Гироскопический прибор (варианты)

 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к гироскопическим приборам малогабаритных вращающихся по крену управляемых ракет, используемых, например, в качестве датчика угла пеленга ракеты при движении по траектории. Обеспечивается повышение надежности и точности гироскопического прибора. Прибор содержит ротор в кардановом подвесе, разгонный двигатель, размещенный в отдельной камере корпуса и имеющий профилированный, соосный с ротором выходной вал, резьбовую ходовую втулку на выходном валу и торцевое соединение в виде паза и шипа. На наружной поверхности ходовой втулки размещен подшипник в обойме, через которую ходовая втулка относительно корпуса поджата пружиной в сторону разгонного двигателя. С противоположной от разгонного двигателя стороны в ходовой втулке отверстие выполнено резьбовым и на ее периферии изготовлен кольцевой цилиндрический поясок с радиальным шипом, которые сопряжены соответственно с центральным отверстием и пазом на торце подшипниковой опоры ротора. Ось ротора выполнена с резьбовой частью, установлена гладким концом в отверстии ходовой втулки и объединена с ней резьбовым соединением. На боковой стенке паза опоры ротора у ее торца встречно направлению вращения разгонного двигателя и ходу шипа выполнен выступ. На корпусе соосно с ротором с охватом ходовой втулки размещено ограничительное кольцо. В другом варианте исполнения ось ротора установлена в отверстии ходовой втулки, между обоймой подшипника и корпусом установлен упор, кинематически связанный с поворотным рычагом и пиротехническим толкателем, на корпусе соосно с ротором с охватом ходовой втулки размещено ограничительное кольцо. 2 с.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к гироскопическим приборам малогабаритных вращающихся по крену управляемых ракет, используемым, например, в качестве датчика угла пеленга ракеты при движении по траектории.

Известен гироскопический прибор [1], содержащий ротор с лунками, установленный на внутреннем кардановом подвесе, разгонный двигатель в виде порохового аккумулятора давления с газовыми соплами, снабженного пороховым зарядом и электровоспламенителем, корпус, арретир и датчик угла.

В данной конструкции гироскопического прибора с гиромотором разобщенного типа за счет конструктивного вынесения разгонного двигателя за пределы ротора снижается его тепломеханическое воздействие на ротор, что в некоторой степени снижает величину уходов оси ротора.

Однако данное устройство не обладает высокой надежностью с обеспечением достаточной точности гироскопического прибора из-за наличия значительных тепломеханических воздействий на ротор в процессе его разгона, обусловленных размещением арретира в непосредственой близости от сопел, а следовательно наличием увеличенного для компенсации температурных деформаций кольцевого зазора между арретиром и ротором.

Кроме того, данной конструкции гироскопического прибора, снабженной лунками на роторе (активной турбиной), присущи существенные недостатки: неравномерный температурный прогрев карданова подвеса и ротора, загрязнение подшипниковых опор частицами продуктов сгорания пороха, что оказывает влияние на процессы как разгона, так и выбега и потери энергии газа при его взаимодействии с лунками активной турбины, низкая добротность (отношение кинетического момента к массе гиромотора).

Поэтому такие конструкции в настоящее время не нашли применения в рассматриваемом классе управляемых ракет.

Из известных гироскопических приборов наиболее близким к предложенной конструкции по своей технической сущности решением является гироскопический прибор [2], содержащий ротор в кардановом подвесе, разгонный пружинный двигатель, размещенный в отдельной камере корпуса и имеющий профилированный, соосный с ротором выходной вал, резьбовую ходовую втулку на выходном валу и торцевое соединение выходного вала с ротором в виде паза и шипа.

В данной конструкции гироскопического прибора за счет использования пружинного разгонного двигателя исключено тепловое воздействие на гироскоп.

Кроме того, размещение разгонного двигателя в отдельной от ротора камере позволяет исключить его влияние на работу гироскопа, например, в данном случае исключить попадание частиц смазки от пружины двигателя в подшипниковые опоры гироскопа и на датчик угла. Профиль выходного вала выполнен в форме квадрата, а ходовая втулка - в виде резьбовой гайки. При разгоне ротора пружина двигателя раскручивается, обычно делая около 5 оборотов, и ходовая втулка до разарретирования делает равное с пружиной число оборотов.

Однако данное устройство также не обладает высокой надежностью с обеспечением достаточной точности из-за наличия значительных механических воздействий на ротор в процессе его разгона, обусловленных наличием в разгонном двигателе увеличенных для обеспечения собираемости и минимального трения зазоров в резьбовой паре ходовая втулка - длинная полая ось и паре ходовая втулка - выходной вал.

Кроме того, недостатком данной конструкции является низкая добротность из-за использования пружинного двигателя, имеющего значительно меньшие энергетические возможности, чем пороховой двигатель, что снижает точность гироскопа.

А при использовании с целью увеличения добротности в данной конструкции разгонных двигателей других типов, которые при разгоне ротора гироскопа делают несколько сотен оборотов (пороховая турбина, электродвигатель), а следовательно, требующих наличия еще более длинной полой резьбовой оси не обеспечивается достаточная надежность разгона и разарретирования гироскопического прибора, при этом требуется неприемлемое для малогабаритной ракеты увеличение длины прибора.

Также данная конструкция сложна из-за необходимости настройки совпадения моментов разгона двигателя, свинчивания ходовой втулки, отделения приводного вала от ротора.

Предлагаемое изобретение актуально в связи с тем, что требования к основным выходным характеристикам гироскопических приборов, в частности надежности, точности измерения углов пеленга, постоянно повышаются в условиях ограничения массогабаритных характеристик и требований по простоте конструкции и изготовления.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности с обеспечением достаточной точности гироскопического прибора за счет значительного снижения механических воздействий разгонного двигателя и корпуса на ротор путем его центрирования, уменьшения (исключения) резьбового хода подвижной втулки механизма разарретирования за счет ее подпружинивания и ограничения прокачки ротора по его оси, а также за счет возможности использования высокооборотных разгонных двигателей при упрощении конструкции и уменьшении габаритов.

Для достижения поставленной задачи в гироскопическом приборе, содержащем ротор в кардановом подвесе, разгонный двигатель, размещенный в отдельной камере корпуса и имеющий профилированный, соосный с ротором выходной вал, резьбовую ходовую втулку на выходном валу и торцевое соединение в виде паза и шипа: - на наружной поверхности ходовой втулки размещен подшипник в обойме, через которую ходовая втулка относительно корпуса поджата пружиной в сторону разгонного двигателя; - с противоположной от разгонного двигателя стороны в ходовой втулке отверстие выполнено резьбовым и на ее периферии изготовлен кольцевой цилиндрический поясок с радиальным шипом, которые сопряжены соответственно с центральным отверстием и пазом на торце подшипниковой опоры ротора; - ось ротора выполнена с резьбовой частью, установлена гладким концом в отверстии ходовой втулки и объединена с ней резьбовым соединением; - на боковой стенке паза опоры ротора у ее торца встречно направлению вращения разгонного двигателя и ходу шипа выполнен выступ; - длина свинчивания оси ротора и ходовой втулки выбрана из условия превышения величины хода шипа до выступа над длиной свинчивания; - на корпусе соосно с ротором с охватом ходовой втулки размещено ограничительное кольцо, которое установлено из условия обеспечения его совмещения с основанием сферического сегмента, образованного концом оси ротора из точки подвеса гироскопа. В другом варианте исполнения для достижения поставленной задачи в гироскопическом приборе, содержащем ротор в кардановом подвесе, разгонный двигатель, размещенный в отдельной камере корпуса и имеющий профилированный, соосный с ротором выходной вал, ходовую втулку на выходном валу и торцевое соединение в виде паза и шипа: - на наружной поверхности ходовой втулки размещен подшипник в обойме, через которую ходовая втулка относительно корпуса поджата пружиной в сторону разгонного двигателя; - с противоположной от разгонного двигателя стороны в ходовой втулке отверстие выполнено гладким и на ее периферии изготовлен кольцевой цилиндрический поясок с радиальным шипом, которые сопряжены соответственно с центральным отверстием и пазом на торце подшипниковой опоры ротора; - ось ротора установлена в отверстии ходовой втулки;
- между обоймой подшипника и корпусом вдоль оси выходного вала установлен упор, кинематически связанный с поворотным рычагом и пиротехническим толкателем;
- размер упора между корпусом и обоймой подшипника выбран равным ее ходу при разарретировании;
- на корпусе соосно с ротором с охватом ходовой втулки размещено ограничительное кольцо, которое установлено из условия обеспечения его совмещения с основанием сферического сегмента, образованного концом оси ротора из точки подвеса гироскопа.

Сущностью данного предлагаемого изобретения является максимально возможное исключение механических воздействий на ротор гироскопического прибора в процессе его разгона за счет обеспечения минимальной длины свинчивания оси ротора и ходовой втулки механизма разарретирования, например 1...2 витка, центрирования ротора относительно ходовой втулки, минимального перемещения ходовой втулки в процессе разарретирования.

Во втором варианте конструкции за счет введения упора поворотного рычага и пиротехнического толкателя длина свинчивания вообще исключается.

На фиг. 1 показан предлагаемый гироскопический прибор, общий вид (1 вариант), на фиг. 2 - выносной увеличенный элемент А с фиг. 1, на фиг. 3 - вид Б с фиг. 2, на фиг. 4 - общий вид гироскопического прибора (2 вариант), на фиг. 5 - выносной увеличенный элемент В с фиг. 4, на фиг. 6 - вид Г с фиг, 5, на фиг. 7 - разрез Д-Д с фиг. 4.

Гироскопический прибор содержит ротор 1 (фиг. 1), установленный на шарикоподшипниках 2 на внутреннем кардановом подвесе, состоящем из вилки 3 (внутренней рамки) и крестовины 4 (наружной рамки), разгонный двигатель 5, корпус 6, арретир 7 и датчик угла 8. Внутренний кардановый подвес закреплен на торце корпуса 6 через вилку 9.

Разгонный двигатель 5 выполнен в виде реактивной пороховой турбины со встроенными в ее камере пороховым зарядом 10, электровоспламенителем 11 и содержащей на ободе тангенциальные сопла 12.

Разгонный двигатель 5 размещен в изолированной от ротора 1 полости 13 со сбросовыми газоотводными каналами 14, которые выполнены за привалочной плоскостью 15 кольцевого фланца 16 крепления корпуса 6 в другом объекте со стороны, противоположной ротору 1.

Защита ротора от горячего газа обеспечивается также за счет установки разгонного двигателя 5 в подшипниках скольжения 17, точные отверстия которых обеспечивают газовое уплотнение.

Выходной вал 18 (фиг. 2) разгонного двигателя 5 соосен с осью 19 ротора 1 и выполнен цилиндрическим, причем конец выходного вала 18 профилирован двухсторонними продольными лысками 20 и на нем установлена ходовая втулка 21, сопряженная с профилем выходного вала 18 и имеющая возможность перемещаться вдоль него под действием пружины 22. Винтовая коническая пружина 22 своим основанием укреплена на ограничительном кольце 23, закрепленном на корпусе, и вершиной конуса воздействует в сторону разгонного двигателя 5 на ходовую втулку 21 через размещенную на ней обойму 24 и подшипник скольжения 25.

В ходовой втулке 21 с противоположной от разгонного двигателя 5 стороны отверстие 26 выполнено резьбовым и на ее периферии изготовлен кольцевой цилиндрический поясок 27 (фиг. 3) с радиальным шипом 28 "которые сопряжены соответственно с центральным отверстием 29 (фиг. 2) и пазом 30 на торце подшипниковой опоры ротора.

Ось 19 ротора выполнена с резьбовой частью, установлена гладким концом в отверстии 26 ходовой втулки 21 и объединена с ней резьбовым соединением. На боковой стенке 31 (фиг. 3) паза 30 опоры ротора 1 у ее торца встречно направлению вращения ft разгонного двигателя 5 и ходу шипа 28 по стрелке "E" при свинчивании втулки 21 выполнен выступ 32.

Длина свинчивания оси 19 ротора (фиг. 2) и ходовой втулки 21 выбрана из условия превышения величины хода шипа 28 (фиг. 3) до выступа 32 над длиной свинчивания, которая обычно равна 1...2 витка.

Ограничительное кольцо 23 (фиг. 2) размещено соосно с осью 19 ротора с охватом ходовой втулки 21 и установлено из условия обеспечения его совмещения с основанием сферического сегмента, образованного концом "Ж" оси 19 ротора 1 из точки подвеса гироскопа "О" (фиг. 1).

Второй вариант исполнения гироскопического прибора (фиг. 4) реализован без резьбового соединения ходовой втулки 21 с осью 19 ротора 1 и без выступа 32 (фиг. 3) в пазу 30 (фиг. 6) за счет установки между обоймой 24 (фиг. 5) и стенкой корпуса 6 вдоль оси выходного вала 18 упора 33, кинематически связанного с поворотным рычагом 34 (фиг. 7) и пиротехническим толкателем 35, причем размер упора 33 между стенкой корпуса 6 и обоймой 24 выбран равным ее ходу при разарретировании.

Поворотный рычаг 34 установлен на стенке корпуса 6 с возможностью вращения относительно оси 36, а усилие для его поворота при разарретировании гироскопического прибора обеспечивается пиротехническим толкателем 35, воздействующим по стрелке "3"
Информация об угле поворота ротора 1 (фиг. 1, 4) снимается оптронным датчиком 8, элементы оптронной пары которого в виде источника излучения (диода 37) и приемника излучения (фотодиода 38) установлены под углом друг к другу с пересечением их осей на зеркальце 39, закрепленном на торце ротора 1.

Гироскопический прибор работает следующим образом. После срабатывании электровоспламенителя 11 от импульса тока воспламеняется пороховой заряд 10 и истекающие из сопел 12 разгонного двигателя 5 струи газа создают движущий момент, который прикладывается к ротору 1 через ходовую втулку 21, вращая его по направлению Ω.

При этом втулка 21 свинчивается с оси ротора 19 и перемещается под действием пружины 22 своим кольцевым цилиндрическим пояском 27 в центральном отверстии 29 на торце подшипниковой опоры ротора 1.

Одновременно радиально направленные шипы 28 перемещаются по направлению стрелки "Е" в пазу 30 до соприкасания с выступом 32. Ход шипа 28 в пазу 30 до упора в выступ 32 должен быть больше или равен длине свинчивания ходовой втулки 21 и оси 19 ротора 1 для обеспечения их свободного взаимного вращения.

Для обеспечения зацепления шипа 28 за выступ 32 в процессе действия движущего момента разгонного двигателя 5 направление выступа 32 должно быть выполнено в сторону, противоположную действию момента, который совпадает с направлением вращения Ω.

После сгорания порохового заряда 10 и прекращения действия момента разгонного двигателя 5, последний при вращении начнет отставать от ротора 1 за счет меньшего момента инерции и большего момента трения в его опорах, чем в опорах ротора 1.

Поэтому, отойдя от выступа 32, шип 28 под действием пружины 22 выйдет из паза 30 и ходовая втулка 21 переместится по выходному валу 18 до упора в подшипник скольжения 17 разгонного двигателя 5.

При этом ходовая втулка 21 освободит ось 19 ротора 1, и ее конец "Ж" приобретает возможность перемещения до упора в ограничительное кольцо 23.

Это создает защиту быстровращающегося ротора 1 от соударений в процессе сборки и проверки гироскопического прибора при его касании корпусных деталей, что обеспечивает стабильность параметров и его высокую надежность
В другом варианте исполнения гироскопического прибора после прекращения действия момента разгонного двигателя 5 его соединение с ротором 1 сохраняется за счет поджатия ходовой втулки 21 к упору 33. Отделение разгонного двигателя 5 от ротора 1 происходит после подачи тока на пиротехнический толкатель 35. Под воздействием его усилия на поворотный рычаг 34 по стрелке "3", упор 33 освобождает ходовую втулку 21 и она под действием пружины 22 освобождает ротор 1.

Ротор 1 становится свободным, приобретает гироскопические свойства и его главная ось в дальнейшем сохраняет свое положение в пространстве.

При движении ракеты на траектории происходит отклонение ее продольной оси, а значит продольной оси корпуса 6 гироскопического прибора от первоначального направления, при этом между этой осью и главной осью гироскопа образуется угол пеленга, который измеряется на частоте вращения ротора 1 датчиком угла 8 за счет получения фототока с фотодиода 38, соответствующего изменению светового потока диода 37, отраженного от зеркала 39. Измеренный электрический сигнал поступает в блок электронной аппаратуры ракеты.

Таким образом, совокупность признаков предлагаемого гироскопического прибора повышает надежность работы с обеспечением достаточной точности измерения углов пеленга за счет выставки в зааретированном положении и в момент отделения ротора от разгонного двигателя точного взаимного положения главной оси гироскопа и продольной оси корпуса гироскопического прибора и обеспечения минимального дрейфа гироскопа.

Кроме того, совокупность признаков предлагаемого гироскопического прибора обеспечивает возможность использования высокооборотных разгонных двигателей, которые размещаются в изолированной от ротора камере, например пороховой реактивной турбины. Это дает возможность получения высокой угловой скорости ротора с одновременным исключением вредного влияния разгонного двигателя на работу гироприбора. Использование в гироприборе малогабаритного и простого механизма соединения разгонного двигателя и ротора, совмещающего функции арретирующего и разарретирующего устройств, позволяют рационально использовать выделенные для гироскопического прибора габариты и создать наибольший кинетический момент ротора.

При этом, второй вариант исполнения гироскопического прибора позволяет производить разарретирование с увеличенной задержкой, что обеспечивает разарретирование гироскопического прибора непосредственно перед пуском ракеты и исключает его уход до пуска, вызванный тем, что кардановый подвес не вращается и не компенсируется дрейф гироскопа, вызванный его люфтами в подвесе.

Таким образом, совокупность приведенных признаков повышает надежность гироскопического прибора с одной стороны за счет уменьшения внезапных отказов, связанных с деформацией и разрушением элементов, заклиниванием опор и ходовой втулки, выходом из строя датчика угла. Такие отказы снижаются как за счет размещения разгонного двигателя в изолированной камере, так и за счет простых и малогабаритных устройств разгона и арретирования ротора.

С другой стороны надежность повышается за счет уменьшения параметрических отказов, связанных с выходом величин выходных параметров гироскопического прибора (допустимый дрейф, ошибки измерения, сбой при разарретировании) за пределы допустимых требований. Эти отказы снижаются за счет исключения вредного влияния разгонного двигателя на кардановый подвес гироскопа, разгона ротора до высоких оборотов, формирования задержки в разделении ходовой втулки с ротором или непосредственно до прекращения действия момента от разгонного двигателя, или, при необходимости, до пуска ракеты.

Источники информации
1. Патент США, N 3142184, НКИ 74-5.12, дата публикации 1964 г.

2. Патент США, N 2918869, НКИ 102-49, дата публикации 1959 г.

Формула изобретения

1. Гироскопический прибор, содержащий ротор в кардановом подвесе, разгонный двигатель, размещенный в отдельной камере корпуса и имеющий профилированный, соосный с ротором выходной вал, резьбовую ходовую втулку на выходном валу и торцевое соединение в виде паза и шипа, отличающийся тем, что в нем на наружной поверхности ходовой втулки размещен подшипник в обойме, через которую ходовая втулка относительно корпуса поджата пружиной в сторону разгонного двигателя, с противоположной от разгонного двигателя стороны в ходовой втулке отверстие выполнено резьбовым и на ее периферии изготовлен кольцевой цилиндрический поясок с радиальным шипом, которые сопряжены соответственно с центральным отверстием и пазом на торце подшипниковой опоры ротора, ось ротора выполнена с резьбовой частью, установлена гладким концом в отверстии ходовой втулки и объединена с ней резьбовым соединением, причем на боковой стенке паза опоры ротора у ее торца встречно направлению вращения разгонного двигателя и ходу шипа выполнен выступ, а длина свинчивания оси ротора и ходовой втулки выбрана из условия превышения величины хода шипа до выступа над длиной свинчивания, при этом на корпусе соосно с ротором с охватом ходовой втулки размещено ограничительное кольцо, которое установлено из условия обеспечения его совмещения с основанием сферического сегмента, образованного концом оси ротора из точки подвеса гироскопа.

2. Гироскопический прибор, содержащий ротор в кардановом подвесе, разгонный двигатель, размещенный в отдельной камере корпуса и имеющий профилированный, соосный с ротором выходной вал, ходовую втулку на выходном валу и торцевое соединение в виде паза и шипа, отличающийся тем, что в нем на наружной поверхности ходовой втулки размещен подшипник в обойме, через которую ходовая втулка относительно корпуса поджата пружиной в сторону разгонного двигателя, с противоположной от разгонного двигателя стороны в ходовой втулке отверстие выполнено гладким и на ее периферии изготовлен кольцевой цилиндрический поясок с радиальным шипом, которые сопряжены соответственно с центральным отверстием и пазом на торце подшипниковой опоры ротора, ось ротора установлена в отверстии ходовой втулки, а между обоймой подшипника и корпусом вдоль оси выходного вала установлен упор, кинематически связанный с поворотным рычагом и пиротехническим толкателем, причем размер упора между корпусом и обоймой подшипника выбран равным ее ходу при разарретировании, при этом на корпусе соосно с ротором с охватом ходовой втулки размещено ограничительное кольцо, которое установлено из условия обеспечения его совмещения с основанием сферического сегмента, образованного концом оси ротора из точки подвеса гироскопа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7