氣動陀螺儀是利用高速旋轉的轉子與內框架之間所形成的動壓氣膜支承轉子，這種方式稱為動壓氣浮支承。由於氣體的粘度比液體粘度小，氣體軸承具有摩擦阻力小、功耗低、轉速高、無污染等優點，採用氣體潤滑的高速軸承能夠提高儀表的可靠性、壽命和精度，氣體潤滑軸承的這些優點，使得它非常適合於慣性器件的製作，而且相對於已有的氣浮陀螺儀來說有進一步提高精度、降低成本、簡化結構、減小體積的可能。
基本介紹
- 中文名：氣動陀螺儀
- 外文名：Gas-Floated and Driven Gyroscope
- 作用：提高儀表的可靠性、壽命和精度
介紹,關鍵技術研究,現狀問題,
介紹
自陀螺儀問世以來，因其具有不受制於任何外界信息而能測量出載體姿態信息的能力而被套用在航空、航天、航海等領域中。隨著社會的進步，慣性技術的不斷發展，以陀螺儀為核心器件的測量系統己從傳統的軍用市場走向廣闊的民用市場。發展陀螺儀及其相關技術，一直是各國重點研究的內容之一，也成為衡量一個國家科技水平和軍事實力的重要標誌之一。除了不斷開發新型陀螺儀以外，對已有的陀螺儀通過技術革新，提高精度、降低成本也具有重要的現實意義。雖然靜電陀螺儀和液浮陀螺儀具有很高的精度，但是結構複雜，價格昂貴，套用不是廣泛；而目前在研究的固體陀螺儀技術還不成熟，存在較多的技術難點要突破，要想達到更高的精度、更廣泛的套用還需要投入大量的幾力和財力進行探索和研究。相比較而言由於氣體的粘度比液體粘度小，氣體軸承具有摩擦阻力小、功耗低、轉速高、無污染等優點，採用氣體潤滑的高速軸承能夠提高儀表的可靠性、壽命和精度，氣體潤滑軸承的這些優點，使得它非常適合於慣性器件的製作，而且相對於已有的氣浮陀螺儀來說有進一步提高精度、降低成本、簡化結構、減小體積的可能。
通過相容性條件統一了狹縫氣膜和球面潤滑氣膜，採用三角形有限單元劃分統一後的氣膜，以小擾動法為基礎將陀螺軸承內的氣膜壓力分解為靜態壓力和動態壓力兩部分，通過迦遼金加二階微分降為一階微分，以降低對插值函式連續性的要求，根據氣體流量守恆方程和穩態壓力方程求解氣膜內的穩態壓力，進而求得動態壓力和陀螺軸承氣膜的動態特性係數，並分析陀螺儀軸承結構參數對動態性能的影響規律。以陀螺儀軸承轉子的動態性能參數為基礎，根據陀螺儀轉子的運動方程，得到陀螺軸承轉子穩定運轉時的臨界穩定性方程，進而求得用臨界質量來表示陀螺儀轉子穩定運轉的穩定性判據。根據此判據，分析陀螺儀軸承各結構參數對穩定性的影響規律，結合氣體陀螺軸承的靜態承載性能，對陀螺儀轉子結構進行多目標最佳化設計，以其得到具有較高的靜態承載性能和動態穩定性的結構。為了陀螺儀能夠穩定運轉，減小由不平衡量引起的機械漂移誤差，必須對陀螺儀轉子進行平衡。本文針對新型結構的陀螺儀轉子存在球心位置難以確定，質心不在轉子實體上的特點，提出了輔助件初始靜平衡氣浮單擺精密靜平衡動平衡的思路和方法，解決了該結構類型陀螺儀轉子的平衡問題。
關鍵技術研究
氣浮陀螺儀技術涉及氣體軸承技術、慣性器件的加工製造技術、陀螺儀漂移率的控制技術等內容。氣體軸承技術方面，軸承性能的數值計算方法、軸承型式、軸承設計和工作參數、加工裝配誤差對軸承性能的影響等都是研究的重點；而要提高陀螺儀的漂移精度，可以從提高陀螺轉子的轉速、減小干擾力矩、增大極軸轉動慣量等方面採取措施；而陀螺器件加工製造誤差、轉子的平衡精度,也會直接影響陀螺儀的漂移精度。
氣體軸承性能的研究
軸承承載性能的好壞直接決定氣浮陀螺儀的性能。因此，對氣體軸承性能的設計和計算,是氣浮陀螺儀設計的基礎。
氣體軸承型式、參數對軸承性能的影響
氣體軸承的一個主要缺點是承載能力差、剛度低，而陀螺儀支承需要有高的剛度，這除了可保證良好的支承性能外，載荷變化時還能使陀螺儀保持軸心位置較小的變化，以減小因軸承不同心引起的干擾力矩。所以，如何保證和提高氣體軸承的支承剛度一直是氣浮陀螺儀研究的重點之一。氣浮軸承的剛度和軸承的潤滑方式、節流形式、結構參數、供氣壓力等有關。
軸承結構和設計參數對軸承性能的影響
合理的軸承結構和設計參數是良好性能的基礎，對軸承性能影響較大的參數有軸承形狀、直徑尺寸、氣膜間隙大小、節流器尺寸和數目、供氣壓力等。
現狀問題
目前，氣浮陀螺儀的研究中急需解決以下問題：一是開發新結構的氣浮陀螺儀，以提高陀螺儀的性能、降低成本和工藝難度。另一方面，需要將近年來氣體軸承的研究成果和研究方法，套用於氣浮陀螺儀的研究中，完善潤滑理論分析和計算，以提高氣浮陀螺儀的承載性能、剛度和穩定性。另外，還需針對氣浮陀螺儀干擾力矩進行理論分析和研究，以提高陀螺儀的漂移精度。具體來說：
在結構及節流方式方面傳統技術有待改進
以往的研究對球形二自由度氣浮陀螺儀的結構進行過多種嘗試，但目前還存在很多問題，如何改進其結構和工作原理，提高該類陀螺儀的漂移精度和工藝可行性，是亟待解決的問題。目前套用的球形靜壓軸承多採用小孔節流,這種節流方式在工藝上容易實現,但氣體干擾力矩大,對陀螺儀精度影響不容忽視；另外，其支承剛度不佳。採用狹縫節流的氣體軸承，理論上即可提高支承剛度，又可較好的控制氣體干擾力矩,因此在球形氣浮陀螺儀上採用狹縫節流值得研究嘗試。
對球形氣浮軸承支承性能的研究尚存不足
伴隨著新型結構軸承的出現，利用發展的計算機技術,用更精確的數值模型對新結構軸承進行精確的數值求解,一直都是一個重要的研究課題，這對保證陀螺儀良好的支承性能至關重要。
以往的研究中，針對軸頸和平面止推氣體軸承的研究開展的很多也比較充分，但隨著球形氣浮陀螺儀、衛星氣浮台、靜平衡機等的發展，針對球形氣體軸承承載性能的研究成為這類設備製造的關鍵。而衛星氣浮台、靜平衡機中套用的球形氣浮軸承，工作在靜態下，一般採用小孔節流局部承載靜壓軸承的型式，因此以往的研究僅涉及單孔或單列孔節流、局部承載面支承、靜壓潤滑條件。
對氣體干擾力矩的分析和求解研究欠缺
對氣體干擾力矩研究，一直是氣體潤滑軸承研究的一個薄弱環節。對於高精度氣浮台、靜平衡機來說，氣體干擾力矩的存在和控制是其製造和套用的難點，而對球形氣浮陀螺儀來說,氣體干擾力矩是其最主要干擾力矩之一，是影響其漂移精度的關鍵因素，因此對氣體干擾力矩的研究無法迴避,成為刻不容緩的任務。
氣浮陀螺儀驅動技術有待改進
以往的自由轉子氣浮陀螺儀通常採用電場或磁場驅動和恆速裝置，來驅動和控制轉子的轉速。而這會引入電磁干擾力矩,引起轉子的漂移。這些干擾力矩的消除，需要額外的附屬裝置，且不容易保證效果。
