Принцип действия гирокомпаса

При наличии вращения основания двухстепенного гироскопа вокруг его оси чувствительности гироскоп начнет прецессировать таким образом, чтобы кратчайшим путем совместить вектор своего кинетического момента с вектором угловой скорости вращения основания.

Ротор гироскопа может быть подвешен не только в наружном кардановом подвесе, как это было рассмотрено выше, но и во внутреннем. При этом, как правило, используется упругий карданов подвес. Рассмотрим кинематическую схему и свойства указанного прибора, который на практике получил название динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ).

Ротор Р₃ ДНГ (рис.1.4) [2], устанавливается в упругом внутреннем кардановом подвесе, включающем в себя два кольца Р₁ и Р₂, связанных с ним с помощью четырех торсионов Т₁ – Т₄, имеющих высокую жесткость при изгибе и определенную, заранее заданную жесткость при закручивании. Благодаря торсионам ротор может поворачиваться на ограниченные углы вокруг осей оу’ и oz’. Кольца подвеса в нерабочем состоянии располагаются практически в одной плоскости.

Ротор совместно с системой его подвеса приводится во вращение с угловой скоростью Ω с помощью внешнего двигателя (на рис. не показан), связанного с валом В, ось которого совпадает с осью ох₀.

В процессе работы гироскопа на его ротор со стороны системы подвеса будут действовать моменты сил упругости и динамические моменты центробежных сил, возникающие из-за неравенства главных экваториальных моментов инерции рамок подвеса. При этом направления векторов этих моментов будет взаимно противоположными. Значение первого момента определяется жесткостью торсионов, отклонением ротора и колец его подвеса от стационарного положения и не зависит от скорости вращения ротора. В то же время, величина второго момента зависит как от отклонения ротора и колец его подвеса от стационарного положения, так и то скорости вращения ротора. Таким образом, появляется возможность подобрать скорость вращения ротора таким образом, чтобы оба рассматриваемых момента по модулю были равны друг другу. В этих условиях при отклонении ротора от стационарного положения на небольшие углы он не будет «чувствовать» системы подвеса и его свойства будут соответствовать свойствам классического гироскопа с тремя степенями свободы. Процесс подбора указанной скорости называют динамической настройкой гироскопа, а сам гироскоп - динамически настраиваемым.

Наряду с описанными моделями, имеются другие варианты подвеса ротора гироскопа. Среди них наибольшее распространение в получил гидростатический подвес, особенности которого будут рассмотрены ниже.

Любой гирокомпас (ГК), исключая не рассматриваемые в данной работе аналитические модели, построены на базе чувствительного элемента (ЧЭ), способного самостоятельно или под влиянием управляющих моментов, приложенных извне, устанавливаться в меридиан. При этом должна быть организована такая система его подвеса, чтобы движение судна оказывало минимальное влияние как на процесс установления его в меридиан, так и на то положение, которое он занимает по завершению переходного процесса. Это возможно лишь в том случае, если в основу ЧЭ положен гироскоп с тремя степенями свободы. Однако, как уже было отмечено выше, свободный гироскоп сохраняет свою ось неизменно ориентированной в пространстве и без дополнительных на него воздействий не способен устанавливаться в меридиан. В этих условиях необходимо создать такую систему коррекции гироскопа, которая решала бы стоящую задачу, но минимизировала бы влияние на его работу движения судна. Простейшим образом эта задача решается путем смещения центра массы чувствительного элемента прибора вдоль наружной оси его подвеса. Рассмотрим закон движения главной оси гироскопа при наличии указанного смещения [3,4].

Будем считать, что гироскоп с тремя степенями свободы, к гирокамере ВК (рис. 1.5) которого с целью смещения его центра масс прикреплен груз Q, установлен на земной поверхности в каком-либо пункте а. Будем также полагать, что в начальный момент времени его главная ось ОА совпадает с плоскостью горизонта и направлена с запада на восток. В этих условиях сила G веса гироскопа, несмотря на наличие расстояния l между его центром тяжести и точкой подвеса О, не будет создавать относительно последней никакого момента. Направление вектора G в данном случае будет совпадать с вертикально расположенной осью ОС наружного карданова кольца НК и, следовательно, проходить через точку О подвеса гироскопа.

Начальная ориентация гироскопа относительно земной поверхности не будет оставаться неизменной. С течением времени вследствие суточного вращения Земли место установки гироскопа будет перемещаться в пространстве. Если за вращением Земли наблюдать извне со стороны северного полюса, будет видно, что это перемещение совершается против часовой стрелки. Таким образом, по прошествии некоторого времени место установки гироскопа, совершив вместе с Землей поворот вокруг ее оси, переместится в пространстве на некоторый угол и займет новое положение, обозначенное на схеме точкой б.

В процессе описываемого перемещения гироскоп, стремящийся сохранить направление своей главной оси неизменным в пространстве, начнет приобретать все увеличивающийся наклон к горизонту. При этом восточный конец главной оси ОА будет непрерывно подниматься над горизонтом, а западный — опускаться. Вместе с гироскопом вокруг оси 0В будет поворачиваться и груз Q. При наличии угла β между главной осью и плоскостью горизонта вектор G уже не будет проходить через точку О подвеса гироскопа, обусловливая тем самым возникновение момента M_В, действующего на гироскоп относительно его внутренней оси подвеса ОВ. Нетрудно заметить, что величина момента M_В определяется произведением , которое вследствие малости угла β может быть принято равным Glβ и, следовательно, считаться пропорциональной углу β. Направление вектора момента M_В совпадает с положительным направлением оси 0В, т.е. будет перпендикулярно плоскости чертежа и указывать на читателя.

Как только момент М_В начнет действовать на гироскоп, возникнет прецессионное движение вокруг наружной оси ОС. В результате главная ось ОА гироскопа, поворачиваясь вокруг оси ОС с угловой скоростью , начнет приближаться к плоскости географического меридиана. При этом вектор кинетического момента Н гироскопа будет двигаться в направлении к северному географическому полюсу, как это показано на схеме в положении в. Как видим, описанный гироскоп приобретает способность устанавливаться в меридиан и, тем самым, превращается в компас с маятниковой коррекцией. Нередко его называют гирокомпасом с непосредственной коррекцией или гирокомпасом с автономным ЧЭ. Поскольку, стремясь к меридиану, гироскоп одновременно движется по двум углам α и β, совершая незатухающие колебания, фаза которых сдвинута на 90⁰ [3], траектория движения его главной оси на картинной плоскости αоβ (рис. 1.6) будет эллиптической со смещенной на некоторые угол β₀ относительно линии горизонта его большой осью. Указанное смещение обеспечивает прецессию гироскопа вокруг местной вертикали с угловой скоростью, равной вертикальной составляющей угловой скорости вращения Земли, благодаря чему ЧЭ отслеживает ее вращение, сохраняя центр колебания главной оси (точку D) в плоскости меридиана.

Из сказанного следует, что благодаря наличию у чувствительного элемента маятниковости из-за вращения Земли возникает внешний момент, действующий относительно внутренней оси ОВ гироскопа, пропорциональный углу отклонения его главной оси ОА от плоскости горизонта.

Этот момент порождает незатухающие колебания его главной оси относительно плоскостей горизонта и меридиана, период которых достаточно длительный и составляет десятки минут.

Вполне очевидно, что характер движения ЧЭ не будет зависеть от того, какими факторами порождается указанный момент. Это дает возможность формировать его любыми другими способами.

Не менее очевидно, что для создания полноценного ГК незатухающие колебания ЧЭ тем или иным способом должны быть погашены, что практически обеспечит совмещение его главной оси ЧЭ с плоскостью меридиана и горизонта.

Подводя итог сказанному, отметим, что для построения морского ГК следует:

§ взять за основу гироскоп с тремя степенями свободы;

§ снабдить его устройством, создающим относительно внутренней оси подвеса ротора момент, пропорциональный углу отклонения главной оси гироскопа от плоскости горизонта;

§ снабдить прибор устройством, демпфирующим прецессионные колебания гироскопа, возникающие в процессе его установления в меридиан.

Дата добавления: 2014-11-18