенсирована сжатому воздуху до этапа расширения в газовой турбине, для этого и используется углеводородное топливо, с помощью которого повышают температуру воздуха. Это значит, что установки имеют далеко не стопроцентный КПД.

Существует перспективное направление для повышения эффективности CAES. Оно заключается в удержании и сохранении тепла, выделяющегося при работе компрессора на этапе сжатия и охлаждения воздуха, с последующим его повторным использованием при обратном нагреве холодного воздуха (т.н. рекуперация). Тем не менее, этот вариант CAES имеет существенные технические сложности, особенно в направлении создания системы длительного сохранения тепла. В случае решения этих проблем, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) может проложить путь для крупномасштабных систем хранения энергии, проблема была поднята исследователями по всему миру.

Участники канадского стартапа Hydrostor другое необычное решение - закачивать энергию в подводные пузыри.

Накопление тепловой энергии

В наших климатических условиях очень существенная (зачастую - основная) часть потребляемой энергии расходуется на обогрев. Поэтому было бы очень удобно аккумулировать в накопителе непосредственно тепло и затем получать его обратно. К сожалению, в большинстве случаев плотность запасённой энергии очень мала, а сроки её сохранения весьма ограничены.

Существуют тепловые аккумуляторы с твёрдым либо плавящимся теплоаккумулирующим материалом; жидкостные; паровые; термохимические; с электронагревательным элементом. Тепловые аккумуляторы могут подключаться в систему с твердотопливным котлом, в гелиосистему или комбинированную систему.

Накопление энергии за счёт теплоёмкости

В накопителях этого типа аккумулирование тепла осуществляется за счет теплоемкости вещества, служащего рабочим телом. Классическим примером теплового аккумулятора может служить русская печь. Ее протапливали один раз в день и она потом обогревала дом в течение суток. В наше время под тепловым аккумулятором чаще всего подразумевают ёмкости для хранения горячей воды, обшитые материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.

Существуют теплоаккумуляторы и на основе твердых теплоносителей, например, в керамических кирпичах.

Различные вещества обладают разной теплоёмкостью. У большинства она находится в пределах от 0.1 до 2 кДж/(кг·К). Аномально большой теплоёмкостью обладает вода - её теплоёмкость в жидкой фазе составляет примерно 4.2 кДж/(кг·К). Более высокую теплоёмкость имеет только весьма экзотический литий - 4.4 кДж/(кг·К).

Однако помимо удельной теплоёмкости (по массе) надо учитывать и объёмную теплоёмкость , позволяющую определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объёма различных веществ. Она вычисляется из обычной удельной (массовой) теплоёмкости умножением её на удельную плотность соответствующего вещества. На объёмную теплоёмкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объём теплоаккумулятора, чем его вес. Например, удельная теплоёмкость стали всего 0.46 кДж/(кг·К), но плотность 7800 кг/куб.м, а, скажем, у полипропилена - 1.9 кДж/(кг·К) - в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего 900 кг/куб.м. Поэтому при одинаковом объёме сталь сможет запасти в 2.1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоёмкости воды ни один материал не может превзойти её и по объёмной теплоёмкости. Однако объёмная теплоемкость железа и его сплавов (сталь, чугун) отличается от воды менее, чем на 20% - в одном кубическом метре они могут запасти более 3.5 МДж тепла на каждый градус изменения температуры, чуть-чуть меньше объёмная теплоёмкость у меди - 3.48 МДж/(куб.м·К). Теплоёмкость воздуха в нормальных условиях составляет примерно 1 кДж/кг, или 1.3 кДж/куб.м, поэтому чтобы нагреть кубометр воздуха на 1°, достаточно охладить на тот же градус чуть менее 1/3 литра воды (естественно, более горячей, чем воздух).

В силу простоты устройства (что может быть проще неподвижного сплошного куска твёрдого вещества либо закрытого резервуара с жидким теплоносителем?) подобные накопители энергии имеют практически неограниченное число циклов накопления-отдачи энергии и очень длительный срок службы - для жидких теплоносителей до высыхания жидкости либо до повреждения резервуара от коррозии или других причин, для твёрдотельных отсутствуют и эти ограничения. Но вот время хранения весьма ограничено и, как правило, составляет от нескольких часов до нескольких суток - на больший срок обычная теплоизоляция удержать тепло уже не способна, да и удельная плотность запасаемой энергии невелика.

Наконец, следует подчеркнуть ещё одно обстоятельство, - для эффективной работы важна не только теплоёмкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а следовательно и всей запасённой энергией - то есть максимально эффективно. В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоёв кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы. Полипропилен, упомянутый в рассмотренном чуть выше примере, имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше, чем сталь, и потому, невзирая на достаточно большую удельную теплоёмкость, эффективным теплоаккумулятором быть не может. Впрочем, технически проблема легко решается организацией специальных каналов для циркуляции теплоносителя внутри теплоаккумулятора, но очевидно, что такое решение существенно усложняет конструкцию, снижает её надёжность и энергоёмкость и непременно будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества.

Как это не покажется странным, иногда нужно бывает накапливать и хранить не тепло, а холод. В США уже более десяти лет работают компании, которые предлагают «аккумуляторы» на основе льда для установки в кондиционеры воздуха. В ночное время, когда электроэнергии в избытке и она продаётся по сниженным тарифам, кондиционер замораживает воду, то есть переходит в режим холодильника. В дневное время он потребляет в несколько раз меньше энергии, работая как вентилятор. Энергопрожорливый компрессор на это время отключается. Подробнее .

Накопление энергии при смене фазового состояния вещества

Если внимательно посмотреть на тепловые параметры различных веществ, то можно увидеть, что при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение энергии. Для большинства веществ тепловой энергии таких превращений достаточно, чтобы изменить температуру того же количества этого же вещества на многие десятки, а то и сотни градусов в тех диапазонах температур, где его агрегатное состояние не меняется. А ведь, как известно, пока агрегатное состояние всего объёма вещества не станет одним и тем же, его температура практически постоянна! Поэтому было бы очень заманчиво накапливать энергию за счёт смены агрегатного состояния - энергии накапливается много, а температура изменяется мало, так что в результате не потребуется решать проблемы, связанные с нагревом до высоких температур, и в то же время можно получить хорошую ёмкость такого теплоаккумулятора.

Плавление и кристаллизация

К сожалению, в настоящее время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне - примерно от +20°С до +50°С (максимум +70°С - это ещё относительно безопасная и легко достижимая температура). Как правило, в этом диапазоне температур плавятся сложные органические соединения, отнюдь не полезные для здоровья и зачастую быстро окисляющиеся на воздухе.

Пожалуй, наиболее подходящими веществами являются парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40..65°С (правда, существуют и «жидкие» парафины с температурой плавления 27°С и менее, а также родственный парафинам природный озокерит , температура плавления которого лежит в пределах 58..100°С). И парафины, и озокерит вполне безопасны и используются в том числе и в медицинских целях для непосредственного прогрева больных мест на теле. Однако при хорошей теплоёмкости теплопроводность их весьма мала - мала настолько, что приложенный к телу парафин или озокерит, нагретый до 50-60°С, ощущается лишь приятно горячим, но не обжигающим, как это было бы с водой, нагретой до той же температуры, - для медицины это хорошо, но для теплоаккумулятора это безусловный минус. Кроме того, эти вещества не так уж дёшевы, скажем, оптовая цена на озокерит в сентябре 2009 г. составляла порядка 200 рублей за килограмм, а килограмм парафина стоил от 25 рублей (технический) до 50 и выше (высокоочищенный пищевой, т.е. пригодный для использования при упаковке продуктов). Это оптовые цены для партий в несколько тонн, в розницу всё дороже как минимум раза в полтора.

В результате экономическая эффективность парафинового теплоаккумулятора оказывается под большим вопросом, - ведь килограмм-другой парафина или озокерита годится лишь для медицинского прогрева заломившей поясницы в течении пары десятков минут, а для обеспечения стабильной температуры более-менее просторного жилища в течении хотя бы суток масса парафинового теплоаккумулятора должна измеряться тоннами, так что его стоимость сразу приближается к стоимости легкового автомобиля (правда, нижнего ценового сегмента)! Да и температура фазового перехода в идеале всё же должна точно соответствовать комфортному диапазону (20..25°С) - иначе всё равно придётся организовывать какую-то систему регулирования теплообмена. Тем не менее, температура плавления в районе 50..54°С, характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более 200 кДж/кг) очень хорошо подходит для теплоаккумкулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в невысокой теплопроводности и высокой цене парафина. Зато в случае форс-мажора сам парафин можно использовать в качестве топлива с хорошей теплотворной способностью (хотя сделать это не так просто - в отличии от бензина или керосина, жидкий и тем более твёрдый парафин на воздухе не горит, обязательно нужен фитиль или другое устройство для подачи в зону горения не самого парафина, а только его паров)!

Примером накопителя тепловой энергии на основе эффекта плавления и кристаллизации может служить система хранения тепловой энергии TESS на основе кремния, которую разработала австралийская компания Latent Heat Storage.

Испарение и конденсация

Теплота испарения-конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления-кристаллизации. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне температур. Помимо откровенно ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт (его относительная безопасность ежедневно доказывается на личном примере миллионами алкоголиков по всему миру!). В нормальных условиях спирт кипит при 78°С, а его теплота испарения в 2.5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°. Однако в отличии от плавления, когда изменения объёма вещества редко превышают несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объём. И если этот объём будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объёме сразу начнёт расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе. Здесь открывается большое поле деятельности для изобретателей - создание эффективного теплоаккумулятора на основе испарения и конденсации с герметичным переменным рабочим объёмом.

Фазовые переходы второго рода

Помимо фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния, некоторые вещества и в рамках одного агрегатного состояния могут иметь несколько различных фазовых состояний. Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. Кроме того, во многих случаях при подобных изменениях в отличии от смены агрегатного состояния имеет место температурный гистерезис - температуры прямого и обратного фазового перехода могут существенно различаться, иногда на десятки и даже на сотни градусов.

Электрические накопители энергии

Электричество - наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Не удивительно, что именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.

Конденсаторы

Самые массовые «электрические» накопители энергии - это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии - как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.

Конденсаторы можно разделить на два больших класса - неполярные (как правило, «сухие», т.е. не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические). Использование жидкого электролита обеспечивает существенно бóльшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).

Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое обычно исчисляется минутами и секундами и редко превышает несколько часов, а в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в силовой электротехнике - на большее их пока не хватает.

Которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых - относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами - обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.

Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда - от нескольких часов до нескольких недель максимум.

Электрохимические аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду - от мобильного телефона до самолётов и кораблей. Вообще говоря, они работают на основе некоторых химических реакций и поэтому их можно было бы отнести к следующему разделу нашей статьи -«Химические накопители энергии». Но поскольку этот момент обычно не подчеркивается, а обращается внимание на то, что аккумуляторы накапливают электричество, рассмотрим их здесь.

Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию - от нескольких сотен килоджоулей и более - используются свинцово-кислотные аккумуляторы (пример - любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов - никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т.п.

В последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной ёмкости, в отличие от свинцово-кислотных они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%.

По режиму использования электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса - так называемые тяговые и стартовые. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное - контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя.

К недостаткам электрохимических аккумуляторов можно отнести весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев от 250 до 2000, а при несоблюдении рекомендаций производителей - гораздо меньше), и даже при отсутствии активной эксплуатации большинство типов аккумуляторов через несколько лет деградируют, утрачивая свои потребительские свойства. При этом срок службы многих видов аккумуляторов идёт не с начала их эксплуатации, а с момента изготовления. Кроме того, для электрохимических аккумуляторов характерны чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в десятки раз превышающее время разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также довольно ограничено - обычно от недели до года. У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.

Химические накопители энергии

Химическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при хими­ческих реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальваничес­ких элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии ха­рактеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей (о них чуть позже), которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.

Накопление энергии наработкой топлива

На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород - прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта - под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.

На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции окисления требуют дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.

Накопление энергии с помощью термохимических реакций

Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при нагревании идут в одну сторону с поглощением энергии, а при охлаждении - в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими . Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.

Подобные термохимические реакции можно рассматривать как своего рода смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же - трудно найти дешёвую, безопасную и эффективную смесь веществ, успешно действующую подобным образом в диапазоне температур от +20°С до +70°С. Впрочем, один подобный состав известен уже давно - это глауберова соль.

Мирабилит (он же глауберова соль, он же десятиводный сульфат натрия Na 2 SO 4 · 10H 2 O) получают в результате элементарных химических реакций (например, при добавлении поваренной соли в серную кислоту) или добывают в «готовом виде» как полезное ископаемое.

С точки зрения аккумуляции тепла наиболее интересная особенность мирабилита заключается в том, что при повышении температуры выше 32°С связанная вода начинает освобождаться, и внешне это выглядит как «плавление» кристаллов, которые растворяются в выделившейся из них же воде. При снижении температуры до 32°С свободная вода вновь связывается в структуру кристаллогидрата - происходит «кристаллизация». Но самое главное - теплота этой реакции гидратации-дегидратации весьма велика и составляет 251 кДж/кг, что заметно выше теплоты «честного» плавления-кристаллизации парафинов, хотя и на треть меньше, чем теплота плавления льда (воды).

Таким образом, теплоаккумулятор на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного именно при температуре выше 32°С) может эффективно поддерживать температуру на уровне 32°С с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Конечно, для полноценного горячего водоснабжения эта температура слишком низка (душ с такой температурой в лучшем случае воспринимается как «весьма прохладный»), но вот для подогрева воздуха такой температуры может оказаться вполне достаточно.

Подробнее о теплоаккумуляторе на основе мирабилита можно прочитать на сайте «DelaySam.ru» .

Безтопливное химическое накопление энергии

Банка кофе с разогревом за счёт гашения извести .

В данном случае на этапе «зарядки» из одних химических веществ образуются другие, и в ходе этого процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашёная известь при помощи нагрева переводится в негашёное состояние).

При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасённой энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа, который можно подать в турбину) - в частности, именно это имеет место при «гашении» извести водой. В отличие от топливных методов, для начала реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом - дополнительная инициация процесса (поджиг) не требуется.

По сути, это разновидность термохимической реакции, однако в отличии от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идёт о температурах в многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, но и оборудование во много раз сложнее, объёмнее и дороже, чем пустые пластиковые бутылки или простой бак для реагентов.

Необходимость расхода дополнительного вещества - скажем, воды для гашения извести - не является существенным недостатком (при необходимости можно собрать воду, выделяющуюся при переходе извести в негашёное состояние). А вот особые условия хранения этой самой негашёной извести, нарушение которых чревато не только химическими ожогами, но и взрывом, переводят этот и ему подобные способы в разряд тех, которые вряд ли выйдут в широкую жизнь.

Другие типы накопителей энергии

Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они весьма ограничены по плотности запасаемой энергии и времени её хранения при высокой удельной стоимости. Поэтому пока они больше применяются для развлечения, а их эксплуатация в сколько-нибудь серьёзных целях не рассматривается. Примером являются фосфорецирующие краски, запасающие энергию от яркого источника света и затем светящиеся в течение нескольких секунд, а то и долгих минут. Их современные модификации уже давно не содержат ядовитого фосфора и вполне безопасны даже для использования в детских игрушках.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии хранят её в поле большой магнитной катушки с постоянным током. Она может быть преобразована в переменный электрический ток по мере необходимости. Низкотемпературные накопители охлаждаются жидким гелием и доступны для промышленных предприятий. Высокотемпературные накопители, охлаждаемые жидким водородом, всё ещё находятся в стадии разработки и могут стать доступны в будущем.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии имеют значительные размеры и обычно используются в течение коротких периодов времени, например, во время переключений.

Скорее всего в этой статье отражены не все возможные способы накопления и сохранения энергии. Вы можете сообщить о других вариантах либо в комментариях, либо электронным письмом на адрес kos at altenergiya dot ru.

Первое свойство дгухстепенного гироскопa: главная ось гироскопа с двумя степенями свободы поворачивается в направлении силы, действующей относительно оси рамы.

Второе свойство двухстепенного гироскопа заключается в том, что его главная ось стремится совместиться по кратчайшему пути с вектором угловой скорости вращения ос­нования, на котором он установлен.

Поскольку двухстепенный гироскоп реагирует на угловую скорость вра­щения основания вокруг оси Y, то эту ось называют входной осью (осью мак­симальной чувствительности), а ось Х - выходной осью прибора.

2. Гироприборы на основе двухстепенного гироскопа

В рассматриваемых ниже приборах используется принцип уравновешивания гироскопического момента, возникающего вследствие вращения основа­ния вокруг входной оси прибора, моментом противодействующей пружины, зависящим от угла поворота гироскопа вокруг выходной оси.

2.1. Выключатель корреции ВК-53

Предназначен для отключения систем маятниковой коррекции гироско­пических приборов на вираже ЛА, так как действующая при этом на маятниковый чувствительный элемент центробежная сила инерции (см. рис.) при­водит к погрешности, в несколько раз большей, чем из-за суммарного ухода гироскопа (для АГД-1 - это погрешность в измерении угла крена).

Выключатель коррекции ВК-53 (рис.) состоит из двухстепенного гироскопа, выполненного в виде гиромотора ГМ, укрепленного с помощью подшипников в корпусе прибора и электромеханического устройства задержки времени.

Гироскоп opиентируется на ЛА так, что входная ось Y (ось чувствитель­ности), выходная ось Х (ось цапф гиромотора) и главная ось Z соответственно параллельны нормальной оси Y 1 , продольной оси Х 1 и поперечной оси Z 1 ЛА, причем ось Z направлена в сторону левого крыла.

При вираже ЛА с угловой скоростью w, вектор которой совпадает с осью Y, возникает гироскопический момент Мг= Н·w, стремящийся совместить век­тор кинетического момента Н с вектором о по кратчайшему пути, в результате чего гиромотор начнет поворачиваться вокруг оси X. Этому повороту препят­ствует пружина, развивающая момент M ПР =K ПР β,

где Кпр - удельный упругий момент пружины;

β - угол поворота гиромотора вокруг оси X.

Момент Мпр направлен противоположно моменту Мг, поэтому поворот гиромотора будет происходить до тех пор, пока момент пружины не уравнове­сит гироскопический момент, т.е. пока не выполнится условие: Кпр·β = Н·w, откуда:

Таким образом, угол поворота гиромотора вокруг оси Х пропорционален угловой скорости виража.

При этом щетка ламельного датчика Л, жестко укрепленная на оси цапф гиромотора, переместится с изолированного участка «с» на токопроводящую ламель «а», в результате чего по обмотке управления OY 1 двухфазного двига­теля Дв типа ДИД-0,5 устройства задержки времени потечет ток i 1 . Двигатель через редуктор Ред. станет поворачивать щетки потенциометра П обратной связи и корпус контактного диска К вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. По мере вращения вала двигателя корпус диска К повернется таким образом, что его токопроводяшие (незаштрихованные на рисунке) участки окажутся под неподвижными щетками; при этом через короткозамкнутый участок замкнется цепь питания реле Р, контакты которого выключат системы ма­ятниковой коррекции. Таким образом, срабатывание реле Р происходит не сра­зу после перемещения щетки датчика Л на ламель «а», а по истечение некото­рого промежутка времени, что гарантирует неотключение коррекции при слу­чайных колебаниях ЛА по углу рысканья.

Одновременно при повороте щеток потенциометра П на вторую управ­ляющую обмотку ОУ 2 двигателя будет подано напряжение, так что по этой об­мотке потечет возрастающий ток i 2 , противоположный по фазе току i 1 . При ра­венстве величин токов (точнее, магнитных потоков) двигатель остановится.

После прекращения виража гироскопический момент Mi = H·w обратится в нуль, поскольку w станет равной нулю, и гироузел под действием пружины вер­нется в исходное положение. При этом щетка ламельного датчика переместится на изолированный участок «с» и управляющая обмотка OY 1 двигателя обесточится. В результате действия момента, создаваемого током i 2 , двигатель станет вращаться в противоположную сторону до тех пор, пока щетки потенциометра П не займут положения, при котором их потенциалы уравняются. В момент остановки двига­теля щетки контактного диска окажутся на изолированных участках, в результате чего цепь питания реле Р разомкнется и включатся системы маятниковой коррек­ции гироприборов.

Поскольку повороту гироприбора вокруг оси Х под действием гироско­пического момента препятствует не только момент пружины, но и момент сил сухого трения в подшипниках, в которых укреплены цапфы гироузла, и поскольку, кроме того, изолированный участок «с» ламельного датчика имеет определенные размеры, то перемещение щетки на ламель «а» происходит только при угловых скоростях виража, больших некоторого минимального значения wпор, называемого порогом чувствительности прибора.

В случае изменения направления виража ЛА щетка ламельного датчика будет перемещаться на токопроводящую ламель «в», двигатель станет вра­щаться в противоположную сторону, а работа остальные элементов происхо­дит аналогично описанному выше.

Основные технические характеристики:

- кинетический момент гироскопа Н=0,4 кг·м 2 ·с -1 ;

Частота вращения ротора n=21-22 тыс. об/мин;

Порог чувствительности w пр =0,1-0.3 град/с;

Время задержки выключения коррекции t З =5-15с;

Ток в фазах асинхронного гиромотора ГМ 4; 0,3 А;

Питание прибора: от источника трехфазного переменно) о тока напряжением 36 В частотой 400 Гц и от источника постоянного тока напряжением 27 В;

Масса прибора не более 2,6 кг

Проверка ВК-53 производится на установке типа УПГ-48.Ппри этом проверяются: потребляемый ток, пороговая чувствительность и время задержки выключения коррекции.

Кроме выключателя коррекции ВК-53 применяются выключатели кор­рекции ВК-90, имеющие электронную систему задержки времени.

Гироскоп (от древнегреческих «вращать» и «смотреть») – это в принципе любое вращающееся тело. В современной технике гироскоп представляет собой достаточно массивный ротор с большой скоростью вращения (несколько тысяч оборотов в минуту). Основным физическим свойством любого гироскопа является то, что он стремится сохранять направление оси своего вращения в пространстве. Это является следствием общего свойства инертности материи – ведь каждая точка вращающегося тела стремится сохранять скорость и направление своего движения.

Идея устройства гироскопических компасов проста. Если на борту, несмотря на развороты ВС, все время сохраняется некоторое постоянное направление (направление оси вращения гироскопа), то его можно принять за направление начала отсчета и отсчитывать от него угол до направления продольной оси ВС, то есть курс, и другие пилотажные элементы.

Разумеется, если ось гироскопа жестко закрепить на самолете, то она просто вынуждена будет поворачиваться вместе с ним и тогда никакое направление начала отсчета не сохранится. Поэтому гироскоп помещают в специальное устройство – карданов подвес , который обеспечивает гироскопу три степени свободы, то есть дает ему возможность свободно вращаться вокруг трех перпендикулярных осей. Карданов подвес (назван в честь Д. Кардана, который впервые описал его в своей книге) представляет собой две рамки, одна внутри другой, соединенные между собой в противоположных точках. Если внутри рамок поместить какое-нибудь тело, то оно будет сохранять свое положение, как бы рамки ни вращались вокруг него.

Поскольку курс измеряется в горизонтальной плоскости, ось курсового гироскопа , то есть гироскопа, предназначенного для измерения курса, должна располагаться горизонтально . Если эту ось направить по какому-либо выбранному направлению, например, по северному направлению меридиана данной точки, то она будет сохранять это направление, как бы ни вращалось ВС вместе с кардановым подвесом «вокруг» гироскопа. Остается только каким-либо образом измерить и передать на указатель компаса угол между осью гироскопа и продольной осью самолета и тогда можно отсчитывать курс относительно выбранного направления начала отсчета (в данном случае – от северного направления меридиана).

Выставка ГПК . Как следует из устройства гирополукомпаса, он сам не измеряет курс, то есть не может определить, где север и юг, куда направлена ось самолета относительно сторон света. Этим он отличается от магнитного компаса, чувствительный элемент которого сам определяет направление магнитного меридиана в данной точке. Все что делает ГПК – показывает направление продольной оси ВС относительно оси гироскопа , которая хотя и сохраняет свое направление, но в принципе может быть направлена куда угодно. Поэтому данный прибор и называется полукомпасом . Ведь полноценный компас – это прибор для измерения курса.

Только что включенный ГПК может показать совершенно любое значение гироскопического курса, поскольку ось гироскопа может оказаться в любом положении. Для отсчета курса с помощью гирополукомпаса необходимо сначала установить ось гироскопа с помощью задатчика курса по выбранному направлению начала отсчета.

С помощью задатчика курса необходимо установить такое значение курса, которое соответствует фактическому направлению продольной оси ВС относительно выбранного направления начала отсчета .

Рис. 5.21. Выставка оси курсового гироскопа по направлению начала отсчета

На рисунке (рис. 5.21, а) ось гироскопа стоит в направлении, не совпадающем с желаемым направлением начала отсчета С 0 и гироскопический курс γ г вовсе не совпадает с фактическим курсом γ о относительно направления начала отсчета (оно обозначено С 0).

Но если ось гироскорпа направить в направлении начала отсчета (рис. 5.20, б), то показания компаса будут соответствовать γ о. Следовательно, для того, чтобы с помощью использовать ГПК для определения курса, необходимо:

Выбрать направление начала отсчета курса;

Каким-либо образом определить, каков на самом деле курс самолета (направление его продольной оси) относительно этого направления;

Установить это значение на шкале гирополукомпаса с помощью задатчика курса.

Эта операция называется выставкой ГПК. Она аналогична установке правильного времени на часах, для которой, конечно, необходимо сначала узнать правильное время.

Курс ВС относительно выбранного меридиана можно узнать с помощью другого компаса, например, магнитного, который всегда имеется на самолете. Магнитный компас измеряет курс относительно магнитного меридиана места самолета, поэтому при установке на шкале ГПК значения магнитного курса ось гироскопа и окажется ориентированной по направлению магнитного меридиана в той точке, где эта операция была проделана.

Заметим, что это вовсе не означает, что ГПК будет теперь измерять магнитный курс. Это только в данном месте гироскопический курс совпадет с магнитным. Если же самолет переместится в другое место, то ось гироскопа сохранит прежнее положение, а направление магнитного меридиана в новой точке может быть уже другим из-за схождения меридианов и из-за изменения магнитного склонения.

Другой способ выставки ГПК не требует даже магнитного компаса. Перед взлетом, когда самолет находится на исполнительном старте на взлетно-посадочной полосе (ВПП), его продольная ось с высокой точностью соответствует направлению ВПП, которое, конечно, точно известно на каждом аэродроме. При выставке на шкале ГПК этого направления (магнитного курса взлета) ось гироскопа и будет направлена по северному направлению магнитного меридиана аэродрома вылета.

На практике выставка гирополукомпаса осуществляется по магнитному компасу на стоянке аэродрома перед выруливанием, а на исполнительном старте на ВПП установленный курс при необходимости корректируется задатчиком курса.

Ось гироскопа может быть выставлена по любому направлению, а не обязательно по направлению магнитного меридиана. В любом случае необходимо определить и выставить задатчиком курса фактический курс ВС относительно выбранного меридиана. Например, если за направление начала отсчета выбрано направление истинного меридиана аэродрома вылета, то нужно определить и выставить фактический истинный курс. Его можно определить прибавлением к магнитному курсу магнитного склонения.

Горизонтальная коррекция . При начальной выставке ось курсового гироскопа, конечно, располагается в горизонтальной плоскости. Ведь курс – это угол именно в горизонтальной плоскости, да и направление начала отсчета (меридиана) тоже является горизонтальным. Но что такое горизонтальная плоскость? Если принять Землю за сферу, то это плоскость, касательная к ней в данной точке, то есть перпендикулярная к радиусу Земли. А при вращении Земли эта плоскость меняет свое положение в мировом пространстве относительно звезд. Гироскоп же сохраняет свое направление и, следовательно, со временем выходит из этой горизонтальной плоскости (на самом деле это горизонтальная плоскость отклоняется от оси гироскопа).

Чтобы ось гироскопа (направление начала отсчета курса) оставалась горизонтальной в ГПК-52 и в более современных приборах предусмотрена горизонтальная коррекция . Ее механизм постоянно удерживает ось курсового гироскопа в горизонтальном положении.

В простейшем случае механизм горизонтальной коррекции представляет собой так называемый жидкостной переключатель , который выполняет функцию маятника. Это небольшая емкость с токопроводящей жидкостью, закрепленная на нижней части гироузла. В жидкости имеется пузырек воздуха, а по краям емкости – электрические контакты. Если гироузел с жидкостным маятником и, следовательно, ось гироскопа расположены горизонтально, то пузырек плавает в центре емкости. Если маятник вышел из плоскости горизонта, то пузырек примыкает к краю емкости, касаясь какой-либо пары контактов. Поскольку воздух в пузырьке ток не пропускает, изменяются электрические токи в цепях маятника и разность токов, протекающих через разные пары контактов, заставляет работать специальный электрический двигатель. Этот двигатель разворачивает внутреннюю рамку карданова подвеса и приводит гироузел вместе с осью гироскопа и жидкостным маятником в горизонтальное положение. Пузырек перестает замыкать контакты и двигатель выключается.

Механизм горизонтальной коррекции работает автоматически и не требует от экипажа каких-либо действий. При дальнейшем рассмотрении работы гироскопических приборов будем считать, что благодаря этому механизму ось курсового гироскопа все время находится в горизонтальном положении.

Азимутальная коррекция. За счет вращения Земли ось курсового гироскопа имеет уход и в азимуте, то есть поворачивается и вокруг вертикальной оси, отклоняясь от направления меридиана начальной выставки. Поскольку Земля вращается с запада на восток, нетрудно сообразить, что в северном полушарии Земли ось гироскопа «уходит» к востоку, то есть вращается по часовой стрелке, если смотреть сверху. Скорость этого ухода, то есть поворота оси гироскопа, зависит от широты места расположения гироскопа. На рис. 5.23 изображен гироскоп, а ось Y - направление местной вертикали в точке его расположения.

Вектор угловой скорости вращения Земли ω з направлен по оси вращения планеты, причем, в соответствии с правилом буравчика, в сторону северного полюса. Проекцию этого вектора на направление местной вертикали (ось Y) обозначим ω з. y .Из рис. 5.23 видно, что

ω з. y = ω з sin φ,

где φ - широта точки;

ω з - угловая скорость вращения Земли. Поскольку Земля совершает оборот на 360° за 24 часа, то ω з =15 °/ч.

Рис. 5.23. Азимутальный уход курсового гироскопа

Вектор ω з. y характеризует скорость вращения Земли вокруг вертикальной оси в точке относительно звезд и, следовательно, относительно сохраняющего свое направление гироскопа. Очевидно, что такой же по величине, но противоположной по направлению, будет скорость поворота оси гироскопа относительно Земли, если теперь Землю считать неподвижной.

Таким образом, скорость азимутального ухода гироскопа за счет суточного вращения Земли зависит от широты места самолета . На экваторе (φ =0) гироскоп от начального направления (например, направления истинного меридиана) не уходит. На полюсе (φ =90°) скорость ухода максимальна (15°/ч). На промежуточных широтах скорость ухода пропорциональна синусу широты. Например, на широте 30° она составляет 7,5°/ч (sin30° =0,5; 0,5х15=7,5).

В южном полушарии Земли широта отрицательна, поэтому противоположен и знак (сторона) ухода.

Таким образом, если даже на неподвижном самолете установить ось гироскопа, например, по истинному меридиану и не предпринять никаких мер, то с течением времени ось гироскопа будет уходить от меридиана. На компасе при этом будет меняться гироскопический курс, несмотря на то, что самолет неподвижен.

Для компенсации ухода гироскопа в азимуте ГПК снабжен механизмом азимутальной коррекции . Он представляет собой небольшой электромотор, скорость вращения которого можно регулировать. На пульте управления ГПК имеется кремальера установки широты пролетаемой местности, которая и регулирует скорость электромотора. Если установить с ее помощью некоторую широту φ уст , то двигатель будет поворачивать ось гироскопа с угловой скоростью прецессии (ухода)

ω пр = ω з sin φ уст,

но в сторону, противоположную той, в которую уходит гироскоп из-за вращения Земли.

Очевидно, что если установить φ уст равную фактической широте места самолета, то ось гироскопа будет сохранять свое первоначальное положение. Ведь с какой скоростью она «хочет» уйти за счет вращения Земли, с такой же скоростью, но в обратном направлении, ее будет поворачивать двигатель механизма азимутальной коррекции.

Механизм азимутальной коррекции на практике часто называют «широтным потенциометром», поскольку в первых типах гироскопических приборов (в том числе, ГПК-52) действительно использовался потенциометр для изменения скорости вращения электромотора.

Из изложенного следует, что для сохранения осью курсового гироскопа направления начала отсчета в полете необходимо устанавливать широту пролетаемой местности (на практике – при ее изменении на 1-2°). Если этого не делать или устанавливать широту неточно, ось гироскопа будет уходить со скоростью, соответствующей разности фактической и установленной широт, и, следовательно, будет возрастать погрешность измерения курса.

Рис. 4. Влияние вращения земли и скорости полёта на видимое положение ротора гироскопа: а – ось ротора гироскопа в начальный момент установлена вертикально на экваторе; б – ось гироскопа в начальный момент установлена на широте; в – ось ротора гироскопа в начальный момент установлена горизонтально на полюсе Земли

Из рис. 3, б видно, что только го­ризонтальная составляющая вращения Земли вызывает кажущийся уход оси ротора гироскопа от направления истинной вертикали.

В общем случае ось ротора гироскопа непрерывно изменяет своё положение относительно связанных с Землёй координат. Поэтому при использовании свободного гироскопа для определения угловых положений и курса самолёта необходимо осуществлять непрерывную коррекцию, компенсирующую уход оси ротора гироскопа.

В качестве измерительного устройства, корректирующего кажущийся уход гировертикали, применяется жидкостный маятник.

При отсутствии ускорений с помощью маятника главная ось гироскопа выставляется вертикально. В те моменты, когда на маятник действуют ускорения, его отключают и гироскоп работает в режиме «памяти».

Устройство, с помощью которого маятник действует на гироскоп, называется системой маятниковой коррекции. Гироскоп с такой коррекцией называют гировертикалью.

В авиагоризонтах используется электролитический маятник (рис. 5), представляющий собой плоскую медную чашу 3, заполненную токопроводящей жидкостью 1 с большим удельным электрическим сопротивлением. Жидкости в чаше столько, что остается место для воздушного пузырька 2. Чаша закрыта крышкой из изоляционного материала, в которую вмонтировано четыре контакта 4, 5, 6, 7, пятым контактом является сама чаша.

Рис. 5. Электролитический маятник: 1-токопроводящая жидкость (электролит);

2- воздушный пузырек; 3-медная чаша; 4,5,6,7-контакты; 8 – изоляционная крышка

При отклонении оси ротора от вертикали пузырек воздуха перемещается (например, на угол γ) и электрические сопротивления между корпусом сосуда и противоположными электродами станут различными. Это вызовет появление коррекционного момента, под действием которого гироскоп прецессирует к вертикали.

Связав маятник с внутренней рамой карданова подвеса, и расположив по осям подвеса коррекционные двигатели, получаем гировертикаль с электромеханической маятниковой коррекцией (рис. 7).

Рис. 7. Гировертикаль с маятниковой коррекцией: 1-электролитический маятник;

2, 3-коррекционные двигатели

Чтобы не допустить погрешности в указании вертикали при полете с ускорением, предусмотрены выключатели цепей коррекции:

поперечной коррекции - при развороте самолета, цепи обмоток управления электродвигателей разрываются контактами выключателя коррекции при определенной величине угловой скорости разворота,

продольной коррекции - при линейных ускорениях летательного аппарата.

Арретирование гироскопов

При транспортировке неработающего гироскопического прибора на его детали будут непрерывно действовать значительные динамические усилия, для их уменьшения применяют приспособление, называемое арретиром или защелкой, с помощью которого у гироскопа в нужный момент уничтожаются две степени свободы.

Вывод: таким образом, электролитический (индукционный) маятник 1, действуя на гироскоп через коррекционные двигатели 2 и 3, все время будет приводить главную ось гироскопа к положению вертикали. При отключении коррекции гироскоп будет сохранять свое прежнее положение в пространстве с точностью, определяемой его собственными ошибками, например, за счет прецессии, вызванной моментами трения по осям карданова подвеса.

Как было показано в предыдущем разделе, гироскоп должен иметь. По возможности большой кинетический момент. Кинетический момент гироско­па - это произведение момента инерции ротора относительно оси вращения I z на угловую скорость вращения H = I z Ω . Следовательно, можно увеличивать ки­нетический момент за счет увеличения момента инерции. Поскольку момент инерции тела вращения выражается форму

где т - масса тела; R - радиус, то выгодно массу ротора размещать по воз­можности на большем удалении от оси вращения. В связи с этим роторы гиромоторов имеют конфигурацию такую, как показано на рис. 3.3. Ротор гиромотора 1 одновременно является якорем асинхронного двигателя переменного то­ка; в якоре имеется беличье колесо. Статором же у такого двигателя является внутренняя обмотка 2.

Рис 3.3 гиромотор в разрезе: 1-ротор, 2-статор.

Конструкция ротора выбирается в основном из соображений максимального момента инерции и отсутствия деформаций ротора от действия центробежных сил, возникающих при вращении ротора.

Авиационные гиромоторы питаются трехфазным напряжением U = 36 В с частотой f = 400 Гц. Так как они являются асинхронными двигателями, облада­ющими скольжением, то обороты ротора гиромоторов п = 22000 ÷23000 об/мин. Существуют гиромоторы, имеющие существенно большие угловые скорости, но ввиду того, что ресурс работы подшипников таких гиромоторов обратно про­порционален угловой скорости ротора, в гражданской авиации их не применяют.

Рис 3.4 вращающиеся подшипники:

Рис 3.5 электромеханическая схема гироскопического подвеса

1- внутреннее кольцо, 2,4-средние кольца,4-наружное кольцо, Д1,Д2-двигатели

Поскольку способность гироскопа точно сохранять положение своей главной оси в пространстве зависит от величины моментов, действующих по осям его карданова подвеса, при конструировании гироскопов стараются свести эти мо­менты к минимуму.

В качестве опор для осей карданова подвеса гироскопа используют высоко­прецизионные подшипники качения с малыми моментами трения.

Для особо точных приборов, например, гироскопов для курсовых систем, применяют так называемые вращающиеся подшипники с двумя рядами шари­ков, причем внутреннее кольцо 2 (рис. 3.4) совершает принудительное вра­щение относительно оси 1 и неподвижного кольца 3.

На принципиальную возможность уменьшения влияния трения в подобных устройствах указал Н. Е. Жуковский. Идея Н. Е. Жуковского сводилась к сле­дующему: если имеется 100 натянутых ниток, на которых лежит какой-нибудь предмет, например, карандаш, то, перемещая все нити вправо, карандаш будет увлекаться ими за счет трения тоже вправо. Если перемещать нити влево, то и карандаш будет двигаться влево. Заставляя каждую четную нить двигаться вправо, а нечетную - влево, будем иметь карандаш неподвижным. Конечно, это при условии, что на каждую нить будет выпадать одинаковая доля массы ка­рандаша и коэффициент трения контактных поверхностей карандаш - нить вез­де одинаков. В этом примере трение не исчезает, оно только взаимно компенси­руется.

На рис. 3.5 представлена конструкция внутренней рамы карданопа под­веса (гироузла). Как видно из рисунка, внутренние кольца 2 и 4 левого и правого подшипников могут поворачиваться двигателями Д1 и Д2. Причем кольца вращаются с одинаковыми угловыми скоростями, но в противоположные сто­роны. Возникающие при этом силы трении воздействуют на внутреннюю ось гироскопа с помощью моментов, направления которых противоположны, поэто­му их суммарная величина оказывается близкой к нулю, и вредное воздействие моментов трения ослабляется. Сели даже суммарная величина моментов тре­ния заставляет гироскоп прецессировать с некоторой небольшой скоростью, то периодическим изменением направления вращения двигателей (с помощью пере­ключателя В со специальным кулачком) можно менять направление действия этого момента, а следовательно, и направление прецессии, что, в конечном сче­те уменьшает прецессию гироскопа от моментов трения в осях карданова под­веса С помощью такой схемы удается уменьшить собственные «уходы» гиро­скопа в несколько раз по сравнению с обычными подшипниками качения.

Рис 3.6 действие на гироскоп силы тяжести.

Существуют гироскопы с аэродинамическими подшипниками по осям кар­данова подвеса. Такой подшипник представляет собой втулку и ось, между ко­торыми имеется воздушный зазор и ось как бы «плавает» в воздухе. Такие под­шипники тоже имеют весьма малые моменты трения, но в гражданской авиа­ции в силу ряда причин пока не применяются.

Гироскоп должен быть тщательно сбалансирован, т. е. центр масс гиромотора должен совпадать с точкой пересечения осей карданова подвеса. В противном случае, как показано на рис. 3.6, на гироскоп действуют моменты от ускоре­ния силы тяжести.

Следует заметить, что при эксплуатации авиационных гироскопических приборов необходимо строго выполнять правила технической и летной эксплуа­тации, так как от этого зависит точность их работы и долговечность. Необхо­димо также помнить, что гироскопические приборы являются приборами доро­гостоящими.

3.3. Гироскопические асинхронные двигители

Гироскопический двигатель предназначен для разгона маховой массы за определенный промежуток времени до номинальной часто­ты вращения и для последующей ее стабилизации при минимальном потреблении энергии. В настоящее время широкое применение нашли электрические гироскопические двигатели и, в частности, асинхронные.

Асинхронный гироскопический двигатель (АГД) конструктивно объединен в одно целое с маховиком (рис.3.7). Для обеспечения при заданных габаритах и массе наибольшего кинетического момен­та

H = J  , (3.2)

где J - момент инерции маховика относительно оси вращения;  - угловая скорость, стремятся вращающуюся массу разместить на максимальном удалении от оси вращения. С этой целью применя­ют обращенную конструкцию асинхронного двигателя с внешним короткозамкнутым ротором 1 (рис.3.7) и с внутренним неподвиж­ным статором 2 . Для повышения кинетического момента внешний ротор располагают внутри специальной втулки 3, к которой крепятся крышки 4, 5. Втулка выполняется из латуни или бериллия.

Повышение кинетического момента при заданной массе внешнего ротора связано также с максимальным повышением его угловой скорости  (частоты вращения n ). Частота вращения современных АГД лежит в пределах n = 15000  60000 об/мин при числе пар полюсов р = 1; 2 . Иногда для повышения частоты вращения АГД его питание осуществляют от автономного источника с повышенной частотой f = 500  2000 Гц . Максимум частоты вращения АГД ограничен, как правило, качеством шарикоподшипни­ков.

Отношение кинетического момента Н к массе АГД называют добротностью гироскопического двигателя. Ее повышение обеспечи­вается увеличением плотности материала частей конструкции, вра­щающихся на большом удалении от оси, и уменьшением ее для всех остальных элементов.

На валу АГД нет полезной нагрузки. Он работает в режиме хо­лостого хода, преодолевая моменты трения внешнего ротора о газовую среду и трения в подшипниках, при нулевом к.п.д. Условным к.п.д. АГД принято считать отношение мощности механических потерь к полной потребляемой мощности, характеризующее совершенство асинхронного двигателя в электромагнитном отношении. Величина условного к.п.д. в зависимости от мощности, конструктивного испол­нения и параметров АГД лежит в пределах  = 0,2  0,9 .

Рис. 3.7. Конструкция асинхронного гироскопического двигателя (АГД)

Для повышения стабильности частоты вращения при изменении плотности окружающей среди, связанной с изменением высоты полета летательного аппарата, номинальное скольжение АГД выбирают в пределах S н = 0,015  0,12 . В некоторых случаях с целью исключения влияния высоты полета на работу АГД его помешают в специальную газовую или вакуумную камеру. Снижение вентиляцион­ных потерь достигается в АГД полировкой внешней поверхности ротора.

Улучшение характеристик АГД путем увеличения массы ротора с другой стороны приводит к увеличению длительности процесса его запуска, которая лежит в пределах от десятков секунд до десятков минут. Для обеспечения приемлемых пусковых характеристик при проектировании АГД стремятся добиться кратности пускового момен­та M п / M н > 1,5 , кратности максимального момента (перегрузоч­ной способности) M ЭМ М / M н = 2  5 и критического скольжения S кр = 0,3  0,4. Под номинальным моментом АГД понимают сум­марный момент его потерь в номинальном режиме.

Поскольку АГД работает с нагрузкой, близкой по своему харак­теру к вентиляционной, то в процессе запуска избыточный электро­магнитный момент  M ЭМ меняется не существенно (рис. 3.8). При этом запуск происходит с практически постоянным ускорением. Для сокращения времени запуска иногда применяют запуск АГД при повышенном напряжении питания.

Рис.3.8. Механическая характеристика АГД

Стремление по возможности уменьшить суммарный момент по­терь, т.е. величины номинального скольжения и активной составля­ющей тока статора, обусловило характерную особенность АГД - от­носительно большой намагничивающий ток, достигающий 60 - 90% от номинального значения. Коэффициент мощности составляет при этом cos  =0,4 + 0,8 . Он будет тем меньшим, чем с меньшим скольжением работает АГД.

Для обеспечения максимальной точности к АГД предъявляется ряд специфических требований:

Механическая стабильность элементов конструкции и их соеди­нений, т.е. способность элементов конструкции сохранять постоян­ство положений центров масс в различных режимах работы и при различных внешних воздействиях;

Симметрия и жесткость конструкции в целом, связанные с необходимостью симметричного расположения (относительно продо­льной и поперечной осей симметрии) вращающихся и наиболее на­гретых элементов конструкции, имеющих значительную массу;

Минимум и постоянство в процессе работы потребляемой мощ­ности, т.е. нагрева АГД, и неравномерности распределения темпера­тур, что связано с уменьшением аэродинамических потерь (потерь на трение внешнего ротора о воздух), с обеспечением постоянства осевой нагрузки на подшипники и сохранности смазки, с применением подшипников, их сборок и смазки повышенного качества.

Реализация этих требований привела к созданию симметричных конструкций АГД, состоящих из минимального количества элементов. Так, например, внутренние дорожки качения подшипников (рис.3.7) часто изготавливаются непосредственно на оси, чем сокращается количество соединений деталей и повышается точность сборки.

В отличие от асинхронных машин обычного исполнения АГД не имеют осевого люфта в подшипниковых узлах. Требуемая жесткость конструкции обеспечивается предварительной осевой нагрузкой под­шипников, которая в процессе работы должна оставаться неизменной.

Симметрия и жесткость конструкции АГД достигаются примене­нием конструкционных материалов, имеющих одинаковый коэффициент расширения. Так, например, ось, крышки, кольца подшипников и ротор АГД выполняются из подшипниковой стали, а втулка - из бериллия.

Указанные особенности относятся также к синхронным гироско­пическим двигателям (СГД), в качестве которых находят широкое применение гистерезисные двигатели.

В гироскопах авиационных приборов, устанавливае­мых на самолетах гражданской авиации, ротор объединен с внутрен­ней рамой в единый конструктивный блок - гироузел. Гироузел со­стоит из гирокамеры и размещенного в гирокамере гиромотора. Гирокамера выполняет роль внутренней рамы гироскопа и имеет оси для подвеса в опорах наружной рамы. Гиромоторы в большинстве случаев представляют собой трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым внешним ротором и внутренним статором. Гиромотор ГМ-4П (рис. 3.9) состоит из ротора, статора, шарикоподшипниковых опор и оси. Статор имеет пакет железа 2, обмотку 1 и втулками 3 и 12 жестко укреплен на оси 5 . Выходные провода обмотки статора выведены на­ружу через полую часть оси 5 . Ротор гиромотора состоит из латунного обода 10, пакета железа 8 с короткозамкнутой обмоткой 16 и мас­сивного кольца 14. Пакет 8 ротора и кольцо 14 посажены в обод рото­ра на прессовой посадке. Фланцы 6 и 11 посажены в обод 10 с натягом и крепятся к нему винтами. Внутренние кольца шариковых подшипни­ков 4 и 13 установлены на цапфы фланцев 6 и 11 ротора с натягом. На­ружное кольцо подшипника 4 вставлено во втулку 3 с радиальным зазо­ром, а наружное кольцо подшипника 13 - во втулку 12 с натягом В гнезде статора под наружным кольцом свободно сидящего шарико­вого подшипника 4 поставлена пружинная шайба 7. Она служит для компенсации температурных изменений линейных размеров гиромотора Прокладки 9 и 15 служат для установления осевого натяга на ша­риковых подшипниках Концы оси гиромотора имеют резьбу. При по­мещении гиромотора в гирокамеру его ось пропускается через отвер­стия в корпусе и крышки гирокамеры После крепления крышки гирокамеры к ее корпусу ось гиромотора крепится к ним с помощью гаек. Гироузлы одинаковых типов могут применяться в различных гиро­скопических приборах, Иначе обстоит дело с наружными рамами. Кон­структивное исполнение наружных рам определяется в первую оче­редь типом гироприбора и является в каждом конкретном случае сугу­бо индивидуальным. В раме 1 на посадочные места по оси Ох н закреп­ляются наружные кольца шариковых подшипников (рис. 3.10) Во внутренних кольцах шариковых подшипников закрепляются оси гирокамеры гироузла. По оси 0у н в раме закреплены полуоси 2 и 3, предназначенные для подвеса рамы в корпусе гироприбора.

Рис. 3.9.Консрукция гиромотора ГМ-4П

Рис. 3.10. Конструкция наружной рамы гироприбора

3.4 Виды подвесов гироскопа

При конструировании гироприборов большое внимание уделяется выбору опор, обеспечивающих сво­боду вращения и осуществляющих двустороннюю удерживающую связь между ротором, рамами карданова подвеса и корпусом прибо­ра. Опоры гироскопа делятся на главные, обеспечивающие свободу вращения ротора, и опоры карданова подвеса, обеспечивающие сво­боду движения рам вокруг своих осей. Такая классификация обус­ловлена различными условиями работы опор Главные опоры в те­чение длительного времени рабо­тают при повышенных скоростях вращения, в то время как опоры карданова подвеса работают при малых скоростях и небольших углах поворота. Основными пока­зателями качества опор являются: момент сил трения М тр , осевые я радиальные люфты, долговечность работы Т р . Момент сил трения в главных опорах не влияет на точность гироприбора, но влияет на выбор мощности гиромотора и срок его службы. Момент трения в опорах карданова подвеса в значительной степени оказывает влия­ние на точность гироприбора. В связи с этим разрабатываются спе­циальные меры для снижения трения в опорах карданова подвеса От­рицательное влияние на точность гироприборов оказывают также люф­ты в главных опорах карданова подвеса.

Наибольшее распространение в авиационных гироскопах получили шарикоподшипниковые опоры. Разработанные в настоящее время опо­ры такого типа позволяют получить достаточную точность и надежность приборов.

В тех случаях, когда необходимо повысить точность работы прибора, используют определенные конструктивные меры. В частности, момен­ты трения по внутренним осям карданова подвеса гироагрегатов кур­совых систем уменьшают с помощью специальных «вращающихся» подшипников (рис. 3.11). Гироузел 3 трехстепенного гироскопа подве­шен на оси 4 в наружной раме 7 с помощью комбинированных двой­ных подшипников. Средние кольца 2 , 8 подшипников на левом и пра­вом концах оси подвеса гироузла приводятся во вращение в противо­положные стороны (привод вращения средних колец на рисунке не показан). Оси вращения 5 , 9 наружной рамы закреплены в подшипниках 1, 6, наружные кольца которых неподвижны относительно основа­ния.

Пусть кинетический момент гироскопа совпадает с направлением полета. Тогда при повороте самолета относительно поперечной оси с угловой скоростью Ф наружная рама гироскопа будет разворачиваться вместе с основанием относительно неподвижной оси 4 подвеса гироузла с угловой скоростью - . Ось 4 остается неподвижной в силу основного свойства трехстепенного гироскопа - сохранять неизменным в прост­ранстве положение главной оси.

При равенстве моментов трения в опорах уход гироскопа отсутствует. Однако на практике равенства моментов обеспечить не удается и уход имеет место, но со значительно меньшей скоростью, чем при невращающихся опорах. Снижению систематиче­ского ухода способствует введение периодического реверсирования вращения средних колец.

Рис. 3.11. Схема конструкции «вращающихся» подшипников

В случае равных и небольших времен вращения средних колец под­шипников в разные стороны при реверсировании гироскоп будет откло­няться от среднего положения на равные и противоположные углы, со­вершая тем самым малые колебания относительно первоначального положения оси кинетического момента.

Рис. 3.12. Привод вращения средних колес «вращающихся» подшипников

Реверсирование вращения средних колец подшипников в гироагрегатах курсовых систем (рис. 3.12) производится переключателем В", управляемым специальным кулачком. Кроме «вращающихся» подшип­ников, могут быть использованы другие конструкции, позволяющие существенно снизить (или практически исключить) трение в подвесе гироскопа путем компенсации силы тяжести подвешиваемой части ги­роскопа некоторой другой противоположно направленной силой. К подвесам такого типа (рис. 3.13) относят: жидкостный (а ), гидроста­тический (б ), магнитный (в), электростатический (г) и др.

Из перечисленных типов подвесов в авиационных гироскопических приборах используется в настоящее время только жидкостный подвес (рис, 3.13, а ). В гироскопе герметичный гироузел 1 подвешивается в герметичном корпусе 2 , заполненном жидкостью. Плотность жидкости подбирается такой, чтобы масса вытесняемого гироузлом объема жид­кости была равна массе гироузла. Тем самым воспринимаемая опорами нагрузка снижается практически до нуля, что обеспечивает весьма ма­лые моменты сил трения в опорах подвеса гироузла.

Существуют также гироприборы на основе трехстепенного гироско­па с подвесом данного типа.

В гидростатическом подвесе жидкость или газ вводится под давле­нием через узкие отверстия 1 в зазор 2 между неподвижной частью опо­ры 4 и гироузлом 3 (рис. 3.13, б). При уменьшении зазора, вызванном нагрузкой, уменьшение расхода жидкости приводит к увеличению местного давления. Параметры подвеса выбираются таким образом, чтобы сумма сил местного давления уравновешивала силу веса гироузла при зазоре в пределах сотых долей миллиметра.

Магнитный подвес чувствительного элемента используется в крио­генных гироскопах. Техническая реализация такого гироскопа бази­руется на использовании явления сверхпроводимости некоторых мате­риалов, которое наступает при температурах, близких к абсолютному нулю. Это явление состоит в резком уменьшении электрического со­противления материала. При помещении шарика из сверхпроводящего материала в магнитное поле, напряженность которого не превышает не­которого критического значения, на его поверхности наводятся токи, препятствующие проникновению поля внутрь шарика. Вследствие этого шарик может висеть в магнитном поле, не имея механической точки опоры. Если вокруг шарика создан вакуум, то практически исключатся все силы сопротивления вращению шарика.

В экспериментальном криогенном гироскопе (рис. 3.13, в) корпус прибора представляет собой криогенную установку 7 , заключенную в кожух 8 (сосуд Дьюара). Криогенная установка охлаждается жидким гелием или азотом и внутри сферической полости 4 в корпусе прибора поддерживается температура, близкая к абсолютному нулю. Ток, протекающий по обмоткам катушек 1 , соз­дает центрирующее магнитное поле 2. На поверхности полой тонкостенной сфе­ры 3, сделанной из сверхпроводящего металла, например ниобия, образуются вихревые токи, создающие магнитное поле, препятствующее проникновению центрирующего магнитного поля в ме­талл. Силы взаимодействия центрирую­щего магнитного поля и поля, наводи­мого в металле сферы, удерживают ее во взвешенном состоянии внутри сфери­ческой полости корпуса прибора. Сфера 3 и тяжелый обод (5, помещенный внутри сферы, образуют ротор гироскопа, ко­торый приводится во вращение с боль­шой угловой скоростью Ω вокруг оси z , перпендикулярной плоскости обода, электродвигателем 5. В пространстве между сферическим ротором и полостью корпуса создается высокий вакуум. Электродвигатель 5 используется только для разгона ротора. После отключения двигателя ротор движется по инерции в течение нескольких дней и даже месяцев.

Рис. 3.13. Виды подвесов гироскопа

Гироскопы с электростатическим подвесом (рис. 3.13, г) конструк­тивно аналогичны криогенным гироскопам. Ротор 1 такого гироскопа изготовлен из бериллия в виде тонкого полого шара, помещенного в сферическую полость камеры 3 , выполненной из специальной керами­ки, являющейся изолятором. На внутренней поверхности камеры рас­положены три пары чашеобразных электродов 2 , питаемых перемен­ным электрическим током. Оси симметрии каждой пары таких электро­дов направлены по трем взаимно перпендикулярным направлениям, поэтому создаваемое ими электростатическое поле удерживает центр сферического ротора в центре О камеры. Ротор раскручивается с по­мощью вращающегося магнитного поля, создаваемого статором 4, несущим на себе электрическую обмотку. В полости камеры 3 поддер­живается высокий вакуум. Электрическое напряжение на обмотку статора подается лишь в период разгона ротора. В дальнейшем ротор длительное время вращается по инерции.

3.5 Устройства для передачи энергии

Устройства для передачи энергии служат для подвода элект­рической энергии от внешних источников к элементам гироприборов, расположенным на перемещающихся относительно друг друга узлах. С помощью данных устройств осуществляется электрическая связь между элементами, помещенными на корпусе прибора и наружной раме карданова подвеса или на наружной и внутренней рамах.

Наиболее просто энергия передается посредством гибких проволоч­ных проводников (рис. 3.14), Гибкий проводник 3 представляет собой пучок металлических жил, помещенных в изоляционную оплетку.

Рис. 3.14. Использование гибкого проводника для передачи энергии в гироскопе

Концы жил заделаны в общий наконечник, закрепленный на переход­ных контактах 4. Контакты обеспечивают соединение наконечника с жестким проводом 5 , расположенным на соответствующей детали 1 подвеса. Контакты монтируют на колодке 2 , изолирующей контакты от металлической поверхности детали.

В тех случаях, когда углы взаимного разворота деталей гироприбора достигают существенных значений, для передачи энергии применя­ют скользящие контакты (рис. 3.15, а ). Щетка 3 , по которой передает­ся электрический ток, скользит по токоприемному кольцу 2. Кольцо изолировано от оси рамы 1 сплошной изоляционной втулочкой с ре­бордами, предохраняющими щетку от схода с кольца. Если в местах со­членения деталей подвеса необходимо осуществить несколько изолиро­ванных друг от друга линий передачи электрического тока, то по оси подвеса устанавливается необходимое число токоприемных колец.

Широко применяемой разновидностью устройств передачи энергии являются точечные контакты. Они отличаются от скользящих контак­тов тем, что в данном случае точка контакта лежит на оси вращения элементов токоподвода. Каждый точечный контакт (рис. 3.15, б) состо­ит из неподвижного 3 и подвижного 4 контактов, образующих контакт­ную пару. В приведенном примере неподвижные контакты закрепле­ны на наружной раме 2 , а подвижные-на оси вращения внутренней рамы 1. Контакты 3 и 4 изолированы от металлических деталей подвеса электроизоляционным материалом 5 .

Рис 3.15 контактные устройства используемеые в гироприборах.

а-скальзящие, 2-набор точечных контактов.

3.6 Корректирующие устройства .

Одним из основных свойств трехсте­пенного гироскопа является способность сохранять неизменным поло­жение оси вращения ротора (главной оси гироскопа) в мировом про­странстве. Однако для решения ряда практических задач необходимо, чтобы главная ось гироскопа сохраняла неизменное направление не в мировом пространстве, а относительно той или иной выбранной систе­мы координат. Так, для определения с помощью трехстепенного гиро­скопа углов крена и тангажа ЛА необходимо, чтобы ось вращения ро­тора была направлена по вертикали места. При определении с помощью трехстепенного гироскопа отклонений ЛА от заданного направления необходимо, чтобы его главная ось выдерживала заданное направле­ние в горизонтальной плоскости. Для устранения нежелательных от­клонений главной оси гироскопа от требуемого направления или ком­пенсации различного рода возмущающих моментов, нарушающих нор­мальный режим работы гироскопического прибора, применяют коррек­тирующие устройства.

Корректирующие устройства гироскопических приборов обеспечи­вают сохранность требуемого положения главной оси гироскопа пу­тем приложения к гироскопу внешних управляющих (корректирую­щих) моментов или компенсацию уходов гироскопа в показаниях гироприбора. Основными элементами корректирующих устройств являют­ся чувствительные элементы и исполнительные органы. В качестве чувствительных элементов выбирают элементы, обладающие избира­тельностью к опорному направлению или устойчиво сохраняющие за­данное им направление, В авиационных приборах в основном исполь­зуют гравитационные, магнитные и ориентированные по небесным све­тилам чувствительные элементы.

Опорным направлением для гравитационных элементов является направление вертикали места, совпадающее с направлением ускоре­ния силы тяжести. Магнитные чувствительные элементы реагируют на магнитное поле Земли, поэтому опорным направлением для них яв­ляется направление магнитного меридиана. Чувствительные элементы, ориентированные по небесным светилам, обеспечивают задание устой­чивого направления на Солнце, Луну, планеты или звезды. Исполни­тельными органами корректирующих устройств авиационных прибо­ров являются, как правило, двухфазные" реверсивные асинхронные электродвигатели, работающие в заторможенном режиме, а также сельсинные и потенциометрические следящие системы.

Среди гравитационных чувствительных элементов наиболее широ­кое распространение получили жидкостные маятниковые датчики на­правления вертикали. Используются однокоординатные и двухкоординатные жидкостные маятниковые датчики (маятниковые переключа­тели).

Однокоординатный жидкостный маятниковый датчик (ЖМД) (рис. 3.16) представляет собой стеклянный баллон 1 с вваренными в него платиновыми электродами 3, 5, 6. Баллон заполнен токопроводящей жидкостью (электролитом) 2 так, что оставшийся воздушный пузырек 4 при горизонтальном положении датчика поровну и примерно на­половину перекрывает электроды 3 , 5. Электрическая схема взаимо­действия ЖМД и исполнительного органа (двухфазного асинхронного двигателя) системы коррекции приведена на рис. 15.13. Электроды 3 и 6 в сосуде 5 соединены с обмотками управления двигателя 2, Общая точка обмоток управления 1 подключена к одной из фаз источника ли­тания переменного тока. Центральный контакт 4 подключен к другой фазе.

Рис. 3.16. Однокоординатный жидкостный маятниковый датчик

Рис. 3.17. Электрическая схема однокоординатной системы коррекции

Схемы коррекции главной оси трехстепенного гироскопа в плоскости горизонта и по направлению вертикали места приведены на рис. 3.18. На рис.3.18, а приведена схема горизонтальной коррекции главной оси

Рис. 3.18. Коррекция главной оси трехстепенного гироскопа:

а – схема горизонтальной коррекции; б – схема коррекции по направлению вертикали места

трехстепенного гироскопа (1 - жидкостный маятниковый датчик, 2 - коррекционный двигатель). При го­ризонтальном положении главной оси гироскопа, а следовательно, и датчика электрическое сопротивление между средним электродом 6 (см. рис. 3.16) и каждым из крайних электродов 3, 5 одинаково, и по управляющим обмоткам коррекционного двигателя протекают токи, равные по величине, но противо­положные по направлению. В этом слу­чае двигатель неподвижен и момента не создает. При отклонении главной оси гироскопа от плоскости горизонта воз­душный пузырек смещается относитель­но электродов и изменяется площадь контактной поверхности электролита с электродами. Электрическое сопротивле­ние цепей между центральным и край­ними электродами изменяется. При этом большим становится сопротивление цепи того электрода, поверхность соприкос­новения которого с жидкостью меньше. В результате по управляющим обмоткам коррекционного двигателя потекут разные по значению и направле­нию токи. Двигатель создаст момент относительно оси подвеса на­ружной рамы, и гироскоп начнет прецессировать относительно оси подвеса гироузла. Схема горизонтальной коррекции (рис. 3.18, а) срабатывает таким образом, что коррекционный двигатель вызывает прецессию гироскопа в направлении, при котором угол рассогласования главной оси и плоскости горизонта уменьшается.

Рис. 3.19. Схема двухкоординатного жидкостного маятникового датчика

Однокоординатные ЖМД используются также для удержания глав­ной оси трехстепенного гироскопа по направлению вертикали места (рис. 3.18, б). Ось гироскопа будет совпадать с направлением вертика­ли места, если оси Ох в и О z в находятся в плоскости горизонта. Это обес­печивается соответствующим расположением ЖМД. Ось чувствитель­ности маятника 1 направляется параллельно оси О z в , ось чувствитель­ности маятника 2 - параллельно оси 0х в . Иногда маятник 1 распола­гают на наружной раме. В этом случае он также реагирует на откло­нение оси 0 z в гироскопа от плоскости горизонта. Электрические схе­мы коррекции по каждой из осей Ох в , 0 z в аналогичны схеме, изобра­женной на рис. 3.17. Часто в качестве чувствительного элемента сис­темы, обеспечивающей коррекцию главной оси трехстепенного гиро­скопа по направлению вертикали места, используется двухкоординат-ный ЖМД (рис. 3.19). На металлическом корпусе 1 смонтированы изо­лированные от корпуса и между собой две пары электродов 2, 6 расположенных по окружности и на равном расстоянии друг от друга. Корпус 1 соединен с металлическим кожухом 5. Кожух почти полно­стью, за исключением пузырька воздуха 4 , заполнен электролитом. Каждая пара электродов 2 , 6 и центральный контакт 3 работают ана­логично од но координатном у датчику.

Магнитные чувствительные элементы используются для измерения отклонений главной оси гироскопа от плоскости магнитного меридиана. Наиболее простым чувствительным элементом подобного типа является магнитная стрелка. Однако вследствие малого восстанавливающего момента магнитной стрелки в современных авиационных приборах применяют в основном индукционные чувствительные элементы (рис. 3.20, а). Они состоят из двух одинаковых и параллельно распо­ложенных пермаллоевых стержней 1 с уложенными на них первичными обмотками 2 , питаемыми переменным напряжением частоты ω п, и вторичной (сигнальной) обмоткой 3 , охватывающей оба стержня. Первичные обмотки намотаны на стержнях в разные стороны. Созда­ваемые первичными обмотками переменные магнитные потоки одинако­вы по величине и противоположны по направлению* поэтому они не создают в сигнальной обмотке электродвижущую силу. Однако вслед­ствие переменности магнитных потоков, создаваемых в стержнях, их магнитная проницаемостьц с периодически меняется по закону

где μ 0 , μ а - постоянная и переменная составляющие магнитной проницаемости.

Если индукционный чувствительный элемент размещен в плоско­сти горизонта, то горизонтальная составляющая напряженности маг­нитного поля Земли Н 3г создает в стержнях индукцию В с , а следова­тельно, и постоянные магнитные потоки

где S - площадь сечения стержней.

При этом направления потоков в обоих стержнях одинаковы, а их значения пропорциональны магнитной проницаемости материала стержней и косинусу углами между направлением магнитного мериди­ана и продольными осями стержней. Вследствие того что магнитная проницаемость стержней периодически меняется из-за переменности магнитных потоков, создаваемых переменным напряжением первичных обмоток, постоянные магнитные потоки от действия магнитного поля Земли в стержнях преобразуются в переменные. Эти потоки направле­ны в стержнях в одинаковом направлении и индуцируют в сигнальной обмотке электродвижущую силу, вследствие чего на выходе сигнальной обмотки появляется переменное напряжение

где
;ω - число витков в сигнальнойобмотке; k - коэффи­циент пропорциональности.

Амплитудное значение выходного напряжения UВЫХА в сигналь­ной обмотке зависит от расположения стержней по отношению к маг­нитному меридиану, характеризуемого углом ψМ.

Из выражения (3.5) следует, что индукционный чувствительный элемент не дает возможность определить знак разворота стержней по отношению к магнитному меридиану Icos (±ψМ) = cos ψМ и не решает задачу определения курса в пределах 0-360°, так как cos ψМ изменяется от 1 до О в пределах 0 ... 90°. В современных авиацион­ных приборах используются индукционные датчики, состоящие из трех индукционных чувствительных элементов, расположенных от­носительно друг друга под углом 60° (рис. 3.20, б). Сигнальные об­мотки соединены по схеме «треугольник».

Рис. 3.20. Схема индукционного датчика:

а – чувствительного элемента; б – датчика, состоящего из трех индукционных чувствительных элементов

Схема коррекции трехстепенного гироскопа в плоскости меридиана с помощью индукционного датчика приведена на рис. 3.21.

В начальный момент направление главной оси гироскопа 1 совпа­дает с направлением магнитного меридиана. Ось наружной рамы ги­роскопа через редуктор связана с осью, на которой расположен ин­дукционный датчик 5. Сигнал с него поступает на сельсин-приемник 4. С роторной обмотки сельсина-приемника сигнал поступает на усили­тель 3, а с него на двигатель 2. В том случае, если главная ось гироско­па отклонится от направления меридиана, ось чувствительности индук­ционного датчика поворачивается относительно направления горизон­тальной составляющей магнитного поля Земли, и с индукционного дат­чика сигнал поступает через сельсин и усилитель 3 на двигатель 2. Дви­гатель создает момент относительно оси подвеса гироузла, что приводит к прецессии гироскопа относительно оси наружной рамы в направле­нии уменьшения отклонения главной оси гироскопа и оси чувствительности индукционного датчика от направления магнитного меридиана до тех пор, пока это отклонение, а следовательно и сигнал с индукци­онного датчика не станет равным нулю.

Рис. 3.21. Схема коррекции трехстепенного гироскопа в плоскости магнитного меридиана

Рис. 3.22. Компенсационная схема коррекции показаний гироскопа направления

Недостатком данной схемы коррекции является то, что ось враще­ния наружной рамы гироскопа нагружается дополнительным возмуща­ющим моментом из-за трения в оси крепления индукционного датчика и его инерционности относительно этой оси. Такой дополнительный мо­мент существенно снижает точность прибора.

В настоящее время используется в основном компенсационная схе­ма коррекции показаний гироскопа направления (рис. 3.22). Ин­дукционный датчик ИД закреплен на корпусе самолета. При откло­нении продольной оси самолета от направления магнитного меридиана с датчика поступает сигнал в сельсинную следящую систему (сель­син-приемник СП, усилитель У1 , двигатель M 1). Следящая сис­тема разворачивает щетки потенциометра Ш на угол, пропорциональ­ный углу отклонения самолета от магнитного меридиана. Щетки по­тенциометра П2 , закрепленные на корпусе самолета, также развер­нутся на угол поворота самолета относительно корпуса потенциометра, жестко закрепленного на оси наружной рамы ОНР гироскопа. Потенциометрическая следящая система, состоящая из потенциометров П1 , П2, усилителя У2, двигателя М2 и редуктора Р , будет в данном случае согласована, а стрелка логометра Л развернется на угол, про­порциональный углу поворота самолета, т. е. магнитному курсу.

Если при прямолинейном полете самолета с произвольным курсом имеет место уход оси гироскопа, то корпус потенциометра П2 развер­нется относительно щеток и потенциометрическая следящая система рассогласуется. Появляется напряжение на выходе обмотки потенцио­метра П1 и двигатель М2 через редуктор Р развернет щетки потен­циометра П2 до согласования следящей системы. Показания логометра при этом не изменяются. Рассмотренная схема коррекции пока­заний курса позволяет осреднить и стабилизировать показания ин­дукционного датчика и в то же время на точность se работы не влия­ют уходы гироскопа в плоскости горизонта.

Аналогичным образом работают системы с (чувствительными эле­ментами, ориентированными по небесным светикам. В данном случае вместо индукционного датчика включается датчик, выдающий ин­формацию об отклонении оси чувствительности чувствительного эле­мента, реагирующего на интенсивность светового потока светила, от заданного направления.

3.7 Демпфирующие устройства.

Демпфирующие устройства предназначены для создания моментов, пропорциональных скорости поворота подвижной системы. Это необходимо в ряде гироприборов для демпфирования колебаний подвижной системы и обеспечения ее требуемых динамических харак­теристик. В качестве демпфирующих устройств в гироприборах при­меняются пневматические, гидравлические и магнитоэлектрические демпферы. Наиболее просты и удобны пневматические демпферы. Они, как правило, представляют собой цилиндр, внутри которого пе­ремещается поршень, шток которого через кинематическую передачу связан с осью подвижной части гироприбора. Цилиндр закрепляется на корпусе прибора. В донной части цилиндра имеется капиллярное отверстие для прохода воздуха, регулируемое с помощью винта. При перемещении поршень засасывает или вытесняет воздух из цилиндра * через капиллярное отверстие, что и обеспечивает демпфирование ко­лебаний подвижной системы.

Распространенной конструкцией гидравлического демпфера явля­ется следующая. Герметический цилиндр, в котором размещена по­движная система гироприбора, подвешивается на оси в герметичес­ком корпусе прибора. Пространство между корпусом прибора и ци­линдром заполняется специальной жидкостью. При вращении ци­линдра жидкость создает гидравлическое демпфирование, которое имеет ряд преимуществ перед пневматическим. В частности, из-за несжимаемости жидкости демпфирующий момент строго пропорцио­нален угловой скорости вращения цилиндра, что не характерно для пневматического демпфера. Кроме того, жидкость частично взвеши­вает цилиндр с подвижной системой и уменьшает давление на опоры, что приводит к уменьшению трения и повышению чувствительности прибора.

Магнитоэлектрические демпферы основаны на взаимодействии маг­нитного поля катушки, по которой протекает ток, с полем постоянно­го магнита. Катушка обычно располагается на корпусе прибора, а постоянный магнит связывается с подвижной системой гироприбора и поворачивается относительно катушки при поворотах подвижной сис­темы. Возникающее при этом взаимодействие магнитных полей ка­тушки и магнита создает момент относительно оси подвеса подвижной системы, пропорциональный скорости ее поворота.

3.8 Устройства для съема результатов измерений

Устройства для съема результатов измерений. Результаты изме­рений с гироприборов для использования их в процессе управления полетом снимаются визуально и по электрическим каналам. Для ви­зуального съема показаний применяют различные шкаловые и инди­каторные устройства. Эти устройства устанавливают непосредственно на гироскопе или связывают с гироскопом системой дистанционной передачи, В первом случае система механических передач обеспечи­вает индикацию перемещения наружной рамы карданова подвеса от­носительно корпуса прибора, что дает возможность визуально опре­делить угол крена или курса в зависимости от типа прибора.

Во втором случае углы поворота рам карданова подвеса переда­ются сельсинной следящей системой в автономный указатель 3 (рис. 3.23, а). Угол разворота внутренней рамы гироскопа относи­тельно наружной (или наружной рамы относительно корпуса прибора) приводит к развороту ротора сельсина-датчика 1 по отношению к его статору. При этом с обмотки сельсина-приемника 2 поступает напряжение на двигатель М через усилитель У . Ротор сельсина-при­емника 2 и вместе с ним стрелка отсчетного устройства 3 разворачи­ваются до тех пор, пока напряжение, поступающее на усилитель У , не станет равным нулю. Разворот стрелки отсчетного устройства будет пропорционален углу разворота рам гироскопа.

Рис 3.23 съём результатов измерений с помощью следящей системы:

а- сельсинной, б- потенциометрической.

Углы поворота рам карданова подвеса гироскопа в углы поворота стрелок отсчетных устройств могут преобразовываться также с по­мощью потенциометрических следящих систем (рис. 3.23, б). Кор­пус потенциометра 1 следящей системы связан с осью наружной рамы, а его щетки закреплены на корпусе прибора. При развороте корпуса прибора вместе с самолетом относительно неподвижной наружной рамы происходит рассогласование следящей системы, С потенцио­метра 2 сигнал поступает на двигатель М через усилитель У . Ротор двигателя разворачивает щетки потенциометра 2 и вместе с ними стрелку отсчетного устройства 3 до тех пор, пока напряжение, посту­пающее на усилитель У , не станет равным нулю. Разворот стрелки отсчетного устройства 3 будет пропорционален углу разворота само­лета относительно наружной рамы.

Результаты измерений с гироприборов для передачи их в управ­ляющую систему снимаются с помощью потенциометрических дат­чиков, сельсинов, синусно-косинусных трансформаторов и индук­ционных датчиков. Широкое применение потенциометрических датчи­ков объясняется их простотой и возможностью применения в схемах постоянного и переменного тока. Значительная мощность снимаемого сигнала позволяет в ряде случаев не применять усилители. Недостат­ками потенциометрических датчиков являются значительный момент трения, ступенчатость снимаемого напряжения, наличие трущихся кон­тактов и, как следствие, малая надежность. Датчиками, лишенными пе­речисленных недостатков, являются индукционные датчики, сельсины и синусно-косинусные трансформаторы. Однако они более сложны по конструктивному исполнению и имеют нелинейную характеристику при больших углах разворота.

3.9 Арретирующие устройства.

Арретирующие устройства предназначаются для фиксиро­вания главной оси гироскопа в заданном положении относительно кор­пуса прибора в период подготовки прибора к работе. Чаще всего арретирующие устройства устанавливают в авиагоризонтах. Они из­готовляются с ручным и дистанционным управлением (рис. 3.24).

При ручном арретировании гироскопа с вращающимся ротором (рис. 3.24, а) толкатель 12 перемещается вручную в направлении, указанном

Рис. 3.24. Виды арретирующих устройств:

а – с ручным управлением; б – с дистанционным управлением

стрелкой, по направляющим 10 и 11 , сжимая пружину 9. Вы­ступ 7 толкателя 12 упирается в кулачок 5 . Тангенциальная состав­ляющая силы давления на кулачок создает момент относительно оси вращения наружной рамы 1 . Под действием этого момента гироскоп прецессирует относительно оси подвеса гироузла.

При совпадении направления главной оси гироскопа с направле­нием оси подвеса наружной рамы гироскоп теряет одну степень сво­боды и начинает вращаться относительно оси наружной рамы до тех пор, пока выступ 7 не западет в паз кулачка 5 . В это же время клин 8 толкателя 12 воздействует на толкатель 6 , который в свою очередь да­вит на кулачок 3, создавая момент относительно оси подвеса гироуз­ла 2. При перемещении толкателя 6 пружина 4 сжимается. Давление толкателя 6 на кулачок 3 вызывает движение гироскопа относительно оси гироузла до тех пор, пока толкатель 6 не попадет в паз кулачка 3. Авиагоризонт оказывается заарретированным по обеим осям.

При разарретироваиии толкатель 12 под действием пружины 9 перемещается в противоположном направлении. Одновременно и тол­катель 6 под действием пружины 4 возвращается в первоначальное положение. Гироскоп приобретает свободу поворота относительно осей подвеса наружной рамы и гироузла.

Схема арретирующего устройства дистанционного управления приведена на рис, 3.24, б. Процесс арретирования происходит сле­дующим образом. При подаче напряжения на двигатель 1 его ротор начинает вращаться, что вызывает поступательное движение штока 12 благодаря перемещению пальца 2 по винтовой прорези на штоке. Ро­лик 11 , закрепленный на конце штока 12, давит на торцовый кулачок 3 дополнительной рамы 7 . Рама 7 поворачивается и устанавливается в положение, при котором ось наружной рамы 6 О z Н параллельна поперечной оси самолета. В этом положении ролик 11 соскальзывает с кулачка 3 и начинает давить на толкатель 9. Упор толкателя 9 да­вит на профильный кулачок 5, закрепленный на оси наружной рамы. Под действием создаваемого при этом момента гироскоп прецессирует относительно оси Ох в подвеса гироузла 5 и доходит до упора. Прецессия прекращается и гироскоп поворачивается вокруг оси наружной рамы до тех пор, пока выступ толкателя 9 не войдет в вырез кулачка 8. Одновременно с этим толкатель 10 перемещается по наклонной по­верхности толкателя 9 и входит во взаимодействие с кулачком 4. Под действием давления толкателя 10 на кулачок 4 гироузел 5 разво­рачивается относительно оси его подвеса, толкатель 10 входит в паз кулачка 4, и гироузел устанавливается таким образом, что главная ось гироскопа становится перпендикулярной осям Ох В и О z Н . Весь цикл арретирования совершается за один оборот шестерни редукто­ра. После этого палец 2 попадает в продольную канавку штока 12 и под действием пружин возвращается в исходное положение, давая возможность толкателям 9 и 10 освободить кулачки 8 и 4. Таким об­разом, арретирующее устройство, установив гироскоп в требуемое положение, сразу же освобождает его.