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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Autopilot. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Der Autopilot ist eine Kombination mehrerer Geräte, deren gemeinsamer Betrieb es ermöglicht, die Bewegung eines Flugzeugs oder einer Rakete automatisch ohne menschliches Eingreifen zu steuern. Die Entwicklung des Autopiloten stellte eine wichtige Ära in der Geschichte der Luftfahrt dar, da er den Flugverkehr viel sicherer machte. Was die Raketentechnologie betrifft, bei der alle Flüge unbemannt durchgeführt werden, ohne zuverlässige automatische Steuerungssysteme, könnte sich diese Technologie überhaupt nicht entwickeln.
Die Hauptidee der automatischen Steuerung besteht darin, dass der Autopilot die korrekte Ausrichtung des sich im Weltraum bewegenden Fahrzeugs strikt einhält. Dadurch wird das Gerät erstens in der Luft gehalten und fällt nicht herunter, und zweitens weicht es nicht vom eingestellten Kurs ab, da die Flugbahn in erster Linie von der richtigen Ausrichtung abhängt. Die Ausrichtung des Gerätes im Raum wiederum wird durch drei Winkel bestimmt. Erstens ist dies der Neigungswinkel, dh der Winkel zwischen der Längsachse des Geräts und der Grundebene (oder, wie sie sagen, der Horizontebene). Die Verfolgung dieses Winkels ermöglicht es dem Flugzeug, die Längsstabilität aufrechtzuerhalten - nicht zu "nicken", und eine Rakete, die entlang einer ballistischen Flugbahn fliegt - das Ziel genauer zu treffen. Zweitens ist dies der Gierwinkel, dh der Winkel zwischen der Längsachse des Geräts und der Flugebene (wie wir die Ebene nennen werden, die senkrecht zur Horizontebene steht und durch den Startpunkt und den Zielpunkt verläuft). Der Gierwinkel gibt die Abweichung des Geräts vom Sollkurs an. Und drittens ist dies der Rollwinkel, also der Winkel, der auftritt, wenn sich der Gerätekörper um seine Längsachse dreht. Eine rechtzeitige Korrektur der Rollbewegung ermöglicht es dem Flugzeug, die seitliche Stabilität aufrechtzuerhalten, und dämpft die unregelmäßige Rotation der Rakete. Eine automatische Steuerung der Vorrichtung wäre unmöglich, wenn es keine zuverlässige und einfache Möglichkeit gäbe, diese Winkel zu bestimmen. Glücklicherweise gibt es einen solchen Weg, und er basiert auf der Eigenschaft eines schnell rotierenden Kreisels, die Position seiner Achse im Raum unverändert zu halten. Das einfachste Gyroskop ist ein Kinderkreisel, der sich schnell um seine Achse dreht. Versuchen Sie, es mit einem Klick herunterzuschlagen, und Sie werden sehen, dass dies unmöglich ist - die Oberseite springt nur zur Seite und dreht sich weiter.
Die Achse OA des Oberteils hat jedoch keine konstante Ausrichtung, da ihr Ende A nicht fixiert ist. In der Technik verwendete Gyroskope haben eine viel komplexere Vorrichtung: Der Rotor (eigentlich das Oberteil) ist hier innerhalb der (Ringe) 1 und 2 der sogenannten Gimbals befestigt, was es ermöglicht, dass die AB-Achse jede Position im Raum einnehmen kann . Ein solches Gyroskop kann drei unabhängige Drehungen um die Achsen AB, DE und GK ausführen, die sich im Mittelpunkt der Aufhängung O schneiden, die relativ zur Basis fest bleibt. Die Haupteigenschaft eines schnell rotierenden Gyroskops besteht, wie bereits erwähnt, darin, dass seine Achse dazu neigt, die ursprüngliche Richtung, die ihr gegeben wurde, im Weltraum stabil beizubehalten. Wenn diese Achse beispielsweise ursprünglich auf einen Stern gerichtet war, zeigt sie bei Bewegungen des Geräts selbst und zufälligen Stößen weiterhin auf diesen Stern, auch wenn sich seine Ausrichtung relativ zu den Erdachsen ändert. Erstmals wurde diese Eigenschaft 1852 von dem französischen Physiker Foucault genutzt, um die Rotation der Erde um ihre eigene Achse experimentell nachzuweisen. Daher der Name "Kreisel", was auf Griechisch "Drehung beobachten" bedeutet.
Die zweite wichtige Eigenschaft eines Gyroskops zeigt sich, wenn eine externe Kraft auf seine Achse (oder seinen Rahmen) wirkt und dazu neigt, es relativ zum Mittelpunkt der Aufhängung zu drehen. Wenn zum Beispiel die Kraft P auf das Ende der Achse AB wirkt, wird das Gyroskop, anstatt in Richtung der Kraftwirkung abzuweichen (wie es wäre, wenn sich der Rotor nicht drehen würde), in die Richtung streng senkrecht dazu kippen die Wirkung der Kraft, dann wird (in unserem Fall) beginnen, sich um die Achse DE zu drehen, und zwar mit konstanter Geschwindigkeit. Diese Drehung wird als Präzession des Kreisels bezeichnet und ist umso langsamer, je schneller sich der Kreisel selbst um die Achse AB dreht. Wenn die Wirkung der äußeren Kraft irgendwann aufhört, stoppt gleichzeitig die Präzession und die AB-Achse stoppt sofort.
Die Präzession kann auch bei einem so einfachen Kreisel wie einem Kinderkreisel beobachtet werden, bei dem der Drehpunkt die Rolle des Aufhängungszentrums spielt. Wenn der Kreisel so abgewickelt wird, dass seine Achse nicht senkrecht zum Boden steht, sondern in einem gewissen Winkel dazu geneigt ist, dann können Sie sehen, dass die Achse eines solchen Kreisels nicht in Richtung der Schwerkraft abweicht (d.h. nach unten), aber in senkrechter Richtung, dh die Achse beginnt sich um die Senkrechte zum Boden zu drehen, abgesenkt zum Drehpunkt. Diese beiden Eigenschaften des Gyroskops sind die Grundlage mehrerer Instrumente, die im Autopiloten verwendet werden. In den 70er Jahren des XNUMX. Jahrhunderts wurden Kreisel in militärischen Angelegenheiten in Automaten für den Kurs von Seetorpedos eingesetzt. Im Moment des Abschusses des Torpedos drehte sich der Rotor des darauf montierten Kreisels auf eine Geschwindigkeit von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute. Danach war seine Achse immer auf das Ziel gerichtet.
An der Achse des Kreisels war ein Exzenter angebracht - eine Scheibe, deren Mittelpunkt von der Achse des vertikalen Rings der Maschine verschoben war. Der Exzenter lag an der Spulenstange: Als der Torpedo genau auf das Ziel zuging, schlossen die Spulenkolben die Öffnungen der Rohrleitungen 1 und 2, und der Steuerkolben blieb bewegungslos. Wenn der Torpedo aus irgendeinem Grund vom Kurs abwich, blieb der mit dem Gyroskop verbundene Exzenter stationär, und die Spulenstange rutschte unter der Wirkung einer Feder nach links oder rechts und öffnete ein Loch, durch das Druckluft strömte Rohrleitung 1 oder 2 trat in die Lenkmaschine ein. Unter Drucklufteinwirkung setzte sich der Kolben der Steuermaschine in Bewegung und verschob das Steuerrad, so dass der Torpedo wieder auf den richtigen Kurs zurückkehrte.
Dann fanden Gyroskope breite Anwendung in der Luftfahrt. Im Kapitel über das Flugzeug wurde bereits erwähnt, welch wichtiges Problem für die ersten Flieger darin bestand, die richtige Ausrichtung des Flugzeugs im Flug beizubehalten. Viele Designer dachten dann über die Schaffung automatischer Stabilisatoren nach. 1911 entwickelte der amerikanische Pilot Sperry den ersten automatischen Stabilisator mit einem massiven Kreisel. Das erste Flugzeug mit einem solchen Stabilisator ging 1914 in die Luft. Und in den frühen 20er Jahren schuf die Firma Sperry einen echten Autopiloten. Die ersten Autopiloten steuerten nur die Seitenruder und überwachten die Beibehaltung des vorgegebenen Flugmodus. Ihre Weiterentwicklung führte zur Entstehung von Systemen, die sowohl die Steuerung von Seitenrudern als auch von Flugzeugtriebwerken automatisieren. Solche Autopiloten ermöglichten bereits unbemannte Flüge und die Fernsteuerung des Flugzeugs. Sie fanden Verwendung in den ersten Raketen. Früher als andere standen deutsche Designer, die Schöpfer der ersten ballistischen V-2-Rakete der Geschichte, vor dem Problem der automatischen Raketensteuerung. Die Stabilisierungsmaschine V-2 bestand aus den Kreiselinstrumenten Horizon und Verticant.
"Horizon" ermöglichte es, die Horizontebene und den Neigungswinkel (Nickwinkel) der Rakete relativ zu dieser Ebene zu bestimmen. Der Rotor 1 des Kreisels war gleichzeitig der Anker eines asynchronen Elektromotors, dessen Wicklung 2 mit Wechselstrom gespeist wurde. Vor dem Start der Rakete wurde "Horizon" so platziert, dass die Rotationsachse des Rotors parallel zum Horizont war. Zu diesem Zweck umfasste das Steuersystem ein Pendel (Lot) 5, das die Abweichung der Kreiselachse festlegte. Wenn diese Achse von der Horizontalen nach oben oder unten abweicht, weicht das Pendel auch zur Seite aus und berührt auf der einen oder anderen Seite. In diesem Fall erhielt der Elektromagnet 6 ein Signal der einen oder anderen Polarität. Der Elektromagnet begann, auf die Achse des Kreisels entlang der Y-Achse nach oben oder unten vom Rotationszentrum zu wirken. Als Ergebnis trat eine Präzession auf, die das Gyroskop senkrecht zur Ablenkkraft drehte. Die Präzession dauerte an, bis die Rotorachse in die horizontale Position zurückkehrte. Sobald dies geschah, öffnete sich der Kontakt des Pendels 5 und die Präzession stoppte sofort. Vor dem Start wurde das Korrekturgerät ausgeschaltet. Die Abweichung der Rakete von einem bestimmten Neigungswinkel wurde mit einem Potentiometer - einem einfachen Sensor mit variablem Widerstand - aufgezeichnet. Es war ein ringförmiger Rahmen, auf den der Draht gewickelt war. Entlang dieses Rahmens glitt eine Kontaktbürste. Wenn sich die Bürste am Anfang des Rahmens befand, war eine geringere Anzahl von Drahtwindungen in der Schaltung enthalten, der Widerstand des Potentiometers war kleiner und die Ausgangsspannung erwies sich ebenfalls als unbedeutend (wie Sie wissen, die Spannung Abfall U wird durch das Ohmsche Gesetz U = I • R bestimmt, wobei I die Stromstärke ist, R - Widerstand). Wenn sich die Bürste zum Ende des Rahmens bewegte, stieg der Widerstand des Potentiometers und folglich die Ausgangsspannung. Die Bürste war mit einem empfindlichen Gerät verbunden, das kleinste Spannungsänderungen registrierte. Wenn während des Fluges der Winkel zwischen der Längsachse des Geräts und der Horizontebene aus irgendeinem Grund von dem angegebenen abzuweichen begann, drehte sich das dem Körper des Geräts zugeordnete Potentiometer 8 relativ zu dem darin befestigten Gyroskop mit Zwischenraum und der daran angeschlossenen Kontaktbürste. In diesem Fall erschien am Ausgang des Potentiometers ein elektrisches Signal, das proportional zum Auslenkungswinkel war. Dieses Signal wurde verstärkt und den horizontalen Rudern der Steuermaschine zugeführt, die die Rakete ausrichteten. Ein solch einfaches Gerät könnte jedoch nur mit einer relativ kurzen Flugzeit effektiv arbeiten. Da bei einem langen Flug die Erdrotation berücksichtigt werden musste, musste in diesem Fall eine Korrektur in Richtung der Kreiselachse vorgenommen werden. "Horizon" ermöglichte nicht nur das Speichern, sondern auch das Ändern des Neigungswinkels gemäß einem bestimmten Programm. Aus dem beschriebenen Schema ist ersichtlich, dass, wenn das Potentiometer 8 im eingestellten Moment auf einen bestimmten Winkel gedreht wird, die Ruder so arbeiten, als ob die Vorrichtung selbst um denselben Winkel abweichen würde. Daher kann das Drehen des Potentiometers dazu führen, dass sich die Rakete dreht. "Horizon" enthielt einen sehr einfachen Programmmechanismus, bestehend aus einem Metallband 10, einem Exzenter 11, einem Schrittmotor 12 und einem Klinkenrad 13. Der Exzenter hatte ein Oberflächenprofil, das einem bestimmten Programm entsprach. Der Schrittmotor setzte es über ein Schneckengetriebe in Bewegung (der Schrittmotor war ein Elektromagnet mit einem Anker, wenn ein Impuls auf den Elektromagneten gegeben wurde, wurde der Anker vom Magneten angezogen und verschob das Sperrrad mit seiner Kante um einen Zahn) . Somit hing die Drehgeschwindigkeit des Klinkenrads von der Frequenz der an den Elektromagneten angelegten Impulse ab. Stopper 14 war ein Riegel, der verhinderte, dass sich das Sperrrad in die entgegengesetzte Richtung drehte.
Identisch mit dem „Horizon“ gearbeiteten „Verticant“. Vor dem Start der Rakete befand sich die Achse des Gyroskoprotors senkrecht zur beabsichtigten Flugebene, sodass sich herausstellte, dass das Gyroskop gegenüber der Neigungsentwicklung der Rakete unempfindlich war, aber auf Drehungen in Roll und Kurs reagierte. Die Kreiselkorrektur war die gleiche wie bei Horizont und wurde vor dem Start mit Pendel 3 und Elektromagnet 4 durchgeführt. Nach dem Start reagierte Potentiometer 5 auf das Gieren der Rakete und übermittelte Signale an die Ruder. Da die auf das Ziel gerichtete Achse mit der Längsachse des Flugkörpers zusammenfiel, bewegte sich das Potentiometer 7 im Flug relativ zu dem mit dem Gyroskop verbundenen festen Motor (Bürste), wenn eine Rolle auftrat. Das Signal wurde an die Ruder übertragen, die das Rollen korrigierten. Autor: Ryzhov K.V.
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