NO117249B - - Google Patents

Description

Gyroskopisk instrument.

Foreliggende oppfinnelse vedrører et gyroskopisk instrument som særlig men ikke utelukkende kan finne anvendelse i fly. Et fly er under flukten utsatt for svingninger omkring en akse, særlig såkalt rulling, og da flyinstrumentene praktisk talt alltid befinner seg et godt stykke over den-

ne akse, er de ikke bare utsatt for vrid-ningsmomenter i motsatt retning av flyets rulling, men også for betraktelige bevegel-

ser i tverretningen i form av horisontal aksellerasjon og retardasjon.

Det har vist seg at et gyroskop som be-nyttes til å angi retningen i asimutt, såsom ved de såkalte gyrokompass, og gyroskopet holdes i den ønskede stilling ved hjelp av et «oppretnings»-system som omfatter en innretning som påvirkes av tygdekraften, såsom en pendel, vil flyets rulling frembringe en betraktelig forrykning i asimutt, som nødvendiggjør en tilsvarende korreksjon og er uønsket.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe et gyroskopisk instrument som i vesentlig grad vil redusere denne forrykning i asimutt under de angitte forhold. Oppfinnelsen tar også sikte på å unngå andre ulemper som vil fremgå av det følg-ende.

Nærmere bestemt vedrører oppfinnel-

sen et gyroskopisk instrument som har en «oppretnings»-innretning, hvor et element som reagerer for tyngdekraften (såsom en pendel) forskyves når gyro-rotasjonsaksen beveges ut av et bestemt plan, og påvirk-ningsinnretninger (såsom en motor) som i overensstemmelse med forskyvningen av det nevnte element, påtrykker et dreie-

moment på gyroskopet for å bringe dette i riktig stilling i forhold til planet i en retning i overensstemmelse med den retning i hvilken elementet forskyves, slik at gyroaksen vil svinge mellom stillinger på begge sider av planet når gyroskopet under drift utsettes for forstyrrende bevegelser som forårsaker at det tyngdekraftpåvirkede element forskyves uønsket avvekslende i den ene og den motsatte retning, og oppfinnel-

sen utmerker seg ved en retarderende eller forsinkende retning som gjør varigheten av det tilbakeførende dreimoment i hver retning større enn den periode som adskiller suksessive, uønskede forskyvninger av det tyngdekraftpåvirkede element i motsatt retning som følge av den forstyrrende bevegelse.

Dette og andre trekk ved oppfinnelsen

vil fremgå av følgende beskrivelse av teg-ningen, hvor fig. 1 viser et gyroskop sett fra siden med enkelte deler i snitt, fig. 2 et koplingsskjema og fig. 3 et diagram som viser hvorledes oppfinnelsen virker. Fig. 3(a) og 3(b) viser ytterstillingene av gyroskopet under en rullebevegelse, 3(c) og 3 (d) vektordiagrammer av tilbakeførings-kreftene i disse to stillinger ved de tidligere kjente gyroskop og 3(e) et vektordiagram av tilbakeføringskreftene i stilling (b) i henhold til oppfinnelsen.

Selvom oppfinnelsen kan finne anvendelse i forbindelse méd et stort antall typer av gyroskopiske instrumenter med forskjel-

lig montering, orientering og opprettings-system.skal prinsippene omtales i forbindelse med et retningsgyroskop av den type hvis rotor har aksen liggende horisontalt

og montert i en kadanopphengning hvis indre ring svinger om tapper loddrett på gyroskopets rotas jonakse og ytre ring er opphengt i en ramme festet til flyet eller lignende. I overensstemmelse med vanlig praksis, er en kursindikator som f. eks. har en skive med gradskala, innstillbart festet til en kardanring slik at den kan dreies for å angi den ønskede kurs i forhold' til en referansekurs uten å måtte innstille gyroskopet. Dermed er orienteringen av gyroskopets rotasjonsakse i asimutt uten betydning sålenge den beholder den samme orientering. Forutsetningen er bare at dens avikelse fra horisontalstillmgen ikke blir for stor.

Det viste gyroskop består av en rotor 10 som drives av en eller annen kjent, ikke vist innretning og løper i et kuleformet hus 11. Rotasjonsaksen 12 ligger horisontalt. Huset 11 er svingbart lagret i en kardanring 13 ved hjelp av indre lagertapper 14, og denne ring 13 er igjen svingbart lagret i en ramme 15 ved hjelp av ytre lagertapper 16. Denen ramme er festet til flyet eller far-tøyet.

En opprettingsanordning som påvirkes

av tyngdekraften i overensstemmelse med rotasjonsaksens 12 avvikelser fra horisontalen, består av en pendel 17 som er sving-bar på den ene tapp 14 og bærer en isolert børste 18 som hviler mot en kontaktblokk 19 festet koaksialt til samme tapp 14. Blokken 19 har to halvsirkulære soner som befinner ség i børstens 18 kontaktbane, hvilke soner støter sammen i det punkt hvor bør-sten danner kontakt når aksen 12 ligger horisontalt og pendlen 17 henger vertikalt. Ved en foretrukken utførelse er den ene sone elektrisk ledende og den annen isolert, idet blokken 19 er utført som en sylinder hvorav den ene halvpart 20 er utført av isolerende materiale og den annen halvpart 21 av ledende materiale med børsten 18 hvilende mot blokkens periferi.

En anordning 22 styres ved hjelp av

pendelen 17 og skal omtales som dreiemo-mentanordning som påtrykker et dreiemoment på den ytre vertikale lagertapp 16 og bevirker en tilbakeføring av rotoren 10 avhengig av rotasjonsaksens 12 stilling i forhold til horisontalen. Dreiemomentanordningen 22 er forbundet med en krets hvori inngår børsten 18 og kontaktblokken 19, på en slik måte at dreiemomentanordningen påtrykker et tilbakeførende dreiemoment i den ene retning når børsten befinner seg i den ene sone og i den motsatte retning når børsten befinner seg i den annen sone.

Dreiemonetanordningen 2 vil således

hele tiden utøve et tilbakeførende eller opp-

rettende dreiemoment mens aksen 12 normalt svinger omkring en midtstilling som

danner en vinkel med horisontalen i begge

retninger, idet børsten 18 danner kontakt med seksjonene 20 og 21 i regelmessige in-tervaller. Dette arangement har vist seg å

ha visse tegniske fordeler som ikke skulle

trenge nærmere omtale, og arrangementet

ér så følsomt at aksens 12 vinkelavvikelser i forhold til horisonalen, er så små at de er

uten betydning i praksis. Når en annen kraft virker på aksen 12 og bevirker at denne avviker for horisontalen, vil blokken 19 dreies slik at børsten 18 får kontakt med

større deler av den ene av kontaktsonene, hvilket igjen bevirker at dreiemomentanordningen 22 holdes innkoplet i lengere tid i den retning som styres av vedkommende

sone, enn i den annen retning og derved frembringer en resulterende oppreftings-kraft som er slik rettet at vinkelavvikelsen oppheves.

Systemets nøyaktige arbeidsmåte som beskrevet er avhengig av at pendelen 17

holder seg i vertikal stilling. En feil oppstår

imidlertid som følge av instrumentets aksellerasjoner, bg retardasjoner, som bevirker at pendelen svinger bort fra vertikalen

og derved forskyver balansen mellom opp-rettingskreftene i de to motsatte retninger. Dette er særlig tilfelle når flyet som instrumentet er innmontert i, er utsatt for gynge-bevegelser omkring en akse som ligger vesentlig under det sted hvor gyroskopet befinner seg, slik tilfellet vanligvis vil være.

Ordet «gynge» skal her angi svingninger på

tvers av en vértikal akse omkring et sen-trum som ligger vesentlig under gyroskopet, slik at bevegelsen ikke bare omfatter en vinkelforskyvning av linjen gjennom de ytre tapper 16 i forhold til vertikalen, men også betraktelige tverrbevegelser som omfatter aksellerasjon og retardasjon. Gynge-bevegelser av denne type er antydet på fig. 3(a) og 3(b) og representerer den sykliske rulling, som fly, skip og lignende fartøy vil være utsatt for.

Man har konstatert at bevegelser av denne type innfører feil som nødvendiggjør en konstant oppretning i asimutt i den ene retning, hvilket er meget uheldig så den nødvendiggjør en stadig og betydelig korreksjon av skiven med gradinndeling for å oppnå kompensasjon av feilen. Det antas at denne feil skyldes forhold som er angitt skjematisk på fig. 3(c) og 3(d) som viser de forskjellige krefter som påvirker opp-rettingssystemet i de to stillinger vist på fig. 3(a) henholdsvis 3(b).

Det fremgår av retardasjonen i den på fig. 3(a) til venstre viste stilling av «gyngebanen» 25 vil forskyve pendelen 17 til venstre for den normale vertikale stilling, slik at børsten 18 får kontakt med sektoren 20 lengere tid enn den som kreves for oppretning og dreiemomentanordningen 2 virker lengere enn nødvendig. Denne dreiemo-mentanordning, som omfatter en stator 23 som er festet på rammen 15, og en dertil hørende rotor 24 som er festet til en ytre tapp 16, vil utøve sitt dreiemoment omkring denne tapp, hvilket dreiemoment er angitt på fig. 3(c) ved vektoren P som kan dekomponeres i en vertikal oppadrettet vektor V og en horisontal til venstre rettet vektor K. Den vertikale komponent V søker å dreie gyroskopet 11 om de horisontale tapper 14, mens den horisontale komponent H, eller rigtigere den komponent av denne som står loddrett på gyrorotasjonsaksen 12, søker å svinge kardanringen 13 tilbake omkring den vertikale tapp 16.

Når gyroskopet svinger over til den annen side av gyngebanen, se fig. 3(b), vil pendelen 17 svinge over til høyre og børsten 18 danne kontakt med sektoren 21. Dreiemomentanordningen 22 vil utøve et dreiemoment i den motsatte retning, som angitt ved vektoren P<1> som på lignende måte kan dekomponeres i en vertikalt nedad rettet komponent V og en til venstre horisontal komponent H<1>. Vektoren V<1> vil søke å rette opp om de horisontale tapper 14 i motsatt retning i forhold til vektoren V, mens vektoren H<1> vil søke å rette opp om de vertikale tapper 16 i samme retning som vektoren H.

Vektordiagrammene viser følgelig at de opprettende dreiemomenter på hver sin side av gyngebanen omfatter vertikale vek-torkomponenter som vil oppheve hinannen, og horisontale komponenter som vil addere seg til hinannen, da de fører i samme retning. Det er disse sistnevte komponenter som antas å bevirke den stadige oppretting 1 asimutt som forårsaker den ovenfor omtalte feil.

I henhold til oppfinnelsen kan denne feil i vesentlig grad reduseres eller helt oppheves ved hjelp av et kretsarrangement som samvirker med dreiemomentanordningen 22 slik at det ikke vil vende dennes arbeidsretning likt til hver sin side av gyngebanen, men vil vende dens arbeidsretning nå og da til hver side, slik at den generelt sett vil arbeide i samme retning til begge sider i en periode som minst omfatter en gyngesyklus. Under en slik gyngesyklus vil det dreiemoment som utøves på høyre side av svingningen, som angitt ved vektoren P<2> på fig. 3(e), må være rettet oppad i stedet for nedad som på fig. 3(d), idet den vertikale komponent V<2> er rettet oppad og den horisontale H<2> mot høyre. Følgelig vil komponenten H<2> oppheve konponenten Hl. Selvom komponenten V og V<2> har samme retning og vil addere seg til hinannen, vil de bare bevirke en vinkelforskyvning av rotasjonsaksen 12 i forhold til horisontalen, som vil bli noe forstørret. Summen av disse to vertikale komponenter vil innenfor rime-lige grenser her ikke ha noen merkbar virkning på retningsindikatorens arbeidsmåte og betinger i virkeligheten bestemte fordeler som nærmere omtalt nedenfor.

Resultatene oppnås generelt ved hjelp av et system hvor virkningen av pendelens utsvingning til motsatte sider under hver gyngebevegelse lagres eller forsinkes med hensyn til sin virkning i stedet for å bevirke en reversering av dreiemomentets retning som vist på fig. 3(c) og 3(d). Etter en periode på mere enn en full gyngesyklus, fortrinnsvis etter et antall slike sykler, påtrykkes resultanten for å vende retningen av dreiemomentet. Virkningen av en slik omvending av dreiemomentets retning akkumuleres så i løpet av en lignende periode før dreiemomentets retning igjen går tilbake til den tidligere. Selvom dette kan oppnåes på flere forskjellige måter, viser utførelseseksemplet et forsinkelsesnettverk som samvirker med dreiemomentanordningens arbeidskrets. Denne siste krets samt konstruksjonen og virkemåten av dreiemomentanordningen og pendelkobleren, er lik den som er beskrevet i U.S. patent 2.745.288.

I den noe modifiserte krets på fig. 2 er en transformator 27 med sin primærvikling 28 forbundet méd en vekselstrømkilde 29. Sekundærviklingen 30 er med sin ene klemme forbundet med en tråd 32 som inne-holder en likeretter 31 samt en motstand 33 og fører til børsten 18. Sekundærviklin-gens annen klemme er forbundet med tråden 37 som også primærviklingens ene klemme er forbundet med og som eventuelt kan være jordforbundet. Denne tråd fører til den ledende seksjon 21 av kontaktblokken 19. Et filterettverk 34 kan eventuelt være innkoplet over likestrømkretsen som vist.

Dreiemomentanordningens 22 stator 23 består i henhold til det ovenfor nevnte U.S. patent fortrinnsvis av en induksjonsmotor med hjelpefase, som har faste viklinger 35 og 36 som har hver sin ene klemme forbundet med vekselstrømkilden 29 over tråden 37 og de andre ender forbundet med tråden 38. Av disse faste viklinger er den ene, 35, lagt i serie med en kondensator 40 for å oppnå den nødvendige faseforskyv-ning. Ved dette arrangement vil dreiemomentanordningen 22 tilføre rotoren 24 et dreiemoment i den ene retning.

En motspole 41 er induktivt koplet med den ene av de faste viklinger, i foreliggende tilfelle viklingen 36, og energiseres periodisk ved hjelp av pendelkopleren. Viklingen 41 har en vesentlig større induktivitet enn viklingen 36, slik at førstnevnte vil overveie når begge fører strøm og følgelig bevirke et dreiemoment på rotoren 24 i motsatt retning i forhold til tidligere.

Motspolen 41 får ved det viste eksem-pel strøm over en krets med gassrør som tendes av pendelkopleren. Kretsen innehol-der to tyratronrør 42 som er parellellkoplet med anodene 43 forbundet med den ene ende av motspolen 41 og styregitrene forbundet med den ene side av pendelkopler-kretsen, i det viste tilfelle med børsten 18. Glødetrådenes ene side er forbundet med en tråd 45 som er tilkoplet et uttak på transformatorens 27 sekundærvikling 30, mens glødestrådenes annen side og kato-dene er forbundet med tråden 37. Den annen ende av motspolen 41 er forbundet med tråden 38.

Mellom pendelkopleren og gitrene 44 er inkoplet en forsinkelseskrets 46 som består av en kondensator 47 som ligger mellom trådene 37 og 32, og motstander 48 og 49 som er innkoplet i tråden 32 på hver sin side av kondensatoren. Komponentenes verdier er valgt slik at der under hvilket som helst spesielt forhold kan fåes en øn-sket forsinkelse. En forsinkelse på 5—6 gyngesykler har vist seg å være tilfredsstillende.

Når fartøyet ikke utsettes for noen bevegelse i tverretningen, som får pendelen 17 til å svinge ut fra sin normale vertikale stilling, vil børsten 18 hvile mot den ene av sektorene 20 eller 21 når rotasjonsaksen 12 danner en vinkel med horisontalen. Antas det at børsten 18 hviler mot den isolerte sektor 20, vil den positive halvbølge som opptrer mellom trådene 37 og 32 ved hver halve periode av spenningen ved hvilken en positiv spenning påtrykkes anodene 43 over motviklingen 41, bevirke en opplad-ning av kondensatoren 47 som vil bygge opp en spenning på tyratronenes 42 gittere over motstanden 49. I løpet av et antall halvperioder vil rørene tenne og gi strøm til spolen 41. Under ladeperioden vil bør-sten vandre på det isolerte segment 20.

Når spolen 41 får strøm, vil blokken 19 begynne å rotere i den motsatte retning slik at børsten 18 får kontakt med det ledende segment 21. Kondensatoren 47 vil derved utlades over børsten .segmentet 21 og motstanden 48, hvilken motstand forsinker ut-ladningen inntil børsten 18 har vandret den foreskrevne avstand langs segmentet 21. Såsnart gitterspenningen er sunket til-strekkelig, vil rørene 42 sperres og opphøre med å lede strøm til viklingen 41. Fra og med dette øyeblikk overtar de faste viklinger 35 og 36 og vender således dreiemomentets retning slik at blokken 19 beveges i motsatt retning inntil børsten 18 får kontakt med det isolerende segment 20. Kondensatoren 47 vil dferpå igjen bli oppladet og syklusen gjentar seg. Fremdeles under forutsetning av at der ikke foreligger noen ytre forstyrrende krefter som kan bevirke uønskede forskyvninger, vil resultatet være at aksen 12 vil svinge innenfor en vinkel som er bestemt ved kretsens forsinkelse og som er symmetrisk i forhold til den foreskrevne horisontale stilling av aksen. Som allerede angitt vil den økede vinkelverdi av den vertikale opprettingssvingning ikke ha noen virkning på gyroskopets retnings-karakteristikk som utelukkende er basert på den horisontale orientering.

Koplerens sykliske arbeide vil fortsette under rulling, slik som angitt på fig. 3. De horisontale opprettingskomponenter vil oppheve hinannen mens virkningen av de vertikale opprettingskomponenter på den vertikale vinkel ikke vil være av nevnever-dig tydning. På lignende måte vil en vertikal avvikelse av rotasjonsaksen 12 fra riktig stilling i forhold til horisontalen som følge av andre faktorer, gi lengere perioder i hvilke børsten 18 har kontakt med den ene koplersektor for å tilveiebringe et resulterende dreiemoment som vil føre aksen tilbake til riktig vinkelstilling i forhold til horisontalen, på den måte som er beskrevet ovenfor.

Som allerede nevnt har det i praksis vist seg at det beskrevne system vil gi en mindre oppretting i asimutt selv når gyroskopet ikke er utsatt for vippebevegelser eller aksellerasjoner i tverretningen. Denne art av oppretting skyldes for en vesentlig grad friksjon i lagrene for de indre horisontale tapper 14, hvilken friksjon vil bevirke en opprettingskraft som forskyver gyroaksen i asimutt. Det antas at reduksjo-nen av denne opprettingskraft delvis skyldes forlengelse av den periode i hvilken dreiemomentet virker i hver retning. Den resulterende amplitudeøkning av oppret-tingsbevegelsen gir en tilfredsstillende øk-ning av bevegelsen av kulene i kulelagrene for de horisontale lagertapper, slik at man får en mykere opphengning. En annen fak-tor som virker til dette forbedrede resultat, er at koplerpendelen, når flyet er i luften, avbøyes i sideretningen i forhold til vertikalen som følge av de forskjellige små bevegelser, vibrasjoner og støt som forekom-mer. Selvom disse avvikelser er vilkårlige, vil avbøyningene i motsatte retninger over en tidsperiode oppheve hinannen i overensstemmelse med de ovenfor omtalte prin-sipper. Ved tidligere kjente systemer ville disse små avvikelser bevirke en stadig opprettingskraft i asimutt. Ved hjelp av sy-stemet ifølge oppfinnelsen vil imidlertid disse asimutale opprettingskrefter gjensi-dig oppheve hinannen.

Uten hensyn til riktigheten av disse forklaringer, har oppfinnelsen i alle tilfelle vist at der fåes en nedsettelse av den asimutale oppretting som skyldes friksjon i lagrene for horisontale tapper. Særlig har det i praksis vist seg hensiktsmessig å an-ordne en justering for asimutal oppretting som vil virke nøyaktig både når flyet står på marken og når det er i luften. Dette er særlig viktig under visse praktiske forhold, særlig ved jetfly som normalt vil befinne seg på marken en større del av tiden, i hvilket tilfelle det generelt sett vil være uprak-tisk å kontrollere justeringen for de for-holdsvis korte tidsintervaller flyet befinner seg i luften.

Av praktiske grunner er gyroskopet vist på fig. 3 med kardanringen 13 orientert i rett vinkel på retningen av aksellerasjo-nen og retardasjonen, slik at de derved oppståtte krefter vil ha den størst mulige virkning på pendelen 17. Som imidlertid allerede nevnt, kan kardanringen 13 inn-stilles i en asimutal vinkel en gang for alle. Når den befinner seg i flukt med akselera-sjonens retning, vil denne aksellerasjon selvsagt ikke ha noen virkning på pendelen. Mellom denne stilling og den ene på fig. 3 vil den kraft som virker på pendelen som følge av akselllerasjon og retardasjon for å avbøye den i sideretningen, være en vektor som har en vinkelretning mellom kardan-ringens 13 plan og aksellerasjonskraftens retning. Denne vektor har imidlertid ingen virkning på gyroskopets arbeidsmåte, da den bare påvirker graden av anordningens effektivitet. Følgelig er denne kraftvirkning ikke tatt med for ikke å komplisere tegnin-gen.

Det er innlysende at oppfinnelsen ikke er begrenset til det viste og beskrevne ek-sempel, idet f. eks. pendelen kan erstattes me den hvilken som helst annen innretning som styrer opprettingen og som er utsatt for tyngdekraftens virkning og påvirkes av aksellerasjonskrefter. På samme måte be-høver ikke gyroskopet være et retningsgyroskop, selvom anordningen ifølge oppfinnelsen har vist seg særlig gunstig i forbindelse med sådanne, men kan også an-vendes på andre gyroskop og særlig gyroskop med en rotasjonsakse, hvis prinsipielle retning avviker fra horisontalen.

Claims (6)

1. Gyroskopisk instrument med en «opprettings»-innretning, hvor et element som reagerer for tyngdekraften (såsom en pendel), forskyves når gyro-rotasjonsaksen beveges ut av et bestemt plan, og påvirk-ningsinnretninger (såsom en motor) som i overensstemmelse med forskyvningen av det nevnte element, påtrykker et dreiemoment på gyroskopet for å bringe dette i riktig stilling i forhold til planet i en retning i overensstemmelse med den retning i hvilken elementet forskyves, slik at gyroaksen vil svinge periodisk mellom stillinger på begge sider av planet når gyroskopet under drift utsettes for forstyrrende bevegelser som forårsaker at det tyngdekraftpåvirkede element forskyves uønsket avvekslende i den ene og den motsatte retning, karakterisert ved en retarderende eller forsinkende innretning (46) som gjør varigheten av det til-bakeførende dreiemoment i hver retning større enn den periode som adskiller suksessive, uønskede forskyvninger av det tyngdekraftpåvirkende element (17) i motsatte retninger som følge av den forstyrrende bevegelse.

2. Instrument ifølge påstand 1, hvor den forstyrrende bevegelse som påvirker instrumentet, søker å anta en syklisk ka-rakter, f. eks. den rullende bevegelse av et fly, karakterisert ved at varigheten av dreiemomentpåtrykningen i hver retning er gjort større enn halvparten av bevegel-sens naturlige syklus.

3. Instrument ifølge påstand 1 eller 2, karakterisert ved at den dreiemoment-på-trykkende innretning er en reverserbar elektromotor (22) som virker på den av gyroskopets opphengningsaksler (16) som står loddrett på det nevnte plan, og at på-virkningen av det tyngdekraft-påvirkende element, f. eks. en pendel (17), bevirker på-virkning av en kopler (19) som forandrer retningen av motorens magnetisering.

4. Instrument ifølge påstand 3, karakterisert ved at kopleren omfatter to kopler-segmenter (20, 21) anordnet på gyroskopets ytre opphengningsaksel (14), og en kopler-arm (18) som er festet til pendelen (17) og beveger seg over de to segmenter.

5. Instrument ifølge påstand 3 eller 4, karakterisert ved at innretningen som øker varigheten av dreiemomentpåtrykningen, er en forsinkelsesinnretning (46), f. eks. et kondensator-utladningsnettverk, som er innskutt i motorens energiseringskrets.

6. Instrument ifølge påstand 3, 4 eller 5, karakterisert ved at motoren (22) har en feltvikling (36) som magnetiseres perma-nent for å bringe motoren til å rotere i den ene retning, og en annen feltvikling (41), som når den er magnetisert, frembringer et større induktivt felt enn første vikling for å få motoren til å rotere i den motsatte retning, hvilken annen vikling magnetiseres når kopleren (19) bringes i en av sine to stillinger av det tyngdekraft-påvirkede element (17).