陀螺仪为什么能感受火箭姿态的变化？

惯性制导系统中最核心的部件之一是陀螺仪。可以说，陀螺仪是惯性制导系统的心脏。

陀螺仪的两个最基本的特性就是它的定轴性和进动性。凡是绕自身对称轴高速旋转的物体都可以称为陀螺，陀螺具有特殊的转动规律。图1是一个玩具陀螺。如何让它在光滑的桌面上直立起来呢？其实，只要使它绕垂直轴（重力方向）快速旋转就行了。这时如果桌面倾斜α角，就会发现陀螺转轴方向仍保持不变，如图1（a）所示，这就是陀螺的定轴性。如果转轴的初始方向不是严格垂直，而是偏离重力方向一个角度Φ，我们又发现陀螺转轴会在一个以重力方向为轴线的圆锥面上运动，如图1（b）所示，而不是像不转动的刚体那样在重力作用下倒下，这就是陀螺的进动性。陀螺的定轴性和进动性统称为陀螺效应。

图一

利用陀螺的定轴性和进动性，用不同的结构，配以不同的电路，就会得到不同功能的陀螺仪，如速率陀螺仪（用作测量角速度）、积分陀螺仪（用作测量角度）、陀螺加速度计（用作测量角加速度）等。

高速旋转的陀螺轴承安装在框架环上时，由于自转轴具有定轴性，因而自转轴与基座的运动无关，即基座运动而自转轴不动。这样基座与自转轴之间（通过框架轴的转动）在一个方向上构成一个自由度，这种装置称为单自由度陀螺仪，如图2（a）所示。如果在框架环外面再套一层框架环（前者称为内环，后者称为外环），且轴互相垂直，则构成一个双自由度的陀螺仪，如图2（b）所示。

图二

对单自由度陀螺仪，当基座因某种干扰随箭体出现偏离预定姿态，产生俯仰、偏航或滚转的某一方向的运动时，因该方向陀螺自转轴保持方向不变，将使机座相对于框架环旋转一定的角度。如果用传感器把这个角度换成电信号，通过箭上该方向的伺服电子线路，驱动摇摆发动机或游动发动机（即执行机构）摆动，产生一个力矩，使箭体恢复到受干扰前的状态，这就保持了飞行中火箭姿态在该方向的稳定。