Гирокомпасы класса «Standard»

Все гирокомпасы класса «Standard» являются приборами с непо­средственным управлением. Приведем общее определение таких гиро­компасов,

Гирокомпасами с непосредственным управлением называются такие приборы, чувствительный элемент которых представ­ляет собой астатический гироскоп, механически жестко свя­занный с маятниковым устройством, которое управляет его движением с помощью момента силы тяжести, пропорцио­нального углу отклонения главной оси гироскопа от плоскости горизонта.

Очень часто такие гирокомпасы ради простоты называются маят­никовыми. Существует несколько способов технической реализации гирокомпаса с непосредственным управлением. Наиболее известный и широко распространенный из них состоит в жестком соединении аста­тического гироскопа с разбалансированной массой, придающий чувст­вительному элементу положительный маятниковый эффект, т.е. иначе говоря, нижнюю маятниковость.

На рис. 1.4 представлена модель такого гирокомпаса, состоящего из ротора 1 гироскопа, гирокамеры2, разбалансированной массы 3, гори­зонтального 4 и вертикального 5 колец карданного подвеса и направ­ляющих опор вращения 6. Расстояние OG, на которое смещен вниз центр массы чувствительного элемента, называется метацентрической высотой «а».

Рассмотрим поведение главной оси гирокомпаса, обладающего по­ложительным маятниковым эффектом, по отношению к плоскости го­ризонта и меридиана. На рис. 1.5 показана горизонтная система коорди­нат ONEn, горизонтальная ω₁ = ω×Cos  φ и вертикальная  ω₂ = ω×Sin φ состав­ляющие угловой скорости суточного вращения Земли.

Предположим, что первоначально главная ось гироскопа располо­жена горизонтально и отклонена от плоскости истинного меридиана к востоку на угол а α(позиция А₁). Таким образом, при горизонтальном расположении оси ОХ гироскопа сила тяжести Р = Mgне создает мо­мента относительно какой-либо его оси. Вращение плоскости горизонта со скоростью  ω ₁ 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

ω_y= ω ₁ × Sin α.

Как только главная ось гироскопа поднимется над плоскостью гори­зонта на некоторый угол (β возникает момент силы тяжести (рис. 1.6).

L_y= P×a×Sin β = M×g×a×Sinβ. Обозначив

M•  g •  a = B,   (1.2)

гдеВ– модуль маятникового момента, окончательно получим

L_y = B×Sinφ.      (1.3)

Под действием момента L_yвозникает прецессионное движение со скоростью

ω _pz= L_y/ H, которое направлено в стороны совмещения оси ОХс плоскостью истинного меридиана. Однако существует некоторый начальный интервал времени, в котором угол β еще настолько мал (и, следовательно, еще настолько мал момент L_y), что в это время угловая скорость прецессии ω _pz меньше угловой скорости ω₂ вращения плоско­сти меридиана. В результате этого увеличивается угловое расстояние между осью ОХгироскопа и меридианом, т.е. ось ОХудаляется от него (участок траектории А₁А₂на рис. 1.5). Поскольку угол β увеличивается, при некотором его значении β_r наступит момент, когда скорость прецессии гироскопа сравняется со скоростью вращения меридиана. На рис. 1.5 это положение перегиба траектории – точка А₂. В последующем, например в позиции А₃, значение угла β (рис. 1.7), постепенно нарастая, превысит значение β_r (см. рис. 1.5). Следователь­но, скорость ω_pzпрецессии превысит скорость ω₂ (позиция А₃). В ре­зультате гироскоп неизбежно настигнет плоскость меридиана, но, имея при этом максимально возвышение, обгонит ее и окажется над западной половиной горизонта. Поскольку последняя непрерывно поднимается, ось ОХгироскопа 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 β_г(позиция А₅ ). В этот момент произойдет второй перегиб траектории.

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. приподнятой на угол β_гнад истинным горизонтом. В этой постановке задачи удобнее всего определять движение конца главной оси гироскопа двумя линейными скоростями (см. рис. 1.7): V₁– скоростью вызванной прецессионным движением под действием момента ВSin( β – β_г), и V₂– скоростью видимого движения по отно­шению к плоскости А₂– А ₅ ,которая вращается с той же скоростью ω₁что и плоскость истинного горизонта. Равенство скоростей V₁точек траектории, имеющих одинаковый угол

(β – β_r), т.е. расположенных симметрично слева и справа отно­сительно меридиана, а также равенство абсолютных значений при противоположном направлении скоростей V₂у этих же точек дока­зывают симметричность восходящей и нисходящей ветвей траекто­рии относительно линии А₂ – A₅и плоскости меридиана и, следова­тельно, замкнутость траектории, что соответствует незатухающим колебаниям.

Таким образом, гироскопический чувствительный элемент, обла­дающий положительным маятниковым эффектом, в принципе, ста­новится гирокомпасом, так как он приобрел свойство избирательно­сти по отношению к плоскости истинного меридиана, поскольку центр его колебаний располагается точно в плоскости истинного меридиана. Указанный центр в условиях неподвижного основания всегда может быть определен путем осреднения крайних отклонений оси гироскопа в азимуте.

Полное решение задачи реализации морского гирокомпаса требует погашения его незатухающих колебаний, т.е. демпфирования, чтобы в плоскости истинного меридиана располагалась не геометрическая точка (центр колебаний), а материальная ось гироскопа.