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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Autopilota. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano L'autopilota è una combinazione di diversi dispositivi, il cui funzionamento congiunto consente di controllare automaticamente, senza l'intervento umano, il movimento di un aeromobile o di un razzo. La creazione del pilota automatico è stata un'era importante nella storia dell'aviazione, poiché ha reso il viaggio aereo molto più sicuro. Per quanto riguarda la tecnologia missilistica, in cui tutti i voli vengono effettuati in modalità senza pilota, senza sistemi di controllo automatico affidabili, questa tecnologia non potrebbe svilupparsi affatto.
L'idea principale del pilotaggio automatico è che l'autopilota mantenga rigorosamente il corretto orientamento del veicolo in movimento nello spazio. Grazie a ciò, il dispositivo, in primo luogo, è tenuto in aria e non cade e, in secondo luogo, non si discosta dalla rotta impostata, poiché la traiettoria del suo volo dipende principalmente dal corretto orientamento. A sua volta, l'orientamento dell'apparato nello spazio è determinato da tre angoli. In primo luogo, questo è l'angolo di inclinazione, cioè l'angolo tra l'asse longitudinale dell'apparato e il piano terra (o, come si suol dire, il piano dell'orizzonte). Tracciare questo angolo consente all'aereo di mantenere la stabilità longitudinale - non "annuire" e un missile che vola lungo una traiettoria balistica - per colpire con maggiore precisione il bersaglio. In secondo luogo, questo è l'angolo di imbardata, ovvero l'angolo tra l'asse longitudinale del dispositivo e il piano di volo (come chiameremo il piano perpendicolare al piano dell'orizzonte e passante per il punto di partenza e il punto di destinazione). L'angolo di imbardata indica la deviazione del dispositivo dalla rotta impostata. E, in terzo luogo, questo è l'angolo di rollio, cioè l'angolo che si verifica quando il corpo dell'apparecchio ruota attorno al suo asse longitudinale. La correzione tempestiva del rollio consente all'aereo di mantenere la stabilità laterale e smorza la rotazione irregolare del razzo. Il controllo automatico dell'apparato sarebbe impossibile se non ci fosse un modo affidabile e semplice per determinare questi angoli. Fortunatamente esiste un modo del genere e si basa sulla proprietà di un giroscopio a rotazione rapida di mantenere invariata la posizione del suo asse nello spazio. Il giroscopio più semplice è una trottola per bambini, che ruota rapidamente attorno al proprio asse. Prova ad abbatterlo con un clic e vedrai che questo è impossibile: la parte superiore rimbalzerà solo di lato e continuerà a ruotare.
Tuttavia, l'asse OA della sommità non ha un orientamento costante, poiché la sua estremità A non è fissa. I giroscopi utilizzati nella tecnologia hanno un dispositivo molto più complesso: il rotore (in realtà la parte superiore) è fissato qui nella struttura (anelli) 1 e 2 dei cosiddetti gimbal, il che consente all'asse AB di assumere qualsiasi posizione nello spazio. Un tale giroscopio può compiere tre rotazioni indipendenti attorno agli assi AB, DE e GK, intersecandosi al centro della sospensione O, che rimane fissa rispetto alla base. La principale proprietà di un giroscopio a rotazione rapida, come già accennato, è che il suo asse tende a mantenere stabilmente nello spazio mondiale la direzione originaria che gli è stata assegnata. Ad esempio, se questo asse era originariamente diretto a una stella, con qualsiasi movimento del dispositivo stesso e shock casuali, continuerà a puntare verso questa stella anche quando cambia il suo orientamento rispetto agli assi terrestri. Per la prima volta questa proprietà fu usata nel 1852 dal fisico francese Foucault per provare sperimentalmente la rotazione della Terra attorno al suo asse. Da qui il nome stesso "giroscopio", che in greco significa "osservare la rotazione".
La seconda importante proprietà di un giroscopio si rivela quando una forza esterna inizia ad agire sul suo asse (o telaio), tendendo a ruotarlo rispetto al centro della sospensione. Ad esempio, se la forza P agisce sull'estremità dell'asse AB, allora il giroscopio, invece di deviare verso l'azione della forza (come sarebbe se il rotore non ruotasse), si inclinerà nella direzione strettamente perpendicolare a l'azione della forza, allora is (nel nostro caso) comincerà a ruotare attorno all'asse DE, ea velocità costante. Questa rotazione è chiamata precessione del giroscopio e sarà tanto più lenta quanto più velocemente il giroscopio stesso ruoterà attorno all'asse AB. Se ad un certo momento l'azione della forza esterna si interrompe, la precessione si interrompe allo stesso tempo e l'asse AB si arresta all'istante.
La precessione può essere osservata anche in un giroscopio così semplice come una trottola per bambini, in cui il fulcro svolge il ruolo di centro di sospensione. Se la parte superiore è svolta in modo tale che il suo asse non sia perpendicolare al pavimento, ma sia inclinato rispetto ad esso ad un certo angolo, allora puoi vedere che l'asse di una tale parte superiore non devia nella direzione della gravità (cioè, in basso), ma in direzione perpendicolare, cioè l'asse inizia a ruotare attorno alla perpendicolare al pavimento, abbassato al fulcro. Queste due proprietà del giroscopio sono alla base di diversi strumenti utilizzati nell'autopilota. Negli anni '70 del XIX secolo, i giroscopi iniziarono ad essere utilizzati negli affari militari negli automi per il corso dei siluri marini. Al momento del lancio del siluro, il rotore del giroscopio montato su di esso ruotava fino a una velocità di diverse migliaia di giri al minuto. Dopodiché, il suo asse era sempre diretto verso l'obiettivo.
Un eccentrico è stato fissato all'asse del giroscopio: un disco, il cui centro è stato spostato dall'asse dell'anello verticale della macchina. L'eccentrico si appoggiava all'asta della bobina: quando il siluro andava a segno, i pistoni della bobina chiudevano le aperture delle tubazioni 1 e 2 e il pistone dello sterzo rimaneva immobile. Se, per qualche motivo, il siluro ha deviato dalla rotta, l'eccentrico associato al giroscopio è rimasto immobile e l'asta della bobina, sotto l'azione di una molla, è scivolata a sinistra o a destra e ha aperto un foro attraverso il quale l'aria compressa attraverso la tubazione 1 o 2 è entrata nella macchina dello sterzo. Sotto l'azione dell'aria compressa, il pistone della macchina sterzante si è messo in moto e ha spostato il volante, in modo che il siluro tornasse sulla rotta corretta.
Quindi i giroscopi trovarono ampia applicazione nell'aviazione. Nel capitolo sull'aereo si è già accennato a quale problema importante per i primi aviatori fosse quello di mantenere il corretto orientamento dell'aereo in volo. Molti designer hanno poi pensato alla realizzazione di stabilizzatori automatici. Nel 1911, il pilota americano Sperry sviluppò il primo stabilizzatore automatico con un enorme giroscopio. Il primo aereo con un tale stabilizzatore prese il volo nel 1914. E all'inizio degli anni '20, la società Sperry creò un vero pilota automatico. I primi autopiloti controllavano solo i timoni e monitoravano la conservazione della modalità di volo specificata. Il loro ulteriore sviluppo ha portato all'emergere di sistemi che automatizzano il controllo sia dei timoni che dei motori degli aerei. Tali autopiloti consentivano già voli senza pilota e il controllo remoto dell'aeromobile. Trovarono impiego nei primi razzi. Prima di altri, i progettisti tedeschi, i creatori del primo missile balistico V-2, hanno affrontato il problema del controllo automatico dei missili. La macchina di stabilizzazione V-2 era costituita dagli strumenti giroscopici Horizon e Verticant.
"Horizon" ha permesso di determinare il piano dell'orizzonte e l'angolo di inclinazione (angolo di inclinazione) del razzo rispetto a questo piano. Il rotore 1 del giroscopio era contemporaneamente l'armatura di un motore elettrico asincrono, il cui avvolgimento 2 era alimentato con corrente alternata. Prima del lancio del razzo "Horizon" era posizionato in modo tale che l'asse di rotazione del rotore fosse parallelo all'orizzonte. A tale scopo, il sistema di controllo includeva un pendolo (piombo) 5, che fissava la deviazione dell'asse del giroscopio. Se questo asse deviava in alto o in basso dalla direzione orizzontale, anche il pendolo deviava di lato e entrava in contatto da un lato o dall'altro. In questo caso, l'elettromagnete 6 ha ricevuto un segnale dell'una o dell'altra polarità. L'elettromagnete iniziò ad agire sull'asse del giroscopio lungo l'asse Y in alto o in basso dal centro di rotazione. Di conseguenza, è apparsa una precessione, ruotando il giroscopio perpendicolarmente alla forza di deflessione. La precessione è continuata fino a quando l'asse del rotore è tornato in posizione orizzontale. Non appena ciò accadde, il contatto del pendolo 5 si aprì e la precessione si fermò immediatamente. Prima dell'inizio, il dispositivo correttivo era spento. La deviazione del razzo da un determinato angolo di inclinazione è stata registrata utilizzando un potenziometro, un semplice sensore con una resistenza variabile. Era un telaio a forma di anello su cui era avvolto il filo. Una spazzola di contatto è scivolata lungo questo telaio. Se la spazzola era all'inizio del telaio, nel circuito era incluso un numero minore di giri di filo, rispettivamente, la resistenza del potenziometro era inferiore e anche la tensione di uscita risultava insignificante (come sai, la tensione la caduta U è determinata dalla legge di Ohm U=I•R, dove I è la forza attuale, R - resistenza). Se la spazzola si spostava all'estremità del telaio, la resistenza del potenziometro aumentava e, di conseguenza, aumentava la tensione di uscita. La spazzola era collegata a un dispositivo sensibile che registrava le minime variazioni di tensione. Se durante il volo l'angolo tra l'asse longitudinale dell'apparato e il piano dell'orizzonte per qualche motivo ha iniziato a deviare da quello specificato, il potenziometro 8 associato al corpo dell'apparato ha ruotato con esso rispetto al giroscopio fissato in spazio e la spazzola di contatto ad esso collegata. In questo caso, all'uscita del potenziometro è apparso un segnale elettrico, proporzionale in ampiezza all'angolo di deflessione. Questo segnale è stato amplificato e inviato ai timoni orizzontali della macchina di governo, che ha livellato il razzo. Un dispositivo così semplice, tuttavia, potrebbe funzionare efficacemente solo con un tempo di volo relativamente breve. Durante un lungo volo doveva essere presa in considerazione la rotazione della Terra, quindi in questo caso doveva essere effettuata una correzione nella direzione dell'asse del giroscopio. "Horizon" ha consentito non solo di salvare, ma anche di modificare l'angolo di inclinazione in base a un determinato programma. Dallo schema descritto si può vedere che se al momento impostato il potenziometro 8 viene ruotato di un determinato angolo, allora i timoni funzioneranno come se l'apparato stesso avesse deviato dello stesso angolo. Pertanto, ruotando il potenziometro si può far girare il razzo. "Horizon" includeva un meccanismo di programma molto semplice, costituito da un nastro metallico 10, un eccentrico 11, un motore passo-passo 12 e una ruota a cricchetto 13. L'eccentrico aveva un profilo di superficie corrispondente a un dato programma. Il motore passo-passo lo metteva in moto tramite un ingranaggio a vite senza fine (il motore passo-passo era un elettromagnete con un'armatura, quando veniva applicato un impulso all'elettromagnete, l'armatura veniva attratta dal magnete e spostava la ruota a cricchetto di un dente con il suo bordo) . Pertanto, la velocità di rotazione della ruota a cricco dipendeva dalla frequenza degli impulsi applicati all'elettromagnete. Il fermo 14 era un chiavistello che impediva alla ruota a cricchetto di girare nella direzione opposta.
"Verticant" ha funzionato in modo identico a "Horizon". Prima del lancio del razzo, l'asse del rotore del giroscopio era posizionato perpendicolarmente al piano di volo previsto, quindi il giroscopio si è rivelato insensibile all'evoluzione del razzo in beccheggio, ma ha risposto alle virate in rollio e in rotta. La correzione del giroscopio era la stessa dell'Horizont, ed è stata effettuata prima del lancio utilizzando il pendolo 3 e l'elettromagnete 4. Dopo il decollo, il potenziometro 5 ha risposto all'imbardata del razzo e ha trasmesso segnali ai timoni. Poiché l'asse diretto al bersaglio coincideva con l'asse longitudinale del razzo, allora, quando si verificava un rollio, il potenziometro 7 si muoveva in volo rispetto al motore fisso (spazzola) collegato al giroscopio. Il segnale è stato trasmesso ai timoni, che hanno corretto il rollio. Autore: Ryzhov KV
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