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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Pilote automatique. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Le pilote automatique est une combinaison de plusieurs dispositifs dont le fonctionnement conjoint permet de contrôler automatiquement, sans intervention humaine, le mouvement d'un avion ou d'une fusée. La création du pilote automatique a constitué une ère importante dans l'histoire de l'aviation, car elle a rendu les voyages aériens beaucoup plus sûrs. Quant à la technologie des fusées, où tous les vols sont effectués en mode sans pilote, sans systèmes de contrôle automatique fiables, cette technologie ne pourrait pas se développer du tout.
L'idée principale du pilotage automatique est que le pilote automatique maintient strictement la bonne orientation du véhicule se déplaçant dans l'espace. Grâce à cela, l'appareil, d'une part, est maintenu en l'air et ne tombe pas, et d'autre part, il ne s'écarte pas de la trajectoire définie, car la trajectoire de son vol dépend principalement de la bonne orientation. À son tour, l'orientation de l'appareil dans l'espace est déterminée par trois angles. Premièrement, il s'agit de l'angle de tangage, c'est-à-dire l'angle entre l'axe longitudinal de l'appareil et le plan du sol (ou, comme on dit, le plan de l'horizon). Le suivi de cet angle permet à l'avion de maintenir une stabilité longitudinale - de ne pas "hocher la tête", et un missile volant le long d'une trajectoire balistique - d'atteindre la cible avec plus de précision. Deuxièmement, c'est l'angle de lacet, c'est-à-dire l'angle entre l'axe longitudinal de l'appareil et le plan de vol (comme nous appellerons le plan perpendiculaire au plan d'horizon et passant par le point de départ et le point cible). L'angle de lacet indique la déviation de l'appareil par rapport au cap défini. Et, troisièmement, c'est l'angle de roulis, c'est-à-dire l'angle qui se produit lorsque le corps de l'appareil tourne autour de son axe longitudinal. Une correction rapide du roulis permet à l'avion de maintenir sa stabilité latérale et d'amortir la rotation erratique de la fusée. La commande automatique de l'appareil serait impossible s'il n'existait pas de moyen fiable et simple pour déterminer ces angles. Heureusement, il existe un tel moyen, et il est basé sur la propriété d'un gyroscope à rotation rapide de maintenir la position de son axe inchangée dans l'espace. Le gyroscope le plus simple est une toupie pour enfants, tournant rapidement autour de son axe. Essayez de le renverser d'un clic et vous verrez que c'est impossible - le haut ne fera que rebondir sur le côté et continuera à tourner.
Cependant, l'axe OA du sommet n'a pas une orientation constante, puisque son extrémité A n'est pas fixe. Les gyroscopes utilisés en technologie ont un dispositif beaucoup plus complexe : le rotor (en fait, le haut) est fixé ici à l'intérieur (des anneaux) 1 et 2 des dits cardans, ce qui permet à l'axe AB de prendre n'importe quelle position dans l'espace . Un tel gyroscope peut effectuer trois rotations indépendantes autour des axes AB, DE et GK, se coupant au centre de la suspension O, qui reste fixe par rapport à la base. La principale propriété d'un gyroscope à rotation rapide, comme déjà mentionné, est que son axe tend à maintenir de manière stable dans l'espace mondial la direction d'origine qui lui a été donnée. Par exemple, si cet axe était à l'origine dirigé vers une étoile, alors avec tous les mouvements de l'appareil lui-même et les chocs aléatoires, il continuera à pointer vers cette étoile même lorsque son orientation par rapport aux axes de la Terre change. Pour la première fois cette propriété a été utilisée en 1852 par le physicien français Foucault pour prouver expérimentalement la rotation de la Terre autour de son axe. D'où le nom même de "gyroscope", qui signifie en grec "observer la rotation".
La deuxième propriété importante d'un gyroscope se révèle lorsqu'une force externe commence à agir sur son axe (ou cadre), tendant à le faire tourner par rapport au centre de la suspension. Par exemple, si la force P agit sur l'extrémité de l'axe AB, alors le gyroscope, au lieu de dévier vers l'action de la force (comme il le serait si le rotor ne tournait pas), s'inclinera dans la direction strictement perpendiculaire à l'action de la force, alors est (dans notre cas) se mettra à tourner autour de l'axe DE, et à vitesse constante. Cette rotation s'appelle la précession du gyroscope, et elle sera d'autant plus lente que le gyroscope lui-même tournera vite autour de l'axe AB. Si à un moment donné l'action de la force externe s'arrête, alors la précession s'arrête en même temps, et l'axe AB s'arrête instantanément.
La précession peut également être observée dans un gyroscope aussi simple qu'une toupie pour enfants, dans laquelle le point d'appui joue le rôle de centre de suspension. Si le plateau est déroulé de manière à ce que son axe ne soit pas perpendiculaire au sol, mais incliné vers celui-ci selon un certain angle, vous pouvez voir que l'axe d'un tel plateau ne dévie pas dans le sens de la gravité (c'est-à-dire, vers le bas), mais dans une direction perpendiculaire, c'est-à-dire que l'axe commence à tourner autour de la perpendiculaire au sol, abaissé au point d'appui. Ces deux propriétés du gyroscope sont à la base de plusieurs instruments utilisés dans le pilote automatique. Dans les années 70 du XNUMXe siècle, les gyroscopes ont commencé à être utilisés dans les affaires militaires dans des automates pour le parcours des torpilles marines. Au moment du lancement de la torpille, le rotor du gyroscope monté dessus a tourné à une vitesse de plusieurs milliers de tours par minute. Après cela, son axe était toujours dirigé vers la cible.
Un excentrique était attaché à l'axe du gyroscope - un disque dont le centre était décalé de l'axe de l'anneau vertical de la machine. L'excentrique reposait contre la tige de la bobine: lorsque la torpille est allée exactement vers la cible, les pistons de la bobine ont fermé les ouvertures des canalisations 1 et 2 et le piston de direction est resté immobile. Si, pour une raison quelconque, la torpille déviait de sa trajectoire, l'excentrique relié au gyroscope restait immobile et la tige de la bobine, sous l'action d'un ressort, glissait vers la gauche ou la droite et ouvrait un trou à travers lequel l'air comprimé traversait le pipeline 1 ou 2 est entré dans la machine à gouverner. Sous l'action de l'air comprimé, le piston de la machine à gouverner s'est mis en mouvement et a déplacé le volant, de sorte que la torpille a repris le bon cap.
Ensuite, les gyroscopes ont trouvé une large application dans l'aviation. Dans le chapitre sur l'avion, il a déjà été mentionné quel problème important pour les premiers aviateurs était de maintenir la bonne orientation de l'avion en vol. De nombreux concepteurs ont alors pensé à la création de stabilisateurs automatiques. En 1911, le pilote américain Sperry a développé le premier stabilisateur automatique avec un gyroscope massif. Le premier avion doté d'un tel stabilisateur a décollé en 1914. Et au début des années 20, la société Sperry a créé un véritable pilote automatique. Les premiers pilotes automatiques contrôlaient uniquement les gouvernails et surveillaient la préservation du mode de vol spécifié. Leur développement ultérieur a conduit à l'émergence de systèmes qui automatisent le contrôle des gouvernails et des moteurs d'avion. De tels pilotes automatiques permettaient déjà des vols sans pilote et le contrôle à distance de l'avion. Ils ont trouvé une utilisation dans les premières fusées. Plus tôt que d'autres, les concepteurs allemands, créateurs du premier missile balistique V-2, ont été confrontés au problème du contrôle automatique des missiles. La machine de stabilisation V-2 était composée des instruments gyroscopiques Horizon et Verticant.
"Horizon" permettait de déterminer le plan d'horizon et l'angle d'inclinaison (angle de tangage) de la fusée par rapport à ce plan. Le rotor 1 du gyroscope était en même temps l'induit d'un moteur électrique asynchrone dont l'enroulement 2 était alimenté en courant alternatif. Avant le lancement de la fusée "Horizon" était placé de manière à ce que l'axe de rotation du rotor soit parallèle à l'horizon. A cet effet, le système de contrôle comprenait un pendule (aplomb) 5, qui fixait la déviation de l'axe du gyroscope. Si cet axe déviait vers le haut ou vers le bas de la direction horizontale, le pendule déviait également sur le côté et entra en contact d'un côté ou de l'autre. Dans ce cas, l'électroaimant 6 a reçu un signal de l'une ou l'autre polarité. L'électroaimant a commencé à agir sur l'axe du gyroscope le long de l'axe Y vers le haut ou vers le bas à partir du centre de rotation. En conséquence, une précession est apparue, tournant le gyroscope perpendiculairement à la force de déviation. La précession s'est poursuivie jusqu'à ce que l'axe du rotor revienne en position horizontale. Dès que cela s'est produit, le contact du pendule 5 s'est ouvert et la précession s'est instantanément arrêtée. Avant le départ, le dispositif de correction était éteint. La déviation de la fusée par rapport à un angle de tangage donné a été enregistrée à l'aide d'un potentiomètre - un simple capteur à résistance variable. C'était un cadre en forme d'anneau sur lequel le fil était enroulé. Une brosse de contact a glissé le long de ce cadre. Si la brosse était au début du cadre, un plus petit nombre de tours de fil était inclus dans le circuit, respectivement, la résistance du potentiomètre était plus petite et la tension de sortie s'est également avérée insignifiante (comme vous le savez, la tension la chute U est déterminée par la loi d'Ohm U = I • R, où I est l'intensité du courant , R - résistance). Si la brosse se déplaçait vers la fin du cadre, la résistance du potentiomètre augmentait et, par conséquent, la tension de sortie augmentait. La brosse était reliée à un appareil sensible qui enregistrait les moindres changements de tension. Si pendant le vol l'angle entre l'axe longitudinal de l'appareil et le plan de l'horizon pour une raison quelconque commençait à s'écarter de celui spécifié, alors le potentiomètre 8 associé au corps de l'appareil tournait avec lui par rapport au gyroscope fixé dans l'espace et la brosse de contact qui y est connectée. Dans ce cas, un signal électrique est apparu à la sortie du potentiomètre, proportionnel en amplitude à l'angle de déviation. Ce signal a été amplifié et transmis aux gouvernails horizontaux de la machine à gouverner, ce qui a nivelé la fusée. Un dispositif aussi simple ne pouvait cependant fonctionner efficacement qu'avec un temps de vol relativement court. Lors d'un vol long, il fallait tenir compte de la rotation de la Terre, il fallait donc dans ce cas faire une correction dans la direction de l'axe du gyroscope. "Horizon" permettait non seulement de sauvegarder, mais également de modifier l'angle de tangage conformément à un programme donné. Il ressort du schéma décrit que si, au moment défini, le potentiomètre 8 est tourné à un angle donné, les gouvernails fonctionneront comme si l'appareil lui-même avait dévié du même angle. Par conséquent, tourner le potentiomètre peut faire tourner la fusée. "Horizon" comprenait un mécanisme de programme très simple, composé d'un ruban métallique 10, d'un excentrique 11, d'un moteur pas à pas 12 et d'une roue à rochet 13. L'excentrique avait un profil de surface correspondant à un programme donné. Le moteur pas à pas le mettait en mouvement à travers un engrenage à vis sans fin (le moteur pas à pas était un électroaimant avec une armature, lorsqu'une impulsion était appliquée à l'électroaimant, l'armature était attirée par l'aimant et déplaçait la roue à rochet d'une dent avec son bord) . Ainsi, la vitesse de rotation de la roue à rochet dépendait de la fréquence des impulsions appliquées à l'électroaimant. La butée 14 était un loquet qui empêchait la roue à rochet de tourner dans le sens opposé.
Identique au "Horizon" travaillé "Verticant". Avant le lancement de la fusée, l'axe du rotor du gyroscope était situé perpendiculairement au plan de vol prévu, de sorte que le gyroscope s'est avéré insensible à l'évolution de la fusée en tangage, mais a répondu aux virages en roulis et en cap. La correction du gyroscope était la même que celle de l'Horizont, et était effectuée avant le lancement à l'aide du pendule 3 et de l'électroaimant 4. Après le décollage, le potentiomètre 5 répondait au lacet de la fusée et transmettait des signaux aux gouvernes de direction. Puisque l'axe dirigé vers la cible coïncidait avec l'axe longitudinal de la fusée, alors lorsqu'un roulis se produisait, le potentiomètre 7 se déplaçait en vol par rapport à un moteur fixe (balais) relié au gyroscope. Le signal est transmis aux safrans qui corrigent le roulis. Auteur : Ryzhov K.V.
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