積分陀螺儀

早在 18 世紀，歐拉、拉格朗日等許多學者都對高速旋轉剛體作了詳細的研究，並指出這種旋轉的剛體具有進動性和定軸性。尤為突出的是，俄國數學家和物理學家歐拉發表的《剛體繞定點運動理論》這一名著，導出了剛體繞定點轉動的動力學方程，為陀螺儀理論奠定了基礎。 1852 年，法國物理學家 Foucault 利用高速旋轉剛體的方向穩定性，設計並製成了一種裝置，將其取名為“陀螺儀”。這是探索陀螺儀走向應用的開端。 19 世紀海難事故的頻繁發生，促進了陀螺儀在航海中的應用。1909 年美國製成了陀螺羅經用於艦船的導航。1932 年德國科學家舒勒提出了舒勒原理，使陀螺羅經的精度得到很大提高。50 年代以後，出現了電控羅經，並在此基礎上發展成

為平台羅經。 陀螺儀在航空上的應用比航海稍晚些。從 20 世紀 20 年代到 30 年代，在飛機上相繼使用了陀螺轉彎儀、陀螺地平儀和方向儀作為指示儀表。30 年代中期開始使用陀螺儀表作為敏感元件。從 40 年代到 50 代，航空陀螺儀表向組合式發展，相繼出現了陀螺磁羅盤、全姿態組合陀螺儀和陀螺穩定平台。 從 20 世紀 50 年代末至 60 年代，以液浮陀螺儀構成的平台使慣導系統得到長足發展，並大量裝備各種飛機、艦船、導彈和航天飛行器。20 世紀 70 年代以來，陀螺電機採用以動壓氣浮軸承、浮子採用高比重液體懸浮、輸出軸採用磁懸浮定位的“三浮”陀螺儀得到長足發展。國內自 20 世紀 60 年代初開始液浮陀螺儀的研製，並於 80 年代初使用。我國研製的陀螺儀，其隨機漂移率已達 0.001°/h。 ^[1] 

高速旋轉的物體的旋轉軸，對於改變其方向的外力作用有趨向於垂直方向的傾向。而且，旋轉物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就產生了搖頭的運動（歲差運動）。當陀螺經緯儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉時，由於地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力，陀螺的旋轉體向水平面內的子午線方向產生歲差運動。當軸平行於子午線而靜止時可加以應用。

陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉時，角動量很大，旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質，所製造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快，或者慣量夠大(也可以説是角動量要夠大)。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩定性。

如圖1所示，用四個質點ABCD來表示邊上的區域，這個邊對於用圖來解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個方向旋轉。當一個傾斜力作用在頂部的軸上的時候，質點A向上運動，質點C則向下運動，如其中的子圖1。因為陀螺儀是順時針旋轉，在旋轉90度角之後，質點A將會到達質點B的位置。CD兩個質點的情況也是一樣的。子圖2中質點A當處於如圖的90度位置的時候會繼續向上運動，質點C也繼續向下。AC質點的組合將導致軸在子圖2所示的運動平面內運動。一個陀螺儀的軸在一個合適的角度上旋轉，在這種情況下，如果陀螺儀逆時針旋轉，軸將會在運動平面上向左運動。如果在順時針的情況中，傾斜力是一個推力而不是拉力的話，運動將會向左發生。在子圖3中，當陀螺儀旋轉了另一個90度的時候，質點C在質點A受力之前的位置。C質點的向下運動受到了傾斜力的阻礙並且軸不能在傾斜力平面上運動。傾斜力推軸的力量越大，當邊緣旋轉大約180度時，另一側的邊緣推動軸向回運動。

陀螺電機是陀螺儀核心部件，其性能決定了陀螺儀的精度。電機轉動功能是衡量電機的主要指標，陀螺儀電機轉速自檢頻率即為判斷速率陀螺儀的重要技術指標。其在生產過程中、發射場和航天器飛行過程中，都要對此項指標進行測試，以判定電機轉速的穩定性和確認速率陀螺儀功能的正常性。

隨着我國導彈、航空、航海以及宇航等技術的發展，陀螺儀—這個各種運動體上的核心姿態基準敏感元件也從無到有的發展起來。

單自由度液浮積分陀螺儀在美、蘇、英、法等技術先進國家均作為主要的尖端制導和導航方面的控制儀表被應用於軍事和商業等各類控制系統中，如美國的阿波羅登月飛行，人馬星座，北極星、三叉戟導彈戰略核潛艇；航天系統；航空民用客機波音707、747；英法的A一300C等先進產品上。

我國單自由度液浮積分陀螺儀在航海領域中得到比較全面的發展，初步完成了第一代單自由度液浮積分陀螺儀的研究,設計、試驗和產品的使用等工作，隨機漂移的精度指標(一a)達到了

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，初步達到了慣性級指標的要求。其第一代單自由度積分陀螺儀是指陀螺儀的基本用材為LY17硬鋁合金，支承系統為氟氯油和球形小軸紅寶石眼定中心，陀螺馬達為主軸空氣動壓氣體支承的磁滯同步電機為基本組成的方案系統。這種方案基本適合了我國過去和當前的設計水平以及工藝、材料的發展水平：今後將開始向第二代單自由度液浮積分陀螺儀的方向發展,它的初步模式是陀螺儀的基本甩材為鍍(B。)材；支承系統為氟澳油和磁懸浮定中心；陀螺馬達將採用動量矩H調製等技術。按我國當前的技術發展水平拿出可供產品使用的元件，大約需要若干年的時間。因此有必要在研究第二代陀螺儀的同時，將第一代陀螺儀使之產品化和標準化。 ^[2]