Поплавковий гіроскоп, захищений від зон каустики

Реферат: Винахід належить до точного машинобудування, а саме до пілотажно-навігаційного обладнання надводних, підводних апаратів, а також авіаційної техніки суборбітального і атмосферного призначення. Поплавковий гіроскоп, захищений від зон каустики, який містить циліндричний корпус з внутрішньою циліндричною, частково заповненою важкою рідиною, порожниною і розміщений в порожнині корпуса герметичний гіровузол з опорами і датчиками кута і моментів для визначення кутової швидкості літальних апаратів, встановленим на опорах в торцях корпуса, на зовнішній частині корпуса розміщено тепловий кожух. Поверхня внутрішньої циліндричної, частково заповненої важкою рідиною, порожнини корпуса має рівномірно нанесені з однаковим інтервалом поздовжні і поперечні трикутної форми канавки. Винахід дозволяє підвищити рівень захисту герметичного гіровузла від збурення проникаючим зовнішнім акустичним випромінюванням і ударною N-хвилею гіперзвукових літальних апаратів. UA 114459 C2 (12) UA 114459 C2 UA 114459 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до точного машинобудування, а саме до поплавкових гіроскопів, і може бути використаним в складі пілотажно-навігаційного обладнання надводних, підводних апаратів, а також авіаційної техніки суборбітального і атмосферного призначення, які при льотній експлуатації підвладні дії проникаючого акустичного випромінювання. Відомий поплавковий гіроскоп, який містить сферичний корпус із сферичною, частково заповненою важкою рідиною, порожниною і розміщений в корпусі гіровузол з опорами і датчиками кута і моментів [1]. Компенсація швидкості теплового дрейфу гіроскопа здійснюється за рахунок рівності конвективного моменту від Архімедових сил, які викликають на роторах датчиків кута і датчиків моментів, завдяки установці роторів датчика кута і датчика моментів на гіровузлі сферичної форми за допомогою кронштейнів заданої довжини. Умова забезпечення рівності маси гіровузла і виштовхуючої сили не реалізується, а розвантаження опор карданового підвісу виконується тільки шляхом вибору параметрів рідини. Недолік цього технічного рішення полягає в складності виготовлення та балансировки підвісу внаслідок наявності в його конструкції деталей з поверхнями сферичної форми, а також у відсутності ефективних технічних рішень по зменшенню дії проникаючого акустичного випромінювання. Відомий також поплавковий гіроскоп, який містить розміщений в тепловому кожуху циліндричний корпус з внутрішньою циліндричною, частково заповненою важкою рідиною, порожниною і розміщений в порожнині корпусу герметичний гіровузол з опорами і датчиками кута і моментів для визначення кутової швидкості літальних апаратів [2, 3]. Внутрішня порожнина поплавка зазвичай заповнена гелієм. Поплавок спирається на каменеві підшипники і знаходиться у зваженому стані у важкій рідині. Товщина слою рідини між корпусом гіроскопа і поплавком становить приблизно 0,2 см у радіальному напрямку. Велика густина важкої рідини і мала величина робочого зазору дозволяють отримати необхідний коефіцієнт демпфірування. Недолік цього технічного рішення полягає у недостатньо дійовому захисті гіровузла від збурення проникаючим зовнішнім акустичним випромінюванням і ударною N -хвилею гіперзвукових літальних апаратів. Цей поплавковий гіроскоп є найбільш близьким до заявленого за технічною суттю та досягаємим ефектом і може бути визнаним за найближчий аналог. В основу заявленого винаходу поставлена задача зменшення додаткових похибок поплавкового гіроскопа в експлуатаційних умовах гіперзвукового польоту внаслідок дії проникаючого акустичного випромінювання, яке породжує зони каустики з підвищеним енергетичним станом рідинно-статичної складової підвісу гіроскопа, шляхом ліквідації виникаючих в натурних умовах зон каустики внаслідок дії згинних коливань корпуса на частотах вище граничної і колових хвиль на частотах нижче граничної. Поставлена задача вирішується тим, що заявляємий винахід усуває недоліки відомого рішення, прийнятого за найближчий аналог, і пропонує нове ефективне технічне рішення з новим технічним результатом. Заявлений поплавковий гіроскоп, захищений від зон каустики, містить циліндричний корпус з внутрішньою циліндричною, частково заповненою важкою рідиною, порожниною і розміщений в порожнині корпуса герметичний гіровузол з опорами і датчиками кута і моментів для визначення кутової швидкості літальних апаратів, встановленим на опорах в торцях корпуса, на зовнішній частині корпуса розміщено тепловий кожух, згідно заявленого винаходу новим є те, що поверхня внутрішньої циліндричної, частково заповненої важкою рідиною, порожнини корпуса має рівномірно нанесені з однаковим інтервалом поздовжні і поперечні трикутної форми канавки. Аналіз причинно-наслідкових зв'язків дає підстави дійти висновку, що наведені ознаки заявленого поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики належать до суттєвих, бо забезпечують досягнення нового технічного результату, вигідно відрізняючи заявлений винахід від відомих аналогів і найближчого аналогу. Технічний результат від використання заявленого поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики забезпечується шляхом рівномірного нанесення з однаковим інтервалом поздовжніх і поперечних трикутної форми канавок на поверхні внутрішньої циліндричної, частково заповненої важкою рідиною, порожнини корпуса, що за інших, рівних з найближчим аналогом умов, підвищує рівень захисту герметичного гіровузла від збурення проникаючим зовнішнім акустичним випромінюванням і ударною N -хвилею гіперзвукових літальних апаратів. Проаналізуємо спочатку механізм дії колової хвилі, генеруємої в корпусі поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики проникаючого акустичного випромінювання. Вважаючи 1 UA 114459 C2 5 10 бічну частину корпусу оболонкою достатньо великого хвильового розміру kR , тобто такою, коли виявляється властивість kR  1 ( k   , k - хвильове число,  - частота проникаючого c акустичного випромінювання, c - швидкість звуку у повітрі; R - радіус внутрішньої порожнини корпуса), доречно розглядати окремо взятий фрагмент кільця корпуса як пластину з приблизно нульовою кривизною, швидкість поздовжніх хвиль в якій співпадає з коловою швидкістю вздовж паралелі корпуса, тобто Vnp (Фіг. 1). Швидкість поздовжньої хвилі в металевому корпусі Vnp набагато більша швидкості звуку c 0 в рідинно-статичній частині поплавкового підвісу, тобто у важкій рідині, таким чином Vnp  c 0 , внаслідок цього колова хвиля корпуса, яка біжить уздовж периферії шпангоута, буде випромінювати під кутом  у важку рідину звукову хвилю, причому напрямок її складе з вектором швидкості Vnp кут  [4, стр. 316, рис. 122], який визначається виразом: c0 . Vnp Внаслідок цього, значна частка енергії звукової хвилі буде зосереджуватися поблизу кола радіуса r1 , утворюючи цилиндричну поверхню, співвісну з циліндричною поверхнею внутрішньої порожнини корпуса поплавкового гіроскопа, так звану зону каустики [4, стр. 316, рис. 122], тобто зону підвищеної енергетичної активності рідини, внаслідок чого радикально зміниться вихідний статичний стан важкої рідини у бік турбулентної високочастотної, стохастичної за структурою динамікою r1  R cos  . sin   15 20 Наприклад, якщо взяти для конкретності радіус R внутрішньої порожнини корпусу рівним R  2,5 см, матеріал корпусу вважати алюмінієм, для якого ( Vnp  6400  5200 м/с, Vnn  3080 25 30 35 м/с), рідинностатичний підвіс - гліцерином, для якого ( c 0  1923 м/с при t  20 °C), а частоту зовнішнього випромінювання прийняти у f  42 МкГц, тоді, хвильовий розмір внутрішньої поверхні корпусу kR   R  2f R  3,43 , тобто достатньо більше 1. Отже можна вважати c0 c0 c0 sin    0,37 ; Vnp   21 40' . Звідки радіус циліндричної каустики r1 буде дорівнювати: r1R cos   2,32 (см), тобто знаходиться на відстані 0,18 см від поверхні внутрішньої порожнини корпуса. Слід нагадати, що відстань від поверхні внутрішньої порожнини до герметичного гіровузла в радіальному напрямку становить 0,2 см. З тієї ж причини, поперечна хвиля, згинна хвиля генеруєма акустичне випромінювання в корпусі в радіальному напрямку, буде, за умови відсутності герметичного гіровузла, приводити до концентрації енергії поблизу циліндричної поверхні радіуса r2 (Фіг. 1): sin   c0  0,67 ; Vm   42  ; 40 45 r 2  R sin   1,68 (см). Присутність герметичного гіровузла стане на заваді утворенню циліндричній каустики радіуса r2 , внаслідок чого поверхня герметичного гіровузла буде підвладна інтенсивній дії звукового випромінювання згинних хвиль, що сформує пружно-напружений стан поверхні герметичного гіровузла з великою кількістю генеруємих хвиль, в тому числі і резонансних. Це явище буде сприйматися гіроскопом як вхідна величина, і сформує додаткову похибку вимірювань кутової швидкості літального апарату. Так як радіус герметичного гіровузла становить 2 см, тоді, очевидно, що каустична поверхня радіуса r2 зникне, а каустична поверхня радіуса r1 залишиться. 2 UA 114459 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Каустичні поверхні радіуса r1 чітко розмежують області акустичної тіні в рідинностатичній частині підвісу - в бік корпуса і в бік середини порожнини. Наявність поздовжніх і поперечних канавок на поверхні внутрішньої порожнини корпуса частково заповненої важкою рідиною, змінює ідеально гладку циліндричну поверхню на сукупність рівномірно розташованих чотиригранних зрізаних пірамідок, які стануть на заваді безперешкодному інтенсивному випромінюванню поверхнею внутрішньої порожнини корпуса хвиль в рідинну частину підвісу, а потому і знищить саму можливість утворення зони каустики радіуса r1 у рідину коловими хвилями і силового впливу на поверхню герметичного гіровузла звукових хвиль, породжених згинними коливаннями корпуса поплавкового гіроскопа. Пропонуєме технічне рішення дозволить підвищити рівень захисту герметичного гіровузла від збурення проникаючим зовнішнім акустичним випромінюванням і ударною N -хвилею гіперзвукових літальних апаратів. За необхідності, можна підвищити ефективність убезпечення поплавкового гіроскопа від появи зон каустики радіуса r1 , шляхом установки на поверхні зрізу чотиригранних пірамідок тонкого шару матерії [5, стр. 29-32, рис. 7, рис. 8]. Сукупність наведених ознак заявленого поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики забезпечує досягнення нового технічного результату. Далі сутність заявляемого винаходу пояснюється відповідним описом та кресленнями, де: на Фіг. 1. пояснюється природа виникнення зон каустики у важкій рідині, що частково заповнює внутрішню циліндричну порожнину корпуса поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики; на Фіг. 2 схематично зображений заявляємий поплавковий гіроскоп убезпечений від зон каустики в поздовжньому перерізі; на Фіг. 3 зображений переріз А-А на Фіг. 2, фрагмент поверхні внутрішньої циліндричної, частково заповненої важкою рідиною, порожнини корпуса поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики; на Фіг. 4 зображені чотиригранні зрізані пірамідки на поверхні внутрішньої порожнини корпуса поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики. Заявлений поплавковий гіроскоп убезпечений від зон каустики (Фіг. 2) використовується в складі пілотажно-навігаційного обладнання надводних, підводних апаратів, а також авіаційної техніки суборбітального і атмосферного призначення, які при льотній експлуатації підвладні дії проникаючого акустичного випромінювання і містить циліндричний корпус 1 з циліндричною, діаметром D , порожниною 2, яка частково заповнена важкою рідиною 3. В порожнині 2 корпусу 1, розташований герметичний гіровузол 4, який встановлюється на опорах 5 в торцях корпуса 1 і має датчик кута 6 і датчик моментів 7 для визначення кутової швидкості літального апарату, на зовнішній частині корпуса 1 розміщено тепловий кожух 8 діаметра D1 . На внутрішній поверхні 9 корпуса 1 рівномірно нанесені з однаковим інтервалом поздовжні 10 і поперечні 11 трикутної форми канавки. Поздовжні 10 і поперечні 11 трикутної форми канавки (Фіг. 3) утворять чотиригранні зрізані пірамідки 12 (Фіг. 4) на поверхні внутрішньої порожнини корпуса поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики. Робота заявленого поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики здійснюється наступним чином. При дії на поплавковий гіроскоп зовнішнього проникаючого акустичного випромінювання 13, частина його відбивається від поверхні теплового кожуха 8, а інша частина проходить крізь тепловий кожух 8, попадає на зовнішню поверхню корпуса 1 і генерує в ньому колові хвилі швидкості V (Фіг. 1). Внаслідок того, що швидкість звуку c 0 у важкій рідині 3 набагато менша за швидкості V в корпусі 1, плоскі фрагменти поверхні внутрішньої порожнини 2 будуть випромінювати у важку рідину 3 звукові хвилі під кутом  , які будуть утворювати зону каустики радіуса r1 , навпаки, чотиригранні зрізані пірамідки 12 цілком виключають саму можливість випромінювання 13 звукових хвиль і утворення за їх допомогою зони каустики (Фіг. 1). Зони каустики збурюють і порушують вихідний статичний стан важкої рідини 3 і формують її підвищену енергетичну, турбулентною за структурою, динаміку, що призводить до виникнення додаткової активної дії важкої рідини 3 на поверхню герметичного гіровузла 4, породжуючи в ньому безліч форм коливань по всій поверхні і створюючи пружно-напружений стан поверхні герметичного гіровузла 4, що в своїй сукупності помилково сприймається гіроскопом за вхідну величину і викликає додаткові похибки вимірювань кутової швидкості літального апарату. Рівномірне нанесення з однаковим інтервалом поздовжніх 10 і поперечних 11 трикутної форми канавок будує на внутрішній циліндричній, частково заповненій важкою рідиною 3, поверхні 9 3 UA 114459 C2 5 10 15 20 25 порожнини 2 корпуса 1 (Фіг. 2, Фіг. 3, Фіг. 4), рівномірно розташовані по поверхні чотиригранні зрізані пірамідки 12, ліквідувавши, цим самим, лінійні фрагменти, які мають добру властивість для випромінювання, замінивши пластинчасті фрагменти порожнини 2 корпуса 1 на рівномірно розташовані пірамідки 12 із перемінною жорсткістю поверхнею порожнини у всіх трьох напрямках і принципово меншою здатністю на зовнішнє акустичне випромінювання 13 і збурення важкої рідини 3 ніж плоскі фрагменти. Таким чином, ліквідація плоских фрагментів на внутрішній поверхні 9 порожнини 2 корпуса 1 усуває саму причину появи у важкій рідині 3, спрямованих у важку рідину 3, звукових хвиль і подальше їх об'єднання у зони каустики у вигляді циліндричних, співвісних з циліндричною поверхнею порожнини 2 корпуса 1, поверхні енергетичної активності рідинної складової підвісу важкої рідини 3. Отже, використання заявленого поплавкового гіроскопа убезпеченого від зон каустики дозволить, за допомогою нових властивостей, дієво підвищить захист герметичного гіровузла від збурення проникаючим зовнішнім акустичним випромінюванням і ударною N -хвилею гіперзвукових літальних апаратів, а це зменшить похибки вимірювань кутової швидкості літальних апаратів. Джерела інформації: 1. А.С. СССР № 1779129, Поплавковий гіроскоп [Текст]/ G01C19/20, 1996. 2. Данилин, В.П. Гироскопические приборы [Текст]: уч. пособие/ В.П. Данилин. -М.: Высш. шк., 1965. - 539 с. 3. Ригли, У. Теория, проектирование и испытание гироскопов [Текст]: пер. с анг./ У. Ригли, У. Холлистер, У. Денхард… -М.: Мир, 1972. - 416 с. 4. Шендеров, Е.Л. Волновые задачи гидроакустики [Текст]: моногр./ Е.Л. Шендеров. -Л.: Судостроение, 1972. - 352 с. (рис. 122, стр. 316). 5. Заборов, В.И. Теория звукоизоляции ограждающих конструкций [Текст]: моногр./ В.И. Заборов. -М.: Изд-во литературы по строительству, 1969. -185 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 Поплавковий гіроскоп, захищений від зон каустики, який містить циліндричний корпус з внутрішньою циліндричною, частково заповненою важкою рідиною, порожниною і розміщений в порожнині корпуса герметичний гіровузол з опорами і датчиками кута і моментів для визначення кутової швидкості літальних апаратів, встановленим на опорах в торцях корпуса, на зовнішній частині корпуса розміщено тепловий кожух, який відрізняється тим, що поверхня внутрішньої циліндричної, частково заповненої важкою рідиною, порожнини корпуса має рівномірно нанесені з однаковим інтервалом поздовжні і поперечні трикутної форми канавки. 4 UA 114459 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5