Gyroscope universel La présente invention se rapporte à un gyroscope universel (ce qui veut dire qu'il constitue un horizon artificiel et un gyroscope de direction), du type connu dont le gyrostat, de forme extérieure sphérique, est sustenté et propulsé par un fluide, par exemple par de l'air.
Au cours de nombreux essais systématiques effectués sur des gyroscopes de ce type dans lesquels le gyrostat tourne dans un palier à fluide fixé au boîtier du gyroscope et constitué principalement par deux calottes sphériques juxtaposées entre lesquelles se trouve un espace annulaire collecteur de l'air ayant servi à la sus tentation et à la propulsion du gyrostat, il a été constaté que deux influences agissent sur le gyrostat et modifient sa position. La première fait que l'axe de giration vient très lentement prendre une position préférée dans laquelle il est perpendiculaire à l'axe passant par les sommets des deux calottes du palier. La seconde fait qu'en outre l'axe de giration s'oriente constamment dans la même direction par rapport au palier; c'est dans cette orientation préférée que le gyrostat prend sa plus grande vitesse.
On tire avantageusement parti de ces influen ces dans le gyroscope selon la présente invention, qui est caractérisé en ce qu'il comprend: un palier dont une partie supérieure est transpa rente et qui est fixé à un boîtier du gyroscope; un palier flottant composé de deux calottes hémisphériques juxtaposées, dont le centre de gravité, situé sur l'axe commun des deux calottes, est décalé par rapport au centre de la sphère qu'elles définissent, ce palier flottant étant sustenté par ledit fluide dans ledit palier fixe de manière à pouvoir se déplacer angu- lairement dans n'importe quelle direction par rapport à celui-ci,
à partir d'une position déterminée dans laquelle le centre de gravité du palier flottant est situé verticalement au- dessous du centre commun du gyrostat et du palier flottant; des moyens qui limitent le dépla cement angulaire du palier flottant par rapport au palier fixe, à partir de ladite position déter minée, dans toutes les directions;
des moyens qui assujettissent le palier flottant à l'axe de giration du gyrostat en lui permettant néanmoins de se déplacer librement par rapport à cet axe en pivotant autour d'un axe qui lui est perpendiculaire, qui est aussi perpendiculaire à l'axe commun des deux calottes du palier flottant et qui passe par le centre géométrique commun du gyrostat et du palier flottant;
une marque sur l'équateur du gyrostat, visible à travers la partie supérieure transparente du palier fixe et la calotte supérieure, également transparente, du palier flottant, et des moyens indicateurs portés par des parties solidaires du boîtier et dont les déplacements par rapport à l'équateur du gyrostat indiquent les varia- tions de la position du boîtier par rapport à l'axe de giration du gyrostat.
Dans un gyroscope ainsi agencé, les influences mentionnées précédemment n'exercent pas d'ac tion perturbative sui; la position de l'axe de giration du gyrostat, si l'on met le palier flottant dans sa position préférée par rapport à l'axe de giration et si on l'assujettit, dans cette position, à l'axe de giration du gyrostat.
Les courants provenant des canaux d'amenée d'air du palier fixe au palier flottant peuvent être neutralisés en modifiant les sections de passage des canaux précités.
Comme le palier flottant peut se mouvoir d'un certain angle dans n'importe quelle direc tion par rapport au palier fixe, les faibles balan cements transversaux et longitudinaux effectués par l'avion pendant le vol sont également sans effet sur la position de l'axe de giration du gyro stat. Par contre, si l'avion fait un long trajet, durant lequel sa latitude terrestre change, la pesanteur agit sur le palier flottant dont le centre de gravité est situé au-dessous de son centre géométrique et l'axe vertical dudit palier se confondra constamment avec la verticale du lieu du vol; l'axe de giration du gyrostat restera ainsi perpendiculaire à cette même verticale, ce qui constitue un grand avantage de ce gyroscope.
Dans le vol acrobatique, le palier flottant sera plus ou moins entraîné mais l'action per turbatrice résultante sera pratiquement négli geable du fait de la rapidité et de la courte durée des mouvements de l'avion.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple et en partie schématiquement, une forme d'exécution du gyroscope selon l'invention et deux variantes d'un détail de cette forme d'exécution.
La fig. 1 est une coupe verticale longitu dinale du gyroscope, un couvercle à miroir étant aussi représenté en traits mixtes dans la position relevée à 45 , de service; le gyrostat n'est pas montré en coupe; la fig. 2 est une vue sur l'intérieur du cous sinet inférieur du palier fixe que comprend le gyroscope, à une plus petite échelle; la fig. 3, montre à la même échelle que la fig. 2, une vue sur l'intérieur de la calotte infé rieure du palier flottant; la fig. 4 est une coupe horizontale suivant la ligne IV-IV de la fig. 1;
la fig. 5 est une coupe horizontale suivant la ligne V-V de la fig. 1, le gyrostat étant supposé enlevé; la fig. 6 est, dans sa moitié supérieure, une coupe transversale suivant la ligne VI-VI de la fig. 1 et, dans sa moitié inférieure, une repré sentation schématique d'une partie d'un dispo sitif de commande du pilotage automatique d'un avion; la fig. 7 est une vue de dessus du gyroscope, le couvercle-miroir étant supposé enlevé; la fig. 8 est une vue en élévation du gyroscope à une plus petite échelle que les fig. 1 et 4 à 6;
la fig. 9 montre dans une coupe horizontale partielle qui pourrait être prise suivant la ligne IV-IV de la fig. 1, une variante de certains moyens d'assujetissement du palier flottant à l'axe de giration du gyrostat; la fig. 10 montre cette variante dans une vue partielle sur l'intérieur du palier flottant dans la direction de la flèche X de la fig. 9;
la fig. 11 est une coupe verticale partielle suivant la ligne XI-XI de la fig. 10, et la fig. 12 est une coupe horizontale partielle semblable à la fig. 9, d'une deuxième variante des moyens d'assujettissement du palierflottant à l'axe de giration du gyrostat.
Le gyroscope représenté aux fig. 1 à 8 du dessin comprend un boîtier 1 qui a la forme générale d'un pot et contre une partie verticale plane de la paroi latérale duquel un carter 2 d'un turbocompresseur est fixé de manière étanche au moyen de vis 3. Dans ce carter est tourillonné l'arbre 4 d'un moteur électrique 5 qui sert à l'entraînement en rotation d'une roue à aubes 6 du turbocompresseur.
Le boîtier 1 présente un alésage vertical central 7 contigu à son extrémité inférieure à un épaulement annulaire horizontal 8. A mi- hauteur se trouve une gorge périphérique 9 étranglée, mais non interrompue par deux protubérances 10. Cette gorge 9 communique avec la partie centrale du turbocompresseur 2, 6 à travers un passage 11 et avec l'air environ nant à travers un passage 12 ménagé dans le boîtier 1, et deux filtres ou tamis 13 dont est équipé un guichet 14 monté à pivot sur le boîtier dans un but qui sera décrit plus bas. Les éva sements 15 sont uniquement prévus pour alléger le boîtier 1.
Par contre deux évasements 16, situés l'un en-dessus et l'autre en-dessous de la gorge 9 et du passage 11, sont reliés par des trous 17 avec la partie périphérique de l'intérieur du carter 2 de compresseur et reçoi vent l'air comprimé par la roue à aubes 6.
Sur l'épaulement annulaire 8 prend appui, par un rebord périphérique 18, l'un de deux couvercles 19 en forme générale de calotte sphérique que comporte un palier fixe qui comprend en outre deux bagues 20 et deux coussinets 21, 21' qui ont aussi chacun la forme d'une calotte sphérique. Les deux cou vercles 19 et les deux bagues 20 entreposées entre les rebords 18 de ces couvercles sont ajustés dans l'alésage 7 et maintenus en place par un anneau 22 fixé au boîtier par trois vis 23. Chacun des coussinets 21, 21' prend appui sur l'une des bagues 20 et est emboîté et centré dans le rebord 18 du couvercle 19 correspon dant.
Un espace creux 24 en forme de calotte sphérique est formé dans chaque ensemble couvercle-coussinet et relié avec l'évasement 16 correspondant par une série de trous radiaux 25 et une gorge périphérique extérieure 26 que présente chaque rebord 18. Chacun des coussi nets 21, 21' présente dans sa surface intérieure une série circulaire (voir fig. 2) de dégagements 27 dont la profondeur largement exagérée à la fig. 1 est d'environ 0,1 mm (le diamètre de la surface sphérique intérieure étant par exemple 43 mm). Chacun de ces dégagements 27 est relié, à son extrémité la plus rapprochée de l'axe commun des deux coussinets, avec l'un des espaces 24, de distribution d'air com primé, par un trou 28 garni d'un gicleur 29.
Les deux coussinets 21, 21' et les deux bagues 20 coopèrent tous ensemble pour sustenter, au moyen de l'air comprimé à une pression absolue d'environ 1,3 kg/cm2 qui s'engouffre dans les chambres 27, un palier flottant formé par deux calottes hémisphériques 30, 30'. L'air de sustentation est collecté dans deux portions de rainure 31 pratiquées dans la surface sphéri que intérieure des bagues 20 et s'en échappe par des saignées ou passages radiaux 32 pra tiqués dans les surfaces dé contact réciproque des bagues 20, pour s'écouler ensuite à travers la gorge 9 et le passage 11 vers le turbocom presseur.
Les calottes 30, 30' sont hémisphé riques; la calotte inférieure est faite en métal, alors que la calotte supérieure 30 est faite en matière transparente, par exemple du polystyrène tout comme les coussinets 21, 21' et les couver cles 19 du palier fixe. Le coussinet inférieur 21' et le couvercle inférieur 19 pourraient être faits en métal. La calotte inférieure 30' est faite en métal parce que le centre de gravité du palier flottant doit être situé au-dessous du centre géométrique de la sphère creuse que constitue le palier flottant, dans la verticale du. lieu auquel vole l'avion équipé du gyroscope.
Elle est munie à son centre d'une goupille 33 dont la tête fait saillie dans une noyure 34 creusée dans la partie centrale du coussinet inférieur 21' et garnie d'une bague élastique 35. La goupille 33 ancrée dans le palier flottant et la bague 35 encerclant la noyure 34 constituent des moyens qui limitent l'angle duquel le palier flottant peut se mouvoir dans n'importe quelle direction par rapport au palier fixe.
Ces moyens sont nécessaires parce que des passages radiaux 36 servant à l'échappement d'air depuis une rainure 57 pratiquée à l'inté rieur du palier flottant doivent constamment rester ouverts sur les portions de rainure 31. Ces passages 36 se trouvent entre des paires de talons 37, 38 par lesquels les deux calottes s'ajustent l'une dans l'autre.
Le palier flottant 30, 30' sert à la sustentation d'un gyrostat, de forme extérieure sphérique, au moyen d'air comprimé qui passe des chambres 27 dans des fraisures 39, prévues en nombre égal à celui des chambres dans la surface inté rieure de chacune des calottes 30, 30', à travers un trou 40 prévu -à l'extrémité rapprochée de l'axe commun des deux calottes, de chaque fraisure. Chacun de ces trous 40 est garni d'un gicleur 41 dont la section d'écoulement est plus petite que celle des gicleurs 29.
Le gyrostat est composé de deux anneaux coaxiaux juxtaposés 42, 43 qui sont serrés, au moyen de quatre vis 44 et de quatre douilles filetées 45, contre une bague équatoriale 46, en laissant entre eûx un espace libre 48, et de deux calottes identiques 49 fixées à cran sur les anneaux 42 resp. 43. La surface péri phérique extérieure de la bague 46 est noircie par oxydation pour marquer l'équateur du gyrostat.
Les surfaces extérieures des deux calottes 49 sont teintes en deux couleurs diffé rentes (par exemple en rouge et bleu) que l'on retrouve dans les deux moitiés d'un cercle 50 marqué sur la surface exposée vers le haut, de l'anneau 22; cette surface porte aussi une graduation circulaire 51, le tout de sorte que l'on peut lire le gyroscope comme les gyroscopes connus, en particulier les déviations latérales. Le chiffre 15 indique par exemple 1500 de déviation latérale. L'horizon peut être observé en comparant l'équateur marqué par la surface noire de la bague 46 avec un trait indice 52 marqué dans la surface extérieure du coussinet supérieur 21. Ces lectures sont possibles grâce à la transparence du couvercle supérieur 19, du coussinet supérieur 21 et de la calotte supérieure 30.
Elle est facilitée, pour le pilote dont l'oeil est symbolisé en 53 sur la fig. 1, par un miroir 54 fixé sur le côté intérieur d'un couvercle 55 qui est pivoté sur un axe 56 fixé au boîtier 1 et qui durant le service est maintenu relevé à 45 par des moyens non représentés.
Dans le plan médian de la bague équatoriale 46 du gyrostat sont pratiqués, à 900 l'un de l'au tre, quatre trous 58 inclinés à 450 (fig. 6) qui constituent en quelque sorte des cubages sur lesquels vient agir une partie de l'air comprimé qui passe par les trous 40 du palier flottant 30, 30', en donnant au gyrostat une vitesse de rotation qui dépasse les 10 000 tours/minute. L'air qui s'engouffre dans chacun des trous 58 s'en échappe quand ce même trou passe devant la rainure 57.
L'air de sustentation et de pro pulsion du gyrostat provoque probablement aussi l'effet, mentionné au début de cette description, par lequel l'axe de giration du gyro stat, qui est évidemment l'axe commun des pièces 42, 43, 46, 49, vient peu à peu se mettre dans le plan équatorial du palier flottant 30, 30', plan qui dans la fig. 1 est indiqué par la ligne IV- IV et qui durant le vol normal est horizontal, c'est-à-dire perpendiculaire à la verticale du lieu.
Pour éliminer une influence de déviations latérales (donc de mouvements du boîtier et du palier fixe autour de l'axe vertical) sur le gyrostat, et aussi dans le but d'utiliser le gy roscope pour le pilotage automatique de la manière décrite ci-dessous, le gyroscope com prend des moyens qui assujettissent le palier flottant à l'axe de giration du gyrostat en lui permettant néanmoins de se déplacer librement par rapport à cet axe en tournant autour d'un axe qui lui est perpendiculaire, qui est aussi perpendiculaire à l'axe commun des deux calottes et qui passe par le centre géométrique commun du gyrostat et du palier flottant.
Dans la forme d'exécution représentée aux fig. 1 à 8, ces moyens comprennent d'une part la bague équatoriale 46, en fer doux, du gyrostat, et d'autre part, deux aimants permanents 59 qui sont noyés dans deux des six talons 38 de la calotte inférieure 30' du palier flottant, diamé tralement opposés. Les axes de ces aimants coïncident avec l'axe transversal, perpendi culaire à l'axe commun des deux calottes et passant par le centre du palier flottant. Les extrémités en regard de ces aimants sont faible ment coniques. L'attraction magnétique qu'ils exercent sur la bague 46, qui joue le rôle d'ar mature, fait que le palier flottant est assujetti à l'axe de giration de la manière indiquée ci-dessus.
Pour comprendre les dispositions qui se rapportent au pilotage automatique, il faut poser que durant le vol dans la direction voulue les parties mobiles occupent les positions représentées aux fig. 1 et 4 à 8.
Une membrane élastique 60 est serrée par son bord entre un rebord 61 prévu sur le côté inférieur du boîtier 1 et un rebord 62 d'un couvercle 63, au moyen de vis 64. Les espaces intérieurs 65, 66 situés de part et d'autre de la membrane 60 sont alimentés en air comprimé par le turbocompresseur 2,6 à travers un gicleur 67 et à travers des canaux 68, 69. L'espace 66 est en outre relié par des canaux 70 du boîtier et un canal 71 formé entre les bagues 20, avec une fraisure ou fente étroite 72 pratiquée dans ces bagues. L'espace 65 est relié de manière semblable par des canaux 73, 74, 75 avec une fente ou fraisure 76 diamétralement opposée à 72.
Au centre de la membrane 60 est fixée la tige 77 de l'organe mobile d'une vanne du type à tiroir d'un dispositif de commande hydrau lique bien connu qui comprend, à part le cylindre 78 de cette vanne, une conduite 79 d'amenée d'huile depuis une pompe, des conduites 80 de retour et des conduites 81 reliant la vanne avec un servomoteur, non représenté, d'ac- tionnement du gouvernail de l'avion. Chacun des orifices 72, 76 coopère avec une rainure 82 resp. 83 du palier flottant à la façon d'une vanne. (Dans l'exemple représenté, les bouts extérieurs des aimants présentent chacun un dégagement semi-circulaire faisant partie de cette rainure).
Les orifices 72, 76 ont une hauteur suffisamment grande pour que le fonctionnement ne soit pas influencé par des mouvements angu laires du palier fixe par rapport au palier flottant dans le plan de la fig. 6. Si par contre l'avion fait par exemple une déviation latérale qui se traduit par un mouvement angulaire dans le sens des aiguilles d'une montre dans le plan de la fig. 4, du boîtier 1 avec les bagues 20 du palier fixe et avec les orifices 72, 76, par rapport au palier flottant 30, 30' assujetti à l'axe de giration, qui ne bouge pas, du gyrostat, l'air comprimé peut continuer de s'écouler à travers la vanne 72, 82, mais ne peut plus s'écouler à travers la vanne 76, 83.
L'air comprimé ne s'ac cumulera donc pas dans l'espace 66 qui est en communication avec la vanne ouverte 72, 82. Mais il s'accumulera dans l'espace 65 qui est en communication avec la vanne fermée 76, 83. Par conséquent, la membrane 60, soumise à la différence de pression qui intervient, soulève l'organe mobile 77 de la vanne de commande du servomoteur du gouvernail qui est alors déplacé de façon connue pour remettre l'avion dans la direction désirée de vol. Le fonctionnement est analogue lors d'une déviation latérale dans le sens opposé, sauf que dans ce cas la vanne 76, 83 reste ouverte, alors que la vanne 72, 82 est fermée et que la membrane abaisse l'organe 77.
L'air qui s'écoule à travers la vanne ouverte se mélange avec l'air de sustentation dans la rainure 31. Il circule donc, comme cet air de sustentation et de propulsion du gyrostat, en circuit fermé.
Il faut noter ici que la boîte à membrane 60 pourrait constituer un ensemble séparé du boî tier, les canaux 68, 69, 70, 74 étant alors rem placés par des tuyaux. Dans le dispositif hydrau lique de commande qui vient d'être décrit, ce sont uniquement les vannes 72, 82 et 76, 83 for mées en partie dans le palier fixe, en partie dans le palier flottant, qui constituent une particula rité nouvelle.
Pour mettre en marche le gyroscope, le pilote enclenche un interrupteur placé dans le circuit d'alimentation du moteur électrique 5. Le turbocompresseur 2,6 livre alors l'air comprimé qui sert à la sustentation du palier flottant, à la sustentation et à la propulsion du gyrostat ainsi qu'à la commande du pilotage automatique. Dès que le gyrostat tourne à sa vitesse de régime, ce qui est le cas après deux minutes environ, on abaisse le guichet 14 qui est normalement retenu par un mécanisme =à bille 84 et à ressort 85 dans la position représentée au dessin. Le pilote avance alors la pointe d'une cheville de bois à travers l'ouverture 12 du boîtier, une des ouvertures 32 du palier fixe et une des ouvertures 36 du palier flottant, contre le gyrostat.
Un des pôles du gyrostat viendra automatiquement se placer en juxtaposition avec la pointe de la cheville légèrement appuyée sur le gyrostat. On peut ainsi donner à l'axe de giration du gyrostat l'orientation désirée (ce que l'on nomme ,meftre le gyrostat dans le cap ) soit au départ, soit n'importe quand durant le vol.
L'ouverture 12 est assez large pour permettre d'orienter l'axe de giration de façon telle qu'on peut sortir la cheville de bois et la réintroduire dans une direction décalée de 900 et l'appuyer sur la bague équatoriale 46 en vue de freiner le gyrostat qui doit être arrêté avant que l'on coupe l'alimentation en courant du moteur 5.
Dans le cas de l'assujettissement du gyrostat au palier flottant, par des goupilles, il suffit pour mettre le gyrostat dans le cap, de faire tourner lentement et horizontalement le palier flottant en agissant sur l'un ou l'autre des talons 38.
Lorsque l'avion vole horizontalement, le trait 52 est superposé à la bande noire ou marque que constitue la surface extérieure de la bague équa toriale 46 du gyrostat. Si l'avion descend, le trait 52 se déplace vers la gauche (fig. 1). Dans le miroir 54 qui se déplace avec ce trait, l'image du cercle équatorial 46 est alors un arc d'ellipse situé au-dessus de l'image du trait 52 qui sera toujours un trait droit. Pour le pilote, l'horizon monte: Pour lire les déviations latérales de l'avion, le pilote compare la position du cercle équatorial 46 avec l'échelle graduée circulaire 51 et aussi les couleurs des deux calottes 49 avec les couleurs dans les moitiés du cercle 50. Si cette dernière comparaison ne pouvait pas être faite, le pilote risquerait de voler à l'opposé de la direction désirée.
Les balancements de l'ordre de + 5 que fait un avion durant le vol normal n'influencent en aucune manière le gyrostat, étant donné que le palier fixe peut se déplacer de cet angle par rapport au palier flottant sans que la bague 35 vienne toucher la tête saillante de la cheville 33.
On décrira ci-après deux variantes des moyens d'assujettissement du palier flottant à l'axe de giration du gyrostat.
La première variante est représentée aux fig. 9, 10 et 11. La fig. 9 ne montre que l'une des bagues 20 du palier fixe non modifié ainsi que le palier flottant et le gyrostat légèrement modifiés comme suit: Les aimants permanents 59 sont laissés de côté.
Dans un perçage ménagé au centre de chaque calotte 149 du gyrostat est plantée une buse 86 soufflant une partie de l'air de propulsion qui est entré dans le gyrostat par les trous 58, contre les flancs latéraux diver gents 87a d'une rainure 87 pratiquée suivant un plan vertical sur le pourtour entier de la surface intérieure du palier flottant 130,<B>130'</B> dont les talons 137, 138 et ouvertures 136 sons un peu autrement répartis et dont la rainure 157 est subdivisée en deux portions afin qu'elle ne coupe pas la rainure 87. L'air soufflé dans cette rainure 87 s'en échappe en passant par la fente 88 et le trou 89 et se mélange dans la rainure 31 avec l'air qui a servi à la sustentation du palier mobile.
La deuxième variante, représentée à la fig. 12, est plus simple que la première, bien qu'elle en diffère peu. Dans le trou de chacun des organes 86, qui ne jouent plus le rôle de buses, est plantée une goupille cylindrique 90 qui s'engage avec jeu dans une rainure 187 qui ne diffère de la rainure 87 que par le fait que ses flancs latéraux sont parallèles l'un à l'autre.
On conçoit aisément que dans ces deux variantes le palier flottant est aussi assujetti à l'axe de giration du gyrostat, mais peut néan moins se déplacer librement par rapport à cet axe en pivotant autour d'un axe qui lui est perpendiculaire, qui est aussi perpendiculaire à l'axe commun des deux calottes formant le palier flottant et qui passe par le centre géométrique commun du palier flottant et du gyrostat.