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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Piloto automático. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. El piloto automático es una combinación de varios dispositivos, cuyo funcionamiento conjunto permite controlar automáticamente, sin intervención humana, el movimiento de una aeronave o cohete. La creación del piloto automático constituyó una era importante en la historia de la aviación, ya que hizo que los viajes aéreos fueran mucho más seguros. En cuanto a la tecnología de cohetes, donde todos los vuelos se realizan en modo no tripulado, sin sistemas de control automático confiables, esta tecnología no podría desarrollarse en absoluto.
La idea principal del pilotaje automático es que el piloto automático mantenga estrictamente la orientación correcta del vehículo que se mueve en el espacio. Gracias a esto, el dispositivo, en primer lugar, se mantiene en el aire y no se cae, y en segundo lugar, no se desvía del rumbo establecido, ya que la trayectoria de su vuelo depende principalmente de la orientación correcta. A su vez, la orientación del aparato en el espacio está determinada por tres ángulos. En primer lugar, este es el ángulo de cabeceo, es decir, el ángulo entre el eje longitudinal del aparato y el plano del suelo (o, como se suele decir, el plano del horizonte). El seguimiento de este ángulo permite que la aeronave mantenga la estabilidad longitudinal, no "asentir", y un misil que vuela a lo largo de una trayectoria balística, para alcanzar el objetivo con mayor precisión. En segundo lugar, este es el ángulo de guiñada, es decir, el ángulo entre el eje longitudinal del dispositivo y el plano de vuelo (como llamaremos al plano perpendicular al plano del horizonte y que pasa por el punto de partida y el punto de destino). El ángulo de guiñada indica la desviación del dispositivo del curso establecido. Y, en tercer lugar, este es el ángulo de balanceo, es decir, el ángulo que se produce cuando el cuerpo del aparato gira alrededor de su eje longitudinal. La corrección oportuna del balanceo permite que la aeronave mantenga la estabilidad lateral y amortigua la rotación errática del cohete. El control automático del aparato sería imposible si no hubiera una forma fiable y sencilla de determinar estos ángulos. Afortunadamente, existe tal manera, y se basa en la propiedad de un giroscopio que gira rápidamente para mantener la posición de su eje sin cambios en el espacio. El giroscopio más simple es un trompo para niños, que gira rápidamente alrededor de su eje. Intente derribarlo con un clic y verá que esto es imposible: la parte superior solo rebotará hacia un lado y continuará girando.
Sin embargo, el eje OA del trompo no tiene una orientación constante, ya que su extremo A no es fijo. Los giroscopios utilizados en tecnología tienen un dispositivo mucho más complejo: el rotor (en realidad, la parte superior) se fija aquí dentro de los (anillos) 1 y 2 de los llamados gimbals, lo que hace posible que el eje AB tome cualquier posición en el espacio . Tal giroscopio puede hacer tres rotaciones independientes alrededor de los ejes AB, DE y GK, que se cruzan en el centro de la suspensión O, que permanece fija con respecto a la base. La propiedad principal de un giroscopio que gira rápidamente, como ya se mencionó, es que su eje tiende a mantener de manera estable en el espacio mundial la dirección original que se le dio. Por ejemplo, si este eje se dirigía originalmente a alguna estrella, entonces con cualquier movimiento del propio dispositivo y choques aleatorios, seguirá apuntando a esta estrella incluso cuando cambie su orientación relativa a los ejes de la tierra. Esta propiedad fue utilizada por primera vez en 1852 por el físico francés Foucault para probar experimentalmente la rotación de la Tierra alrededor de su eje. De ahí el mismo nombre "giroscopio", que en griego significa "observar la rotación".
La segunda propiedad importante de un giroscopio se revela cuando alguna fuerza externa comienza a actuar sobre su eje (o marco), tendiendo a girarlo en relación con el centro de la suspensión. Por ejemplo, si la fuerza P actúa sobre el extremo del eje AB, entonces el giroscopio, en lugar de desviarse hacia la acción de la fuerza (como sucedería si el rotor no girara), se inclinará en la dirección estrictamente perpendicular a la acción de la fuerza, entonces es (en nuestro caso) comenzará a girar alrededor del eje DE, ya una velocidad constante. Esta rotación se denomina precesión del giroscopio, y será tanto más lenta cuanto más rápido gire el propio giroscopio alrededor del eje AB. Si en algún momento la acción de la fuerza externa se detiene, entonces la precesión se detiene al mismo tiempo y el eje AB se detiene instantáneamente.
La precesión también se puede observar en un giroscopio tan simple como un trompo para niños, en el que el fulcro desempeña el papel de centro de suspensión. Si la parte superior se desenrolla de tal manera que su eje no sea perpendicular al piso, sino que esté inclinado en algún ángulo, entonces puede ver que el eje de dicha parte superior no se desvía en la dirección de la gravedad (es decir, hacia abajo), pero en una dirección perpendicular, es decir, el eje comienza a girar alrededor de la perpendicular al piso, bajado al punto de apoyo. Estas dos propiedades del giroscopio son la base de varios instrumentos utilizados en el piloto automático. En los años 70 del siglo XIX, los giroscopios comenzaron a usarse en asuntos militares en autómatas para el curso de torpedos marinos. En el momento de lanzar el torpedo, el rotor del giroscopio montado en él giraba a una velocidad de varios miles de revoluciones por minuto. Después de eso, su eje siempre se dirigió al objetivo.
Se adjuntó un excéntrico al eje del giroscopio, un disco, cuyo centro se desplazó del eje del anillo vertical de la máquina. El excéntrico descansaba contra la varilla del carrete: cuando el torpedo se dirigió exactamente al objetivo, los pistones del carrete cerraron las aberturas de las tuberías 1 y 2, y el pistón de dirección permaneció inmóvil. Si, por alguna razón, el torpedo se desviaba del rumbo, entonces la excéntrica conectada al giroscopio permanecía estacionaria, y la varilla del carrete, bajo la acción de un resorte, se deslizaba hacia la izquierda o hacia la derecha y abría un orificio a través del cual pasaba el aire comprimido. tubería 1 o 2 entró en la máquina de dirección. Bajo la acción del aire comprimido, el pistón de la máquina de dirección se puso en movimiento y movió el volante, de modo que el torpedo volvió al rumbo correcto.
Luego, los giroscopios encontraron una amplia aplicación en la aviación. En el capítulo del avión ya se mencionó que un problema importante para los primeros aviadores era mantener la correcta orientación de la aeronave en vuelo. Muchos diseñadores pensaron entonces en la creación de estabilizadores automáticos. En 1911, el piloto estadounidense Sperry desarrolló el primer estabilizador automático con un giroscopio masivo. El primer avión con tal estabilizador despegó en 1914. Y a principios de la década de 20, la empresa Sperry creó un verdadero piloto automático. Los primeros pilotos automáticos controlaron solo los timones y monitorearon la preservación del modo de vuelo especificado. Su mayor desarrollo condujo a la aparición de sistemas que automatizan el control de los timones y los motores de los aviones. Dichos pilotos automáticos ya permitían vuelos no tripulados y control remoto de la aeronave. Encontraron uso en los primeros cohetes. Antes que otros, los diseñadores alemanes, los creadores del primer misil balístico V-2 de la historia, se enfrentaron al problema del control automático de misiles. La máquina de estabilización V-2 constaba de los instrumentos giroscópicos Horizon y Verticant.
"Horizonte" hizo posible determinar el plano del horizonte y el ángulo de inclinación (ángulo de inclinación) del cohete en relación con este plano. El rotor 1 del giroscopio era al mismo tiempo la armadura de un motor eléctrico asíncrono, cuyo devanado 2 estaba alimentado con corriente alterna. Antes del lanzamiento del cohete, "Horizon" se colocó de tal manera que el eje de rotación del rotor fuera paralelo al horizonte. Para ello, el sistema de control incluía un péndulo (plomada) 5, que fijaba la desviación del eje del giroscopio. Si este eje se desviaba hacia arriba o hacia abajo de la dirección horizontal, el péndulo también se desviaba hacia un lado y hacía contacto en un lado o en el otro. En este caso, el electroimán 6 recibió una señal de una u otra polaridad. El electroimán comenzó a actuar sobre el eje del giroscopio a lo largo del eje Y hacia arriba o hacia abajo desde el centro de rotación. Como resultado, apareció una precesión, girando el giroscopio perpendicular a la fuerza de desviación. La precesión continuó hasta que el eje del rotor volvió a la posición horizontal. Tan pronto como esto sucedió, el contacto del péndulo 5 se abrió y la precesión se detuvo instantáneamente. Antes del inicio, el dispositivo correctivo se apagó. La desviación del cohete de un ángulo de inclinación dado se registró mediante un potenciómetro, un sensor simple con una resistencia variable. Era un marco en forma de anillo en el que se enrollaba el cable. Un cepillo de contacto se deslizó a lo largo de este marco. Si el cepillo estaba al comienzo del marco, se incluyó una menor cantidad de vueltas de cable en el circuito, respectivamente, la resistencia del potenciómetro fue menor y el voltaje de salida también resultó ser insignificante (como saben, el voltaje caída U está determinada por la ley de Ohm U = I • R, donde I es la fuerza actual , R - resistencia). Si la escobilla se movía hasta el final del marco, la resistencia del potenciómetro aumentaba y, en consecuencia, aumentaba el voltaje de salida. El cepillo estaba conectado a un dispositivo sensible que registraba los más mínimos cambios de voltaje. Si durante el vuelo el ángulo entre el eje longitudinal del aparato y el plano del horizonte por alguna razón comenzó a desviarse del especificado, entonces el potenciómetro 8 asociado con el cuerpo del aparato giraba con él en relación con el giroscopio fijado en espacio y el cepillo de contacto conectado a él. En este caso, apareció una señal eléctrica a la salida del potenciómetro, proporcional en magnitud al ángulo de desviación. Esta señal fue amplificada y enviada a los timones horizontales de la máquina de dirección, que niveló el cohete. Sin embargo, un dispositivo tan simple podría funcionar de manera efectiva solo con un tiempo de vuelo relativamente corto. Durante un vuelo largo había que tener en cuenta la rotación de la Tierra, por lo que en este caso había que hacer una corrección en la dirección del eje del giroscopio. "Horizon" permitió no solo guardar, sino también cambiar el ángulo de inclinación de acuerdo con un programa dado. Puede verse del esquema descrito que si en el momento establecido el potenciómetro 8 se gira a un ángulo dado, entonces los timones funcionarán como si el dispositivo mismo se hubiera desviado en el mismo ángulo. Por lo tanto, girar el potenciómetro puede hacer que el cohete gire. "Horizon" incluía un mecanismo de programa muy simple, que constaba de una cinta de metal 10, una excéntrica 11, un motor paso a paso 12 y una rueda de trinquete 13. La excéntrica tenía un perfil de superficie correspondiente a un programa dado. El motor paso a paso lo puso en movimiento a través de un engranaje helicoidal (el motor paso a paso era un electroimán con una armadura, cuando se aplicó un impulso al electroimán, la armadura fue atraída por el imán y movió la rueda de trinquete en un diente con su borde) . Así, la velocidad de rotación de la rueda de trinquete dependía de la frecuencia de los pulsos aplicados al electroimán. El tope 14 era un pestillo que impedía que la rueda de trinquete girara en la dirección opuesta.
Idéntico al "Horizonte" trabajado "Verticant". Antes del lanzamiento del cohete, el eje del rotor del giroscopio estaba ubicado perpendicular al plano de vuelo previsto, por lo que el giroscopio resultó ser insensible a la evolución del cohete en cabeceo, pero respondió a los giros en balanceo y rumbo. La corrección del giroscopio fue la misma que la del Horizont, y se realizó antes del lanzamiento utilizando el péndulo 3 y el electroimán 4. Después del despegue, el potenciómetro 5 respondió a la guiñada del cohete y transmitió señales a los timones. Dado que el eje dirigido al objetivo coincidía con el eje longitudinal del cohete, cuando se producía un balanceo, el potenciómetro 7 se movía en vuelo con respecto a un motor fijo (escobilla) conectado al giroscopio. La señal se transmitió a los timones, que corrigieron el balanceo. Autor: Ryzhov K.V.
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