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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Piloto automático. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor O piloto automático é uma combinação de vários dispositivos, cuja operação conjunta permite controlar automaticamente, sem intervenção humana, o movimento de uma aeronave ou foguete. A criação do piloto automático constituiu uma época importante na história da aviação, pois tornou as viagens aéreas muito mais seguras. Quanto à tecnologia de foguetes, onde todos os voos são realizados em modo não tripulado, sem sistemas de controle automático confiáveis, essa tecnologia não poderia se desenvolver.
A ideia principal da pilotagem automática é que o piloto automático mantenha estritamente a orientação correta do veículo em movimento no espaço. Graças a isso, o dispositivo, em primeiro lugar, é mantido no ar e não cai e, em segundo lugar, não se desvia do curso definido, pois a trajetória de seu voo depende principalmente da orientação correta. Por sua vez, a orientação do aparelho no espaço é determinada por três ângulos. Em primeiro lugar, este é o ângulo de inclinação, ou seja, o ângulo entre o eixo longitudinal do aparelho e o plano do solo (ou, como dizem, o plano do horizonte). O rastreamento desse ângulo permite que a aeronave mantenha a estabilidade longitudinal - para não "acenar" e um míssil voando ao longo de uma trajetória balística - para atingir o alvo com mais precisão. Em segundo lugar, este é o ângulo de guinada, ou seja, o ângulo entre o eixo longitudinal do dispositivo e o plano de voo (como chamaremos o plano perpendicular ao plano do horizonte e passando pelo ponto de partida e pelo ponto de destino). O ângulo de guinada indica o desvio do dispositivo do curso definido. E, em terceiro lugar, este é o ângulo de rolagem, ou seja, o ângulo que ocorre quando o corpo do aparelho gira em torno de seu eixo longitudinal. A correção oportuna do rolo permite que a aeronave mantenha a estabilidade lateral e amorteça a rotação errática do foguete. O controle automático do aparelho seria impossível se não houvesse uma maneira confiável e simples de determinar esses ângulos. Felizmente, existe uma maneira, e é baseada na propriedade de um giroscópio de rotação rápida para manter a posição de seu eixo inalterada no espaço. O giroscópio mais simples é um pião infantil, girando rapidamente em torno de seu eixo. Tente derrubá-lo com um clique e você verá que isso é impossível - o topo só vai saltar para o lado e continuar a girar.
No entanto, o eixo OA do topo não tem orientação constante, pois sua extremidade A não é fixa. Os giroscópios usados na engenharia possuem um dispositivo muito mais complexo: o rotor (na verdade, o topo) é fixado aqui dentro (anéis) 1 e 2 dos chamados gimbals, o que possibilita que o eixo AB tome qualquer posição em espaço. Tal giroscópio pode fazer três rotações independentes em torno dos eixos AB, DE e GK, intersectando-se no centro da suspensão O, que permanece fixa em relação à base. A principal propriedade de um giroscópio de rotação rápida, como já mencionado, é que seu eixo tende a manter estável no espaço mundial a direção original que lhe foi dada. Por exemplo, se este eixo foi originalmente direcionado para alguma estrela, então com quaisquer movimentos do próprio dispositivo e choques aleatórios, ele continuará apontando para essa estrela mesmo quando sua orientação em relação aos eixos da Terra mudar. Pela primeira vez esta propriedade foi usada em 1852 pelo físico francês Foucault para provar experimentalmente a rotação da Terra em torno de seu eixo. Daí o próprio nome "giroscópio", que em grego significa "observar a rotação".
A segunda propriedade importante de um giroscópio é revelada quando alguma força externa começa a atuar em seu eixo (ou quadro), tendendo a girá-lo em relação ao centro da suspensão. Por exemplo, se a força P atua na extremidade do eixo AB, então o giroscópio, em vez de se desviar em direção à ação da força (como seria se o rotor não girasse), se inclinará na direção estritamente perpendicular à a ação da força, então é (no nosso caso) começará a girar em torno do eixo DE, e a uma velocidade constante. Essa rotação é chamada de precessão do giroscópio, e será tanto mais lenta quanto mais rápido o próprio giroscópio girar em torno do eixo AB. Se em algum momento a ação da força externa parar, a precessão para ao mesmo tempo e o eixo AB para instantaneamente.
A precessão também pode ser observada em um giroscópio tão simples como um pião infantil, no qual o fulcro desempenha o papel de centro de suspensão. Se o topo for desenrolado de tal maneira que seu eixo não seja perpendicular ao chão, mas esteja inclinado a ele em algum ângulo, você poderá ver que o eixo desse topo não se desvia na direção da gravidade (ou seja, para baixo), mas na direção perpendicular, ou seja, o eixo começa a girar em torno da perpendicular ao chão, abaixado até o fulcro. Essas duas propriedades do giroscópio são a base de diversos instrumentos utilizados no piloto automático. Nos anos 70 do século XIX, os giroscópios começaram a ser usados em assuntos militares em autômatos para o curso de torpedos marítimos. No momento do lançamento do torpedo, o rotor do giroscópio montado nele girou a uma velocidade de vários milhares de rotações por minuto. Depois disso, seu eixo sempre foi direcionado para o alvo.
Um excêntrico foi anexado ao eixo do giroscópio - um disco, cujo centro foi deslocado do eixo do anel vertical da máquina. O excêntrico estava encostado na haste do carretel: quando o torpedo acertava o alvo, os pistões do carretel fechavam as aberturas das tubulações 1 e 2, e o pistão de direção permanecia imóvel. Se, por algum motivo, o torpedo se desviasse do curso, o excêntrico conectado ao giroscópio permanecia estacionário, e a haste do carretel, sob a ação de uma mola, deslizava para a esquerda ou para a direita e abria um orifício por onde o ar comprimido passava tubulação 1 ou 2 entrou na máquina de direção. Sob a ação do ar comprimido, o pistão da máquina de direção entrou em movimento e deslocou o volante, para que o torpedo voltasse ao curso correto.
Então os giroscópios encontraram ampla aplicação na aviação. No capítulo sobre o avião, já foi mencionado que um problema importante para os primeiros aviadores era manter a orientação correta da aeronave em voo. Muitos designers pensaram então na criação de estabilizadores automáticos. Em 1911, o piloto americano Sperry desenvolveu o primeiro estabilizador automático com um giroscópio maciço. A primeira aeronave com tal estabilizador decolou em 1914. E no início da década de 20, a empresa Sperry criou um verdadeiro piloto automático. Os primeiros pilotos automáticos controlavam apenas os lemes e monitoravam a preservação do modo de voo especificado. Seu desenvolvimento posterior levou ao surgimento de sistemas que automatizam o controle de lemes e motores de aeronaves. Esses pilotos automáticos já permitiam voos não tripulados e controle remoto da aeronave. Eles encontraram uso nos primeiros foguetes. Mais cedo do que outros, os designers alemães, criadores do primeiro míssil balístico V-2 da história, enfrentaram o problema do controle automático de mísseis. A máquina de estabilização V-2 consistia nos instrumentos giroscópicos Horizon e Verticant.
"Horizon" possibilitou determinar o plano do horizonte e o ângulo de inclinação (ângulo de inclinação) do foguete em relação a este plano. O rotor 1 do giroscópio era ao mesmo tempo a armadura de um motor elétrico assíncrono, cujo enrolamento 2 era alimentado com corrente alternada. Antes do lançamento do foguete "Horizon" foi colocado de tal forma que o eixo de rotação do rotor ficou paralelo ao horizonte. Para isso, o sistema de controle incluía um pêndulo (prumo) 5, que fixava o desvio do eixo do giroscópio. Se este eixo se desviasse para cima ou para baixo da direção horizontal, o pêndulo também se desviava para o lado e fazia contato de um lado ou do outro. Neste caso, o eletroímã 6 recebeu um sinal de uma ou outra polaridade. O eletroímã começou a atuar no eixo do giroscópio ao longo do eixo Y para cima ou para baixo do centro de rotação. Como resultado, uma precessão apareceu, tornando o giroscópio perpendicular à força defletora. A precessão continuou até que o eixo do rotor retornasse à posição horizontal. Assim que isso aconteceu, o contato do pêndulo 5 se abriu e a precessão parou instantaneamente. Antes do início, o dispositivo corretivo foi desligado. O desvio do foguete de um determinado ângulo de inclinação foi registrado usando um potenciômetro - um sensor simples com resistência variável. Era uma armação em forma de anel na qual o fio era enrolado. Uma escova de contato deslizou ao longo deste quadro. Se a escova estava no início do quadro, um número menor de voltas de fio foi incluído no circuito, respectivamente, a resistência do potenciômetro foi menor e a tensão de saída também se mostrou insignificante (como você sabe, a tensão a queda U é determinada pela lei de Ohm U=I•R, onde I é a força da corrente , R - resistência). Se a escova se moveu para o final do quadro, a resistência do potenciômetro aumentou e, consequentemente, a tensão de saída aumentou. A escova estava conectada a um dispositivo sensível que registrava as menores mudanças de voltagem. Se durante o vôo o ângulo entre o eixo longitudinal do aparelho e o plano do horizonte por algum motivo começou a se desviar do especificado, então o potenciômetro 8 associado ao corpo do aparelho girou junto com ele em relação ao giroscópio fixo no espaço e a escova de contato conectada a ele. Neste caso, um sinal elétrico apareceu na saída do potenciômetro, proporcional em magnitude ao ângulo de deflexão. Este sinal foi amplificado e alimentado aos lemes horizontais da máquina de direção, que nivelou o foguete. Um dispositivo tão simples, no entanto, poderia funcionar efetivamente apenas com um tempo de voo relativamente curto. Durante um vôo longo, a rotação da Terra teve que ser levada em consideração, então neste caso, uma correção teve que ser feita na direção do eixo do giroscópio. "Horizon" permitia não apenas salvar, mas também alterar o ângulo de inclinação de acordo com um determinado programa. Pode-se ver pelo esquema descrito que se no momento definido o potenciômetro 8 for girado para um determinado ângulo, então os lemes funcionarão como se o próprio aparelho tivesse se desviado pelo mesmo ângulo. Portanto, girar o potenciômetro pode fazer com que o foguete gire. "Horizon" incluía um mecanismo de programa muito simples, constituído por uma fita metálica 10, um excêntrico 11, um motor de passo 12 e uma roda dentada 13. O excêntrico tinha um perfil de superfície correspondente a um determinado programa. O motor de passo o colocava em movimento através de uma engrenagem helicoidal (o motor de passo era um eletroímã com uma armadura, quando um impulso era aplicado ao eletroímã, a armadura era atraída pelo ímã e deslocava a roda da catraca por um dente com sua borda) . Assim, a velocidade de rotação da roda da catraca dependia da frequência dos pulsos aplicados ao eletroímã. A rolha 14 era uma trava que impedia que a roda da catraca girasse na direção oposta.
Idêntico ao "Horizonte" trabalhado "Verticante". Antes do lançamento do foguete, o eixo do rotor do giroscópio estava localizado perpendicularmente ao plano de vôo pretendido, de modo que o giroscópio se mostrou insensível à evolução do foguete em passo, mas respondeu às curvas em rolo e curso. A correção do giroscópio foi a mesma do Horizont, e foi realizada antes do lançamento usando o pêndulo 3 e o eletroímã 4. Após a decolagem, o potenciômetro 5 respondeu à guinada do foguete e transmitiu sinais aos lemes. Como o eixo direcionado ao alvo coincidia com o eixo longitudinal do foguete, então, quando ocorria um rolamento, o potenciômetro 7 se movia em voo em relação ao motor fixo (escova) conectado ao giroscópio. O sinal foi transmitido aos lemes, que corrigiram o rolamento. Autor: Ryzhov K.V.
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