oaboOCstds惯性技术S张券华何传等Voocebssooe00OOHTBOA6OAN科学出版社1987EBY
内容简介惯性技术是一门多学料、综合性强的尖端技术。科学技术的发展，使得溃性技术不仅用于航海，就空、航天器的控制和导航，雨且日益深入到许多其使技术须域。本书分别介绍了惯性器件的工作原理和主要技术同题，由惯性器件组成的惯性系统；框架式常规陀螺和几种最有发展前途的新型陀螺。同时，还介细了一些典型的惯性导航系统和某些惯性器件和最新应用。本书在写法上做到深入浅出，可供具有中等文化程度以上的学生、教师，以及从事惯性技术工作的人员和其他工程技术人员，阅读、参考.惯性技术张春华何传五编著贵任辑普美斜学出版私出版北京朝阳门内大街137号北京景山学校印刷厂印剧新华书店北京发行所发行各地新华书店经售*1987年7月第一版开本：787×10921/321987年7月第一次印刷印张：6%印数：0001—2500字数：145,000统一书号：15031-828本社书号：5277·15-10定价：1.30元
目录·前言.iii第一幸预备知识1.1参考坐标系1.2力学基本定律81.3反馈控制原理131.4力矩平衡系统与力乎衡系统-22第二幸陀螺-312.1陀螺效应与陀螺仪312.2垂直陀螺382.3航向陀螺41第三幸单自由度陀螺~46463.1单自由度陀螺的工作原理3.2液浮陀螺*49·543.3液浮陀螺的主要元件633.4液浮陀螺的设计3.5力矩平衡系统.......70**743.6单轴乎台系统3.7干扰力矩与陀螺漂移783.8陀螺试验*84第四章新型陀螺….*·944.1动力测谐陀螺954.2激光陀螺-1084.3静电陀螺1134.4118动压陀娜"[214.5核子陀螺王
第五章加速度计1235.1加速度计的基本原理-1235.2液浮摆式加速度计1265.3陀爆摆式加速度计营业129第六章稳定平台*1388.1平台赋理-1386.2乎台元件**-1446.3平台的对准-1486.4平台的休拉调谐.-1526.5陀缴稳定系统-167第七章情性导航系统+·1617.1损性导航的基本原理-1627.2解析式慎导系统1647.3半解析式惯导系统-·1677.4捷联式惯导系统电-1707.5空间惯性系统+0+-175第八章控制力矩陀媒.18t8.1工作原理*-1818.2支承系统+1868.3控制系统*-1928.4控制力矩陀螺的应用196ii
前言许多少年都会玩陀螺（见图0-1)，都会使陀螺在光滑的地面高速旋转，并保持直立。然而却不能在陀螺不转的俏况下，使其不倒。0图0-1玩具陀螺很多人都会骑自行车（见图0-2），都会在车轮高速旋转中控制车身直立前进，但很少有人会“定车”一在车轮不转的情况下保持平衡。读者一定看过杂技演员的精彩表演，在一根长长的弹性细杆的顶端支着一个高速旋转的瓷碟，当演员作各种复杂惊险的动作时，瓷碟始终保持平稳而不掉（见图0-3）。但任何高明的杂技演员也不能在碟子不转的情况下完成上述动作。众所周知，地球在以每昼夜一转的速度绕地轴自转，同时iii
图0-2前进中的自行车图0-3杂技表演又以一年一圈的速度绕太阳公转（如图0-4所示）。地轴和公转平面在字宙中的方向是基本不变的。正是由于地球的这种iv
均勾而有规律的运动，才形成了四季分明的气候。我们还可以举出许多23.5类似的现象，不少还与人0，类生活密切相关。但是你是否想过：高速旋转的玩具陀螺为什么不倒？人为什么能骑车前进？高速旋转的瓷碟为什么能待在长扦的顶端？地轴的方向为图Q-4地球的自转和公转什么能保持不变？本书所介绍的基本原理将回答这些问题。还有，你是否想过，高速喷气式飞机是怎样进行全天候飞行的？远洋舰队是怎样按预定航线航行的？潜水艇怎样在水下测定自己的方位？洲际导弹为什么能自动命中目标？人造地球卫星又是怎样准确人轨的？人为什么能成功地登上月球，又能安全地返回地面？总之，人类是怎样完成这些复杂的导航任务的呢？这就是本书所要回答的中心问题。书中将向读者介绍一种最重要的现代导航技术一惯性导航。本书把飞机、舰艇、导弹、航天飞行器等运动物体统称为载体，其中一部分是有人驾驶的（飞机、舰艇、飞船等），另一部分是无人驾驶的（导弹、卫星等）。概括地说，导航就是要测定载体的位置，速度、转角等运动参数，并根据测量结果来操纵或控制载体的运动以达到预定的目的。人类在进行正常的生产活动时，哪伯是最原始的狩猎和采集也必须保证不迷失方向。人有完成这一任务的器官。比如，人的平衡器官能不断觉察身体相对于重力方向的偏差，而腿睛既可以通过观察日月星辰确定方向，也可以用一些垂直物体（比如摆链、树木、墙壁等)为基准来估计颂斜角度，4
还能以一些物体为参考，测量运动物体的速度和位置。人的这种本领，可以看作是最原始最简单的定向功能。人的导航功能是以外界参考（比如地球引力方向、星座位置等）为基准的，如果得不到可靠的参考基准就会出毛病。比如，在阴沉沉的黑夜，既看不到星辰又找不到已知方向的物体，这时就可能迷失方向。为了解决这些问题，人们发明了指南针。指南针的发明是一个巨大的进步，它是以地球磁场为参考基准、不受人的器官直接感觉影响的磁针来测量当地磁场的方向的，它也不受气候和时间的影响。人类的活动范围不断扩大一从陆地到海洋，从地面到天空，从地球附近直到外层空间。运动的速度在不断增加由每小时几公里的步行，直到每秒儿公里至十几公里的宇宙飞行。所有这一切都使得导航技术日趋复杂。在飞机、舰艇等运动物体上，不但人的感觉器官无能为力，就是一些简单仪表也不能胜此重任。为了保证飞机正常飞行，必须使其保持给定的航向和姿态。如果飞行员能很好地看到地面目标，那么即使没有专门仪表也能相当准确地飞行。但实际上飞机常常要在看不见任何地面目标的情况下飞行。在这种条件下，必须有专门仪表以保证飞行员在任何时刻均能确定水平面（或垂线方向）及子午面（南北方向）的位置。因此，飞机上应装有指示当地垂线和真北方向的仪表。看起来这个问题似乎很好解决，只要在飞机上装上摆和磁针就够了。因为在重力作用下摆会自动与当地垂线重合，因而可以作为简单的垂线指示器。我们用摆就可以确定飞机的颂斜角，如图0-5所示。在地球磁场的作用下，磁针会自动停在磁子午面内，由于磁子午面与地理子午面大致重合，因此磁针可以作为南北方向的指示器。我们用磁针就可以确定飞机的航向角，如图0-6所示。但实际上，飞vi
N（北)垂2线线5(南)图0-5用摆测飞机的倾斜角图0-6用磁针飞机的航狗角机在飞行中，由于加速度的于扰，摆不能指示垂线。由于飞机的倾斜、转弯以及飞机上磁性物体的影响，磁针也不能指示北方。此外，磁针指示的是磁北方而不是地理北方，两者之差（称为磁偏角）随飞机位置不同而不同，要准确修正这一误差是很困难的。对于舰艇、导弹等运动物体，摆和磁针也不能正确指示垂线和北方。至于宇宙飞行器，出于它们长期远离地球并处于失重状态，上述简单仪表就更不能工作了。陀螺的出现才使上述问题得到解决。它不仅可以用来指示垂线，也可以用来指示航向。由陀螺及加速度表的有机结合而形成的惯性导航系统，则不但能确定运动物体的姿态，还能确定速度和位置。有不少以外界参考物体为基准的导航方法，比如无线电导航、天文导航等等。有的也达到了相当高的精度，而且至今仍在应用。但是，它们有一个共同弱点，就是容易受外界环境的影响。比如，无线电导航在辐射和接收电磁波时是暴露性的，因而易受干扰。天文导航虽然精度很高，但由于要用光学仪器观测天体，因而容易受到气候的影响。如果我们不以外界参考为基准，而在运动物体内部建立起导航基准，那将是非vii
常理想的。这就是所谓自主式导航。惯性导航就是一种自主式导航。它的基础是陀螺、加速度计等惯性器件：用陀螺测量载体的转动，用加速度计测量载体的移动。惯性导航的理论基础是牛顿在三百年前提出的力学基本定律。而最重要的惯性元件一一陀螺，则是在本世纪初随着电机和滚珠轴承的出现发展起来的。1910年制成了第一个适用于航海的陀螺罗盘，接着陀螺被广泛用于航海和航空作为指示仪表。通常把这种只能指示载体转角而不能测定载体位置的系统，称为第一代债导系统。1930年德国首先将加速度计与陀螺联系在一起，用两个二自由度陀螺作为惯性基准，研制成功了V-2火箭的制导系统。在第二次世界大战末期发射成功。三十多年来，馈性器件和惯性导航获得了飞速发展。通常将分辨力约为0.152公里，漂移率约为每小时零点几公里的遗导系统称为第二代惯导系统。第三代惯导系统正在试验和使用中，它的精度比第二代提高两到三个数量级。而希望第四代惯导系统的精度能达到大约0.304米的分辨力。惯性导航在现代尖端技术中占有非常重要的地位。对当代三大战略武器一洲际导弹、远程轰炸机和核潜艇来说，虽然原子弹、氢弹、中子弹的杀伤威力是很重要的，但是如果没有准确可靠的惯导系统，不能准确地命中自标，那也就失去了它的战略价值。陀螺不但可以作为测量元件组成惯性导航系统，而且可以作为执行元件产生控制力矩，这就是所谓控制力矩陀螺。当陀螺刚一一问世的时候，首先就被用来产生控制力矩，直接稳定船帕的摇摆。当时称这种陀螺为动力陀螺。但是，内手海浪施加在船舶上的力矩是如此之大，以致于要取得满意的效果所需要的陀螺大得惊人，于是陀螺的这种应用就越来越viii