Общие сведения о гироскопических и инерциальных навигационных системах
Интенсивное развитие военного кораблестроения способствовало всё более широкому проникновению на корабли металла. Во второй половине 19 века корабли стали одеваться в металлическую броню, одновременно росло число пушек и возрастал их калибр. Спущенная в сентябре 1861 года на Балтийском заводе канонерская лодка «Опыт» имела броню толщиной 115 мм, а броненосцы типа «Первенец», построенные в
Динамические характеристики и свойства гироскопа
Динамические свойства гироскопа определяются такими основными параметрами, как угловая скорость собственного вращения, момент инерции и кинетический момент гироскопа. Угловая скорость собственного вращения ротора гироскопа – это величина, учитывающая угол, на который поворачивается каждая точка тела за единицу времени t. Собственное вращение ротора гироскопа совершается вокруг главной оси x, поэтому угловую скорость вращения ротора Ω можно выразить соотношением:
,
где ψ- угол поворота ротора вокруг оси x.
Угловая скорость вращения ротора определяется числом радиан в секунду или числом оборотов в минуту. В современных гироскопических приборах угловые скорости собственного вращения роторов гироскопов находятся в пределах
Кинетический момент Н, или момент количества движения, является одной из важнейших динамических характеристик гироскопа. Величина кинетического момента ротора гироскопа равна произведению его угловой скорости вращения Ω на момент инерции IX ротора относительно оси вращения,.
Вектор Н направлен по оси x собственного вращения гироскопа и совпадает с вектором угловой скорости Ω. Поэтому момент Н называют собственным кинетическим моментом гироскопа. Размерность кинетического момента определяется в кг·м2с-1. От величины кинетического момента Н гироскопа зависят в гироскопических приборах такие параметры, как точность работы, направляющий момент и др. кинетический момент ротора можно повысить увеличением момента инерции I или угловой скорости Ω. При этом необходимо учитывать, что большое увеличение момента инерции ротора влечет за собой чрезмерное увеличение его массы, веса и размеров, что не всегда целесообразно. Поэтому для получения необходимой величины кинетического момента гироскопа стремятся при небольших габаритах ротора увеличить угловую скорость его собственного вращения Ω.
Определим закон изменения вектора кинетического момента Н. Формула
выражает теорему о кинетическом моменте и определяет закон его изменения при воздействии на гироскоп моментов внешних сил. Теорема формулируется так: векторная производная по времени от кинетического момента гироскопа, взятого относительно некоторой точки О, равна вектору главного момента всех действующих на гироскоп внешних сил, взятого относительно той же точки. Из формулы следует, что кинетический момент гироскопа изменяется с течением времени по величине и направлению под воздействием моментов внешних сил. При этом конец вектора Н перемещается по некоторой траектории – годографу кинетического момента. На гироскоп могут действовать силы F, векторы которых направлены относительно ротора произвольным образом. Если на гироскоп не действуют моменты внешних сил, то вектор Н не будет изменять в инерциальном пространстве ни своей величины, ни своего направления. Это значит, что главная ось свободного гироскопа сохраняет неизменным свое положение в инерциальном пространстве, пока
По отношению к другим системам координат, совершающим вращение в инерциальном пространстве (горизонтная система координат, связанная с Землей), главная ось свободного гироскопа в общем случае будет перемещаться. Наблюдателю, находящемуся на Земле и поворачивающемуся месте с ней относительно инерциального пространства, будет казаться, что главная ось свободного гироскопа разворачивается относительно Земли. Такое движение главной оси свободного гироскопа называется видимым движением гироскопа.
Под воздействием моментов внешних сил, совпадающих с направлением главной оси, угловая скорость собственного вращения Ω ротора будет изменяться пропорционально времени. Причем, если момент LX совпадает с направлением вектора кинетического момента Н, то угловая скорость Ω увеличивается, если LX направлен в противоположную сторону, то скорость Ω уменьшается. Такой случай характерен для пуска и остановки ротора гироскопа.
Под воздействием моментов внешних сил, действующих вокруг осей y и x вектор Н начинает изменять свое положение в инерциальном пространстве. Любая сила, создающая момент, вектор которой лежит в экваториальной плоскости ротора, вызывает перемещение главной оси гироскопа по перпендикулярному к линии действия силы направлению. Такое движение гироскопа при воздействии на него момента внешней силы называется прецессионным движением или просто прецессией. Практически направление прецессионного движения можно определить, пользуясь так называемым правилом полюсов. Для этого надо знать направление векторов Н и L.
Конец вектора кинетического момента Н называют полюсом гироскопа (ПГ), а конец вектора момента внешней силы L – полюсом силы (ПС). Правило полюсов формулируется следующим образом: при прецессионном движении полюс гироскопа движется к полюсу силы кратчайшим путем. Угловая скорость прецессионного движения является абсолютной угловой скоростью движения главной оси гироскопа, т. е. это движение совершается относительно инерциального пространства.
Перемещение вектора кинетического момента Н при воздействии внешней силы F перпендикулярно приложенной силе по направлению момента этой силы возможно только в том случае, если со стороны гироскопа возникает сила противодействия. Она называется силой гироскопической реакции или гироскопической силой, а момент этой силы LR – моментом гироскопической реакции или гироскопическим моментом. Гироскопический момент является проявлением инерционных свойств гироскопа.
Фактически главная ось гироскопа в инерциальном пространстве под влиянием моментов внешних сил совершает сложное движение, состоящее из прецессионного движения с постоянной угловой скоростью ω, на которую накладываются гармонические колебания с большой частотой и малой амплитудой. Такие колебания называются нутационными. Траектория движения конца главной оси гироскопа в зависимости от параметров гироскопа и величины прилагаемой силы F может иметь петли, острые или сглаженные вершины и т. д. Рассмотренное сложное движение главной оси гироскопа называется псевдорегулярной прецессией. В результате мгновенного момента импульса силы F или удара на гироскоп главная ось его совершает нутационные колебания относительно нового положения динамического равновесия. Так как смещение и амплитуда чрезмерно малы, то главная ось гироскопа практически не изменяет своего положения под влиянием удара. Необходимо отметить, что свойство устойчивости по отношению к удару присуще только гироскопу с тремя степенями свободы.
Системы координат, применяемые в ГИНС
Из определения гироскопа следует, что главная ось x гироскопа, а следовательно и оси y и z могут менять свое положение в пространстве. Поэтому изучение движения гироскопа и количественная оценка отклонений его от заданного положения возможны на основе выбора определенных систем отсчета, т. е. систем координат. При изучении гироскопических приборов пользуются двумя системами координат – инерциальной и гирозонтной.
Инерциальной системой координат (ИСК) называется система, оси которой неподвижны по отношению к звездам. Начало ИСК может быть совмещено с любой точкой мирового пространства. На рисунке показана ИСК – прямоугольная система x0y0z0 начало которой (точка О) расположена на поверхности Земли. Ось z0 системы координат параллельна оси вращения Земли (оси мира), а оси x0 и y0 лежат в плоскости небесного экватора.
Горизонтная система координат (ГСК) неподвижна относительно Земли. На рисунке показана система NЕn, начало которой (точка О) расположена на поверхности Земли. ГСК образована пересечением основных земных плоскостей – плоскости горизонта, плоскости меридиана и плоскости первого вертикала. Оси этой системы называются полуденной линией NS, линией первого вертикала EW и отвесной линией Zn. ГСК изменяет свое положение относительно инерциального пространства вследствие вращения Земли вокруг оси PNPS. Движение Солнечной системы и годовое вращение Земли вокруг Солнца при изучении гироскопических приборов не учитывается.
Положение осей гироскопа относительно указанных систем координат определяется сферическими эйлеровыми углами α, β, θ. Углы α и β – сферические координаты главной оси гироскопа, которые определяют мгновенное положение гироскопа относительно земных плоскостей. В некоторых гироскопических приборах ось y может быть не стабилизирована в плоскости горизонта, а следовательно, может разворачиваться относительно оси x. Перемещение оси y гироскопа относительно ось x обозначается углом θ. При изучении поворотных движений гироскопа относительно ГСК и ИСК необходимо знать не только сферические координаты (углы), но и угловые скорости, с которыми гироскоп перемещается вокруг осей n, y, x на углы α, β, θ. Векторы угловых скоростей направлены по тем осям, вокруг которых происходит поворот гироскопа против часовой стрелки.
В морской навигации наибольшее распространение получила ГСК с географической ориентацией осей, имеющая начало в точке О подвеса – гироскопического устройства. ГСК Nen вращается относительно инерциального пространства. Это вращение обуславливается в общем случае суточным вращением Земли с угловой скоростью ω и перемещением точки подвеса гироскопа вместе с кораблем по поверхности Земли. Вследствие суточного вращения Земли ГСК вращается в инерциальном пространстве вокруг оси PN также с угловой скоростью ω, численно равной
.
Проекция ω1 называется горизонтальной, а проекция ω2 – вертикальной составляющей суточного вращения Земли.Горизонтальная составляющая ω1 определяет угловую скорость вращения плоскости горизонта в данной широте φ вокруг оси N. При этом ω1 показывает, что при суточном вращении Земли восточная половина плоскости горизонта опускается в инерциальном пространстве, а западная поднимается.
Вертикальная составляющая ω2 определяет угловую скорость вращения земных плоскостей в данной широте φ вокруг отвесной линии, в том числе и плоскости истинного меридиана. Знак «минус» указывает на то, что составляющая ω2 в северном полушарии направлена по отрицательному направлению оси n, а следовательно северная часть меридиана перемещается к западу.
На полюсах PN и PS угловая скорость ω2 вращения меридиана вокруг отвесной линии равна ω, а плоскость горизонта на полюсах не вращается. На экваторе же плоскость горизонта вращается вокруг полуденной линии NS с угловой скоростью ω суточного вращения Земли, а плоскость меридиана вокруг отвесной линии не движется.
Перемещение точки подвеса О гироскопа вместе с кораблем по поверхности Земли создаст дополнительное вращение в инерциальном пространстве ГСК NЕn. Предположим, что движение точки подвеса О относительно Земли определяется линейной скоростью V и путевым углом ПУ. Составляющие скорости V на направление осей NS и EW определятся равенствами:
.
Угловые скорости:
определяют вращение ГСК в инерциальном пространстве как за счет суточного вращения Земли, так и за счет перемещения точки подвеса гироскопа по поверхности Земли.
Корабельная система координат (КСК) связана с кораблем и образуется диаметральной плоскостью, плоскостью шпангоута и плоскостью теоретической палубы с центром в точке О (центре тяжести корабля). Оси КСК (ОXК – в плоскости теоретической палубы в нос корабля; ОYК – в плоскости шпангоута в сторону правого борта; ОZК – направлена вниз) образуют правую систему координат.
Общие сведения о гирокомпасах
Гирокомпасами называются гироскопические приборы, обладающие направляющим моментом и предназначенные для выработки курса корабля и определения направлений на земные ориентиры и небесные светила. Для создания гирокомпаса необходима система, реагирующая на отклонение отсчетной оси от плоскости истинного меридиана и одновременно вырабатывающая управляющий момент для приведения отсчетной оси в плоскость истинного меридиана, т. е. удерживающая ее в этой плоскости. Эта система называется чувствительным элементом (ЧЭ) гирокомпаса.
В ЧЭ для обнаружения рассогласования их главной оси с плоскостью истинного меридиана применяются индикаторные устройства, реагирующие на отклонение главной оси от плоскости истинного горизонта и одновременно вырабатывающие управляющие моменты для уменьшения этого рассогласования. Получение управляющих моментов в ЧЭ возможно двумя путями:
-смещение центра тяжести ЧЭ относительно точки подвеса вдоль вертикальной оси z;
-применением индикаторов отклонения главной оси ЧЭ от плоскости истинного горизонта, которые управляют датчиками, создающими управляющий момент по оси y ЧЭ.
Гирокомпасы с ЧЭ первого типа называются гирокомпасами с физическим маятником или гирокомпасами с непосредственным управлением (ГК с НУ), а с ЧЭ второго типа – гирокомпасами с косвенным управлением (ГК с КУ).
В свою очередь маятниковый эффект ЧЭ может быть достигнут либо понижением его центра тяжести относительно точки подвеса (гирокомпасы с твердым маятником), либо повышением центра тяжести за счет применения специальных сообщающихся сосудов (гирокомпасы с гидравлическим маятником). Наибольшее распространение получили отечественные гирокомпасы типа «Курс», в которых применяются ЧЭ с пониженным центром тяжести. По способу регулировки гирокомпасы делятся на апериодические (регулируемые) и неапериодические (нерегулируемые).
Принцип превращения гироскопа в гирокомпас
Для обеспечения мореплавания в открытом море необходимо иметь
Из рис. 1 видно, что независимо от φ этим направлением является линия
. Имеется также и устройство, способное сохранять неизменным в инерциальном пространстве направление своей оси. Это свободный гироскоп. Но этот прибор по отношению к Земле имеет видимое движение, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Для того чтобы гироскоп был способен удерживать направление неизменным по отношению к Земле, необходимо заставить его прецессировать в горизонтальной плоскости со скоростью вращения меридиана. Тогда, совершая движение по отношению к инерциальному пространству, гироскоп будет неподвижным относительно Земли. Чтобы гироскоп прецессировал, требуется приложить к нему внешний момент.
Существует несколько технических вариантов превращения свободного гироскопа в гирокомпас: понижение центра тяжести свободного гироскопа относительно точки подвеса (положительный маятник); применение системы сообщающихся сосудов, заполненных жидкостью (эффект отрицательного маятника), и использование индикатора горизонта (маятника) в схеме управления астатическим гироскопом через моментные датчики.
В любом из них связь гироскопа с Землей осуществляется через силу тяжести. Рассмотрим физическую сущность превращения гироскопа в гирокомпас за счет понижения центра масс.
На рис. 2 показан гироскоп, ось собственного вращения которого горизонтальна. Центр тяжести гироскопа G находится ниже точки подвеса О. В этом случае сила тяжести P=mg никакого момента не создает, так как отсутствует плечо действия силы P. Если же вектор H уйдет из плоскости горизонта, т. е. появится угол β, то сила тяжести создаст момент Ly, под действием которого гироскоп будет прецессировать вокруг вертикальной оси (в плоскости горизонта).
Теперь рассмотрим поведение такого гироскопа по отношению к Земле. На рис. 3 изображены: плоскость горизонта Q, плоскость меридиана М и плоскость S перпендикулярная к М и Q. На плоскость S будем проектировать вектор кинетического момента Н в процессе движения гироскопа.
Отклоним гироскоп от меридиана к востоку на угол α (на плоскости S точка 1).
Таким образом, гироскоп с пониженным центром тяжести описывает траекторию в виде эллипса, вытянутого в плоскости горизонта. Большая полуось этого эллипсоида приподнята над плоскостью горизонта (в северной широте) на угол β. Так как в точках 1 и 6 момент Ly=mgαβ уравновешивает гироскопический момент от вертикальной составляющей вращения Земли Ry=Hωзsinφ, то mgαβ=Hωзsinφ.
Отсюда β=(Hωз sinφ)/B, Где B=mga – модуль маятникого момента.
Тогда скорость прецессии гироскопа под действием момента Ly будет ωп=Ly/H=Bβ/H=ωз sinφ.
Это означает, что угловая скорость прецессии равна скорости вращения меридиана. Если установить ось собственного вращения гироскопа в меридиане под углом β к горизонту, то гироскоп будет удерживать направление, совпадающее с линией
Поскольку гироскоп описывает незатухающие колебания относительно меридиана, такое устройство можно назвать гирокомпасом. Для полного решения задачи получения морского гирокомпаса необходимо к гироскопу дополнительно приложить демпфирующий момент, который обеспечит затухание колебаний. Ось собственного вращения гироскопа в данном случае, совершив ряд колебаний установится в положении динамического равновесия.
Таким образом, общим принципом создания морского гирокомпаса является наложение на свободный гироскоп управляющих моментов под действием которых его ось собственного вращения займет по отношению к Земле вполне определенное направление, совпадающее с линией
Координаты положения равновесия ЧЭ ГК с НУ в ГСК
Определим координаты вокруг которых происходят незатухающие колебания гиросферы при установке гирокомпаса на неподвижном основании. Эти координаты:
называются координатами положения равновесия ЧЭ (гиросферы). Анализ показывает, что в положении равновесия главная ось ЧЭ находится в плоскости истинного меридиана (αр=0) и, кроме того, в северной широте приподнята над плоскостью истинного горизонта на угол θр (в южной широте опущена на этот же угол под плоскостью истинного горизонта). Подъем главной оси x ЧЭ на угол θр вызывает прецессию гиросферы вокруг вертикальной оси n с угловой скоростью, равной вертикальной составляющей суточного вращения Земли. Постоянная угловая скорость прецессии ωп при неизменном модуле вектора Н возможна при постоянном по величине момента Ly, т. е. при условии θ=const≈3′. Последнее возможно только в том случае, если вектор Н (главная ось ЧЭ) ориентирована по линии, вокруг которой вращается в ИСК плоскость горизонта.
Для подвижного основания (V≠0) плоскость истинного горизонта кроме вращения вокруг полуденной линии с угловой скоростью в общем случае вращается вокруг оси ОЕ с угловой скоростью. В результате сложения этих двух угловых скоростей вращение плоскости истинного горизонта происходит с угловой скоростьювокруг линии, которая отклонена от плоскости истинного меридиана на величину δV – скоростной погрешности, где. Направление вектора ω1V называется компасным меридианом.
Принцип построения ГК с НУ и выработки гирокомпасного курса
Чувствительный элемент (ЧЭ) гирокомпаса (гиросферы) представляет собой латунный шар (рис. 24), внутри которого размещены два одинаковых гиромотора (гироскопа). Оси собственного вращения гироскопов (если они не вращаются) расположены под углом 90˚ друг к другу и под углом 45˚ — к линии
Гиросфера полностью погружена в поддерживающую жидкость и имеет небольшую отрицательную плавучесть, которая компенсируется действием центрирующей катушки. Таким образом, находясь во взвешенном состоянии в жидкости, гиросфера имеет три степени свободы. Кроме того, каждый гироскоп имеет по две степени свободы относительно корпуса ЧЭ. С учетом того, что собственное вращение гироскопов из рассмотрения исключается, можно считать, что гиросфера в целом, включая успокоитель, обладает пятью степенями свободы.
В положении динамического равновесия гиросфера отклонена от плоскости горизонта на угол θ, который обеспечивает прецессию ЧЭ со скоростью вращения меридиана. Для того чтобы такой компас был способен обеспечить цели судовождения необходимо сделать колебания гиросферы затухающими. Погашение колебаний в двухгироскопных компасах осуществляют с помощью масляного успокоителя. Он представляет собой два сообщающихся сосуда вдоль линии
Рассмотрим поведение гиросферы с устройством для затухания колебаний, если она установлена на неподвижном судне.
В точке 1 происходят: видимое движение вверх υ1
Принцип работы гирокомпасов типа «Курс» заключается в следующем (рис. 30). Гиросфера имея небольшую отрицательную плавучесть (около
На гиросфере и следящей сфере находятся токопроводящие электроды. Электропитание подается на электроды следящей сферы и от них через токопроводящую жидкость на электроды гиросферы. Следящая сфера является составной частью следящей системы, в которую входят также усилитель, реверсивный электродвигатель, датчик синхронной передачи и азимут-корректор. При изменении кораблем курса следящая сфера разворачивается вместе с кораблем, гиросфера же после прихода в меридиан удерживает постоянное положение относительно меридиана. Поэтому следящая сфера рассогласовывается с гиросферой, и на специальных следящих контактах появляется сигнал рассогласования, который после усиления поступает на реверсивный электродвигатель, разворачивающий ротор датчика синхронной передачи.
Выводы:
-Современные ГК с НУ являются двухгироскопными. Двухгироскопный ЧЭ обеспечивает регулировку периода незатухающих колебаний путем разведения гиромоторов и гироскопическую стабилизацию ЧЭ вокруг главной оси;
-В положении равновесия главная ось ЧЭ ориентируется под постоянным углом возвышения θр над линией, вокруг которой происходит вращение плоскости истинного горизонта. Для неподвижного основания это полуденная линия NS, а при V≠0 вокруг суммарного вектора ω1V. В этом случае главная ось в азимуте отклонена от истинного меридиана на величину скоростной погрешности – δV.
-Момент силы тяжести Lym обеспечивает прецессию ЧЭ вокруг главной оси со скоростью вращения плоскости истинного меридиана.
-Под действием момента упругости растянутых пружин вокруг главной оси ЧЭ прецессирует вокруг главной оси со скоростью вращения плоскости истинного горизонта в инерциальном пространстве.
Скоростная погрешность ГК и способы ее компенсации
Ранее было установлено, что гироскопическое устройство, обладающее маятниковым эффектом, приобретает свойство избирательности по отношению к азимутальным направлениям, так как имеет своим положением равновесия плоскость истинного меридиана, т. е. ту вертикальную плоскость, которая содержит вектор горизонтальной составляющей суточного вращения Земли. Движение корабля считается однозначно заданным, если известны его скорость V и истинный курс ИК. Другим вариантом определения движения является задание составляющих скоростей: VN – вдоль меридиана и VE – вдоль параллели. Связь между двумя вариантами устанавливается следующими соотношениями:
.
Поскольку движение корабля происходит по земной сфере, существование линейных скоростей неизбежно вызовет появление некоторых угловых движений. Равнодействующая всех составляющих угловых скоростей, лежащих в плоскости горизонта, определяется выражением:
и по направлению – углом δ V, тангенс которого находят по формуле:
или после простых преобразований:.
Поскольку положение равновесия главной оси О X ЧЭ ГК теперь располагается в вертикальной плоскости, содержащей вектор равнодействующей ωΣ, указанная плоскость получает название плоскости компасного меридиана, а ее угловое отклонение от плоскости истинного меридиана δV получает название скоростная девиация гирокомпаса.
Формула совершенно точная с математической точки зрения, противоречива с практической точки зрения, поскольку для определения погрешности курса — угла δV необходимо знать истинное значение последнего. Для устранения этого недостатка преобразуем в выражение:
.
Для практических расчетов удобно использовать следующее выражение:
где — линейная скорость точки экватора, выраженная в узлах.
Основные закономерности скоростной девиации, вытекающие из анализа формул, состоят в следующем:
1.Возникновение скоростной девиации обуславливается наличием у корабля северной составляющей скорости движения.
2.Девиация линейно зависит от скорости корабля.
3.Девиация имеет полукруговой характер зависимости от компасного курса (максимальные по абсолютному значению девиации достигаются на курсах 0 и 180˚, нулевые – на курсах 90 и 270˚).
4.Зависимость девиации от широты определяется функцией 1/cos φ = sec φ, поэтому особенно резкое увеличение его численного значения происходит в широтах выше 70˚.
Скоростная девиация в ГК учитывается путем ее исключения из показаний всех репитеров с помощью корректоров полуавтоматического или автоматического типа. При скоростях, не превышающих 25 уз, в широтах не выше 80˚ скоростная девиация имеет значение, не превышающее 10˚.
Инерционные погрешности ГК и способы их компенсации
При изменении кораблем курса или скорости к центру тяжести ЧЭ будет приложена сила инерции, которая приведет к возникновению возмущающих моментов. Под действием этих моментов гиросфера прецессирует, в результате чего в показаниях ГК появляются погрешности. Погрешности ГК, установленного на маневрирующем корабле, называются инерционными или баллистическими девиациями.
ЧЭ двухгироскопного компаса имеет пониженный центр тяжести. Поэтому при маневрировании корабля за счет сил инерции, приложенных к центру масс ЧЭ, будут возникать возмущающие моменты. Если до маневра гиросфера находилась в положении динамического равновесия, то после изменения кораблем курса или скорости за время действия сил инерции она уйдет из прежнего положения. ЧЭ получит некоторое прецессионное движение, которое после того, как установятся новые условия работы, прекратится и линия
Прецессионное движение гиросферы под действием меридиональной составляющей ускорения называется инерционной прецессией, а угол, на который развернется гиросфера под действием сил инерции,— инерционным перемещением. За время маневра корабля изменение скоростной девиации составит:. Поведение ГК, установленного на маневрирующем корабле, может характеризоваться следующими случаями.
1. Сила инерции обеспечивает такую скорость прецессии, что за время маневра гиросфера установится в новое положение динамического равновесия. В этом случае баллистическое перемещение равно изменению скоростной девиации, т. е.. К окончанию маневра гиросфера установится в новом гироскопическом меридиане. Во время маневра линия NГ-SГ ЧЭ как бы следит за мгновенным положением динамического равновесия в азимуте, соответствующему мгновенному значению VN. Такое движение гиросферы называется апериодическим переходом к новому положению динамического равновесия (в новый компасный меридиан). В этом случае после окончания маневра никаких колебаний относительно меридиана ГК не имеет.
2. Скорость баллистической прецессии меньше той, которая обеспечивает апериодический переход гиросферы в новое положение равновесия. При таком условии за время маневра ЧЭ не успеет переместится в новое положение равновесия, т. е.. Отклонение ЧЭ от нового компасного меридиана называется инерционной (баллистической) девиацией первого рода. Наибольшее значение эта девиация имеет сразу после окончания маневра, а затем колебательным законом уменьшается до нуля.
3. Скорость баллистической прецессии больше той, которая необходима для апериодического перехода. В этом случае ЧЭ за время маневра перейдет новый компасный меридиан, так как. Также возникнет инерционная девиация первого рода. К концу маневра отклонение ЧЭ будет максимально. Далее гиросфера затухающими колебаниями будет приходить в меридиан.
При условии, что период собственных колебаний ГК на неподвижном основании= 84,4 минуты, осуществляется апериодический переход ГК в новое положение динамического равновесия. Условие апериодического перехода было установлено впервые в 1910 году немецким профессором М. Шулером. Оно может быть сформулировано следующим образом: если период собственных незатухающих колебаний ГК равен периоду колебаний математического маятника длиной, равной радиусу Земли, то при маневре корабля гиросфера будет осуществлять апериодический переход в новое положение равновесия. При постоянных параметрах ГК равенство Т0=84,4 мин можно обеспечить только для одной широты. Эта широта называется расчетной. Для ГК, изготавливаемых в РФ, расчетной широтой является 60˚.
Таким образом, причиной возникновения инерционной девиации первого рода является несоответствие периода собственных НЗК значению 84,4 мин. Инерционная погрешность 1 рода может достигать значительной величины.
0 | 20 | 40 | 60 | 80 |
1,9˚ | 1,8˚ | 1,32˚ | 0˚ | -7,06˚ |
Поэтому в апериодических ГК для предупреждения возникновения ИП1 регулируют период НЗК ГК независимо от широты плавания корабля. Регулировку НЗК можно производить изменением угла разведения гиромоторов с помощью неавтоматических и автоматических дистанционных электромеханических схем. Угол между осями гиромоторов устанавливается в соответствии с широтой плавания, курсом и скоростью корабля, которые вводятся и учитываются непрерывно и автоматически.
Возникающие при маневре корабля силы инерции воздействуют не только на пониженный центр тяжести гиросферы, но и на масло жидкостного успокоителя. Под действием этих сил масло будет перетекать из одного сосуда в другой. В результате в одном из сосудов образуется избыток масла, создающий момент L΄y. Под его действием гиросфера будет иметь скорость прецессии в сторону нового компасного меридиана, отличную от той, которая необходима для апериодического перехода ЧЭ в новое положение равновесия.
Ошибка в показаниях ГК, возникающая
При наличии ускорения по параллели, сила инерции создает момент L'x, вызывающий прецессию гироскопов внутри гиросферы. Такое движение приведет к тому, что изменится натяжение пружин, которые создадут моменты, действующие вокруг вертикальных осей гироскопов, но направленные в разные стороны. Под действием этих моментов гиросфера будет прецессировать вокруг оси ОXГ, т. е. появится угол крена ЧЭ. Следовательно, скорость прецессии гиросферы буде больше скорости вращения меридиана, и за время маневра гиросфера пройдет новое положение динамического равновесия. С прекращением маневра исчезнут ускорения по меридиану и параллели, но углы крена гиросферы будут уменьшаться до нуля примерно четверть периода. Поэтому гиросфера продолжает удаляться от компасного меридиана. В момент стабилизации гиросферы вокруг главной оси отклонение ЧЭ от нового компасного меридиана будет максимально. Если в это время включить устройство для погашения колебаний, то гиросфера затухающими колебаниями придет в новый компасный меридиан. Таким образом,
Способы определения и учета поправки ГК
Гироскопические компасы предназначены для определения и хранения направления истинного меридиана, выработки курса корабля и трансляции потребителям.Вырабатываемый ГК с НУ курс содержит систематические (постоянные), периодически изменяющиеся и случайные погрешности, представляющие собой случайные функции времени. Поэтому мгновенную поправку гирокомпаса можно представить формулой:
, где ΔГКп
– постоянная часть поправки гирокомпаса;
ΔГКпер(t) – периодически изменяющаяся часть поправки;
ΔГКсл(t) – сслучайная составляющая часть поправки гирокомпаса.
На рисунке представлена графическая реализация случайного процесса, характеризующего изменение поправки гирокомпаса с течением времени.
Определенная в момент t1 величина поправки гирокомпаса по измерению одного компасного пеленга является мгновенной. Ее использовать в штурманской практике не рекомендуется. В момент t2 взята серия из n компасных пеленгов, вычислено n поправок гирокомпаса и в расчет принята средняя поправка: , где ΔГКсрпер(t) – средняя величина периодически изменяющейся части поправки гирокомпаса.
Поправку ΔГКср (t) называют поправкой пеленга и пользуются ею для исправления компасных пеленгов в течение непродолжительного времени
Курсы исправляются постоянной поправкой гирокомпаса ΔГКп, которую определяют, как правило, при нахождении корабля в базе. Рекомендуется следующий порядок определения постоянной поправки гирокомпаса:
-Выполняется техническое обслуживание гирокомпаса в объеме ежемесячного. Регулировкой устраняются обнаруженные систематические погрешности блоков и узлов.
-Выбираются для пеленгования ориентиры (небесные светила с высотами до 30˚, береговые ориентиры, теодолитные посты).
-Определяются: точное место корабля, поправки измерителей времени (хронометра, палубных часов, СЕВ) и период ТК колебаний чувствительного элемента гирокомпаса относительно меридиана в режиме затухающих колебаний (выбирается из паспорта, формуляра или вычисляется по формуле по известной широте местонахождения корабля).
-Рассчитываются (или выбираются) промежутки времени, через которые предполагается осуществлять пеленгование выбранного ориентира (ориентиров) сериями из
.
-Производится пеленгование сериями (из
-Вычисляются единичные поправки гирокомпаса по каждому измерению в серии:
, после чего рассчитывается средняя поправка гирокомпаса в серии:
, где n – количество измеренных компасных пеленгов в серии.
Поправки, найденные по формуле, по существу представляют собой поправки пеленгов на средний момент каждой серии. Они отягощены как постоянной, так и периодической частью погрешности, соответствующей среднему моменту измеренной серии компасных пеленгов.
-Вычисляется постоянная часть поправки гирокомпаса, как средняя арифметическая из средних поправок серий компасных пеленгов:
.
-Полученная поправка ΔГКП сравнивается с ее допустимой величиной, записанной в контрольном листе ТО и в техническом формуляре гирокомпаса. Если величина ΔГКП превышает допустимое значение, то работы по техническому обслуживанию гирокомпаса продолжаются, выявляются и устраняются систематические погрешности блоков и узлов, после чего повторно определяется постоянная поправка гирокомпаса, как описано выше.
-Полученная постоянная поправка гирокомпаса записывается в журнал ЭНП, в контрольный лист ТО, в технический формуляр гирокомпаса и заносится в таблицы, вывешиваемые в штурманской рубке (справочные таблицы штурмана).
Аналогично организовывается определение постоянной поправки гирокурсоуказателей (двухрежимных компасов) при работе в режиме гирокомпаса с учетом их тактико-технических характеристик.
Добавить комментарий