АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
.
Ориентирование человека, подвижных и неподвижных объектов в наземных и подземных условиях, на водной поверхности, в воздушной и подводных средах остаётся жизненной необходимостью индустриального общества. Постоянное развитие науки и техники требует совершенствования инструментальных средств ориентирования для успешного решения как существующих, так и вновь возникающих проблем. Особенно это касается объектов, для функционирования которых необходимы автономные навигационные устройства. Кроме того, в условиях чрезвычайных ситуаций (зоны мощных магнитных и электромагнитных полей, очаги природных и техногенных катастроф и т. д.) существующие средства ориентирования: магнитные, индукционные, гироскопические и радио компасы не могут в полной мере обеспечить получение достоверной информации об опорных направлениях пространства в реальном режиме времени. В связи с этим создание автономных навигационных устройств на базе чувствительных элементов, способных надежно работать без ограничений по месту базирования, не чувствительных к помехам естественного и техногенного происхождения, продолжает оставаться неотложной потребностью.
Работа Г. А. Швецова по изучению ориентирования в пространстве птиц и насекомых внесла принципиальные изменения в существующие представления о средствах пространственной ориентации в животном мире.
На основе инженерного подхода к полету птиц и насекомых, проведенным аналитическим и биологическим исследованиям им был выявлен волновой гравитационно-инерциальный механизм взаимодействия волнообразного передвижения животных с глобальными динамическими характеристиками самоорганизованного околоземного пространства: гравитационным полем и скоростью вращения Земли, обладающими высокой стабильностью.
Поэтому создание и изучение динамики чувствительных элементов на принципе волновой гравитационно-инерциальной ориентации является актуальной задачей науки и техники.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является исследование динамики чувствительных элементов опорного направления Восток-Запад с осциллирующей вдоль вертикали места массой, принцип функционирования которых построен на волновом гравитационно-инерциальном механизме ориентирования, действующем в живой природе.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в:
1. Теоретическом и экспериментальном подтверждении возможности реализации в технических устройствах ориентирования механизма волновой гравитационно-инерциальной ориентации биологических объектов.
2. Исследовании динамики чувствительных элементов опорного направления Восток-Запад с осциллирующей вдоль вертикали места массой.
3. Определении природы погрешностей созданных чувствительных элементов.
4. Разработке методов устранения погрешностей либо существенного уменьшения их величины.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.
— получена зависимость нарастания амплитуды отклонения осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела в плоскости Восток-Запад и определены области параметрического резонанса для чувствительного элемента с неподвижной точкой упругого подвеса;
— определены условия и области отрыва инерционного тела от колеблющейся вдоль вертикали места горизонтальной площадки в чувствительном элементе на основе свободнопадающего инерционного теларазработан и опробован способ центрирования инерционного тела в чувствительных элементах жидкостного типа за счет использования свойств поверхностного натяжения жидкости;
— проведен сравнительный анализ чувствительных элементов четырех типов с точки зрения максимальной точности выявления направления Восток-Запад;
— создано четыре типа чувствительных элементов для устройств ориентирования, построенных на базе осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела, отклоняющегося в плоскости Восток-Запад под действием силы Кориолиса. Все типы чувствительных элементов защищены патентами РФ;
— разработана методика расчета и выбора чувствительных элементов по критерию достижения максимальной амплитуды смещения в плоскости Восток-Запад;
— получены и технически реализованы рекомендации по подбору параметров системы «жидкость-инерционное тело» на основе компьютерного моделирования переходных процессов жидкостных чувствительных элементов баллистического типа;
— разработаны и технически реализованы бесконтактные оптико-электронные методы съема информации о положении инерционного тела чувствительного элемента.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
— Третьем Корейско-Российском международном симпозиуме по науке и технологии, Новосибирск, 1999 г.;
— Пятом Корейско-Российском международном симпозиуме по науке и технологии, Томск, 2001 г.;
— Российской научно технической конференции «Новейшие технологии в приборостроении», Томск, 1999 г.;
— XVI научно-технической конференции ФГУП НПЦ «Полюс» Российского авиационно-космического агентства «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2000 г.;
— Международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения», Омск, 2001 г.;
— Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск 1999 г., 2001 г., 2004 г.;
— V Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева, Красноярск, 2001 г.
ПУБЛИКАЦИИ.
Основные научные положения и результаты диссертации опубликованы в 15 работах, в числе которых 4 патента РФ.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
— результаты теоретических исследований динамики чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой;
— схемы построения чувствительных элементов, позволяющие выделить максимальную амплитуду движения инерционного тела точно в направлении Восток-Запад;
— результаты физического моделирования чувствительных элементов трех типов;
— результаты математического моделирования переходных процессов в жидкостном чувствительном элементе баллистического типа.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
В первой главе проанализированы устройства инструментального автономного ориентирования. Рассмотрены ограничения при применении существующих навигационных устройств. Рассмотрены принципы ориентации биологических объектов и открытый Швецовым Г. А. механизм волновой гравитационной ориентации. На его основе предложены новые подходы к решению задач ориентирования объектов. Проведен обзор чувствительных элементов с осциллирующими массами, сформулированы цели и задачи исследования, приведены схемы исследуемых чувствительных элементов.
Во второй главе рассмотрены физические основы построения чувствительного элемента опорного направления с осциллирующей вдоль вертикали места массой, его структурная схема. Исследованы динамические характеристики трех типов механических чувствительных элементов: с подвижной точкой подвеса, с неподвижной точкой упругого подвеса, на основе свободнопадающего тела. Выявлены погрешности определения опорного направления Восток-Запад каждым из представленных чувствительных элементов и предложены методы устранения или существенного уменьшения погрешностей.
В третьей главе исследованы динамические характеристики двух типов чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой жидкостного типа: поплавкового и баллистического. Выявлены погрешности определения опорного направления Восток-Запад каждого из созданных чувствительных элементов и предложены методы устранения или существенного уменьшения этих погрешностей. Проведен сравнительный анализ всех рассмотренных типов чувствительных элементов.
В четвертой главе изложены практические вопросы создания чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой. Дано описание разработанных автором оптико-электронных методов съема информации о положении инерционного тела: теневого двухкоординатного (канального) измерения и непосредственного измерения (матричного). Приведены результаты физического (проверка точности определения направления Восток-Запад) и математического (процесса затухания колебаний в чувствительном элементе баллистического типа) моделирования созданных чувствительных элементов.
В заключении обобщаются результаты проведенных исследований.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В ТЕКСТЕ.
А — работа, совершаемая внешней силой для подъема на определенную высоту (подъем жидкости по трубке в баллистической схеме);
Ап, Вп — постоянные интегрирования в чувствительном элементе баллистического типа (определяются из начальных условий) — ак — Кориолисово ускорениеах, а2 — проекции ускорения свободнопадающего тела на соответствующие осиВ — амплитуда внешней силыb — коэффициент, характеризующий свободнопадающее инерционное телоСж — коэффициент жесткости упругих элементов для механических систем («гравитационной пружины» в жидкостных схемах);
С — коэффициент сопротивления среды, зависящий от формы инерционного телаD — коэффициент относительного затуханияcl — декремент затухания (диаметр трубки в баллистической жидкостной схеме) — Е — энергия колебания инерционного телаF — Архимедова (выталкивающая) сила;
Fac — аэродинамическая сила;
FH — выталкивающая сила для схемы свободнопадающего инерционного телаFx — сила гидродинамического сопротивления при движении инерционного тела в жидкости;
FK — сила Кориолиса (общий случай);
F", F’K — силы Кориолиса, действующие на инерционное тело при его движении вдоль вертикали места и в горизонтальной плоскости соответственноFu — сила притяжения магнита;
F (. -сила сопротивления среды, в которой движется инерционное тело;
FT = mg — сила тяжести;
Fn, — сила внутреннего трения жидкости;
Fm — сила поверхностного натяжения жидкости- - частота вращения жужжальца насекомогоg — гравитационная постоянная;
Н — двойная амплитуда колебаний площадки и высота, с которой падает инерционное тело для схемы свободно падающего инерционного тела. Высота подъема (опускания) инерционного тела в поплавковой схеме. Высота подъема (опускания) жидкости в трубке инерционного элемента в баллистической жидкостной схемеНп — высота трубки в баллистической жидкостной схемеHt, H2, H3- высота подъема жидкости в трубке инерционного элемента в баллистической жидкостной схеме при различных давленияхh- коэффициент демпфирования;
J — момент инерции подвижной части инерционного элементак — коэффициент жесткости подвесако — коэффициент демпфирования в чувствительном элементе баллистического жидкостного типаки — параметр модуляции. Коэффициент удлинения упругого подвесакт — отношение п-то периода затухающих колебаний к начальному- / - плечо действия силы Кориолиса относительно опоры в чувствительном элементе баллистического жидкостного типа;
1п, — длина границы (периметр) поверхностного слоя жидкости- 10 — длина подвеса инерционного тела на упругом элементе. Для инерционного элемента баллистического жидкостного типа расстояние от центра масс до центра поворотаЛI — относительное удлинение упругого элемента подвеса;
М — возмущающий момент, отклоняющий подвижную систему от положения равновесия;
Мв, Мпг, Mvмоменты, действующие на подвижную часть инерционного элемента баллистического жидкостного типа: вращающий, противодействующий, успокоения соответственнош-масса инерционного элементатж — масса движущейся по трубке жидкости в баллистической жидкостной схемеN. IVнормальная реакция, действующая перпендикулярно плоскости основания (давление) — пколичество периодов колебанийР — давление;
Рв — давление воздуха в кольцевом зазоре между инерционным телом и горизонтальной площадкой;
Р, Р2- давление в объеме над жидкостью в жидкостных схемахр — частота внешней силыQ — добротность системы;
R — радиус инерционного тела в схеме свободнопадающего тела и баллистической жидкостной схеме;
S — площадь поперечной, относительно вертикали места, проекции инерционного тела трубки в баллистической жидкостной схеме);
Scv — площадь смоченной поверхности инерционного тела;
Sn — чувствительность датчика в баллистической жидкостной схеме;
Т — период вынужденных колебаний инерционного тела, совершаемых вдоль вертикали места;
Т0 — постоянная времени демпфирования в чувствительном элементе баллистического жидкостного типа;
Тп — собственный период колебаний инерционного элемента при его постоянной длине («маятниковый» период) — V — объем инерционного тела;
Vn, Vl, V2 — объем инерционного тела с трубкой при различных давлениях в баллистической жидкостной схемеи — скорость инерционного тела (линейная) — их, uy, vzскорость инерционного тела относительно соответствующей оси координатх, — амплитуда отклонения инерционного тела в жидкости в первый период его баллистического забросахс, ус — величина смещения свободнопадающего инерционного тела в направлении.
Восток-Запад (СеверЮг) под действием силы Кориолисауд — величина дрейфа инерционного элемента относительно направления Восток.
Запад;
Zu — амплитуда вынужденных колебаний вдоль вертикали местаZK — амплитуда колебаний инерционного тела;
Zn4, Zm. — мгновенное значение амплитуды колебаний площадки и высота падения инерционного тела соответственноZn. — статическое смещение;
Р — коэффициент, определяющий динамические характеристики в чувствительном элементе баллистического жидкостного типау — угол между горизонтальной плоскостью и линией возбуждения колебаний инерционного тела;
8В — сдвиг фаз вынужденных колебаний- 5СТ — статическое удлинение подвесаб — показатель затухания;
С, — угол отклонения магнитной системы от меридиана;
7 — коэффициент внутреннего трения между слоями жидкости- 9 — угол, характеризующий величину поверхностного натяженияЯ — широта местаi — коэффициент пропорциональности между силой сопротивления Fc и скоростью движения инерционного тела оv — скорость инерционного тела (угловая) — р — плотность среды, в которой движется инерционное телоа — коэффициент поверхностного натяженият — время действия силы Кориолиса в чувствительном элементе баллистического жидкостного типа- & - коэффициент затуханияр — угол отклонения инерционного элемента от вертикали места относительно точки подвеса;
Q — угловая скорость нарастания ошибки определения направления ВостокЗапад;
Qiугловая скорость вращения Землисо — резонансная частота собственных колебанийсо{) — частота собственных колебанийй)2 — угловая скорость поворота туловища насекомого по курсу. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В ТЕКСТЕ ВМ — вертикаль места;
ГИК — гравитационно-инерциальный компас;
ИТ — инерционное тело;
ЦЦ — центр давления;
ЦМ — центр масс;
ЧЭ — чувствительный элемент.
Выводы.
Проведенное математическое и физическое моделирование показало:
1. Принципиальную возможность создания чувствительных элементов с осциллирующей вдоль вертикали места массой для определения опорного направления Восток-Запад.
2. Правильность и достоверность проведенных теоретических исследований (главы 2 и 3).
3. Необходимость проведения дальнейших теоретических исследований и практических разработок с целью устранения погрешности определения опорного направления Восток-Запад, повышение достоверности и надежности его определения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Проведенные теоретические исследования динамики чувствительных элементов опорного направления Запад-Восток с осциллирующей вдоль вертикали места массой и их физическое и математическое моделирование показали:
1. Впервые в области создания приборов азимутального ориентирования технически реализованы чувствительные элементы на принципе биологического механизма пространственной ориентации, действующего в живой природе.
2. При осциллировании инерционного тела вдоль вертикали места за счет переносного движения (суточное вращение Земли) на инерционное тело действует сила Кориолиса. Вектор силы Кориолиса при наличии скорости инерционного тела вдоль вертикали места отличной от нулевой всегда расположен на линии Восток-Запад (линия опорного направления или линии 1-го вертикала).
3. За один период осцилляции инерционного тела вдоль вертикали места проекция его траектории на плоскость горизонта имеет вид сильно вытянутого эллипса, большая ось которого (проходящая через точки фазового перехода) является линией опорного направления Восток-Запад.
4. Выявленное свойство осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела перемещаться (без ограничения по времени и широте места) в направлении Восток-Запад является технической основой для создания чувствительного элемента гравитационно-инерциального компаса.
5. Результаты теоретических исследований динамики осциллирующего вдоль вертикали места инерционного тела подтверждаются экспериментальными исследованиями.
6. На основе вышеизложенных теоретических положений созданы макеты четырех типов чувствительных элементов.
