مقدمه

در تمام مسایل حرکتی اطلاع از موقعیت و زاویه ی جسم و سرعت زاویه ای آن، امری ضروری است؛ چرا که بدون اطلاع از وضعیت جسم، کنترل آن به سمت هدف غیرممکن است. بدست آوردن این اطلاعات از روی زمین کاری بسیار پیچیده و در عین حال سخت و گاه ناممکن است؛ حتی اگر این امر امکان پذیر باشد، برای اجسامی مثل موشک، تأخیر زمانی ایجاد می کند و موجب انحراف مسیر موشک می شود.

ژیروسکوپ ها، دستگاه هایی هستند که از آن ها برای بدست آوردن سرعت زاویه ای و موقعیت زاویه ای استفاده می شود؛ آن ها با پردازش این اطلاعات، می توانند موقعیت کلی جسم را نیز بدست آورند. وظیفه ی اصلی ژیروسکوپ ها، ایجاد یک دستگاه مختصات مرجع است و شتاب سنج ها، شتاب جسم متحرک را، در امتداد چنین محورهایی اندازه می گیرند. این شتاب می تواند نسبت به دستگاه مرجع اینرسی یا دستگاه مرجع دیگری (مانند دستگاه متصل به زمین) انداز گیری شود.

ژیروسکوپ و قوانین حرکت نیوتون

ژیروسکوپ عضو اصلی سامانه ی هدایت اینرسی است و عمدتاً برای اندازه گیری مقدار دوران، سرعت دوران و ایجاد محورهای مختصات مرجع در اجسام پرنده ی هوایی، فضایی و دریایی (مانند هواپیما، موشک، ماهواره، سفینه ی فضایی، کشتی و زیردریایی) به کار می رود.

طبق اصل پایستگی اندازه حرکت زاویه ای، هر جسم در حال چرخش متقارن، سعی دارد جهت حرکت خود را همواره در فضا حفظ کند. بنابراین اگر جسم سنگین متقارنی را با سرعت دور بالا بچرخانیم و اطراف آن را با یاتاقان یا بلبرینگ آزاد بگذاریم (تا نیروهای خارجی بر آن اعمال نشود) با چرخش قاب این سامانه، جهت چرخش جسم دوار تغییر نمی کند؛ بنابراین می توانیم بدین وسیله در اجسام متحرک جهت ثابتی اعمال کنیم که وضعیت فعلی جسم متحرک را در هر لحظه، با آن مقایسه نماییم.بدین صورت می توان با تغییر موقعیت زاویه ای و محاسبه ی سرعت، تغییر سرعت زاویه ای را بدست آورد.

عضو اصلی ژیروسکوپ های مکانیکی، یک دستگاه دوار یا رتور است که معمولاً با سرعت زیاد حول محور تقارن خود دوران می کند. این سرعت از 3000 تا 300000 دور در دقیقه می باشد؛بنابراین در اثر اینرسی جرم دوار، اندازه حرکت نسبتاً بزرگی ایجاد می گردد. اگر یاتاقان بندی محور چرخ را در طوقه ای معلق کنیم، به نحوی که گشتاور خارجی به  آن وارد نگردد، علی رغم تمام حرکت های قاب، محور چرخش رتور همواره به جهت ثابتی اشاره خواهد کرد و موقعیت خود را در فضا حفظ خواهد نمود. با این روش می توان جهت یا محورهای ثابتی را برای جسم پرنده یا وسیله ی نقلیه تعریف کرد که هرگونه حرکت زاویه ای نسبت به این محور ها سنجیده شود.

ژیروسکوپ از «ویژگی صلیبی» استفاده می کند. قانون دوم نیوتون می گوید: «مجموع گشتاورهای خارجی وارد بر سامانه دوار، حول یک نقطه مفروض برابر با تغییرات زمانی اندازه حرکت زاویه ای همان سامانه، حول همان نقطه است.» بنابراین چون تغییر اندازه حرکت زاویه ای سامانه، برابر صفر است، مقدار و جهت بردار اندازه حرکت زاویه ای ژیروسکوپ در فضای اینرسی، ثابت می ماند.

تاریخچه

کلمه ی ژیروسکوپ واژه ای یونانی است که از دو بخش Gyro به معنای دوران و Scope به معنای نشان دادن تشکیل شده است. به این ترتیب معنای کلمه ی آن «دوران نما» خواهد بود که در این تعبیر وظیفه این وسیله بیان شده است. در زبان فارسی کلمه ی «جای رو» را برای ژیروسکوپ، پیشنهاد کرده اند.

نخستین پدیده ی ژیروسکوپ را، ابرخوس در 125 سال قبل از میلاد مسیح کشف کرد؛ این پدیده عبارت بود از، حرکت تقدیمی زمین در مطالعه اعتدال شب و روز (تقدیم اعتدالین)؛ که در واقع بررسی حرکت محور دوران زمین است که روی یک بستر مخروطی گردش می نماید.

توضیح مسئله چنین است که زمین در واقع یک ژیروسکوپ با روتور آزاد است که توسط میدان جاذبه به حال تعادل و تعلیق درآمده است. بنابراین طبق ویژگی دوم ژیروسکوپ، هرگاه به آن گشتاوری وارد شود محور چرخش تمایل دارد به نحوی دوران کند که خود را هم جهت با بردار گشتاور وارده تغییر دهد. بر اثر وجود اجرام سماوی و میدان های جاذبه فضایی گشتاوری بر زمین اعمال می شود که اثر آن همان حرکت تقدیمی زمین است.

تا زمان نیوتون (اواخر قرن هفدهم میلادی) تحول چندانی در مطالعه ی بیش تر این موضوع رخ نداده بود؛ اما توانست علت حرکت تقدیمی زمین را با استفاده از قوانین جاذبه و اینرسی، به نحوی توجیح نماید. به این ترتیب که در اثر کشش ناشی از جاذبه ی ماه و خورشید روی استوای زمین، زمین در محل قطب های خود پهن می گردد و محور چرخش آن حالتی غیرعمود نسبت به صفحه مداری خود، پیدا می کند.

در قرن هجدهم، دانشمندانی چون اولر، درباره ی دینامیک اجسام دورانی، پژوهش های قابل ملاحظه ای انجام دادند. در همین قرن در انگلستان، درباره ی ایجاد یک افق مصنوعی برای کشتی ها بررسی هایی بوجود آمد و به این منظور از یک قرقره دوار استفاده شد که یک آیینه ی مسطح، عمود بر امتداد محور چرخش آن قرار داشت.

در میانه ی قرن نوزدهم، فوکو (دانشمند فرانسوی) برای نشان دادن دوران زمین از یک ژیروسکوپ استفاده کرد که این کار به علت نداشتن یک موتور الکتریکی مناسب، به شکل دقیقی انجام نگرفت. او بود که برای نخستین بار نام ژیروسکوپ را به این وسیله اطلاق کرد (سال 1852 میلادی). وی پیش از این توانسته بود، از طریق یک پاندول (که بعدها به پاندول فوکو معروف شد) حرکت زمین را نشان دهد.

در سال 1900 میلادی شخصی آلمانی به نام آتشوتس کامفه تصمیم به ساختن یک زیردریایی برای کاوش در قطب شمال گرفت؛ ولی وسایل هدایت و ناوبری با دقت لازم برای این کار، در دست نبود؛ به ویژه قطب نماهای مغناطیسی در محدوده ی قطب شمال به دلیل وجود میدان های مغناطیسی قوی، از دقت و قابلیت عملکرد صحیح می افتادند. از این رو وی تلاش کرد تا قطب نمای دیگری (که مستقل از خواص مغناطیسی عمل کند) بسازد. تلاش وی منجر به ساخت قطب نمایی شد که بر اساس خواص ژیروسکوپی کار می کرد. این قطب نما، قطب نمای ژیروسکوپی نام دارد. قطب نمای ژیروسکوپی می تواندهمواره جهت شمال حقیقی را نشان دهد و نسبت به تأثیرات میدان های گرانش و مغناطیسی بی تفاوت است. این قطب نما در واقع نخستین وسیله دقیق هدایت و ناوبری است که براساس اصول اینرسی عمل می کند. در همین ایام بود که شخصی آمریکایی به نام اسپری نیز موفق به ساختن چنین قطب نمایی با شکل دیگری گردید.

پیشرفت صنعت و پدیدار شدن وسایل پرنده، لزوم نوآوری در وسایل هدایت و کنترل دقیق را، بیش از پیش آشکار ساخت. به خصوص وقوع جنگ های جهانی اول و دوم و تولید نسل های جدید انواع هواپیما و موشک، به نحو بارزی دانشمندان و محققین را بر آن داشت تا در زمینه ی ابداع وسایل دقیق تر و با کیفیت بالاتر، تلاش بیشتری انجام دهند.

قدم اساسی در این زمینه، طی جنگ جهانی دوم در دانشگاهی در آمریکا برداشته شد و تحت سرپرستی شخصی به نام چارلز دراپز ژیروسکوپ های دقیق و کوچکی برای نصب بر روی هواپیما، ساخته شد.

پس از جنگ جهانی دوم نیز، روش هدایت و ناوبری اینرسی، به عنوان روشی دقیق و قابل اعتماد برای هدایت متحرک های فضایی به کار گرفته شد. نخستین سامانه ی هدایت که به طور کامل بر مبنای اصول اینرسی، به کمک ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها عمل می کرد و در آن از یاتاقان های گازی برای تعلیق طوقه ها استفاده شده بود، در سال 1950 مورد آزمایش پروازی قرار گرفت.

امروزه نیز سامانه ی هدایت اینرسی، به عنوان یکی از مهم ترین روش ها، برای هدایت و کنترل در هوانوردی و کیهان نوردی و نیز در هدایت موشک ها و کشتی ها و زیردریایی ها، به طور بسیار وسیع به کار می رود و به طبع آن انواع گوناگونی از ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها اختراع و ابداع شده اند.

انواع حرکت های یک متحرک در فضا

هر متحرک در فضا 6 درجه ی آزادی دارد که 3 تای آن حرکت خطی و 3 تای آن حرکت دورانی است. برای مشخص نمودن حرکت دورانی متحرک در فضا، از سه محور عمود بر هم استفاده می شود که عبارتند از: محور رول (Roll) یا محور طولی، محور پیچ (Pitch) یا محور عرضی و محور یاو (Yaw) یا محور چرخشی.

انواع ژیروسکوپ

به دلیل دقت و حساسیت کار، معمولاً از ژیروسکوپ با 3 درجه آزادی استفاده نمی شود و به جای آن، از 3 ژیروسکوپ با یک درجه آزادی یا 2 ژیروسکوپ با 2 درجه آزادی، استفاده می گردد.

1.ژیروسکوپ با یک درجه آزادی

در این ژیروسکوپ، روتور به جز حرکت حول محور چرخش خود، تنها حول یک محور دیگر می تواند چرخش کند؛ یعنی در امتداد یک محور (که طوقه داخلی باشد) این حرکت امکان پذیر است. این ژیروسکوپ، تنها چرخش در یک محور را حس می کند. ژیروسکوپ سرعتی از این نوع است و در آن عامل برگشت طوقه ی مجموعه ی دوار به وضعیت اولیه، یک عنصر الاستیک مانند فنر است؛ اما در ژیروسکوپ انتگرالی، عامل برگشت طوقه ی مجموعه ی دوار به وضعیت اولیه، خاصیت ارتجاعی (دمپینگ) سیالی با لزجت (گرانوی) بالا است.

2.ژیروسکوپ با دو درجه آزادی

این ژیروسکوپ علاوه بر بر محور چرخش روتور، دارای دو محور دوران دیگر نیز می باشد که توسط دو طوقه ی معلق درونی و بیرونی فراهم شده است و در حالت عادی، محور چرخش و این دو محور بر هم عمودند. تکیه گاه طوقه ی داخلی در طوقه ی خارجی قرار دارد و طوقه خارجی نیز تکیه گاهی در بدنه ی ژیروسکوپ دارد و می تواند داخل آن حرکت دورانی انجام دهد.

3.ژیروسکوپ از نظر اتصال

دو گونه وجود دارد یک ژیروسکوپ متصل به بدنه که در آن ژیروسکوپ به بدنه متصل است و با بدنه حرکت می کند. در گونه ی ژیروسکوپ با پایه ی ثابت، ژیروسکوپ به بدنه متصل نمی گردد و بر روی یک صفحه (که حرکت بدنه را معکوس شبیه سازی می کند) نصب می گردد و بدین ترتیب همیشه موقعیت ثابت دارد. این نوع بسیار گران قیمت و دقیق است.

انواع محرک های روتور ژیروسکوپ

در ژیروسکوپ ها معمولاً از موتور الکتریکی استفاده می شود؛ چرا که نیاز به سرعت بسیار بالا در ابعاد کوچک است. معمولاً در این موتور برای ایجاد اندازه حرکت بیش تر، روتور خارج استاتور قرار می گیرد. گاهی محرک نخی یا تسمه ای به کار می رود. در موشک ها و مواردی که در مدت زمان کوتاهی نیاز است استفاده شود، با کشیدن نخ یا تسمه، روتور شروع به چرخش می نماید. این محرک در موشک های برد کوتاه کاربرد دارد. از محرک نخی در موشک کبری و از محرک تسمه ای در موشک مالیوتکا استفاده شده است. گاهی با دمیدن گاز به پره های روتور، روتور با سرعت زیادی به چرخش در می آید که این سامانه در موشک تاو استفاده شده است (گاز تحت فشار). فنر نیز می تواند عامل حرکت روتور باشد. در بعضی موارد برای رسیدن به سرعت بسیار بالا در زمان کم از ترکیب فنر و موتور الکتریکی استفاده می گردد. گاهی برای به حرکت درآوردن روتور، در درون آن چاشنی های انفجاری به کار می برند.

منبع : ماهنامه «صنایع هوافضا»، شماره 34