CrewTraffic - Maritime community CrewTraffic - Maritime community

Электронавигационные приборы

Общие принципы функционирования гирокомпасов типа «Standard-14» и «TG-5000», основные свойства гироскопа с тремя степенями свободы

Простейшим вариантом гироскопа с тремя степенями свободы является гироскоп в кардановом подвесе (рис. 1).

Рис. 1 Гироскоп в кардановом подвесе

Ротор 1 подвешен в системе колец так, что он может вращаться вокруг оси Х - Х относительно внутреннего кольца 2 (собственное вращение), внутреннее кольцо - вокруг оси Y - Y относительно внешнего кольца 3, а последнее - вокруг оси Z - Z относительно основания 4. Точка 0 пересечения осей Х - Х, Y - Y и Z - Z является центром подвеса гироскопа.

СодержаниеСвернутьСуточное вращение Земли и принцип построения гирокомпаса Способ технической реализации гирокомпаса с непосредственным управлением Двухгирокомпасный маятниковый чувствительный элемент Демпфирование колебаний чувствительного элемента гирокомпаса «Standard» Одногироскопный маятниковый чувствительный элемент с жидкостно-торсионным подвесом Демпфирование колебаний чувствительного элемента гирокомпаса типа «TG-5000» Скоростная девиация гирокомпаса и ее учет Инерционные девиации Интеркардинальная девиация (девиация на качке)

Рассматриваемый гироскоп имеет следующие свойства:

Главная ось свободного гироскопа стремится удержать неизменным свое направление в инерциальном пространстве. Это означает, что если главная ось направлена на какую-либо звезду, то при любых перемещениях основания, на котором установлен гироскоп, она будет неизменно указывать на эту звезду, изменяя свою ориентацию по отношению к системе координат, связанной с Землей. Впервые указанное свойство было использовано Л. Фуко для доказательств суточного вращения Земли.Под действием внешней силы, приложенной к внутреннему или внешнему кольцу и создающей момент, не совпадающий по направлению с главной осью гироскопа, последняя будет двигаться не по направлению действия силы (как это было бы при невращающемся роторе), а перпендикулярно этому направлению. Подобное свойство гироскопа называется прецессией. Прецессионное движение происходит с постоянной угловой скоростью, т. е. является безынерционным.Под действием импульса силы (удара) главная ось гироскопа практически не изменяет первоначального направления, а лишь совершает быстрые колебания около положения равновесия. Эти колебания называют нутацией. Они особенно хорошо заметны при небольшой угловой скорости собственного вращения ротора.

Свойства гироскопа с тремя степенями свободы используются в таких устройствах, как гирокомпасы, гирогоризонты, гиростабилизаторы индикаторного типа.

Суточное вращение Земли и принцип построения гирокомпаса

Гироскопическим компасом (гирокомпасом) называется навигационное гироскопическое устройство, предназначенное для указания плоскости истинного меридиана и позволяющее на этой основе определять курс судна и пеленги ориентиров, а также осуществлять стабилизацию в азимуте различных судовых устройств.

Гирокомпас (ГК) является механическим компасом. В силу этого качества определение положения плоскости истинного меридиана с помощью ГК должно основываться на некоторой механической характеристике Земли. Единственной механической характеристикой Земли, идентифицирующей определенную плоскость (плоскость истинного меридиана наблюдателя), является ее кинематическая характеристика - угловая скорость суточного вращения Земли ω.

Рис. 2 Сферическая модель Земли

На рис. 2 изображена сферическая модель Земли - шар средним радиусом R = 6370 км. На этом рисунке показаны: вектор угловой скорости ω = 7,29х10-5 с-1 суточного вращения Земли, вектор горизонтальной ω1 составляющей, вектор вертикальной составляющей ω2, причем;

ω1 = ωcosφ ; ω2 = ωsinφ. (1)

При точке О (место наблюдателя) построены основные плоскости и линии горизонтной системы координат ONEn. Более удобное и более естественное изображение системы координат ONEn представлено на рис. 3, где использована вспомогательная сфера произвольного радиуса.

Рис. 3 Система координат ONEn

Имея в виду главное назначение ГК - определение курса судна (а таковым является угол, лежащий в горизонтальной плоскости), следует считать в принципе непригодным для этой цели устройство, которое указывает положение плоскости истинного меридиана, располагаясь вдоль вектора ω (этот вектор, как известно, образует с плоскостью горизонта угол, равный широте φ места.)

Поставленным требованиям отвечает горизонтальная составляющая вектора угловой скорости суточного вращения Земли ω1 = ωcosφ, направленная вдоль линии пересечения плоскостей истинного горизонта и истинного меридиана, т. е. вдоль так называемой полуденной линии NS (вследствие суточного вращения Земли, именно над этой линией происходит верхняя или нижняя кульминация любого светила).

Вследствие вращения плоскости истинного горизонта с угловой скоростью ω1, наблюдаемое движение главной оси свободного гироскопа по отношению к этой плоскости существенно различается в зависимости от того, располагается его главная ось ОХ вдоль NS (вдоль вектора ω1) или отклонена от этой линии к востоку либо к западу. В последних двух случаях, вследствие вращения плоскости истинного горизонта, для любого наблюдателя, связанного с этой плоскостью, происходит угловое отклонение оси ОХ относительно плоскости истинного горизонта: либо видимый подъем, либо опускание. Этим только различается поведение гироскопа слева и справа от плоскости меридиана.

Известно только одно механическое устройство, способное идентифицировать отклонение какого-либо тела от плоскости истинного горизонта - это маятник (в широком понимании). Существенным обстоятельством является то, что при появлении указанного отклонения у маятника возникает восстанавливающий момент силы тяжести, пропорциональный углу его отклонения от плоскости горизонта. Объединение (непосредственное или косвенное, т.е. путем дистанционной связи) двух механических устройств: свободного (астатического) гироскопа и маятника в единую систему, т.е. придание гироскопу маятникового эффекта, приводит к возникновению у такой системы свойства избирательности по отношению к плоскости истинного меридиана. В этом состоит общий принцип построения гирокомпасов маятникового типа.

Способ технической реализации гирокомпаса с непосредственным управлением

В настоящее время принято делить все существующие гирокомпасы на два больших класса: с непосредственным и с косвенным управлением. Гирокомпасы «Standard-14» и «TG-5000» являются гирокомпасами с непосредственным управлением.

Гирокомпасами с непосредственным управлением называются такие гирокомпасы, чувствительный элемент которых представляет собой астатический гироскоп, механически связанный с маятниковым устройством, которое управляет его движением с помощью момента силы тяжести, пропорционального углу отклонения главной оси гироскопа от плоскости горизонта. Очень часто в литературе такие гирокомпасы называют маятниковыми. Существует несколько способов технической реализации гирокомпаса с непосредственным управлением. Наиболее известный и широко распространенный способ состоит в жестком соединении астатического гироскопа с разбалансированной массой, создающей чувствительному элементу положительный маятниковый эффект, иначе говоря, придающий ему нижнюю маятниковость.

На рис. 4 представлена модель такого гирокомпаса. Он состоит из ротора 1 гироскопа, гирокамеры 2, разбалансированной массы 3, горизонтального 4 и вертикального 5 колец карданного подвеса и направляющих опор 6 вращения. Расстояние OG, на которое смещен вниз центр массы чувствительного элемента, называется метацентрической высотой «а».

Рис. 4 Гирокомпас с непосредственным управлением

Рассмотрим поведение главной оси гирокомпаса, обладающего положительным маятниковым эффектом, по отношению к плоскости горизонта и меридиана. На рис. 5 изображена горизонтная система координат ONEn и показаны горизонтальная ω1 = ωcosφ и вертикальная ω2 = ωsinφ составляющие угловой скорости суточного вращения Земли.

Рис. 5 Горизонтная система координат ONEn

Предположим, что первоначально главная ось гироскопа расположена горизонтально и отклонена от плоскости истинного меридиана к востоку на угол α (позиция А1). В этом положении, т. е. при горизонтальном расположении оси ОХ гироскопа, сила тяжести Р = Mg не создает момента относительно какой-либо оси гироскопа. Вращение плоскости горизонта со скоростью ω1 вызывает непрерывное опускание восточной половины горизонта. В результате этого главная ось гироскопа видимым образом, т. е. по отношению к плоскости горизонта, поднимается. Указанный подъем происходит со скоростью, определяемой полезной составляющей ωу = ω1sinα.

Как только главная ось гироскопа поднимется над плоскостью горизонта на некоторый угол, возникает момент силы тяжести (рис. 6);

Lу = P · α · sinβ = M · g · α · sinβ.

Обозначив;

M · g · α = B, (2)

где В - модуль маятникового момента, окончательно получим;

Lу = В · sinβ. (3)

Рис. 6 Момент силы тяжести

Под действием момента Lу возникнет прецессионное движение со скоростью ωpz = Lу/H, которое будет направлено в стороны совмещения оси ОХ с плоскостью истинного меридиана. Однако существует некоторый начальный интервал времени, в который угол в еще настолько мал (и, следовательно, еще настолько мал момент Lу ), что угловая скорость прецессии ωpz в это время меньше угловой скорости ω2 вращения плоскости меридиана. В результате этого увеличивается угловое расстояние между осью ОХ гироскопа и меридианом, т. е. ось ОХ удаляется от него (участок траектории А1 А2 на рис. 5). Поскольку угол β увеличивается, при некотором его значении βr наступит момент, в который скорость прецессии гироскопа сравняется со скоростью вращения меридиана. На рис. 5 это положение иллюстрируется точкой А2 перегиба траектории.

В последующем, например позиция А3, значение угла в (рис. 7), постепенно нарастая, превысит значение βr (см.рис. 5), следовательно, скорость ωpz прецессии превысит скорость ω2 (позиция А3). В результате гироскоп неизбежно настигнет плоскость меридиана, но, имея при этом максимальное возвышение, обгонит ее и окажется над западной половиной горизонта. Поскольку последняя непрерывно поднимается, ось ОХ гироскопа начнет видимым образом опускаться (позиция А4), продолжая тем не менее прецессировать со скоростью, большей ω2, до тех пор, пока значение угла β не станет снова равным βr (позиция А5). В этот момент произойдет второй перегиб траектории.

Рис. 7 Нарастание угла

Вращение плоскости истинного меридиана со скоростью ω2 можно исключить из рассмотрения, если определять поведение главной оси гироскопа по отношению к плоскости, соединяющей точки перегиба А2 - А5, т. е. по отношению к плоскости, приподнятой на угол βr над истинным горизонтом. В этой постановке задачи удобнее всего определять движение конца главной оси гироскопа двумя линейными скоростями (см. рис. 7): V1, вызванной прецессионным движением под действием момента В sin (β - βr, и V2 видимого движения по отношению к плоскости А2 - А5, которая вращается с той же скоростью ω1, что и плоскость истинного горизонта.

Равенство скоростей V1 у точек траектории, имеющих одинаковы&

No comments yet. Be the first to add a comment!
By continuing to browse the site, you agree to our use of cookies.