Гироскоп (стр. 8 из 9)

Рис. 30. Схема прямолинейного полета в мировом пространстве и у земной поверхности

Действительно, если бы мы совершали полет по показаниям гироскопа, главная ось которого в момент старта была совмещена с радиусом Земли (рис.30), то наше движение было бы прямолинейным, но только по отношению к неподвижным звездам, а не к земной поверхности. На практике важно именно последнее, поэтому под прямолинейным горизонтальным полетом принято понимать перемещение самолета на постоянной высоте над земной поверхностью, т.е. по дуге окружности постоянного радиуса, равного сумме земного радиуса Rи высоте полета h.

Таким образом, главная ось гироскопа, предназначенного для выдерживания полета в горизонтальном положении, должна быть неизменно совмещена с направлением истинной вертикали 0₃Z. Это условие может быть выполнено лишь при наличии в системе гироскопического прибора таких сил, которые создавали бы моменты, удерживающие главную ось гироскопа в совмещении с истинной вертикалью.

В авиационном гироскопическом горизонте, применявшемся на самолетах в 1914-1916 гг. в качестве такой удерживающей силы использовалась сила веса его ротора. Для уяснения принципа работы прибора обратимся к схеме рис.31. На ней, в отличие от действительной конструкции, ротор прибора изображен не опирающимся на острие, а подвешенным на штанге Ш, оканчивающейся шаровой опорой. Такое изменение схемы ни в коей мере не искажает принципа работы рассматриваемого прибора и сделано лишь с целью обеспечения большей наглядности при объяснении существа работы рассматриваемого гироскопического прибора.

Центр тяжести ротора смещен вниз по отношению к точке его подвеса. На схеме это смещение условно показано в виде шарового груза, центр которого смещен относительно точки подвеса вдоль главной оси АА₁гироскопа на расстояние. Условимся считать, что с центром шарового груза совмещен центр тяжести ротора гироскопического горизонта.

До тех пор пока главная ось АА₁будет сохранять вертикальное положение, сила G его веса проходит через точку подвеса гироскопа и поэтому никаких моментов относительно точки подвеса О, на него воздействующих, не создает. Вектор кинетического момента гироскопа JΩ, совмещенный с главной осью АА₁будет направлен по вертикали OZ. В результате по положению главной оси можно судить о направлении истинной вертикали.

Рис.31. Принципиальная схема устройства маятниковой гировертикали

Если же главная ось AA₁начнет отклоняться от вертикали OZ, то даже при незначительном угле наклона сила Gначнет создавать относительно точки подвеса момент G, который будет тем больше, чем больше величина l’, являющаяся проекцией смещения l на горизонтальную плоскость. В рассматриваемом случае вектор момента Gl’перпендикулярен плоскости чертежа и направлен из точки подвеса ротора в сторону читателя.

Под влиянием внешнего момента Gl’гироскоп, как известно, начнет прецессионное движение, причем так, чтобы по кратчайшему направлению привести свою главную ось АА₁ к совмещению с вектором внешнего момента Gl’. Таким образом, главная ось АА₁и совмещенный с нею вектор кинетического момента JΩначнут выходить из плоскости чертежа, двигаясь своим верхним концом в направлении на читателя.

Так как точка подвеса гироскопа остается неподвижной, то в результате рассматриваемого движения нижний конец главной оси, а следовательно, и шаровой груз будут отклоняться за плоскость чертежа. Таким образом, как только под влиянием момента Gl’ начнется прецессионное движение гироскопа, вместе с последним поворачивается около точки подвеса и вектор момента Gl’.

Сказанное легко проследить, пользуясь схемой, приведенной на рис.32.

Рис.32. Схема, объясняющая работу маятниковой гировертикали

Сила Gсоздаст относительно оси оу момент Gl’, благодаря чему главная ось АА₁гироскопа, а с ней вместе и вектор кинетического момента JΩначнут двигаться к совмещению с вектором момента Gl’. Но как только гироскоп повернется вокруг оси ох и его главная ось АА₁составит с плоскостью xozхотя бы незначительный угол φ (рис.32, б), так сразу же точка а пересечения направления действия силы Gс плоскостью хоу сместится с оси ох. Теперь она будет отстоять от оси ох на расстоянии 1_xи от оси оу на расстоянии 1_у. В связи с этим сила G веса гироскопа создаст моменты Gl_yи Gl_xотносительно осей оу и ох.

Вектор суммарного момента Gl’теперь уже не будет совмещен с осью оу и составит с ней некоторый угол а. Главная ось АА₁гироскопа, непрерывно движущаяся к совмещению с вектором момента Gl’ пойдет теперь к совмещению не с осью or/, а с направлением вектора суммарного момента Gl’. Так как вместе с поворотом гироскопа будет вращаться вокруг оси ozи вектор момента Gl', все на больший угол а, удаляющийся от плоскости yoz, то и главная ось гироскопа, стремящаяся к совмещению с вектором Gl', будет непрерывно перемещаться вокруг оси oz, совершая около нее конусообразные движения. При этом угол рассогласования между осями АА₁и ozобычно настолько мал, что практически главную ось АА₁гироскопа можно считать совмещенной с истинной вертикалью oz.

Однако маятниковая гироскопическая вертикаль не получила распространения в авиации из-за больших ее размеров. Дело в том, что для непрерывного выдерживания главной оси маятниковой гировертикали в непосредственной близости от направления истинной вертикали необходим значительный по величине момент, создаваемый силой веса гироскопа.

С этой целью для обеспечения требуемой точности прибора приходится утяжелять ротор, что влечет за собой и увеличение общих размеров прибора. При малых же размерах ротора и малом его весе момент, возникающий при отклонении гироскопа от истинной вертикали, оказывается недостаточным для противодействия возмущения, порождающим ошибки маятниковой гироскопической вертикали.

Рис. 33. Принципиальная схема устройства гирогоризонта

По этим причинам маятниковая гировертикаль не могла быть использована в авиации, найдя себе применение только в морском флоте. В авиации для сохранения вертикального положения главной оси небольшого по размерам гироскопа применяются различные методы. На рис.33 приведена схема гироскопа с тремя степенями свободы, центр тяжести которого совмещен с точкой подвеса, а его главная ось ЛЛ, расположена вертикально. На гироскопической камере ВК, которая, как известно, выполняет роль внутреннего кольца подвеса, установлено два цилиндра из немагнитного материала. Эти цилиндры расположены взаимно-перпендикулярно, причем каждый из них установлен симметрично по отношению к соответствующим осям ВВ₁и CC₁ подвеса гироскопа.

С обоих концов цилиндров располагаются катушки соленоидов N₁, L₁ и N₂; L₂, включаемые в сеть электрического тока посредством маятникового М, и М₂, оси подвесов которых параллельны осям ВВ₁и CC₁гирокамеры. Предположим, что отклонение главной оси ЛЛ) гироскопа от направления истинной вертикали OZпроизошло в результате поворота гироскопа вокруг оси CC₁ в направлении, показанном стрелкой. При этом маятник М₂, сохраняя отвесное положение, замкнет ламель K₂, расположенную совместно со второй ламелью К₁на изолированном основании, укрепленном на корпусе гирокамеры.

Замыкая контактную ламель К₂, маятник М₂включит ток в катушку L₁ соленоида, расположенного перпендикулярно оси СС₁. Воздействие электромагнитного поля соленоида на помещенный внутри цилиндра якорек Я вызовет перемещение последнего вдоль оси СС₁вправо. Вес Р якорька Я создаст на плече момент М_в= Рl, направление которого на схеме показано вектором, совпадающим с осью ВВ₁.

Момент Рlвызовет прецессионное движение гироскопа вокруг оси СС₁в результате чего его главная ось AA_lбудет идти на совмещение с истинной вертикалью 0Z. Как видим, направление перемещения якорьков зависит от того, какую ламель замкнут соответствующие маятники М₁или М₂, которые и управляют системой удерживания гироскопа в вертикальном положении, получившей название корректирующего устройства.

Корректирующие устройства гироскопических приборов выполняются в самых различных вариантах, с которыми читатель может познакомиться в литературе, указанной в конце книги.

Однако вне зависимости от их конструктивной разновидности принципиальная сущность корректирующих устройств остается одной и той же.

Маятники той или иной конструкции фиксируют отклонение главной оси гироскопа от направления истинной вертикали и включают в работу устройства, создающие внешние, воздействующие на гироскоп, моменты. Под воздействием этих моментов гироскоп получает прецессионное движение, в результате которого его главная ось и приходит к совмещению с истинной вертикалью.