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선박용 안정기

선박 안정기는 주로 철기용골(→ 용골)과 자이로스코프로 구성되어 있다(→ 수직안정판). 철기용골은 선체에서 돌출되어 있고 배가 전진운동을 하면 핀들은 서로 반대방향으로 기울어지도록 되어 있다.

따라서 이 철기용골을 적절하게 제어하면 횡동요가 방지된다. 자이로스코프는 수직 각변위와 횡동요 속도를 감지하여 철기용골을 적절히 제어하는 역할을 한다.

관성항법 시스템

위치나 속도는 관성장치로 직접 감지할 수 없지만 가속도는 가속도계로 감지할 수 있어 선박·항공기·우주선의 위치를 결정하는 데 이용할 수 있다(→ 관성유도장치). 기본적으로 이 항법장치는 관성안정판·자이로스코프틀·컴퓨터 등 3가지 요소로 이루어진다.

서로 수직인 입력축이 설치된 가속도계는 관성안정판 위에 위치한다.

2개의 가속도계는 표면항법에 필요한 수평면에서의 가속도를 측정한다. 우주항법에서는 또 하나의 가속도계로 수직면에 대한 가속도를 측정한다. 각각의 가속도 신호는 초기 속도를 더하여 운반체의 속도를 구하는 총속도변화와 초기위치를 더하여 운반체의 현재 위치를 산출하는 총위치변화를 결정하여 이동거리로 변환시킨다. 자이로스코프 틀은 관성안정판의 안정에 대응한다(→ 제어 시스템). 3개의 속도 자이로스코프는 서로 직교하는 입력축이 설치된 틀에 고정되어 있으며, 이중 2개는 관성안정판을 수평으로 유지한다(이것은 중력 가속도의 영향을 제거하는 데 필수적임). 반면 3번째 자이로스코프는 남북을 유지한다.

종동요·횡동요·선수동요 등은 이 세 입력축에 의해 감지된다. 각각의 자이로스코프에 있는 짐벌 장치의 편향은 신호전압으로 변환된 뒤 증폭되어 기어열을 통해 틀을 원위치로 다시 회전시키는 서보 모터를 구동시킨다.

지구의 자전에 의한 기울어짐과 편류(그림2)도 자이로스코프틀에 의해 감지된다.

만약 관성안정판이 수평이고 남북으로 안정되어 있다면, 토크 신호는 기울어짐에 의한 세차운동을 상쇄시키는 좌우회전 서보 모터 및 상하진동 서보 모터와 편류에 의한 세차운동을 제거시키는 방위 서보모터에 가해진다. 속도 자이로스코프는 스프링에 의해 구속되지 않는 대신 세차운동이 점성항력에 의해 막아지는 유동형 자이로스코프를 사용한다. 따라서 토크는 스프링에 의해 구속된 자이로스코프처럼 세차운동의 변위 대신 세차운동의 속도에 비례한다.

컴퓨터는 가속도를 보정하고, 속도와 거리를 계산한 뒤 경도와 위도를 계산하여 자심 위도를 지리학적 위도로 변화시킨다. 만약 관성장치가 우주선의 관성유도장치에 사용된다면, 컴퓨터는 비행체의 위치를 목적지와 비교하고 우주선의 속도 벡터(방향과 속도)를 로켓 조종 및 추진중단 명령을 주는 프로그램의 속도 벡터와 비교한다.

안정판과 사격조준기

관성안정판은 매우 소형이고 높은 정밀도로 안정되어야 하지만, 포탑의 안전판에 사용되는 방법도 본질적으로는 동일하다.

안정판의 변위를 감지하는 자이로스코프는 유동형만큼 정확하지 않다. 자이로 사격조준기는 대공사격에 일대 변혁을 일으켰다. 포에 부착된 조준기는 서로 수직인 두 평면에서 각속도를 각각 측정할 수 있는 속도 자이로스코프를 포함한다. 자이로 조준기는 그림1­1에 있는 내부 및 외부 짐벌이 각각 수평 및 수직 스프링에 의해 구속된 3틀 자이로스코프로 생각할 수 있으며, 기계식 스프링 장치 대신 가변 자기장이 회전자축의 방위와 고도를 제한하는 데 사용된다.

수평방향 자기장을 발생시키는 계자 코일이 거리계와 연결되어 있다. 수직 계자 코일을 통해 흐르는 전류는 자기장이 중력에 의한 포탄의 낙하양과 같도록 조절되어 있다. 자이로스코프의 감도는 수평면에 대해서는 시계(視界)의 함수이고 수직면에 대해서는 중력강하의 함수이다. 조준산정장치라고도 하는 이 사격조준기를 작동시키면 포탄이 떨어지는 위치로 자이로스코프에 의해 자동적으로 조준되는 동안 사수는 표적의 중심점에 상을 잡는다.

기타 응용장치

자이로스코프 원리는 자이로컴퍼스, 자이로 조종장치와 같은 많은 응용장치와 비회전 자이로스코프 장치에 이용된다.

외부가속에 무관한 보정(補整) 자기 컴퍼스는 자북을 가리킨다. 그러나 자이로컴퍼스는 적절하게 조절되어 진북을 가리키도록 할 수 있다. 선박용 자이로컴퍼스는 수평 회전축을 가진 3틀 자이로스코프이다. 진북을 가리키지 않을 경우 자이로스코프의 북방­탐색기능과 현재위치결정(자오선결정) 기능을 얻기 위해 회전축의 기울어짐 효과(tilting effect)를 이용한다.

기울어지는 즉시 전자식 장치는 회전축을 자오선 방향으로 세차운동시키는 토크를 발생시키는데, 이때 반지름이 단조감소하는 나선을 그린다. 안정된 경우 회전축은 특정 위도에서의 편류와 크기는 같지만 방향이 반대인 세차운동에 의해 자오면에 유지된다. 기울어짐 효과가 없는 경우 선박용 자이로컴퍼스는 방향성을 상실하게 되어 쓸모 없게 된다. 이 경우는 극점에서의 경우와 운송기구가 지구 표면의 속도와 동일한 속도로 서쪽으로 이동할 때이다.

후자의 조건은 중위도와 고위도에서 비행하는 항공기에서 흔히 일어나기 때문에 항공기 항법용으로는 자이로컴퍼스를 사용할 수 없다. 항공기용 자이로컴퍼스는 감시장치가 자오선 방향을 감지하고 자이로스코프축이 이 방향으로 유지되도록 하는 자동방향감시 자이로스코프를 바탕으로 이루어졌다. 감시장치는 플럭스 밸브(flux valve)라고 하는 자기감지장치로 이루어졌고, 지구 자기장의 방향 변화가 고려되어 있다.

보통 자동조종장치라고 하는 자이로 조정장치는 3가지 기본장치로 이루어졌는데, 이들은 한 평면에서 항공기의 교란을 찾아낸 뒤 적절한 제어장치를 움직여 이 교란을 수정한다(→ 자동조종장치). 이러한 제어장치로는 선수동요 교란에 의한 갑작스런 변화와 방위의 변화에 대한 방향타 제어장치, 횡동요 교란에 대한 보조날개 제어장치, 종동요 교란에 대한 승강타 제어장치가 있다.

현대의 자이로 조종장치에서는 속도감지가 주요역할이고, 변위감지는 보조역할이다. 이런 설계에서는 선수동요 교란이 속도 자이로스코프에 의해 감지되고, 선수의 변화는 보조 자이로컴퍼스에 의해 감지된다. 이 2개의 신호는 전자적으로 더해져 정확한 방향타 제어를 방향타 서보 모터에 가하도록 한다. 횡동요 교란은 종동요 속도 자이로스코프와 변위를 감지하는 횡동요 각 진자에 의해 감지되며, 보조날개의 서보 기구가 정확한 수정을 한다.

종동요 교란은 종동요 속도 자이로스코프와 종동요 진자에 의해 감지되며, 승강타 서보 기구가 정확한 수정을 한다.

2틀 자이로스코프는 운반체의 회전속도를 측정하는 데 널리 사용된다. 속도 자이로스코프는 야포조준용 및 측량용 경위의(經緯儀)에 설치된다. 자이로컴퍼스에 설치된 경위의는 자기 컴퍼스가 금속 광상에 의해 방해를 받기 때문에 지하광산 탐사에 이용된다(→ 채광). 펜 기록계가 설치된 수직 3틀 자이로스코프는 배의 횡동요와 전후동요, 열차의 흔들림을 분석하는 데 종종 사용된다.