Гироскопические курсоуказатели - Принцип действия и построения гирокомпаса с непосредственным управлением

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 какое-нибудь фиксированное направление, по отношению к которому можно было бы определить путь корабля. Обычно выбор такого направления связывается с какими-либо явлениями, происходящими в природе. На первый взгляд, таким опорными направлением могло бы стать направление на восход или заход Солнца. Однако люди давно заметили, что место восхода и захода Солнца изо дня в день меняется. Кроме того, оно изменяется и при перемене широты места. Но вместе с тем люди заметили, что направление, по которому наблюдается максимальная высота Солнца, остается неизменным в различных широтах независимо от времени года. Следовательно, существует направление, которое всегда постоянно по отношению к Земле.
Из рис. 1 видно, что независимо от φ этим направлением является линия N-S, вокруг которой вращается плоскость истинного горизонта со скоростью
. 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). Из-за вращения плоскостей Q и М с угловыми скоростями ω1 и ω2  будет наблюдаться видимое движение гироскопа со скоростями υ1 и υ2. Ось собственного вращения гироскопа пойдет по траектории к точке 2. В той точке вследствие появления угла β у гироскопа возникает прецессия в сторону меридиана со скоростью υ3=υ2. Гироскоп видимым образом поднимается над  плоскостью горизонта. С увеличением угла β возрастает момент Ly, создаваемый силой тяжести Р. увеличивается скорость прецессионного движения υ3 гироскопа к меридиану. При этом скорость видимого движения υ1 уменьшается. В результате гироскоп по траектории 2, 3, 4 приходит в меридиан. Точка 4 характерна тем, что здесь отсутствует движение υ1, а движение υ3 имеет максимальную скорость, так как угол β=max. Гироскоп уйдет из меридиана к западу, постепенно приближаясь к плоскости горизонта (траектория 4, 5, 6, 7). Дальнейшее движение оси собственного вращения гироскопа будет происходить по траектории 7, 8, 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 N-S. В любом другом положении гироскоп будет описывать относительно меридиана эллипс, отклоняясь вправо и влево на одинаковый угол α. Гироскоп совершает незатухающие колебания. Положением динамического равновесия гироскопа являются координаты α=0; β=(H/B)ωзsinφ. Аналогично можно показать, что применение любого из указанных способов превращения свободного гироскопа в гирокомпас приводит к такому же результату.
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 N-S (на неподвижном судне), вокруг которой поворачивается плоскость истинного меридиана.

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 ω_п 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 N-S. Гироскопы имеют свободу вращения вокруг вертикальной оси. Так как оба гиромотора связаны друг с другом секторами (или рычагами), они могут одновременно поворачиваться вокруг вертикальной оси только в разные стороны, но на одинаковые углы. Пружина, присоединенная к секторам, создает момент вокруг вертикальных осей гироскопов в том случае, когда их главные оси не перпендикулярны друг к другу. В верхней части гиросферы установлен масляный успокоитель собственных колебаний гиросферы. Для центровки ЧЭ относительно следящей сферы в его нижней части имеется центрирующая катушка (рис31). Центр тяжести ЧЭ G расположен ниже геометрического центра О примерно на 8 мм и находится на вертикальной оси.
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 Nг-Sг. Сосуды заполнены сильно вязким маслом, свободно перетекающим по масляному трубопроводу. Сверху имеется воздушный трубопровод, соединяющий оба сосуда. Сечение масляного трубопровода и вязкость масла подобраны таким образом, что перетекание масла происходит с отставанием по отношению к движению гиросферы примерно на π/2, т. е. в тот момент, когда ЧЭ находится в плоскости горизонта, в одном из сосудов наблюдается максимальный избыток масла (рис 21). Когда же гиросфера отклоняется от горизонта на максимальный угол (θ max),— в сосудах масла поровну. За счет избытка масла в одном из сосудов возникает момент Lуд, который создает дополнительную прецессию ЧЭ к меридиану.
Рассмотрим поведение гиросферы с устройством для затухания колебаний, если она установлена на неподвижном судне.
В точке 1 происходят: видимое движение вверх υ1 из-за вращения горизонта, видимое движение от меридиана υ2 вследствие вращения, прецессионное движение υ4 к меридиану из-за избытка масла в одном из сосудов успокоителя колебаний. Наличие прецессии υ4 приводит к тому, что траектория движения ЧЭ пойдет ниже линии НЗК. В конечном итоге колебания завершаются в точке 6. Гиросфера будет находится в меридиане, но приподнятой над плоскостью горизонта (в северной широте) на угол θ, который обеспечивает прецессионное движение со скоростью вращения меридиана.
Принцип работы гирокомпасов типа «Курс» заключается в следующем (рис. 30). Гиросфера имея небольшую отрицательную плавучесть (около 30−40 г), центрируется при работе гирокомпаса с помощью электромагнитного поля внутри следящей сферы. Следящая сфера с гиросферой помещены в токопроводящую поддерживающую жидкость, заполняющую резервуар, который закрыт диском, называемым столом гирокомпаса. Такой подвес гиросферы в жидкости обеспечивает минимальные моменты трения вокруг ее осей. Резервуар с помощью кардановых колец и пружин подвешен в корпусе (нактоузе) гирокомпаса.
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.
Азимут-мотор, электрически соединенный с датчиком курса, через кинематическую передачу разворачивает следящую сферу до согласования с гиросферой. В этом случае напряжение сигнала рассогласования будет равно нулю, и реверсивный электродвигатель остановится. Следящая сфера при согласовании с гиросферой развернется относительно нактоуза гирокомпаса, а следовательно и корпуса корабля на угол, равный углу поворота корабля. Таким образом, репитеры гирокомпаса также развернут свои шкалы на углы, пропорциональные изменению курса корабля.

 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.

Смотрите также

Лунин Николай Александрович

Учет приливо-отливных течений, совместный учет дрейфа и течения

МППСС-72: Часть E. Изъятия