導彈能跨越千裡準确地擊中目标，一定要有一系列感知位置和姿态的傳感器，其中角運動檢測裝置陀螺儀是必須具備的，雖然目前光纖陀螺儀，激光陀螺儀，靜電陀螺儀和MEMS陀螺儀等新型的陀螺儀應用已經十分廣泛，但是在此之前機械陀螺儀才是導彈制導系統中核心零件。今天我們就聊一聊機械式陀螺儀的原理。

我們玩的陀螺在靜止的時候是站不起來的，但是當陀螺高速旋轉的時候他就能穩定地站起來。

旋轉中的陀螺

而且在特定的條件下，它的轉軸能夠保持一個非常穩定的角度。

更神奇的是，如果我們把陀螺放在一個可以旋轉的萬向節中，無論我們怎麼擺動萬向節，高速旋轉陀螺的旋轉軸仍能保持穩定不變。

如果我們把陀螺儀放在兩個萬向節中，除了旋轉軸能保持一緻以外，我們旋轉一個萬向節，另個一萬向節也會旋轉，并且方向是有規律的，當推動外框架或者内框架改變動量矩的方向時，陀螺儀會産生反作用力矩，其大小與外力矩相等，方向相反，遵循角動量守恒。

上圖左為放在兩個萬向節中的陀螺儀，上圖右為放在一個萬向節中的陀螺儀（圖片來自大英百科）

三自由度陀螺儀

陀螺儀正是基于旋轉的陀螺這些特性被發明出來的。

機械陀螺儀是由讓-伯納德-萊昂·福柯（ Jean-Bernard-Léon Foucault），一位法國物理學家在1850年發明并命名的。他将陀螺儀命名為将高速旋轉的陀螺安裝在環形萬向節中，旋轉的陀螺的角度即使萬向節組件傾斜時也能保持其姿态的一種裝置。

在 1850 年代，福柯使用這種轉子進行了一系列實驗，并證明了無論環形萬向節如何旋轉，中間的陀螺轉子軸都保持其原始方向，并且這個特性與地球自轉沒有關系。這就是陀螺儀的定軸性。

這種特性為陀螺儀作為方向指示器提供了許多應用，并且在 1908 年第一個可行的陀螺羅盤是由德國發明家H. Anschütz-Kaempfe 開發并應用于潛水器。

1909年美國發明家Elmer A. Sperry建造了第一個自動駕駛儀使用陀螺儀保持飛機在航線上。1916 年，一家德國公司在一艘丹麥客船上安裝了第一台船舶自動駕駛儀，同年，陀螺儀被用于設計第一台人工地平線飛機。

二戰期間，首次有了彈道導彈，即德國V-2導彈，首次将陀螺儀用在導彈制導系統中。

到這裡是不是還是不太明白陀螺儀的應用原理？不要緊，我們舉一個例子。

如上文提到的陀螺儀有兩個重要的特性，中心軸比較穩定的特性我們稱之為定軸性，萬向節跟随轉送的特性我們稱之為進動性。

應用于導彈慣性制導系統中姿态控制的機械陀螺儀，就是利用陀螺儀的定軸性。簡單地講，飛行器在空中飛行過程中，不管姿态如何改變，陀螺儀的中心旋轉軸始終指向原始給定的垂直方向而不變，而這時旋轉的陀螺和兩個外面的環形萬向節就産生了角度偏差，這樣就提供了有關姿态角的信息。當然，由于陀螺自身漂移和環境變化，需要修正裝置随時校準修正。彈道導彈的陀螺儀也十分複雜，一個制導陀螺儀的零件就有上萬個。

導彈中的機械陀螺儀

利動性的典型應用就是上文提到的陀螺儀羅經。它利用地球自轉角速度和重力力矩的綜合作用，能夠使自轉軸自動尋找真北，而不需要依靠地磁場。

陀螺儀羅經的詳細工作原理太燒腦了，後面有時間再一起研究吧。

機械陀螺儀應用十分廣泛，可用于飛機、輪船導航，可以用于檢測飛機，導彈的姿态，可用在隧道施工盾構機的的定向等，實際工作中我們也會經常接觸到陀螺儀。而我們的手機之所以能感知我們的方向，我們拿手機的角度也是應用了陀螺儀，不過是MEMS陀螺儀，這種陀螺儀和機械式陀螺儀的原理和結構完全不同，後期有時間在和大家一起探讨。喜歡的話關注一下啊。

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