ВИХРЕВОЙ ЖИДКОСТНОЙ ТОРОИДАЛЬНЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 2016 года по МПК G01C19/20 

Предлагаемое изобретение относится к гироскопической технике и касается подкласса гидродинамических гироскопов с жидким ротором. Предлагается новая разновидность таких гироскопов с вихревым вращением жидкой среды (жидкости или жидкого металла) - вихревых жидкостных тороидальных гироскопов (далее - ВЖТГ). ВЖТГ смогут найти применение во всех областях техники, где находят применение известные гироскопы. Но наибольший полезный эффект даст применение предлагаемого гироскопа в системах управления, регулирования, стабилизации, контроля и регистрации слабодемпфированных, неустойчивых или склонных к неустойчивости объектов, подвергающихся значительным внутренним и внешним ударным, вибрационным и прочим неблагоприятным воздействиям.

Более 1000 лет назад в Китае были известны игрушки в виде вращающегося волчка. В средние века свойство волчка сохранять положение оси вращения пытались использовать в мореплавании. Но первым практическим применением гироскопа считают опыты Леона Фуко, когда он в 1851 году применил сначала маятниковый, а затем в 1852 роторный прибор для наблюдения вращения земли. С тех пор возник термин ГИРОСКОП, что в переводе с греческого означает как прибор для наблюдения вращения.

Вначале гироскопическая техника развивалась медленно исходя из потребностей мореплавания. Ее развитие началось в 19 веке в связи с общим подъемом промышленности и обеспечивавшей ее науки, а особенно бурно теория и практика гироскопов начала развиваться в 20-м веке и продолжается до сих пор в основном для астрономии, судовождения, авиации, ракетной техники и космонавтики. В настоящее время известны многочисленные гироскопические приборы и системы различного назначения и областей применения. Например, гирокомпасы, гировертикали, датчики угловых и линейных перемещений, а также их скоростей (ДУС) и ускорений (акселерометры), гирогоризонты, гирогоризонткомпасы, гиростабилизаторы, интегрирующие гироскопы, инерциальные системы навигации и т.д.

Принципы построения и функционирования гироскопов многообразны. Известны механические гироскопы с уравновешенным твердотельным ротором, гидродинамические жидкостные со сферическим ротором, твердотельные волновые, вибрационные, ядерные, в стадии исследования квантовые. Однако до сих пор с попустительства РАН, где есть комитет научно-технической терминологии, нет четкого обобщенного определения гироскопа, а есть в учебниках и даже трудах уважаемых академиков неполные, а часто весьма сомнительные определения.

Обратимся к источникам. БСЭ [1]) приводит определение известного советского механика и гироскописта А.Ю. Ишлинского: "Гироскоп это быстро вращающееся твердое тело, ось которого может изменять свое положение в инерциальном пространстве". Русская версия ru.wikipedia.org называет гироскопом "устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором установлено относительно инерциальной системы отсчета". Как реагировать? Почему? Пустые слова. Справочник [2] повторяет определение гироскопа по Ишлинскому (частный случай). Энциклопедия Кольера определяет гироскоп так: "навигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что его ось может поворачиваться".

Можно продолжать и далее, однако, чтобы понять и определить, что такое есть ГИРОСКОП, обратимся к основным свойствам таких замечательных приборов, которые присущи всем типам гироскопов, независимо от вариантов их построения и функционирования. По моему мнению, главное свойство любого вращающегося тела, твердого, жидкого, газового (точнее, гидро- или газодинамического), волновой среды состоит в следующем. Если кинетический момент вращения тела и накопленная энергия превышают возможные воздействия, тело приобретает главное отличие, как самостоятельная система отсчета в инерциальном (звездном) пространстве. Это означает, что, используя такой прибор, мы можем определять угловые и пространственные координаты любого объекта, а также кинематику и динамику его поведения. Далее, любой гироскоп может как сохранять, так и изменять положение оси вращения (или осей в случае вихревого вращения) в инерциальном пространстве. Такое реагирование гироскопа на внутренние и внешние воздействия называют ПРЕЦЕССИЕЙ и НУТАЦИЕЙ. В учебниках по теории гироскопии и монографиях некоторые господа академики определяют прецессию как медленное движение оси вращения, а нутации как быстрое, что есть заблуждение (в лучшем случае) и умышленное введение в заблуждение студентов (в худшем). Действительное отличие прецессии и нутации состоит в том, что прецессия это вынужденное движение под действием момента внешних сил, которое направлено таким образом, чтобы вектор W собственного кинетического момента вращения ротора совпал с вектором момента внешних сил. Прецессия безинерционно прекращается при снятии воздействия. А нутации характеризуют запас устойчивости вращательного движения ротора, поэтому они сохраняются и после снятия внешнего воздействия, вызвавшего нутационные колебания. Таким образом, склонность к нутациям можно трактовать как недостаточный запас устойчивости, что можно посчитать (см. теорию устойчивости). Устойчивость зависит от расстояния точки подвеса ротора от центра масс, от соотношений экваториальных и аксиального моментов инерции ротора и от менее значимых факторов. Прецессионным движением можно управлять, задавая величину и направление вектора внешнего воздействия. А нутации можно гасить или использовать с полезным эффектом. Угловая скорость прецессии пропорциональна моменту внешних сил, который ее вызывает, и обратно пропорциональна угловой скорости вращения ротора (точнее, кинетическому моменту вращения).

Основываясь на изложенном, даю свое определение ГИРОСКОПА, по моему мнению, более полное. Гироскоп это вращающееся или колеблющееся вокруг одной, двух или трех осей твердое, жидкое, газообразное или другое тело, которое может как сохранять, так и изменять главную ось вращения или колебания в инерциальном пространстве, задавая самостоятельную систему отсчета, в которой можно определять пространственные координаты (углы, перемещения по 3-м осям), кинематику и динамику перемещения объекта, на котором гироскоп установлен.

Широко известны близкие по технической сущности механические твердотельные гироскопы [3, 4, 5, 6, 7, 8], содержащие подвешенный на кардане (или другого типа подвесе) вращающийся ротор и разгонное устройство придания и поддержания вращения ротора.

Известный класс гироскопов получил наиболее полное развитие как теории, так и практики применения. Теория механических твердотельных гироскопов развивалась параллельно практическим разработкам и охватила все многообразие гироскопов и гироскопических систем на их основе.

Но твердотельные механические гироскопы кроме несомненных достоинств имеют ряд существенных недостатков. Так, совмещение гироскопа с объектом, на который его ставят, часто требует некоторых ограничений по соотношениям геометрических размеров, что может привести к снижению запаса устойчивости вращательного движения ротора и склонность к нутациям, к нутационным колебаниям неизбежно приводит передача внешних моментов сил в подвесе. Для достижения точности определения координат механические гироскопы требуют прецизионной балансировки ротора и соответствующих стабильных размеров ротора и других элементов гироскопа. Реализовать все это затруднительно, так как существуют упругие, температурные и другие деформации. К потере устойчивости и нутационным колебаниям ротора могут также привести резонансы составных частей гироскопа с модами полигармонических полетных вибраций, ударные перегрузки от действия вышибного заряда при старте или выстреле из пушки. Частично эти проблемы решаются с помощью установки на ротор кольцевого демпфера, заполненного ртутью. Однако математической модели для расчетов такого метода демпфирования до сих пор господа теоретики не создали, они продолжают свои математические изыскания для обоснования ложной теории Эйнштейна, выдумывают математические модели несуществующих в природе полей, оставив без внимания реальные физические силовые поля (гравитационное, электрическое, магнитное...), природа которых до сих пор не выяснена. Поэтому инженеры практики вынуждены выбирать конструкцию таких жидкостных демпферов методом испытаний на реальном гироскопе, подвергая его реальным полетным воздействиям. Считается, что нутации гасят процессы внутреннего трения молекул жидкости или жидкого металла с последующим переходом в тепло. Автор считает, что к этому добавляются более быстрые процессы возбуждения во вращающейся жидкости нелинейных резонансных уединенных колебаний, которые и поглощают энергию внешних воздействий с последующим более медленным ее рассеиванием. Именно поэтому в 50-е годы в СССР было проявлено внимание к разработке гироскопов с жидким ротором, которые были лишены многих недостатков механических гироскопов

Наиболее близким решением к предлагаемому является жидкостной гироскоп US 3516280. Наиболее близкий гироскоп содержит твердотельную оболочку, выполненную в виде тора с прорезями на его внутренней стороне, который помещен в камеру с жидкостью и снабжен устройством закрутки жидкости вокруг двух осей в виде двух форсунок, концы которых изогнуты. Наиболее близкий гироскоп способен выдерживать значительные механические воздействия без потери работоспособности. Однако в его конструкции не предусмотрено регулирование вихревого процесса для достижения максимально возможной скорости потока и, соответственно, кинетических моментов вращения ротора вокруг 1-й и 2-й осей. Это снижает его функциональные возможности гиростабилизации, устойчивости и демпфирования.

Целью изобретения является повышение запаса устойчивости, гиростабилизирующего момента и коэффициента демпфирования в неблагоприятных условиях эксплуатации при наличии внешних механических воздействий (значительные ударные и вибрационные перегрузки).

Указанная цель в гироскопе, выполненном в виде тора, внутри которого находятся жидкий ротор и устройство закрутки жидкости вокруг главной оси симметрии тора и по окружности, его образующей, достигается тем, что для достижения максимальных скоростей вращения полученного возбужденного вихревого образования устройство закрутки выполняют в виде магнитного двигателя, ротор которого совмещен с циркуляционной турбиной, выполнен в виде радиально намагниченного кольца и расположен внутри тора, а статор расположен снаружи и соединен с устройством, имеющим два режима разгона и регулирования (стабилизации) при достижении максимально возможных скоростей 1-го и 2-го вращения. В случае использования ВЖТГ в качестве чувствительного элемента его подвес выполняют на главной оси в центре масс или со смещением, что зависит от назначения и конструкции объекта. При использовании в качестве стабилизирующего устройства гироскоп закрепляют непосредственно на объекте, который требуется стабилизировать и демпфировать.

Полезные эффекты и заявленный технический результат предложенного ВЖТГ образуется за счет введения жидкого ротора в форме тора и его активного вращения одновременно вокруг двух осей. Для формирования такой закрутки ротора внутри тора устанавливают винтовую спираль. А для раскрутки и поддержания вращения внутри тора устанавливают одну или более циркуляционную турбину, совмещенную с радиально-намагниченным ротором магнитного двигателя, выполненного в форме кольца. В этом месте диаметр тора необходимо увеличить, чтобы кольцо не уменьшало площадь сечения для прохождения жидкости и не влияло на скорость вращения жидкого ротора. Применение магнитного двигателя - наиболее оптимальный вариант выполнения устройства вращения жидкого ротора, так как позволяет создать большой крутящий момент при разгоне и затем перейти на экономичный режим поддержания вращения на заданной частоте вращения турбины. Введение в предложенное решение изложенной совокупности признаков дает такому устройству одновременно гироскопические свойства и демпфирующие. Что позволит применять его на объектах управления, регулирования, контроля и регистрации, как недостаточно демпфированных, склонных к неустойчивости и подвергающихся неблагоприятным воздействиям (большие ударные, вибрационные перегрузки, качка, транспортная тряска и т.п.). Ввиду отсутствия в настоящее время полноценной математической модели вихревых естественных и возбужденных образований углы заливки ротора, выбор жидкости или жидкого металла, скорости и отношения скоростей по осям вращения ротора предстоит подбирать экспериментально. Основной критерий выбора это обеспечение максимально возможной скорости вращений жидкости для получения достаточных кинетических моментов, но без перехода упорядоченного течения в турбулентное, что резко повышает гидравлическое сопротивление (определяется числом Рейнольдса) (ЧР). ЧР можно повысить соответствующей обработкой внутренних поверхностей тора и установкой на циркуляционную турбину гидродинамической насадки (ГДН).

На Фиг. 1 представлены рисунки конкретного варианта исполнения ВЖТГ в 2-х проекциях. Представленный на Фиг. 1 ВЖТГ содержит тороидальный кольцевой корпус 1, выполненный из полимерных материалов с минимальной адгезией по отношения к использованной жидкости. Внутри корпуса установлена спираль 2, количество витков которой подбирают экспериментально. В разрезе спирали диаметр тора увеличен и здесь установлен ротор 3 магнитного двигателя, совмещенного с турбиной 4 в виде радиально-намагниченного кольца 5. Вал турбины вращается в скоростных подшипниках 6, которые запрессованы в обоймы стоек 7, по две с каждой стороны турбины, которые жестко крепятся к внутренней поверхности тора 1. Профиль стоек должен быть согласован с профилем спирали 2, чтобы не создавать дополнительного сопротивления потоку жидкости. Над ротором 3 на наружной поверхности тора 1 установлен статор 8 магнитного двигателя, который содержит запрессованные в общей пластиковой обойме датчики положения полюсов кольца 5, обмотки коммутации и обмотки вращения. Датчики положения, обмотки коммутации подключены к входам разгонного устройства 9, а обмотки вращения к его выходам через гибкий кабель 10.

Представленный на Фиг. 1 ВЖТГ работает следующим образом. При подаче питания на разгонное устройство 9 вначале разгонное устройство генерирует асинхронный импульс толчка, который усиливается и подается на обмотки вращения статора магнитного двигателя. Возникает изменение потока индукции, начинают работать датчики положения полюсов ротора двигателя и начинают синхронно коммутировать токовые импульсы разгона радиально-намагниченного ротора. Когда ротор разгоняется до заданной максимально возможной частоты вращения, разгонное устройство автоматически переходит в режим поддержания этой частоты, переходя на работу от обмоток коммутации. Так как разгонное устройство ранее известный и описанный функциональный блок, его схема, работа, временные диаграммы в материалах данной заявки не рассматриваются (см., например, описание контрольно-проверочной аппаратуры стендовой (КПАСМ) в составе динамического стенда для настройки, проверки функционирования и контроля параметров оптических головок самонаведения (ОГС) вращающихся зенитных управляемых ракет (ВЗУР) ПЗРК "Игла" 9К38М (примечание: секретная технология, вся документация и стендовое оборудование "Иглы" было контрабандным путем, без покупки лицензии задешево продано администрацией ОАО ЛОМО, СПб. в Израиль и другие страны. Чтобы замять это деяние, не предъявлять претензии руководству ЛОМО, технология "Иглы" и вся техническая документация комплекса были спешно задним числом рассекречены. Считаю, это было сделано преждевременно, так как "Игла" того времени по боевой эффективности значительно превосходила аналогичные американские, французские комплексы "Стингер", "Мистраль" и другие. См. приложение, копия ответа из ФСБ, после моего запроса ФСБ вместо наведения порядка режима секретности на ЛОМО и наказания виновных нарушителей меня стали запугивать, неоднократно подвергали незаконным задержаниям и другим воздействиям. Крышевание ФСБ контрабанды секретных военных технологий, незаконный произвол против лиц, пытавшихся это прекратить, сошли с рук всем причастным к этому лицам.)

Одновременно с разгоном ротора магнитного двигателя турбина начинает разгонять жидкость вокруг двух осей, постепенно повышается скорость циркуляции потока, и когда она достигает максимально возможной, ВЖТГ переходит в рабочий режим и может использоваться по назначению. Выполнение ротора в виде жидкости или жидкого металла, закрученного в виде возбужденного вихревого образования, обеспечивает объединение в одном устройстве гироскопических свойств и демпфирующих. Кроме того, повышается ударная, вибрационная и другая прочность и стойкость к неблагоприятным воздействиям и их неблагоприятным сочетаниям. Конкретный пример применения заявленного ВЖТГ, см. материалы моей авторской заявки "Способ стабилизации слабодемпфированного неустойчивого объекта управления с 6-ю степенями свободы и устройство для его осуществления", вх. №003075, рег. №2014102070 от 22.01.2014.

Как показано выше, техническое решение ВЖТГ обладает новизной, не вытекает очевидным образом из существующего уровня теории и практики гироскопической техники, которая продолжает развивать направление механических твердотельных гироскопов и гироскопов на основе использования физических эффектов в твердом теле, а перспективное направление жидкостных гироскопов (я уже не говорю о гироскопах с возбуждением вихревых процессов, которое несомненно появится в ближайшем будущем), которое появилось в послевоенные годы взлета авиации, ракетной техники и космонавтики, надолго вышло из внимания официальной науки. Таким образом, решение ВЖТГ соответствует критерию изобретательского уровня. Что касается промышленной применимости, то магнитные двигатели не представляют сейчас технической проблемы, это направление успешно развивается в ряде стран, США, Китае, Японии. Единственную сложность может представить точное изготовление тора с сопрягаемой с ним винтовой спиралью, так как потребуется искать оптимальные варианты отношения скорости вращения жидкости или жидкого металла вокруг его главной оси и круговой оси, проходящей по центру трубки тора. Но в 21 веке, в эпоху существования ЗД принтеров эта задача решаемая. Потребуется также профиль и материал лопастей нагнетающей циркуляционной турбины выполнить так, чтобы обеспечить на больших скоростях вращения отсутствие кавитации, но такие решения известны. Известны и новые магнитотвердые материалы, с использованием которых можно получить даже на простом двухполюсном магнитном двигателе крутящий момент, достаточный для раскручивания и дальнейшего поддержания, т.е. стабилизации скорости потока жидкого металла, чтобы не превысить ЧР, когда гидравлическое сопротивление резко увеличивается за счет возникающей турбулентности. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию промышленной применимости.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большая советская энциклопедия, 3-е издание. М.: Советская энциклопедия, стр. 557.

2. А.Ф. Крайнев."Словарь-справочник по механизмам". М.: Машиностроение, 1987, стр. 77.

3. А.Н. Крылов."Общая теория гироскопов и некоторые их технические применения". М.: АН СССР.

4. "Гидродинамика". М.: Наука, 1986.

5.В.А. Павлов."Теория гироскопов и гироскопических систем". Л.: Судостроение, 1964.

6. Р.Граммель."Гироскоп, его теория и применение". Изд-во иностранной литературы, 1952.

7. А.Ю. Ишлинский."Механика гироскопических систем". М.: АН СССР, 1963.

8. Д.С. Пельпор, Тироскопические системы". М.: Высшая школа, 1986.

9. Патент СССР №134453, патенты РФ №2116623, 2507222, 223093, US 3252340 - аналоги, патент US 3516280 - прототип.

Использование: для повышения запаса устойчивости гироскопа. Сущность изобретения заключается в том, что вихревой жидкостной тороидальный гироскоп содержит внешнюю твердотельную оболочку в виде тора, внутри которой находится жидкий ротор, а также устройство закрутки ротора вокруг двух осей, при этом внутри оболочки установлена прикрепленная к внутренней поверхности тора спираль, а устройство закрутки выполнено в виде магнитного двигателя, ротор которого совмещен с циркуляционной турбиной и выполнен в виде радиально намагниченного кольца и расположен внутри тора, а статор расположен снаружи и соединен гибким кабелем с устройством разгона и регулирования угловой скорости вращения турбины. Технический результат: обеспечение возможности повышения запаса устойчивости гироскопа в неблагоприятных условиях эксплуатации при наличии ударных, вибрационных и других внешних воздействиях. 1 ил.

Вихревой жидкостной тороидальный гироскоп, содержащий внешнюю твердотельную оболочку в виде тора, внутри которого находится жидкий ротор, а также устройство закрутки ротора вокруг двух осей, отличающийся тем, что внутри оболочки установлена прикрепленная к внутренней поверхности тора спираль, а устройство закрутки и поддержания вращения с заданной скоростью потока жидкости выполнено в виде магнитного двигателя, ротор которого совмещен с циркуляционной турбиной, выполнен в виде радиально намагниченного кольца и расположен внутри тора, а статор расположен снаружи и соединен гибким кабелем с устройством разгона и регулирования угловой скорости вращения турбины.