ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ВНУТРИ ОБЪЕКТА БЕЗ КОНТАКТА С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ
© Алиханов Леонид Иванович
1.Устройство бесконтактного спидометра.
Способ не имеет прототипа. Все существующие способы измерения скорости связаны с внешней средой. Измерение скорости объекта внутри него, изолированно от внешнего мира, становится возможным потому, что скорость измеряется относительно поперечной траектории светового импульса, сохраняющего своё постоянство независимо от движения объекта. Бесконтактные спидометры, работающие на этом принципе, могут быть разными. Но их всех объединяет то, что скорость в них отсчитывается от поперечной траектории лазерного импульса. Простейший из них - линейный бесконтактный спидометр. Принципиальная схема его приводится на Рис., прилагаемой к описанию. На нём объясняем сущность предлагаемого способа. Прибор состоит из трубки 1 квадратного (а), или круглого (в), или иного сечения. Трубка 1 зеркальна изнутри. При квадратном сечении достаточно сделать зеркальными изнутри две поверхности трубки, ту, к которой прикреплён снаружи лазер 2, и противоположную ей. Лазер 2 испускает периодически световой импульс 3.
Остановимся на работе такого спидометра. Прежде всего отметим, что продольная ось трубки 1 располагается по движению объекта. Лазер 2 укрепляется перпендикулярно продольной оси трубки, то - есть так, чтобы лазерный импульс выстреливался поперек движения. Трубка заглушена с торцов, воздух из нее откачен, насколько это возможно. Импульс отражается от зеркальности трубки. Окошко, через которое лазерный импульс 3 попадает во внутрь трубки, тонировано наподобие стекла автомобиля. Оно прозрачно для входящего лазерного импульса и зеркально для внутреннего света. На торцах трубки - фотоэлементы. Если объект не движется, то короткий лазерный импульс 3, отражаясь от зеркальной поверхности, будет “метаться” внутри трубки, “туда и обратно” по одной линии, перпендикулярной оси трубки. Когда же объект станет двигаться, для импульса 3 траектория не изменится, но сама трубка вместе с объектом будет передвигаться относительно импульса 3, и в конечном итоге импульс закончит свое существование на торцевой стенке спидометра, что будет отмечено фотоэлементом. Засекая время Т, через которое это случится после запуска импульса, по формуле (1) определяется скорость объекта. Стоит отметить две особенности работы такого спидометра. Как видно из формулы (1) работа его не зависит от диаметра трубки. А ещё, с уменьшением скорости v увеличивается время Т, от чего возрастает точность замера малых скоростей.
2. Доказательство работоспособности способа.
Доказать возможность измерить скорость внутри объекта без контакта с внешней средой можно очень просто. Отрицает это первый постулат теории относительности. Он гласит: не существует способа, чтобы изолированно установить, находится тело в состоянии покоя или равномерного движения. Это принцип относительности Галилея, который Эйнштейн перенёс в свою теорию. Убеждая в этом, Галилей доказывал почему на Земле нельзя обнаружить её движение. Он объяснял это на такой аналогии. Если в каюте корабля подпрыгнуть вертикально вверх, то приземлимся там откуда прыгнули, независимо от того движется корабль или нет. Происходит это потому, что предмету, получившему движение внутри движущегося корабля, передаётся ещё движение корабля, отчего он движется относительно корабля так, будто корабль не движется.
А если не будет передаваться? Что изменится? Если тогда подпрыгните вертикально в точке А, то приземлитесь в точке В. Замерили АВ, разделили на время прыжка и получили скорость корабля. Значит, для изолированного измерения скорости надо найти такой предмет, которому движение корабля не передаётся. И такой “предмет” есть. Это световой импульс, испускаемый лазером. Укрепили зеркало на потолке каюты. Направили с точки А на него лазерный импульс (прыжок вверх). Он отразился в точку В на полу (приземление). Замерили АВ, разделили на время полёта импульса и получили скорость корабля. Однако АВ здесь очень мало, что затрудняет измерение. Чтоб увеличить этот параметр и время полёта импульса, он многократно отражается от двух параллельных зеркал - на потолке и на полу. Это принцип работы прибора (бесконтактного спидометра) измеряющего скорость внутри объекта без контакта с внешней средой. Здесь скорость объекта V=L/T (1), где L - рабочая длина зеркал, Т - время, за которое импульс, отражаясь попеременно от зеркальных полос, проходит длину L. Найденную таким способом скорость, назовём собственной.
З. Применение бесконтактных спидометров.
Автоматизация беспилотного движения
БС востребуется, прежде всего, для автоматизации собственного движения таких объектов, как беспилотник, крылатая ракета(КР), узкоцелевая безэкипажная субмарина и тому подобное. Кроме того, позволит точно определять координаты в подводном флоте без всплытия под перископ и при движении подо льдом. Тоже самое, в космических рейсах. Как это будет, поясним для КР, летящей на малой высоте, то-есть в ветровой зоне.
Прежде всего укажем на самое главное:
Существующие приборы измеряют скорость объекта относительно воздуха или воды, окружающего его, и потому они дают лишь суммарное значение собственной скорости объекта и дующего ветра или морского течения. Извлечь из полученного измерения собственную скорость объекта, не зная скорость ветра, течения невозможно.
БС измеряет собственную скорость объекта относительно поперечной траектории лазерного импульса, то есть независимо от внешней среды. Поэтому применение БС в качестве первичных датчиков позволяет измерить собственную скорость при ураганном ветре с той же точностью, как и в абсолютно безветренную погоду.
3.1. Устройство (БА) составляется из двух бесконтактных спидометров (БСХ и БСУ), ортогональных друг к другу (БСХ ┴ БСУ). Они удерживаются в горизонтальной плоскости с помощью маятника или гироскопического устройства. С помощью компаса БСУ ориентируется все время по линии СЮ (север-юг). На карту наносятся точка A-начало пути и точка В-конец пути. По карте определяется угол β между прямой АВ и СЮ.
3.2. Работа БА. Все время определяется собственная скорость движения по формуле V=, где Vy и Vx показания БСУ и БСХ по осям Y и X, а Vo-линейная скорость вращения Земли на широте Y. Для направления АВ скорости по БСУ и БСХ должны быть Vу=V cosβ (1) и Vx=Vsinβ ± Vo (2). Как известно Vo=465,l 19cos φ м/с, где φ -широта, которая корректируется бортовым компьютером, исходя из пройдённого пути. С помощью рулевого управления КР, фактические Vy и Vx подгоняются все время под значения (1) и (2).
3.3. По показаниям БС бортовой компьютер вычисляет пройденное расстояние, и на заданном удалении от точки В КР направляется в цель.