[科普中国]-陀螺稳定器陀螺仪

使载体在受到外界冲击时仍然能够保持相对稳定的状态。载体可以是飞机、人造卫星等大型设备，近年来也将陀螺稳定器小型化、民用化，运用于小型无人机、摄影器材等。

由于被稳定的对象（例如人造卫星）的质量往往较大，陀螺产生的陀螺力矩只能在相对短时间内起稳定作用。在航空航天使用的条件下，事实上往往达不到长时间稳定的要求。

多轴的陀螺稳定器的原理与单轴陀螺稳定器的原理类似，这里仅对单轴陀螺稳定器原理进行说明。

如图是一个单轴的动力陀螺稳定器，装置10为被稳定对象。起始时装置10的主轴与陀螺转子轴平行，当基座绕外环轴转动时，转子轴和装置主轴由于陀螺的定轴性不随之转动，保持原有方向；当基座受到冲击时，转子轴与主轴做章动，仍处于原有方向附近。如果在外环轴上作用一个干扰力矩，转子与内环一起绕内环轴进动，进动的角速度为。在外力矩作用在外环轴时，转子绕内环轴做进动产生的陀螺力矩通过传动装置5也作用在外环轴上，并且二者大小相等方向相反，这样使得装置主轴仍处于起始位置。1

以上就是陀螺稳定器的基本工作原理。在此基础上再增加一个自由度，一套控制回路系统，就可以变成二轴稳定平台。如果再增加，就成为三轴稳定平台或空间稳定平台。

为了提高陀螺稳定器的性能，常常设计的有自动控制回路，这些控制回路分为稳定回路和修正回路，均采用负反馈调节机制。

例如在上图（单轴动力陀螺稳定器）中，减速器电机4为稳定回路，其作用是提供陀螺进动的阻尼力矩，可以使陀螺发生进动时更快地静止下来；电机5构成修正回路，与外框架固定在一起，为提高稳定精度，修正回路产生与摩擦力大小相等方向相反的力矩，以补偿摩擦力对装置的影响。

在各种稳定系统中，稳定回路的设计历来是非常重要的，往往也是复杂的，根据反馈回路的控制原理，可以将稳定器为积分陀螺组成的稳定器和微分陀螺组成的稳定器。

为了提高陀螺稳定器的精度，增大陀螺角动量通常不可取，因为增大角动量需要增大整个装置的尺寸和重量。实际采用的方法是减小进动轴上的干扰力。因此，现多采用小型单自由度液浮积分陀螺、微分陀螺和挠性陀螺构成稳定器。这些陀螺的角动量很小，所产生的陀螺力矩对稳定回路来说基本没有影响，因此这种陀螺稳定器也不是严格的“动力陀螺”，陀螺在这里只起传感器或控制器的作用，它们感应角速度信号，然后由其他装置按照设计的规则姿态控制载体姿态。

空间飞行器的稳定系统可分为被动式和主动式两种。

作用于空间飞行器的力矩是稳定系统中的陀螺所产生的，用来平滑干扰力矩，且不采用任何工体（或者燃料），这种稳定系统被称为被动式的。在这里，陀螺除了起稳定作用外，同时又是空间飞行器偏离要求的给定方位的敏感器件。

主动式空间飞行器的稳定系统是借助于机载陀螺来控制机电、流体等传动装置来实现稳定，要求消耗工体。