در این نوع، عامل بازگرداندن طوقه مجموعه دوار به وضعیت اولیه،یک نصر الاستیک مانند فنر است و برای تعیین سرعت زاویه ای وسیله نقلیه ای-که ژیروسکوپ روی آن سوار شده-بکار مسرود و در چنین حالتی،محور ورودی عمود بر دو محور چرخش و طوقه است.
ژیروسکوپ های انتگرالی
درین نوع، عامل اصلی مقاومت در برابر دوران طوقه مجموعه دوار حول محور خودش نسبت به بدنه ژیروسکوپ، گشتاور ناشی از دمپینگ سیالی با لزجت بالا است و برای اندازه گیری جابجایی دورانی بکار میرود. درین ژیروسکوپ، چون مجموعه دوار در یک سیال شناور است، اصطکاک تکیه گاه های محور خروجی کاهش میابد و در نتیجه خطای ژیروسکوپ کم میشود.
ژیروسکوپ های مقید
چنانه در زیروسکوپ انتگرالی از سیال با لزجت کم و یا گاز استفاده میشود، درین صورت واکنش قابل توجهی به عنوان گشتاور ناشی از دمپینگ سیال نداریم و تنها عاملی که سعی میکند از خارج شدن طوقه از وضعیت اولیه جلوگیری کند، واکنش اینرسی مجموعه دوار است. به چنین ژیروسکوپ هایی، ژیروسکوپ مقید میگویند.
تقسیم بندی ژیروسکوپ ها
علاوه بر تقسیم بندی بر حسب تعداد درجات آزادی، ژیروسکوپ ها را میتوان بر حسب نوع کاربرد نیز تقسیم بندی نمود. براین مبنا، ژیروسکوپ ها به چهار رده تقسیم میشوند.
ژیروسکوپ هایی که در بخش هدایت و ناوبری کاربرد دارند:
وظیفه اصلی این ژیروسکوپ ها،ایجاد امتداد هایی معین در فضای اینرسی است.این نوع ژیروسکوپ ها، بسیار دقیق بوده و توانایی حس کنندگی بالایی دارند. خطای آنها کم بوده و بیشتر در هواپیما ها، بالگردها، فضا پیماها و موشک های دوربرد به کار میرود.
ژیروسکوپ هایی که در بخش پایداری و کنترل بکار میرود:
وظیفه این نوع ژیروسکوپ ها، حس کردن و کنترل حرکات زاویه ای است. این ژیروسکوپ ها نیاز به دقت های بکار رفته در ژیروسکوپ های نوع4-1 را ندارد. این نوع ژیروسکوپ ها در هواپیماها و موشک ها بکار میرود که البته وظیفه آنها نسبت به ژیروسکوپ های هدایت و ناوبری متفاوت است.
ژیروسکوپ هایی که در درگیری،هدف یابی و در پاییداری و کنترل آنتن وسائل فضایی بکار میروند:
این نوع ژیروسکوپ، در موشک هایی که صفحه رادار آنها روی هدف قفل میشود و به این ترتیب، موشک را تا رسیدن به هدف هدایت میکند، کاربرد دارد.
ژیروسکوپ هایی که برای تجزیه تحلیل اطلاعات پروازی(در حین پرواز یا پس از آن)بکار میرود.
انواع ژیروسکوپ
در ادامه به بررسی انواع ژیروسکوپ می پردازیم.
ژیروسکوپ های DTG:
این ژیروسکوپ که بر اساس اندازه حرکت زاویه ای عمل میکند،تقریبا در سال 1960 ابداع شد. درین ژیروسکوپ،عامل اصلی دوران، یک موتور الکتریکی است که محور دوار آن توسط زوج میله دیگری با خاصیت فنر پیچشی دارند-به طوقه متصل شده است. خود طوقه نیز توسط زوج میله دیگری با خاصیت فنرپیچشی به روتور-که بر خلاف انواع پیشین در قسمت بیرونی طوقه قرار دارد-متصل است.خاصیت این دو زوج میله های فنری این است که در یک سرعت خاص از دوران-که به آن حالت تشدید میگویند-عملکرد آنها به گونه ای است که دستگاه مانند یک ژیروسکوپ روتور آزاد عمل میکند.این ژیروسکوپ ها از نظر ابعاد بسیار کوچک و سبک هستند.
ژیروسکوپ های لیزری:
این ژِروسکوپ،بر خلاف ژیروسکوپ های قبلی دارای هیچ جسم تحرکی که ایجاد اندازه حرکت خطی یا زاویه ای کند نیست.لکن از آنجا که کاربرد آن شبیه ژیروسکوپ های معمولی برای اندازه گیری دوران است،آن را در زمره ژیروسکوپ های رده بندی میکنند.درین ژیروسکوپ از دو پرتو نورلیزر در یک مسیر بسته و در دو جهت مخالف استفاده میشود.نخستین نمونه تجاری آن در هواپیماهای بوئینگ 757-756و ایرباس310 بکار رفته است.مزیت آن،درقابلیت اطمینان بیشتر،دامنه دینامیکی وسیع ترو مقاومت خوب در مقابل شتاب های زیاد است.
ژیروسکوپ های فیبر نوری:
این ژیروسکوپ ، تحقق آخرین اندیشه های بشردر ساخت ژیروسکوپ است.چرا که در نوع خود کوچک بوده و بطور آنی روشن میشود،عمر طولانی دارد،احتیاجی به خدمات نگهداری نداشته و ارزان است.همچنین احتیاج به سامانه تعلیق طوقه ای ندارند.مبنای عملکرد این ژیروسکوپ،شبیه ژیروسکوپ لیزری است،با این تفاوت که در آن به جای لیزر از یک نور پولاریزه استفاده میشود.این فناوری در اواسط دهه ی 1970 در دانشگاه یوتای آمریکا ابداع شد.
ژیروسکوپ دیاپازونی:
نوع دیگری از ژیروسکوپ ها که بر اساس اندازه حرکت خطی عمل میکند-از سامانه حفظ تعادل برخی حشرات الهام گرفته شده است.این حشرات با استفاده از دو عضو غضروفی مرتعش کوچک که در طرفین بدنشان قرار دارد-تعادل خود را حفظ میکنند.ژیروسکوپی که براین مبنا ساخته شده است،به آن ژیروسکوپ دیاپازونی یا ژیروسکوپ ارتعاشی میگویند.روی پایه اصلی این ژیروسکوپ،دو شاخک فلزی (شبیه دیاپازون) قرار دارد که توسط آهنربای الکتریکی به نوسان در می آید.این نوسانات در جهت عکس یکدیگر است یعنی یا از هم دور میشود یا بهم نزدیک میشوند.در اثر این دو حرکت،هر ذره مادی از شاخک ها،دارای مولفه شتاب کوریولیس خواهد شد که راستای این شتاب در امتداد محور xاست.
مباني علمي و فني:
طبق اصل بقاي اندازه حركت زاويه اي هر جسم در حال چرخش متقارن سعي دارد جهت خود را همواره در فضا حفظ كند. لذا اگر يك جسم با وزن زياد متقارن را با دور بالا بچرخانيم و اطراف آنرا با ياتاقان و بلبرينگ آزاد بگذاريم كه نيروهاي خارجي بر آن اعمال نشود. با چرخش قاب سيستم جهت چرخش جسم دوار تغيير نميكند، لذا مي توانيم بدين وسيله در اجسام متحرك جهت ثابتي داشته باشيم كه وضعيت فعلي خود را در هر لحظه با آن مقايسه نماييم و لذا موقعيت زاويه اي و با محاسبه سرعت تغيير سرعت زاويه اي را به دست آوريم.
عضو اصلي ژيروسكوپ هاي مكانيكي، يك دستگاه دوار يا روتور است كه معمولاَ با سرعت زياد حول محور تقارن خود دوران ميكند اين سرعت از 3000 تا 300000 دور در دقيقه مي باشد لذا در اثر اينرسي جرم دوار، اندازه حركت ( ممنتوم ) نسبتا بزرگي ايجاد مي گردد.
اگر ياتاقان بندي محور چرخش را در طوقه اي معلق تعبيه كنيم به نحوي كه گشتاور خارجي به آن وارد نگردد لذا عليرغم تمام حركتهاي قاب، محور چرخش روتور همواره به جهت ثابتي استفاده ميكند و موقعيت خود را در فضا حفظ ميكند.
با اين روش مي توان جهت و يا محورهاي ثابتي را براي وسيله نقليه تعريف كرد كه هر گونه حركت زاويه اي نسبت به اين محورها سنجيده شود.
خواص ژيروسكوپ
خواص ژیروسکوپ عبارتند از:
خاصيت صلبيت ژيروسكوپ:
ژيروسكوپ همانگونه كه اشاره شد از خاصيت صلبيت استفاده مي كند، طبق قانون دوم نيوتن كه مي گويد، مجموعه گشتاورهاي خارجي وارد بر سيستم دوار حول يك نقطه مانند 0 برابر است با تغييرات زماني اندازه حركت زاويه اي سيستم حول همان نقطه، لذا چون اندازه حركت زاويه اي سيستم برابر صفر است، مقدار و جهت
بردار اندازه حركت زاويه اي ژيروسكوپ در فضاي اينرسي ثابت مي ماند.
حركت تقديي:
چنانچه گشتاوري مانند M در راستايي غير از راستاي بردار ممنتوم زاويه ای به روتور اعمال شود، محور چرخش در راستاي برداری عمود بر صفحه بردار گشتاور خارجي و ممنتوم زوايه ای دوران خواهد كرد. جهت دوران به اين صورت است كه بردار ممنتوم زوايه اي همواره با طي زاويه كوچكتر به طرف بردار گشتاور خارجي بچرخد، لذا وقتي چرخ دوچرخه را به صورت عمود همانطور كه در فيلم مشخص است مي چرخانيم نيروی وارد شده به آن طرف زمين موج چرخش دوچرخه دور خود مي شود .
انواع حركتهای متحرك در فضا:
هر متحرك در فضا 6 درجه آزادی دارد كه 3 حركت خطي و 3 حركت دوراني است برای مشخص نمودن حركت دوراني متحرك در فضا از 3 محور عمود بر هم استفاده مي شود كه عبارتند از: محور رول يا محور طول، محور پيچ يا محور عرضي و محور ياو.
محور رول:
محور طولي يا محور جلو عقب را محور رول مي نامند و حركت رول يعني دوران متحرك حول محور طولي خودش.
محور پيچ:
محور عرضي يا جنبي را محور پيچ گويند. و حركت پيچ دوران متحرك حول محور عرضي خودش است كه محوری افقي است و عمود بر محور طولي مي باشد.
محور ياو:
محور عمود برد و محور ياو و پيچ است و دوران متحرك حول اين محور قائم را دوران ياو گويند.
XYصفحه ZX صفحه YZصفحه حرکت it yaws it pitches it rolls زاويه the heading the pitch attitude the bank attitude
سيستم ناوبري اينرسي
اين سيستم مجموعه ی است از 3 ژيروسکوپ يک درجه آزادی و يا 2 ژيروسکوپ دو درجه آزادی و 3
شتاب سنج که جهت يجاد محور مختصات ينرسي و بدست آوردن سرعت و شتاب زاويه ی استفاده
مي شود. نمي کلي و بلوک دياگرام آن در شکل هي پيين موجود است:
سيستم خلبان خودکار ساده و
بصورت پنومانيک به شرح زير است
انواع محركهای روتور ژيروسكوپ
عبارتند از:
موتور الكتريكي:
در ژيروسكوپ ها معمولا از موتور الكتريكي استفاده مي شود چرا كه نياز به سرعت بسيار بالا در ابعاد كوچك است، معمولا در اين موتور برای ايجاد ممنتوم بيشتر، روتور خارج استاتور قرار مي گيرد.
محرك نخي يا تسمه اي:
در موشكها و مواردی كه در مدت زمان كوتاهي نياز است استفاده مي شود با كشيدن نخ يا تسمه روتور شروع به چرخش مي نمايد، اين محرك در موشكهاي برد كوتاه كاربرد دارد. از محرك نخي در موشك كبری و از محرك تسمه ای در موشك ماليوتكا استفاده مي شود.
گاز تحت فشار
با دميدن گاز در پرده های روتور، روتور با سرعت زيادی به چرخش در مي آيد، در موشك تاو استفاده شده است.
فنر
از فنر نيز جهت حركت محرك استفاده مي شود، در بعضي از موارد براي رسيدن به سرعت بسيار بالا در زمان كم از تركيب فنر و موتور الكتريكي استفاده مي شود.
چاشنيهاي انفجاري
از چاشنيهای انفجاری نيز در داخل روتور استفاده مي شود.