자이로스코프의 작동 원리 분석

자이로스코프의 작동 원리 분석

자이로스코프의 정의와 역사

자이로스코프가 무엇일까요?

자이로스코프는 축을 중심으로 빠르게 회전할 수 있도록 바퀴나 디스크 또는 순환하는 빛의 빔으로 구성된 장치입니다. 이 축은 어느 방향으로든 자유롭게 변경됩니다. 축의 방향은 마운팅의 기울기에 영향을 받지 않으므로 자이로스코프는 원하는 방향에서 물체의 편차를 감지하고 측정하는 데 사용되며, 심지어 위의 방향과 각속도도 유지합니다. 팽이가 회전하는 동안 외부에서 충격이 가해져도 쓰러지지 않고 자세가 바뀌지 않으며 회전축이 항상 일정한 방향을 가리키는 성질인, 일종의 관성력인 관성모멘트를 이용한 부분입니다. 가장 기본적인 형태의 자이로스코프는 축 위의 회전하는 바퀴, 혹은 디스크 형태입니다. 더 복잡한 것은 일반적으로 금속 프레임, 이동 가능한 프레임 또는 짐벌 세트에 장착되어 장치가 더 정밀하게 작동합니다. 일반적으로 모든 축에서 넓은 대역폭을 허용하는 다중 축 자이로스코프입니다. 그러나 이런 자이로스코프는 오늘날 여러 가지 다양한 용도를 가지고 있습니다. 나침반과 선박과 항공기의 자동 조종사, 어뢰의 조종 메커니즘, 그리고 우주 발사체, 탄도 미사일, 그리고 궤도 위성에 설치된 관성 유도 시스템 등 다양한 곳에 사용되며, 그만큼 모양도 변형되어 왔습니다. 본질적으로 자이로스코프는 짐벌 한 쌍과 결합된 팽이입니다. 자이로스코프와 유사한 최초의 기구는 휘슬링 스펙큘럼 또는 서슨 스펙큘럼으로 1743년 존 서슨에 의해 발명되었습니다. 안개가 끼거나 안개가 낀 상태에서 수평선을 찾기 위한 레벨로 사용되었습니다. 독일의 요한 보넨 베르거가 이 기구를 실제 자이로스코프처럼 사용하는 것에 대해 얘기한 것은 1817년입니다. 그리고 1852년, 프랑스 물리학자 레오 푸코는 그것을 지구의 자전을 포함하는 실험에 사용했고, 그 장치의 현대적 이름을 붙였습니다. 스코페인은 보는 것을 의미하는 그리스 단어 스코페인에서 유래했고 자이로(zyro)는 원이나 회전을 의미하는 그리스 단어 자이로(gyros)에서 유래되었습니다. 1860년대에 등장한 전기 모터 덕에 자이로스코프를 무한정 회전시키는 것이 가능해졌습니다. 그리고 뒤이어 1904년에 독일의 발명가 헤르만 안슈츠 카엠페가 최초의 기능성 자이로인 항해용 자이로 컴퍼스를 개발했습니다. 머지않아 국가들은 자이로스코프가 순항 및 탄도 미사일의 자동 조종과 회전 및 피치 모션을 교정하는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 깨닫고 이 발명의 군사적 중요성을 깨닫게 되었습니다. 그래서 제2차 세계대전 동안 자이로스코프는 항공기와 대공포 조준경의 주요 부품이 되었습니다. 전쟁 후, 자이로스코프는 유도 미사일과 무기 항법 시스템에 사용하기 위해 소형화되었습니다. 이 자이로스코프는 무게가 85g 미만이고 지름이 약 2.5cm 정도였습니다.

자이로스코프의 작동 원리와 그 종류

그렇다면 자이로스코프는 어떻게 작동할까요?

자이로스코프는 기본적으로 짐벌이라고 불리는 빛을 지지하는 고리에 고정된 거대한 회전자입니다. 짐벌에는 중앙 로터를 외부 토크로부터 분리하는 무마찰 베어링이 있습니다. 스핀 축은 스핀 휠의 축에 의해 정의됩니다. 로터는 축을 중심으로 회전하며, 자유도는 3도입니다. 따라서 고속에서 탁월한 균형 안정성을 확보하여 중앙 로터의 고속 회전축을 유지합니다. 이제 자이로스코프가 주어진 축을 중심으로 외부 토크나 회전을 가하면 세차 현상을 이용해 방향을 측정할 수 있습니다. 즉, 회전축에 수직인 방향으로 외부 토크를 축을 중심으로 회전하는 물체에 적용하면 세차 운동이 발생합니다. 스핀 축에 대한 이 회전이 식별되고 이 회전에 대한 정보가 모터 또는 기타 장치로 전달되어 세차를 취소하고 방향을 유지합니다. 세차운동은 서로 수직으로 배치된 두 개의 자이로스코프를 사용하여 피할 수도 있습니다. 회전율은 일정한 시간 간격에서 반작용 토크의 맥동으로 측정할 수 있습니다. 자이로스코프의 종류는 MEMS 자이로스코프와 HRG, CVG, DTG, 링 레이저 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프 등이 있습니다. 첫 번째로 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템) 자이로스코프는, 기본적으로 전자 장치에서 발견되는 소형 자이로스코프입니다. 이것들은 푸코 진자의 아이디어로 만들어졌고 진동 요소를 이용합니다. 다음으로 두 번째는 HRG(반구형 공명 자이로스코프)입니다. 와인 유리 자이로스코프 또는 버섯 자이로로도 알려진 HRG는 두꺼운 줄기로 고정된 얇은 고체 상태의 반구형 껍질을 사용합니다. 이 셸은 전극에 의해 생성된 정전기 힘에 의해 휨 공명으로 구동되며, 전극은 셸을 감싸고 있는 별도의 융접 쿼츠 구조에 직접 침전됩니다. 휨 상면파의 관성 특성은 자이로스코프 효과를 내는 데 도움이 됩니다. 세 번째로 CVG(코리올리 진동 자이로스코프)로도 알려진 진동 구조 자이로스코프는 회전 속도를 결정하기 위해 진동 구조를 사용하는 자이로스코프입니다. 그리고 DTG는 동적 튜닝 자이로스코프로, 이는 플렉셔 피벗이 있는 범용 조인트에 의해 매달리는 로터입니다. 플렉셔 스프링 강성은 회전율과 무관합니다. 그러나 짐벌에서 발생하는 동적 관성은 회전 속도의 제곱에 비례하는 음의 스프링 강성을 제공합니다. 따라서 특정 속도에서 두 모멘트는 서로를 상쇄시켜 회전자를 토크에서 해방시켜 이상적인 자이로스코프를 만듭니다. 링 레이저 자이로스코프는 두 개의 하프(halv)가 링 주위를 반대 방향으로 이동하는 경우에도 두 개의 하프로 분할된 빔의 이동 간섭 패턴을 측정하여 회전을 계산하기 위해 사냑 효과를 사용합니다. 사냑 효과에서 빛의 빔이 분할되고 두 빔은 같은 경로를 따르지만 반대 방향으로 만들어집니다. 진입점으로 돌아가면 두 개의 라이트 빔이 링을 빠져나와 간섭을 겪을 수 있습니다. 마지막으로 광섬유 자이로스코프는 빛의 간섭을 이용하여 기계적 회전을 감지합니다. 분할 빔의 두 하프 부분은 5km 길이의 광섬유 케이블 코일을 따라 반대 방향으로 이동합니다.