Файл: Нечаев П.А. Электронавигационные приборы учебник.pdf

вращения их роторов кинетические моменты Нг и Я 2 гироскопов будут численно одинаковы. Разложим каждый из векторов Нг и Я 2 на со­

ставляющие Нх и Ну по направлению биссектрисы угла между глав­ ными осями гироскопов и по перпендикуляру к ней. Составляющие

Н х одинаковы по величине и направлению и поэтому могут быть пред­ ставлены суммарным вектором 2НХ, направленным по биссектрисе угла

между главными осями. Составляющие Н у направлены в противопо­ ложные стороны и также равны по величине. Следовательно, двухгироскопный чувствительный элемент можно рассматривать как одно-

гироскопный с кинетическим моментом 2Н х. На этом основании линию, определяемую вектором 2Нх, назовем главной осью X — X гиросферы и обозначим ее N — S, а ось гиросферы, определяемую векторами Я ;/, обозначим Y — Y.

Если гиросфера находится в положении равновесия, то ее главная ось X — X совпадает с гирокомпасным меридианом.

Сила инерции Fy, возникающая при качке судна, стремится повер­ нуть гиросферу вокруг ее главной оси, причем направление этой силы меняется через каждые полпериода качки. Если в первую половину

периода качки сила Fy направлена на запад, то момент этой силы L x направлен на север (рис. 62, а). Следовательно, согласно правилу по­ люсов гироскопы начнут поворачиваться вокруг вертикальных осей,

к востоку, а момент L x — к югу, поэтому полюсы гироскопов будут пе­ ремещаться к югу (рис. 62, б). Но вследствие прецессионного движения гироскопов вокруг вертикальных осей в гироскопах возникнут гиро­

скопические моменты, которые уравновесят силу Fy и не дадут ги­ росфере повернуться вокруг своей главной оси X — X.

Таким образом, вместо того чтобы раскачивать гиросферу вокруг главной оси N — S, сила инерции Fv будет вызывать прецессионные

93

движения гироскопов вокруг их вертикальных осей то в одну, то в дру­ гую сторону.

Итак, ось Y — Y двухгироскопного чувствительного элемента при качке судна остается горизонтальной, а это значит, что составляющая

Lzl отсутствует и погрешность качки не возникает.

Во всех остальных отношениях двухгироскопный чувствительный элемент подобен одногироскопному, поэтому все сказанное об одногироскопном компасе с пониженным центром тяжести чувствительного элемента справедливо и для двухгироскопного, с той лишь разницей, что кинетический момент последнего имеет величину

2НХ = 2Н cos %,

где х — абсолютное значение угла между осью N — S гиросферы и главной осью каждого из гироскопов.

В частности, когда % 45°, то

2Н х = 2Н cos 45° = Н Ц Т .

Здесь Я — кинетический момент каждого из гироскопов, т. е.

Я - Я, - Я.,.

Углы поворота гироскопов вокруг вертикальных осей при качке судна невелики, поэтому угол между главными осями гироскопов оста­

ется равным 90° и кинетический момент гиросферы 2Н х не изменяет своей величины.

Гироскопы располагают в гиросфере в виде буквы «Т» (см. рис. 60), так как при таком расположении они занимают наименьший объем.

§ 25. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧКИ НА ГИРОКОМПАС С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ МАЯТНИКОМ

Известно, что ртутные сосуды (гидравлический маятник) подвеши­ ваются к гирокамере для создания прецессионного движения чувстви­ тельного элемента к меридиану, или, иными словами, для превраще­ ния гироскопа в гирокомпас (см. §8). Центр тяжести такого чувстви­ тельного элемента совпадает с точкой подвеса, поэтому силы инерции, возникающие при качке судна, не создают моментов относительно точ­ ки подвеса и, следовательно, не вызывают инерционной прецессии. Однако общий центр тяжести системы, включающей чувствительный элемент и кольца карданового подвеса гирокомпаса, понижен относи­ тельно оси качаний. Благодаря этому на качке чувствительный эле­ мент под действием сил инерции совершает колебания относительно оси подвеса. В общем случае эти колебания могут быть разложены на коле­ бания в плоскости ротора чувствительного элемента и в плоскости, перпендикулярной ей. Колебания в плоскости ротора происходят под

действием составляющей Fy силы инерции. Чувствительный элемент

раскачивается при этом вокруг своей главной оси. Составляющая F х силы инерции заставляет чувствительный элемент раскачиваться

94

вплоскости, перпендикулярной плоскости ротора. Кроме того, под действием этой составляющей, дважды изменяющей свое направление

втечение периода качки, ртуть перетекает из сосуда в сосуд, т. е. совер­ шает вынужденные колебания. Силы тяжести инерционного избытка

жидкости в одном из сосудов вызывают инерционную прецессию чув­ ствительного элемента, что приводит к появлению погрешности гиро­

компаса.

Вынужденные колебания ртути_в сосудах происходят со сдвигом

по фазе относительно силы инерции F х, вызывающей эти колебания. Это обстоятельство и используется в гирокомпасах с ртутными сосудами для предупреждения погрешности качки.

Рис. 63. Колебание ртути в сосудах со сдвигом по фазе на 90° относительно качки судна при равенстве периодов

Предположим, что период вынужденных колебаний ртути Т рт равен периоду качки. В этом случае наступает явление резонанса, которое характерно тем, что в моменты максимальных значений ^шлы

инерции F х в сосудах ртути будет поровну, а в моменты, когда F х = 0, в одном из сосудов наблюдается максимальный избыток ртути.

Максимальные величины силы инерции F x наблюдаются в моменты наибольших поворотов гирокамеры относительно оси X — X под

действием силы Fц, Т- е. в моменты наибольших размахов чувствитель­ ного элемента.

На рис. 63 показаны последовательные положения чувствительного элемента и ртути в сосудах за промежуток времени, равный половине периода качки.

Вположении / угол у наклона оси У — Y прибора к горизонту максимален и ртути в сосудах поровну.

Вположении II угол у становится меньше и в одном из сосудов

образуется избыток ртути, сила тяжести последнего вводит момент L y относительно наклоненной оси Y — Y чувствительного элемента. Разложим этот момент на составляющие Lzl и LqSt. Отметим, что со­

ставляющая L zl в этом положении направлена вниз.

Ly максимален, a Lzl равен нулю.

95

Вположении IV угол у изменил знак, следовательно, изменила знак

исила F х, ртуть перетекает в противоположный сосуд, и момент Lv

уменьшается. Составляющая Lzl в этом положении направлена вверх.

Вположении V угол у вновь максимален, а ртути в сосудах поровну.

Втечение следующей половины периода качки процесс повторится

стой лишь разницей, что избыток жидкости будет теперь в противо­ положном сосуде.

Из рис. 63 видно, что среднее значение вертикальной составляющей

момента Lzl за полпериода качки равно нулю, так как в течение первой

этому погрешность качки отсутствует лишь в том случае, когда качка совершается с периодом, равным расчетному периоду собственных ко­ лебаний ртути. В гирокомпасах с ртутными сосудами расчетный период колебаний ртути делается равным примерно периоду самой медленной качки и составляет около 14 с. Следовательно, во всех случаях, когда период качки не равен 14 с, гирокомпас будет обладать некоторой остаточной погрешностью качки, величина которой зависит от разности

Остаточную погрешность качки определяют после изготовления гирокомпаса. Для этого гирокомпас испытывают на специальных ка­ челях при различных периодах качки. Если остаточная погрешность качки превосходит величину, допускаемую по техническим условиям, то производят дополнительную балансировку чувствительного эле­ мента, чтобы несколько повысить его центр тяжести относительно точ­

ки подвеса (рис. 64). Если, например, сила инерции F х направлена

96

к северу и качка совершается с периодом, меньшим 14 с, то избыток ртути будет наблюдаться в южном сосуде, т. е. в том, из которого ртуть уходит. Сила тяжести избытка ртути Р создает момент относительно оси Y — Y чувствительного элемента, стремящийся повернуть всю систему по часовой стрелке. Одновременно к центру тяжести чувстви­

тельного элемента будет приложена сила F x, вводящая момент, про­ тивоположный по направлению моменту силы Р, т. е. стремящийся повернуть всю систему против часовой стрелки.

Подбором балансировочных грузов, укрепляемых на чувствитель­ ном элементе, остаточная погрешность качки может быть снижена до допустимых для судовождения пределов.

§ 26. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧКИ НА ГИРОКОМПАС С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Под влиянием качки чувствительный элемент гирокомпаса с элект­ ромагнитным управлением раскачивается в плоскости ротора гиро­ скопа, т. е. в плоскости Ost — W (рис. 65). Это раскачивание происхо­

дит под действием силы инерции Fy. _

Под действием же силы инерции F х происходит смещение рабочего тела индикатора горизонта то к N, то к S с частотой качки. По этой

ДМу

W

Рис. 65. Действие качки на чувствительный элемент гирокомпаса с электромаг­ нитным управлением

причине на выходе индикатора горизонта появляются электрические сигналы, знак которых будет изменяться через каждые полпериода качки. Эти сигналы поступают на датчики моментов, и они вводят мо­

менты ~1у и_Ьг.

Момент Ly так же, как и в случае одногироскопного компаса с по­ ниженным центром тяжести (см. рис. 59), имеет вертикальную состав­ ляющую, которая в течение обоих полупериодов качки действует в од­ ном направлении, изменяясь от нуля до максимального значения. ЕГре-

зультате этого чувствительный элемент прецессирует в вертикальной плоскости, что в свою очередь приводит к смещению рабочего тела ин­ дикатора горизонта и, следовательно, вызывает дополнительную пре­ цессию чувствительного элемента в горизонтальной плоскости.

Если разложить момент L z на вертикальную и горизонтальную со­ ставляющие, то мы увидим, что горизонтальная составляющая этого момента также в течение обоих полупериодов качки действует в одном

направлении. Следовательно, и момент Lz вызывает дополнительную прецессию чувствительного элемента в горизонтальной плоскости.

Таким образом, под влиянием качки у гирокомпаса с электромаг­

горизонта значительной инерционности за счет подбора упругости пружин и вязкости жидкости, в которую погружено рабочее тело ин­ дикатора. Благодаря этому рабочее тело индикатора горизонта почти не успевает реагировать на ускорения, возникающие на качке, и появляющаяся погрешность качки настолько мала, что практического значения не имеет.

Отметим также, что большая инерционность индикатора горизонта устраняет влияние на гирокомпас кратковременных ускорений, воз­ никающих при внезапных сотрясениях корпуса судна и вибрациях.

Глава IV. ГИРОСКОП НАПРАВЛЕНИЯ

ИИНЕРЦИАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

§ 27. ГИРОСКОП НАПРАВЛЕНИЯ

Г и р о с к о п о м н а п р а в л е н и я называется прибор, пред­ назначенный для сохранения с определенной точностью какого-либо выбранного азимутального направления в течение заданного интервала времени. Такой прибор называют еще и г и р о а з и м у т о м .

Принцип действия гироскопа направления основан на свойстве сво­ бодного гироскопа сохранять неизменным в пространстве направле­ ние главной оси.

Как известно, свободный гироскоп в результате вращения Земли совершает видимое движение относительно плоскостей горизонта и ме­ ридиана. Поэтому, если ориентировать в первоначальный момент глав­ ную ось свободного гироскопа, например, по линии N — S, то гироскоп, совершая видимое движение, уйдет из этого положения.

Численная величина скорости видимого ухода главной оси сво­ бодного гироскопа из плоскостей истинного горизонта и меридиана наблюдателя в некоторых широтах показана в табл. 5. Таблица рас­ считана для случая, когда в начальный момент главная ось свободного гироскопа совпадает с линией N —- S.

Из таблицы видно, что уход главной оси свободного гироскопа от первоначального направления в азимуте совершается довольно быст-

98