Гидрокомпасы как датчики направлений.

Гирокомпас, механический указатель направления истинного (географического) меридиана, предназначенный для определения курса объекта, а также азимута (пеленга) ориентируемого направления.

Рис. 2. Принципиальная схема чувствительного элемента однороторного гирокомпаса с ртутными сосудами: 1 — ротор; 2 — гирокамера; 3 — сосуды с ртутью; 4 — соединительная трубка; 5 — лапа.

Преимущества Гирокомпас по сравнению с магнитным компасом состоят в том, что он указывает направление географического (а не магнитного) меридиана, что на его показания существенно меньше, чем на магнитный компас, влияют перемещающиеся металлические массы (железо, сталь) и электромагнитные поля и что его точность в условиях маневрирования и колебаний объекта значительно выше. Принцип действия Гирокомпас основан на использовании свойств гироскопа и суточного вращения Земли; его идея была предложена французским учёным Л. Фуко.

Гирокомпас Фуко представляет собой двухстепенной астатический гироскоп, ось которого перемещается в плоскости горизонта и благодаря возникающему из-за вращения Земли гироскопическому моменту стремится совместиться с плоскостью меридиана. Гирокомпас Фуко не нашёл применения на подвижных объектах, подверженных колебаниям, но его идея была использована при разработке некоторых образцов наземных Гирокомпас

На подвижных объектах широко применяются одно- и двухроторные Гирокомпас, основанные на использовании трёхстепенных гироскопов.

В однороторном мореходном Гирокомпас используется трёхстепенной гироскоп, центр тяжести которого смещен в его экваториальной плоскости ниже точки подвеса, т. е. позиционный гироскоп. В зависимости от способа создания маятникового эффекта различают Гирокомпас с маятником, Гирокомпас с ртутными сосудами, Гирокомпас с косвенной коррекцией. В Гирокомпас с маятником (рис. 1) ротор 1 заключён в гирокамеру 2, к нижней части которой подвешен груз 3. Гирокамера установлена в наружном кардановом кольце (на рис. не показано), ось вращения которого расположена вертикально. Когда ось АВ ротора не находится в плоскости меридиана (отклонена на Восток или на Запад), она, стремясь в соответствии со свойствами трёхстепенного гироскопа сохранять своё направление по отношению к звёздам, будет вследствие вращения Земли отклоняться от плоскости горизонта (например, её конец В, если он отклонен к Востоку, будет приподниматься, как бы следя за восхождением звёзд). Вместе с осью AB будет отклоняться и гирокамера 2 с грузом 3 относительно плоскости горизонта. В результате относительно точки подвеса возникнет момент силы тяжести, который вызовет прецессионное движение оси АВ к плоскости меридиана. В своём движении ось АВ «проскочит» плоскость меридиана и тогда под действием момента силы тяжести она начнёт прецессировать в обратном направлении и т.д. После погашения этих А колебаний специальным демпфером ось АВ устанавливается в плоскости меридиана.

В Гирокомпас с ртутными сосудами (рис. 2) ротор 1 и гирокамера 2 отбалансированы так, что их общий центр тяжести совмещен с точкой подвеса. С гирокамерой связана система сообщающихся сосудов 3, частично заполненных ртутью. К правому сосуду прикреплена т. н. лапа 5, связывающая сосуды с гирокамерой. При отклонении оси гироскопа от плоскости горизонта избыток ртути в одном из сосудов обусловливает приложение к гироскопу момента силы тяжести, аналогичного соответствующему моменту в Гирокомпас с маятником.

В Гирокомпас с косвенной коррекцией используется трёхстепенной астатический гироскоп, на гирокамере которого установлен маятник (акселерометр), фиксирующий угол отклонения оси гироскопа от плоскости горизонта. На основании информации об этом угле в приборе формируются сигналы моментов коррекции, которые прикладываются к гироскопу с помощью соответствующих датчиков моментов, установленных на осях карданова подвеса гироскопа. Подобные приборы могут также работать в режиме гироскопа направления.

Из однороторных Гирокомпас применяются в основном Гирокомпас с ртутными сосудами.

Двухроторный Гирокомпас Чувствительный элемент этого Гирокомпас (рис. 3) — гиросфера, или поплавок, представляет собой полую сферу 1. В гиросфере помещены гироскопы 2 и 3, гидравлический успокоитель для погашения собственных колебаний и др. элементы. Оси собственного вращения гироскопов 2 и 3 расположены горизонтально, а оси прецессии — вертикально и связаны с шарнирным механизмом спарником 4, который соединён пружинами 5 с корпусом гиросферы. В исходном положении (при невращающихся роторах) оси гироскопов составляют с направлением NS гиросферы равные углы Е=45°. Центр тяжести гиросферы находится на её вертикальной оси ниже её геометрического центра, что обеспечивает, как и в однороторном Гирокомпас, необходимый маятниковый момент. Гиросфера помещена в жидкость и поэтому в подвесе имеет место лишь вязкое трение. Для обеспечения невозмущаемости Гирокомпас ускорениями объекта параметры системы подбирают так, чтобы период прецессионных колебаний гиросферы при отсутствии затухания составлял 84,4 мин. Наличие в Гирокомпас двух гироскопов существенно снижает погрешности прибора при качке корабля. Погрешности Гирокомпас при прямом курсе и постоянной скорости хода корабля не превышают нескольких десятых долей градуса. Гирокомпас весьма широко распространены на кораблях морского флота.

Разновидность Гирокомпас — гирогоризонт-компас, предназначенный для определения курса корабля и углов отклонения его относительно плоскости горизонта.

Погрешности гирокомпасов.

Установившаяся погрешность гирокомпаса - это paзность отсчетов истинного и установившегося курсов. Установившийся курс - среднее значение из 10 отсчетов, взятых один за другим через 20 мин после того, как гирокомпас пришел в меридиан. Считается, что гирокомпас пришел в меридиан, если разность между значениями любых двух отсчётов, взятых через 30 мин, не превышает ±0,7^о. Установившаяся погрешность на любом курсе в шиpoтax j 60 ^о не должна превышать ±0,75 ^о sec j. Средняя квадратическая погрешность paзностей между отдельными отсчётами курса и его средним значением должна бьпь менее 0,25 ^о sес j.

Стабильность установившейся погрешности гирокомпаса от пуска к пуску должна быть в пределах 0,25 ^о sес j. Стабильность установившейся погрешности основного прибора гирокомпаса должна быть в пределах ±1° sec j в обычных условиях эксплуатации и вариацяях магнитного поля, которые может испытывать судно.

Требуется также, чтробы в широтах j 60 ^о:

включенный в соответствии с инструкцией гирокомпас пришел в меридиан за время не более 6 ч при бортовой и килевой качках с периодом колебаний от 6 до 15 с, амплитудой 5^о и максимальном горизонтальном ускорении 0,22 м/с²;

остаточная постоянная погрешность после ввода коррекции за скорость и курс при скорости 20 уз не должна превышать ±0,25 ^о sеc j;

погрешность, вызванная быстрым изменением скорости, при начальной скорости 20 уз не должна превышать ±2^о;

погрешности, вызванные бортовой и килевой качкой с периодом колебаний от 6 до 15 с, амплитудами 20 ^о, 10 ^о и 5 ^осоответственно при максимальном горизонтальном ускорении не превышающем 1 м/с², и рысканием судна должны быть не более 1 ^о sеc j.

Максимальное расхождение в отчетах между основным прибором гирокомпаса и репитерами в рабочем состоянии не должно превышать ±0,5^о.

По своему характеру погрешности гирокомпаса принято делить на методические и инструментальные. Основными методическими погрешностями являются скоростная и инерционная.

Скоростной погрешностью гирокомпаса называется постоянное в данной широте азимутальное отклонение оси гирокомпаса от истинного меридиана, происходящее вследствие движения судна с постоянной скоростью на постоянном курсе.

Скоростная погрешность имеет полукруговой характер: для курсов северной половины горизонта она отрицательна, южной — положительна. В большинстве конструкций гирокомпасов она исключается автоматическими или полуавтоматическими корректорами. В некоторых конструкциях скоростная погрешность исключается только из показаний принимающих.

Инерционные погрешности гирокомпаса вызываются возмущающими моментами сил инерции, возникающими при ускоренном движении судна. При появлении моментов этих сил ось гирокомпаса выходит из своего положения равновесия и совершает прецессионное движение со скоростью, зависящей от значения момента силы инерции. Инерционная девиация проявляется в форме затухающих колебаний после окончания маневра судна (курсом и/или скоростью).

Образующаяся в результате маневра переменная погрешность называется инерционной погрешностью гирокомпаса. Она свойственна большинству современных гирокомпасов независимо от их конструкции.

Различают инерционную погрешность с выключенным на время маневра успокоителем и инерционную погрешность с включенным успокоителем. Первую иногда называют баллистической погрешностью первого рода, вторую (в частном случае выполнения условия апериодических переходов) — баллистической погрешностью второго рода, или погрешностью ускорения-затухания.

Наибольшее значение инерционная погрешность первого рода имеет в момент окончания маневра. Инерционная погрешность второго рода достигает наибольшей величины приблизительно через 20—25 мин после окончания маневра.

На практике в условиях часто повторяющихся маневров какие-либо расчеты по определению инерционных погрешностей производить нецелесообразно. Однако судоводитель должен критически оценивать их возможную величину и характер изменения. Для этого необходимо учитывать следующее:

инерционные погрешности носят гироскопический характер, т. е. возникают не сразу после появления инерционных возмущений и исчезают не сразу после их прекращения;

изменение инерционных погрешностей во времени после прекращения действия возмущающих факторов происходит по законам собственных колебаний ГК, т. е. тем же периодом и фактором затухания;

для транспортных судов величина инерционной погрешности в средних широтах после однократных маневров обычно не превышает 2—3°;

показания гирокомпаса следует считать ошибочными в течение 40—50 мин после окончания маневра. В особо сложных условиях (при плавании в высоких широтах и на больших скоростях) инерционная погрешность может сохраняться в течение 1,5 ч после маневрирования;

существенные инерционные погрешности появляются при полуциркуляции судна с курса 0° или 180°, а также при зигзагообразном маневрировании на четвертных генеральных курсах;

при отсутствии выключателя затухания инерционная погрешность гирокомпаса принципиально не может быть устранена;

выключение успокоителя колебаний гирокомпасов с нерегулируемым периодом целесообразно в широтах меньше расчетной (для отечественных конструкций меньше 60°);

при пеленговании ориентиров с помощью гирокомпаса инерционная погрешность должна рассматриваться как систематическая (повторяющаяся) ошибка, если срок наблюдений значительно меньше периода собственных колебаний гирокомпаса;

при счислении пути по гирокомпасу инерционная погрешность должна рассматриваться как случайная ошибка курсоуказания;

при сложном маневрировании (плавании по извилистым фарватерам, во льдах и т. д.) возможно наложение инерционных погрешностей или накопление их до существенного значения, зависящего от широты плавания. В широтах 75—80° это значение может составлять ±10—15° для обычных неапериодических компасов.

Инструментальные погрешности гирокомпаса с жидкостным подвесом ЧЭ складываются из инструментальных погрешностей основного прибора, следящей системы, корректирующих устройств, дистанционной передачи и принимающих приборов.

Инструментальная погрешность основного прибора современных гирокомпасов обычно не превышает ±0,3°.

Погрешность, вносимая следящей системой, практически может рассматриваться как случайная, поскольку она зависит от многих, трудно учитываемых факторов.

В гирокомпасах с косвенным управлением основными источниками инструментальных погрешностей основного прибора являются дефекты следящих систем и устройства управления гироскопом.

Одногироскопные гирокомпасы с торсионным подвесом могут иметь специфическую установившуюся погрешность, пропорциональную статической ошибке следящей системы. В реальных условиях плавания предельная величина случайной погрешности, которая может быть внесена следящей системой, не превышает ±1,0°.

Погрешность, вносимая корректором, складавется из случайной погрешности, вызыва емой люфтами и несоответствием геометрических размеров передач, и систематических погрешностей за счет неточного ввода истинной скорости и широты.

Случайная погршность корректора обычно оценивается предельными значениями ±(0,2-0,3)^о.

Систематическая погрешность за счёт неточного ввода истинной скорости, что может иметь место при неизвестном течении или неизвестной поправке лага, обычно невелика.

Систематическая погрешность за счёт неточного ввода широты может достигать сущесвенного значения. Для ее уменьшеия при плавании в высоких широтах следует производить установку корректора по широте через каждый градус изменения широты или менее. Погрешность за счет дистанционных передач гирокомпаса обычно рассматривается как случайная. Ее предельное значение не превышает ±0,2 ^о в статическом режиме, но может достигать нескольких градусов в динамическом режиме, что следует иметь в виду при пеленговании обьектов на циркуляция или после резкого изменения курса.

Погрешности принимающих приборов могут быть разделены на систематические и случайные. Систематические обычно не превышают ±0,2 ^о (без учета погрешности за счет неточной установки пелоруса). Предельное значение случайных погрешностей имеет такой же порядок.

К инструментальным погрешностям двухгироскопных компасов может быть отнесена и наблюдаемая на качке четвертная погрешность (у одногироскопных гирокомпасов с гидравлическим маятником ее следует рассматривать как методическую). Причиной этой погрешности является перемещение ЦТ чувствительного элемента на качке за счет изменения уровня имеющихся внутри него жидких масс, главным образом уровня масла в успокоителе колебаний. Величина этой погрешности зависит от конструкции успокоителя и для отечественных гирокомпасов типа «Курс» не превышает ±0,5 ^о (при отсутствии собственного движения судна).

Поправки и точность показаний гирокомпаса. Совокупность перечисленных выше погрешностей образует суммарную погрешность гирокомпаса, подразделяемую на систематическую и случайную составляющие. На практике такое разделение не имеет большого значения, поскольку, как правило, общая поправка определяется при однократных наблюдениях или в течение слишком коротких промежутков времени, чтобы можно было произнести эффективную обработку измерений.

Однако следует иметь в виду, что за счет случайных и переменных систематических ошибок значение общей поправки гирокомпаса в какой либо момент времени может существенно отличаться от значения, выведенного при последних наблюдениях. По этой причине, в частности, при пеленговании объектов в условиях длительного маневрирования или вскоре после окончания маневра (например, после выхода из порта), не следует принимать во внимание общую поправку, определенную до производства маневра.

С другой стороны, изменение общей поправки в течение некоторого времени после маневрирования не следует считать признаком неисправной работы гирокомпаса. Иногда допускается ошибка, когда общая поправка гирокомпаса определяется на полном ходу с введенным в корректор значением скорости, а затем этой поправкой пользуются на малом ходу, среднем или на стоянке (например, на якоре) без ввода нового значения скорости в корректор. Другая ошибка возникает в тех случаях, когда общая поправка определяется на стоянке, но с установленным на корректоре значением скорости, при этом ошибочно предполагается, что на ходу поправка компаса будет правильной.

Во всех случаях следует руководствоваться следующим правилом: введенная в корректор скорость должна всегда соответствовать действительной скорости судна.

Общая поправка гирокомпаса определяется одним из принятых в навигации и мореходной астрономии методов, а также с помощью радиотехнических средств.

Величина средней квадратической погрешности общей поправки гирокомпаса составляет:

по створам ±0,2°, пo пеленгам береговых ориентиров ±0,4°, по небесным светилам ±0,4°.

К paдиотехническим способам следует прибегать только в тех случаях, когда вследствие плохой или ограниченной видимости другие способы определения поправки недоступны. Особенно ненадежны определения поправки гирокомпаса с использованием ненаправленных радиомаяков, находящихся за пределами оптической видимости.

Величина и характер изменения общей поправки гирокомпаса являются критерием точности его показаний. Точность гирокомпаса в соостетствии с природой его погрешностей принять оценивать для конкретных целей плавания: на неподвижном основании (на швартовах); при плавании прямыми курсами с постоянной скоростью; при маневрировании судна; при качке судна.