История автопилота

Продолжаю выполнять заявки френдов из ноябрьского стола заказов по темам постов, которые их больше всего интересуют. Давайте сегодня вместе с вами узнаем и раскроем тему от

res_man : "История Автопилота"

Автопилот представляет собой совокупность нескольких устройств, совместная работа которых дает возможность автоматически, без участия человека, управлять движением самолета или ракеты. Создание автопилота составило важную эпоху в истории авиации, так как сделало воздушные полеты гораздо более безопасными. Что же касается ракетной техники, где все полеты осуществляются в беспилотном режиме, то без надежных автоматических систем управления эта техника вообще не могла бы развиваться.

Главная идея автоматического пилотирования заключается в том, что автопилот строго поддерживает правильную ориентацию перемещающегося в пространстве аппарата. Благодаря этому аппарат, во-первых, удерживается в воздухе и не падает, а во-вторых, не сбивается с заданного курса, поскольку от правильной ориентации, прежде всего, и зависит траектория его полета. В свою очередь, ориентация аппарата в пространстве определяется тремя углами. Во-первых, это угол тангажа, то есть угол между продольной осью аппарата и плоскостью земли (или, как говорят, плоскостью горизонта). Отслеживание этого угла позволяет самолету сохранять продольную устойчивость - не «клевать носом», а ракете, совершающей полет по баллистической траектории - точнее поразить цель. Во-вторых, это угол рысканья, то есть угол между продольной осью аппарата и плоскостью полета (так мы назовем плоскость, перпендикулярную плоскости горизонта и проходящую через точку старта и точку цели). Угол рысканья указывает на отклонение аппарата от заданного курса. И, в-третьих, это углом крена, то есть угол, который возникает при повороте корпуса аппарата вокруг его продольной оси.

Своевременное исправление крена позволяет самолету сохранять поперечную устойчивость и гасит беспорядочное вращение ракеты. Автоматическое управление аппаратом было бы невозможно, если бы не существовало надежного и простого способа определения этих углов. К счастью, такой способ есть, и он основан на свойстве быстро вращающегося гироскопа сохранять неизменным в пространстве положение своей оси.

Иоганн Боненбергер, немецкий астроном и математик, изобрел гироскоп еще в 1817 году. Фуко, Жан Бернар Леон - французский физик, усовершенствовал гироскоп и дал ему его теперешнее название. Было замечено, что массивное твердое тело цилиндрической формы, вращающееся с большой скоростью вокруг своей оси, способно сохранять неизменное положение в пространстве при отсутствии внешних сил. Кроме того, при механическом воздействии на такое тело возникало явление прецессии гироскопа – вращение вокруг оси прецессии, перпендикулярной моменту внешних сил.  Эффект был назван гироскопическим и лег в основу всех инерциальных систем навигации.

Простейшим гироскопом является детский волчок, быстро вращающийся вокруг своей оси. Попробуйте повалить его щелчком, и вы увидите, что это невозможно - волчок лишь отскочит в сторону и будет продолжать вращение.

Однако ось ОА волчка не имеет постоянной ориентации, поскольку ее конец А не закреплен. Гироскопы, применяемые в технике, имеют намного более сложное устройство: ротор (собственно волчок) закрепляется здесь в рамках (кольцах) 1 и 2 так называемого карданова подвеса, что дает возможность оси АВ занять любое положение в пространстве.

Такой гироскоп может совершать три независимых поворота вокруг осей АВ, DE и GK, пересекающихся в центре подвеса О, который остается неподвижным относительно основания.

Главное свойство быстро вращающегося гироскопа, как уже было сказано, состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Например, если эта ось была изначально направлена на какую-то звезду, то при любых перемещениях самого прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду даже тогда, когда ее ориентация относительно земных осей изменится. Впервые это свойство использовал в 1852 году французский физик Фуко для экспериментального доказательства вращения Земли вокруг ее оси. Отсюда и само название «гироскоп», что в переводе с греческого означает «наблюдать вращение».

Гироскопы нашли широкое применение в авиации. В главе, посвященной аэроплану, уже говорилось о том, какой важной проблемой для первых авиаторов было сохранение в полете правильной ориентации самолетов.

Многие конструкторы думали тогда над созданием автоматических стабилизаторов. В 1911 году американский летчик Сперри разработал первый автоматический стабилизатор с массивным гироскопом. Впервые самолет с таким стабилизатором поднялся в воздух в 1914 году. А в начале 20-х годов фирма Сперри создала уже настоящий автопилот.

СПЕ́РРИ (Sperry) Элмер Амброуз (12 октября 1860, Кортленд, штат Нью-Йорк — 16 июня 1930, Бруклин, штат Нью-Йорк), американский изобретатель и промышленник. Наиболее известные его изобретения — гироскопические компасы и стабилизаторы.

В детстве проявлял интерес к технике и электричеству. В возрасте 19 лет занялся усовершенствованием электрических машин и дуговых ламп. В 1880 он основал электрическую компанию «Сперри» для их производства и сделал первые изобретения в этой области. В 1888 основал компанию для производства горных электрических машин. В 1890 Сперри занялся проблемами транспорта, разработал электровоз и электрические моторы для трамваев, основал электрическую железнодорожную компанию. В 1894 разработал электрические автомобили с изобретенной им аккумуляторной батареей.

После 1900 вместе с С. П. Таунсендом основал электрохимическую лабораторию в Вашингтоне. Там они разработали процесс утилизации олова из старых канистр. В это же время основал в Чикаго компанию для производства проводов и плавких предохранителей.

К 1918 он начал производство дуговых прожекторов, дававших в 6 раз более яркий свет по сравнению с существовавшими в то время.

В течение десятилетий Сперри интересовался гироскопами и их практическим использованием. Первым гирокомпас осуществил немецкий изобретатель Х. Аншютс-Кемпф в 1908.Сперри основал компанию гироскопов в Бруклине в 1910, а в 1911 установил свой гирокомпас на американском линейном корабле «Делавер». Позднее он применил гироскопы в приборах для управления торпедами, судами и самолетами.

В начале 1920-х гг. фирма «Сперри» создала первый автопилот, управлявший рулями и следивший за сохранением заданного режима полета. Позднее были созданы автоматические системы управления рулями и двигателями самолета. Такие автопилоты позволили осуществлять полеты без участия летчика и даже управлять летательными аппаратами на расстоянии. Широкое применение системы автоматического управления на основе гироскопов нашли в ракетах.

За свою жизнь Сперри основал 8 производственных компаний и получил более 400 патентов. Основанная им корпорация «Сперри» и сегодня производит компьютеры, средства управления, электрическое и гидравлическое оборудование.

Раньше других с проблемой автоматического управления ракетой столкнулись немецкие конструкторы - создатели первой в истории баллистической ракеты «Фау-2».  Автомат стабилизации «Фау-2» состоял из гироскопических приборов «Горизонт» и «Вертикант». «Горизонт» позволял определить плоскость горизонта и угол наклона (угол тангажа) ракеты относительно этой плоскости.

Но с историей гироскопа связано еще одно имя - Билл Лир. Имя этого человека в нашей стране было практически неизвестно, а вот западная пресса писала об Уильяме Пауэлле Лире (таково его полное имя) на протяжении полусотни лет: начиная с двадцатых годов прошлого века и вплоть до его смерти — до 1978 года…

Билл Лир не случайно заслужил такое пристальное внимание прессы, ведь вся его жизнь была пронизана страстью к изобретениям, которые, в отличие от «творений» множества других «технических гениев» всегда работали. Всего он получил более 150 патентов. Его детищем являлись: автомобильное радио и частный реактивный самолет; восьмидорожечный магнитофон и автопилот и многое многое, другое, но… начнем по порядку.

Уильям Лир родился в Ганнибале, штат Миссури, 14 мая 1902 года, и его детство нельзя назвать счастливым. Мать его развелась, когда Билл был еще несмышленым младенцем. Вскоре она снова вышла замуж, и вместе с новым мужем ударилась в религию. Жестокость этих религиозных фанатиков по отношению к своим детям была бы более уместна где-то в Средневековье, чем в начале XX века, и мальчик, не выдержав постоянного давления, ушел в себя.

Тайно от матери Билл запоем читал фантастику и журналы по электронике. В 12 лет он купил свой первый набор инструментов, собрал собственный приемник и выучил азбуку Морзе. В 17 лет терпение Билла лопнуло, он бросил школу, «добавил» себе один год и ушел служить во флот, навсегда расставшись со своими чересчур религиозными родителями.

Служба во флоте добавила Биллу множество знаний по радиоэлектронике. Выйдя в отставку, он занялся своим любимым делом: конструированием и изобретательством.

У Билла, помимо электроники, была еще одна «страсть»: из закомплексованного, забитого матерью ребенка он вырос в настоящего ловеласа и не мог спокойно пропустить ни одну женскую юбку. Это его «увлечение» и дало повод к первому изобретению.

Радио в машине

Лиру не давало покоя желание катать в авто красивых девушек под приятную музыку. Но в то время совместить эти две вещи было практически невозможно. Проблема состояла не только в том, что приемники представляли собой напичканные хрупкими лампами «бабушкины сундуки» красного дерева, занимали все заднее сиденье автомобиля (больше они никуда не влезали), да и по цене были сопоставимы со стоимостью самой машины.

Нет. Первые хитрецы, перетащившие свой «музыкальный ящик» в автомобиль, вдруг обнаружили, что для более-менее сносного приема нужна хорошая антенна. Причем самый компактный вариант автоантенны того времени представлял собой могучую конструкцию, похожую на балконную сушилку для белья и отнюдь не украшал собой лаковые кузова «Роллсов» и «Паккардов». Помимо этого возникали проблемы с настройкой (волна постоянно «уходила»), плюс раздельное питание: приемнику нужна своя батарея, а то и две, а иногда даже три. А еще добавились постоянные помехи от системы зажигания…

Эта проблема дала повод Лиру проявить себя. Он затолкал громоздкий ящик под водительское сиденье, приделав к нему для удобства «салазки» (как и на всех современных магнитолах); что-то помудрил с антенной, после чего она приняла достойный вид; совместил систему питания приемника с автомобильным аккумулятором; разместил ось конденсатора переменной емкости, которым приемник настраивался на нужную частоту, не горизонтально, как делали все до него, а вертикально, после чего настройка почему-то перестала сбиваться и, наконец, с помощью нехитрых приспособлений перенес шкалу и все ручки настройки на щиток приборов.

Билл Лир оформил патент на свое изобретение, а его хороший знакомый, некто Поль Гэлвин, по достоинству оценив новую конструкцию приемника, с успехом начал ее продавать. Так, благодаря изобретению Лира и финансовым усилиям Гэлвина на свет появилась компания «Моторола».

Дух авиации

Получив в 1931 году с «Моторолы» достойный дивиденд, Билл купил себе небольшой биплан и начал осваивать воздушное пространство — летать на самолете было его детской мечтой.

Как-то во время очередного полета, Лир заблудился в облаках и долго не мог отыскать свой аэродром. Это происшествие подвигло его на очередное изобретение — лироскоп — прибор, позволяющий определить местоположение и направление движения. Этот прибор, как и большинство его изобретений, стал промышленным стандартом — более половины всех американских самолетов оснащены изобретением, сделанным Лиром в тридцатых годах прошлого века.

Для выпуска своего лироскопа (то, что мы привыкли называть автопилотом) Билл организовал собственную компанию «Лир Инк». В 1940-х этот прибор уже полностью доминировал на рынке, а за годы войны их было выпущено более чем на 100 миллионов долларов.

Пилоты американских реактивных самолетов использовали исключительно его продукцию. В результате Лир скопил приличное состояние и приобрел в Швейцарии владение огромное ранчо. Он очень часто посещал ранчо и, как-то прогуливаясь по своей территории, случайно наткнулся на полуразобранный швейцарский истребитель. Эта «встреча» дала Биллу Лиру новую идею.

Создание «Лир Джет»

К тому времени Лиру стукнуло уже 60 лет. Его компания «Лир Инк» процветала. Казалось бы, что еще человеку надо? Но изобретатель был неутомим. Очередная идея-фикс — постройка частного реактивного самолета — захватила его на столько, что он продал свою фирму и организовал новую, назвав ее «Лир Джет».

Инженеры по аэронавтике говорили, что самолеты «Лир Джет» никогда не полетят. Эксперты аэрокосмической промышленности говорили, что это нелепая идея. Банкиры отказались финансировать проект и предрекали его поражение. Лир рассказывал: «Все банкиры обращались к моим конкурентам с вопросом: "Может ли он сделать реактивный самолет?" А те отвечали: "Он ничего не смыслит в авиации. Он не является аттестованным инженером по аэронавтике. У него не больше десяти миллионов долларов. Наверняка он не сможет этого сделать».

Однако, несмотря на все препятствия, результат оказался потрясающим. Самолет компании «Лир Джет» превзошел все сертификационные параметры Управления Авиации США. Уже через два года после появления на свет фирма Билла Лира стала лидером в своей области и остается ей до сих пор. К примеру, очередной Лир Джет 85, представление которого состоялось 30 октября 2007 года, через тридцать лет после смерти создателя компании, стал первым реактивным самолетом, полностью состоящим из композиционных материалов.

Но, вернемся в 60-е годы. Строя свой первый самолет, Лир пытался наполнить его самыми передовыми техническими новинками, как облегчающими управление, так и создающими комфорт. Одной из таких комфортных новинок  считалась музыкальная стереосистема.

Проблема состояла в том, что компактных стереомагнитофонов, способных поместиться в салон самолета, попросту не существовало. И Билл, строя реактивный самолет, попутно решал эту «маленькую» на первый взгляд проблему. И благополучно ее разрешил. Так появился первый восьмидорожечный стереомагнитофон.

В 1950 году Билл Лир получил самую высокую награду авиации — «Коллиер Трофи» за изобретение автопилота. Он удостоился почетной докторской степени в области техники от Университета Мичигана в 1951 году. Пять других университетов удостоили Лира почетных докторских званий, самыми престижными из которых были Нотр-Дам и Карнеги-Меллон. Лир увековечен в Зале Славы Авиации и награжден Медалью Тайлена в 1960 году.

Вот тут можно скачать такую книжку - скачать  djvu/2,1M

источники
http://megaznanie.ru
http://www.chronoton.ru
http://www.vse-znaykin.ru
http://www.megabook.ru