stringtranslate.com

Гирокомпас

Разрез гирокомпаса Anschütz
Репитер гирокомпаса

Гирокомпас — это тип немагнитного компаса , который основан на быстро вращающемся диске и вращении Земли ( или другого планетарного тела, если оно используется где-либо во Вселенной) для автоматического определения географического направления . Гирокомпас использует один из семи основных способов определения курса транспортного средства. [ 1 ] Гироскоп является важным компонентом гирокомпаса, но это разные устройства; Гирокомпас построен на использовании эффекта гироскопической прецессии , являющегося отличительной особенностью общего гироскопического эффекта . [2] [3] Гирокомпасы, такие как оптоволоконный гирокомпас , широко используются для определения курса при навигации на судах . [4] Это потому, что они имеют два существенных преимущества перед магнитными компасами : [3]

В самолетах обычно используются гироскопические приборы (но не гирокомпас) для навигации и контроля высоты; Подробности см. в пилотных приборах (в частности, индикаторе курса ) и гироскопическом автопилоте .

История

Первая, еще не пригодившаяся на практике [5] форма гирокомпаса была запатентована в 1885 году Маринусом Герардусом ван ден Босом. [5] Пригодный к использованию гирокомпас был изобретен в 1906 году в Германии Германом Аншюц-Кемпфе и после успешных испытаний в 1908 году стал широко использоваться в Императорском флоте Германии. [2] [5] [6] Аншютц-Кемпфе основал компанию Anschütz & Co. в Киле для массового производства гирокомпасов; сегодня компания Raytheon Anschütz GmbH. [7] Гирокомпас был важным изобретением для морской навигации, поскольку он позволял точно определять местоположение судна в любое время, независимо от движения судна, погоды и количества стали, использованной при строительстве корабля. [8]

В Соединенных Штатах Элмер Эмброуз Сперри создал работоспособную систему гирокомпаса (1908: патент США № 1 242 065 ) и основал компанию Sperry Gyrscope Company . Устройство было принято на вооружение ВМС США (1911 г. [3] ) и сыграло важную роль в Первой мировой войне. Военно-морской флот также начал использовать «Металлический Майк» Сперри: первую систему рулевого управления с автопилотом, управляемую гироскопом. В последующие десятилетия эти и другие устройства Сперри были приняты на вооружение пароходов, таких как RMS  Queen Mary , самолетов и военных кораблей времен Второй мировой войны. После его смерти в 1930 году ВМФ назвал в его честь военный корабль США  «Сперри» .

Между тем, в 1913 году К. Плат (Гамбург, Германия, производитель навигационного оборудования, включая секстанты и магнитные компасы) разработал первый гирокомпас, который можно было установить на коммерческое судно. К. Плат продал множество гирокомпасов Школе навигации Уимса в Аннаполисе, штат Мэриленд, и вскоре основатели каждой организации сформировали альянс и стали Weems & Plath. [9]

Гироскоп Дюмулена-Кребса 1889 года.

До успеха гирокомпаса в Европе было предпринято несколько попыток использовать вместо него гироскоп. К 1880 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) попытался предложить британскому флоту гиростат . В 1889 году Артур Кребс адаптировал электродвигатель к морскому гироскопу Дюмулена-Фромана для ВМС Франции. Это дало подводной лодке Gymnote возможность сохранять прямую линию под водой в течение нескольких часов и позволило ей форсировать военно-морской блок в 1890 году.

В 1923 году Макс Шулер опубликовал свою статью, содержащую свое наблюдение о том, что если бы гирокомпас имел настройку Шулера так, что его период колебаний составлял 84,4 минуты (что является орбитальным периодом условного спутника, вращающегося вокруг Земли на уровне моря), то это могло бы быть становится нечувствительным к боковому движению и сохраняет курсовую устойчивость. [10]

Операция

Гироскоп , не путать с гирокомпасом, представляет собой вращающееся колесо, закрепленное на наборе подвесов так, что его ось может свободно ориентироваться в любом направлении. [3] Когда его раскручивают до скорости, а его ось направлена ​​в каком-то направлении, в силу закона сохранения углового момента такое колесо обычно сохраняет свою первоначальную ориентацию относительно фиксированной точки в космическом пространстве (а не фиксированной точки). на земле). Поскольку Земля вращается, неподвижному наблюдателю на Земле кажется, что ось гироскопа совершает полный оборот каждые 24 часа. [примечание 1] Такой вращающийся гироскоп в некоторых случаях используется для навигации, например, на самолетах, где он известен как индикатор курса или гироскоп направления, но обычно не может использоваться для долгосрочной морской навигации. Важнейшим дополнительным ингредиентом, необходимым для превращения гироскопа в гирокомпас, чтобы он автоматически позиционировался на истинный север, [2] [3] является некий механизм, который приводит к приложению крутящего момента всякий раз, когда ось компаса не указывает на север.

Один метод использует трение для приложения необходимого крутящего момента: [8] гироскоп в гирокомпасе не может полностью переориентироваться; если, например, устройство, подключенное к оси, погружено в вязкую жидкость, то эта жидкость будет сопротивляться переориентации оси. Эта сила трения, вызванная жидкостью, приводит к возникновению крутящего момента , действующего на ось, заставляя ось поворачиваться в направлении, ортогональном крутящему моменту (то есть прецессировать ) вдоль линии долготы . Как только ось укажет на небесный полюс, она будет казаться неподвижной и больше не будет испытывать сил трения. Это связано с тем, что истинный север (или истинный юг) — единственное направление, в котором гироскоп может оставаться на поверхности Земли и не требовать его изменения. Эта ориентация оси считается точкой минимума потенциальной энергии .

Другой, более практичный метод — использовать гири, чтобы заставить ось компаса оставаться горизонтальной (перпендикулярно направлению центра Земли), но в остальном позволить ей свободно вращаться в горизонтальной плоскости. [2] [3] В этом случае сила тяжести приложит крутящий момент, заставляя ось компаса двигаться по направлению к истинному северу. Поскольку гири будут ограничивать ось компаса горизонтальной относительно поверхности Земли, ось никогда не может совпадать с осью Земли (за исключением экватора) и должна выравниваться по мере вращения Земли. Но по отношению к поверхности Земли компас будет казаться неподвижным и направленным вдоль поверхности Земли в сторону истинного Северного полюса.

Поскольку функция поиска гирокомпаса на север зависит от вращения вокруг оси Земли, которое вызывает гироскопическую прецессию, вызванную крутящим моментом , он не сможет правильно сориентироваться на истинный север, если его очень быстро перемещать в направлении с востока на запад, тем самым сводя на нет Вращение Земли. Однако в самолетах обычно используются указатели курса или гироскопы направления , которые не являются гирокомпасами и не выравниваются по северу посредством прецессии, а периодически выравниваются вручную по магнитному северу. [11] [12]

Ошибки

Гирокомпас подвержен определенным ошибкам. К ним относится ошибка парения, когда быстрые изменения курса, скорости и широты вызывают отклонение до того, как гироскоп успевает отрегулироваться. [13] На большинстве современных кораблей GPS или другие навигационные средства передают данные на гирокомпас, позволяя небольшому компьютеру вносить поправки. В качестве альтернативы конструкция, основанная на бесплатформенной архитектуре (включая триаду волоконно-оптических гироскопов , кольцевые лазерные гироскопы или гироскопы с полусферическим резонатором и триаду акселерометров), устранит эти ошибки, поскольку они не зависят от механических частей для определения скорости вращения. [14]

Математическая модель

Мы рассматриваем гирокомпас как гироскоп, который может свободно вращаться вокруг одной из своих осей симметрии, а также весь вращающийся гироскоп может свободно вращаться в горизонтальной плоскости вокруг местной вертикали. Следовательно, существуют два независимых локальных вращения. В дополнение к этим вращениям мы рассматриваем вращение Земли вокруг оси север-юг (NS) и моделируем планету как идеальную сферу. Мы пренебрегаем трением, а также вращением Земли вокруг Солнца.

В этом случае невращающийся наблюдатель, расположенный в центре Земли, можно аппроксимировать как инерциальную систему отсчета. Для такого наблюдателя (которого назовем 1-О) устанавливаем декартовы координаты , а барицентр гироскопа находится на расстоянии от центра Земли.

Первое вращение, зависящее от времени

Рассмотрим другого (неинерциального) наблюдателя (2-O), расположенного в центре Земли, но вращающегося вокруг оси NS. Мы устанавливаем координаты, связанные с этим наблюдателем, как

Второе и третье фиксированные вращения

Теперь мы вращаемся вокруг оси, так что -ось имеет долготу барицентра. В этом случае мы имеем

При следующем вращении (вокруг оси угла , сошироты) переносим ось по локальному зениту ( -оси) барицентра. Этого можно достичь с помощью следующей ортогональной матрицы (с единичным определителем)

так что версор отображается в точку

Постоянный перевод

Теперь выберем другой базис координат, начало координат которого находится в барицентре гироскопа. Это можно осуществить следующим перемещением по оси зенита

так что начало новой системы находится в точке радиуса Земли. Теперь ось - указывает на юг.

Четвертое вращение, зависящее от времени

Теперь мы вращаемся вокруг оси зенита так, чтобы новая система координат была привязана к конструкции гироскопа, так что для наблюдателя, покоящегося в этой системе координат, гирокомпас вращается только вокруг своей оси симметрии. В этом случае мы находим

Ось симметрии гирокомпаса теперь расположена вдоль оси -.

Последнее вращение, зависящее от времени

Последнее вращение — это вращение вокруг оси симметрии гироскопа, как в

Динамика системы

Поскольку высота барицентра гироскопа не меняется (и начало системы координат находится в этой же точке), его гравитационная потенциальная энергия постоянна. Поэтому его лагранжиан соответствует только его кинетической энергии. У нас есть

Поэтому мы находим

Лагранжиан можно переписать как

Поскольку угловой момент гирокомпаса равен, мы видим, что константа является составляющей углового момента относительно оси симметрии. Кроме того, находим уравнение движения переменной как

Частный случай: столбы

На полюсах находим и уравнения движения принимают вид

Это простое решение подразумевает, что гироскоп равномерно вращается с постоянной угловой скоростью как по вертикальной, так и по симметричной оси.

Общий и физически значимый случай

Предположим теперь, что и что , то есть ось гироскопа расположена примерно вдоль линии север-юг, и найдем пространство параметров (если оно существует), при котором система допускает устойчивые малые колебания вокруг этой же линии. В этом случае гироскоп всегда будет приблизительно выровнен по линии север-юг, указывая направление. В этом случае мы находим

Рассмотрим случай, когда

Следовательно, для быстрых вращений подразумевается , что в этом случае уравнения движения еще больше упрощаются до

Поэтому мы обнаруживаем небольшие колебания вокруг линии север-юг, как , где угловая скорость этого гармонического движения оси симметрии гирокомпаса относительно линии север-юг определяется выражением

Следовательно , она пропорциональна средней геометрической скорости Земли и угловой скорости вращения. Чтобы иметь небольшие колебания, нам потребовалось , чтобы север располагался вдоль направления правой руки оси вращения, то есть вдоль отрицательного направления -оси , оси симметрии. В качестве побочного результата, измерив (и зная ), можно вывести локальную широту.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Хотя эффект не виден в конкретном случае, когда ось гироскопа точно параллельна оси вращения Земли.

Рекомендации

  1. ^ Гейд, Кеннет (2016). «Семь способов найти заголовок» (PDF) . Журнал навигации . Издательство Кембриджского университета. 69 (5): 955–970. дои : 10.1017/S0373463316000096. S2CID  53587934.
  2. ^ abcd Elliott-Laboratories (2003). Гирокомпас и гироскопы Anschutz. Часовщик. стр. 7–24. ISBN 978-1-929148-12-7. Архивировано из оригинала 4 марта 2017 г.
  3. ^ abcdef Time Inc. (15 марта 1943 г.). «Гироскоп пилотирует корабли и самолеты». Жизнь . стр. 80–83. Архивировано из оригинала 27 февраля 2017 г.
  4. ^ ab Safe Nav Watch . Эдинбург: Издательская группа Witherby . 2023. С. 26–27. ISBN 9781914993466.
  5. ^ abc Галисон, Питер (1987). Чем заканчиваются эксперименты. Издательство Чикагского университета. стр. 34–37. ISBN 978-0-226-27915-2. Архивировано из оригинала 02 марта 2012 г.
  6. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 29 июня 2015 г. Проверено 19 февраля 2012 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link) Standard 22 Anschütz Gyro Compass [так в оригинале] Система: Гирокомпас [так в оригинале] Технология [так в оригинале] существует более [так в оригинале] 100 лет
  7. Торгово-промышленные палаты земли Шлезвиг-Гольштейн. Архивировано 22 февраля 2017 г. на Wayback Machine . Проверено 22 февраля 2017 г.
  8. ^ ab Гирокомпас, вспомогательный гирокомпас, индикаторы и системы отслеживания точного счисления. Архивировано 1 июня 2013 г. в Wayback Machine , Ассоциация морских национальных парков Сан-Франциско.
  9. ^ Изобретение прецизионных навигационных приборов для воздушной и морской навигации. Архивировано 18 июля 2011 г. в Wayback Machine , Weems & Plath.
  10. ^ Коллинсон, RPG (2003), Введение в системы авионики, Springer, стр. 293, ISBN 978-1-4020-7278-9, заархивировано из оригинала 7 июля 2014 г.
  11. НАСА Обратный вызов НАСА: путь к неприятностям. Архивировано 16 июля 2011 г. на Wayback Machine , веб-сайт Бюллетеня безопасности обратного вызова НАСА, декабрь 2005 г., № 305. Проверено 29 августа 2010 г.
  12. ^ Боудич, Натаниэль. Американский практический навигатор. Архивировано 7 марта 2017 г. в Wayback Machine , Paradise Cay Publications, 2002, стр. 93–94, ISBN 978-0-939837-54-0
  13. ^ Гирокомпас: Ошибка пропаривания. Архивировано 22 декабря 2008 г. в Wayback Machine , Navis. По состоянию на 15 декабря 2008 г.
  14. ^ Техника мореплавания: Корабельные и морские операции, DJ House, Butterworth-Heinemann, 2004, стр. 341

Библиография

Внешние ссылки