Гирокомпас

Гиросфера гирокомпаса типа Аншютц

Гироко́мпас — это одно из устройств навигации. Прибор предназначен для определения курса судна и пеленга на объекты. Показатели гирокомпаса на судне зависят не от воздействия магнитных сил, а от оси и скорости вращения земного шара. Поэтому в отличие от магнитного компаса, он ориентируется на ось вращения Земли, указывая на истинный географический Северный полюс.

Для нормальной работы гирокомпаса ему необходимо устойчивое основание, зафиксированное относительно земной поверхности и не испытывающее на себе ускорений, причём скорость его перемещения должна быть пренебрежимо мала по сравнению со скоростью суточного вращения Земли на той широте, на которой в данный момент осуществляются измерения. Эти условия не соблюдаются на самолёте, поэтому применение гирокомпаса ограничено морскими судами.

Гирокомпас с успехом применяется как опорное навигационное устройство в судовых рулевых системах с ручным или автоматическим управлением, при ориентации изображения на экране индикатора РЛС, радиопеленговании, в Глобальной системе позиционирования (GPS), геодезии, а также при решении других задач, например при определении точного направления или наводке на цель орудия боевого корабля.

Устройство

Основные типы

Существует несколько основных типов гирокомпасов:

Жидкостные и сухие

Состоят из подвижных механических элементов, подвержены воздействию электрических приборов, девиации. Жидкостные гирокомпасы используют вращающийся ротор, подвешенный в жидкости. Эта жидкость служит демпфером, сглаживающим колебания ротора и обеспечивающим более плавное следование за вращением Земли. Жидкостные системы подвержены влиянию качки судна, температуры и помехам от электромагнитных полей, создаваемых различными электрическими приборами на борту (девиации). Это может приводить к ошибкам в показаниях. Для компенсации влияния качки и температуры в них используются сложные системы коррекции.

Сухие гирокомпасы минимизируют влияние трения, используя высокоточные подшипники и материалы с низким коэффициентом трения. Они, также как и жидкостные, чувствительны к электромагнитным помехам.

Волоконно-оптические

В основе их работы лежит эффект Саньяка — изменение фазы света, проходящего по двум замкнутым оптическим волокнам, вращающимся в противоположных направлениях. Отсутствие движущихся механических частей в классическом понимании делает их чрезвычайно надёжными и точными. Волоконно-оптические гирокомпасы значительно быстрее определяют север и практически не подвержены девиации, вызванной электромагнитными полями или вибрацией. Они более сложны в производстве и стоят дороже своих механических аналогов.

Ключевые компоненты

Независимо от типа, гирокомпас состоит из нескольких ключевых компонентов:

1. Основной гироскопический блок — обеспечивает определение истинного севера.
2. Репитер — это вспомогательные устройства, которые передают показания основного блока на различные пункты управления на судне — в рулевую рубку, навигационную станцию и так далее. Передача данных осуществляется по электронным каналам связи.
3. Записывающее устройство документирует все изменения курса судна в виде графиков или цифровых логов. Информация сохраняется во внутренней памяти или выводится на бумагу.
4. Приборная панель обеспечивает управление гирокомпасом, а также отображает информацию о его состоянии и допускает корректировку данных (например, учёта дрейфа).
5. Система сигнализации предупреждает экипаж о любых ошибках в работе системы или проблемах с питанием.
6. Панель усиления сигнала обеспечивает необходимую мощность для работы всех элементов гирокомпаса.
7. Источник питания преобразует напряжение бортовой сети судна в необходимое для гирокомпаса напряжение.

Независимо от конструктивных особенностей, любой гирокомпас использует гироскопический принцип для определения истинного севера. Современные гирокомпасы часто интегрируются в сложные навигационные системы судов, работающие в комплексе с GPS, системами определения местоположения и другими навигационными приборами, обеспечивая высочайшую точность определения положения и курса.

Принцип действия

Принцип действия жидкостного судового гирокомпаса построен на работе гироскопа. Он расположен в жидкости внутри устройства и свободно перемещается между тремя взаимно перпендикулярными осями. При этом гироскоп вращается вокруг своей оси, которая под воздействием гравитации и вращения Земли располагается параллельно истинному меридиану. Именно за счёт положения гироскопа гирокомпас всегда указывает на географический полюс.

Оси гироскопа можно задать определённое направление вращения. Если трение жидкости внутри гирокомпаса не слишком сильное, установленный курс сохраняется очень долгое время. Управление гироскопом осуществляется с помощью электричества от главного и аварийного щитов. Чтобы устройство работало корректно, прерывать подачу электричества нельзя.

Важно, что сам по себе гироскоп не может выполнять функции компаса. На разных широтах Земли он отклоняется от плоскости меридиана и не возвращается к ней. При этом ось гироскопа колеблется около плоскости меридиана, что вносит погрешности в данные, мешает точно определить курс.

Гирокомпасы на судах имеют крупные размеры и большой вес. В их конструкцию входят элементы управления, генератор, контрольно-сигнальная система. Последняя предназначена для подачи сигнализации при перенапряжении, смене рабочего режима, неисправностях. Показатели с приборов сохраняются в регистраторе данных рейса (РДР).

История создания

Идея использования гироскопа для обнаружения факта вращения Земли высказывалась в середине XIX века независимо несколькими авторами, однако только прибор, построенный Леон Фуко позволил произвести качественную проверку. В 1852 году в своём докладе французской академии наук им впервые была высказана мысль о возможности использования гироскопа для получения указателя направления географического севера. В 1860 году Генри Уилсон в Англии построил лабораторный прибор, на котором можно было видеть, как гироскоп с ограниченной степенью свободы вращения относительно его горизонтальной оси превращается в гирокомпас.

В 1865 году Труве ввёл маятник, применив гироскоп с ограниченной третьей степенью скоболы. Таким образом, была осуществлена именно такая конструкция, на которой принципиально и основан мореходный компас. Но этот прибор не мог быть мореходным, так как период колебаний гирокомпаса получился очень малым.

В 1878 году американский физик Гопкинс использовал гироскоп, приводимый во вращение электричеством. Он опубликовал описание прибора, в котором гироскоп имел две степени свободы и питался электрическим током.

В 1884 году Томсон дал описание своего гирокомпаса. Он впервые внёс предложение для уменьшения трений подвешивать гироскопическую систему в жидкости и сообщать системе достаточный маятниковый эффект.