Роль гироскопических приборов в самолетовождении

Роль гироскопических приборов в самолетовождении. При полете самолета необходимо иметь точные данные о географических координатах тех пунктов земной поверхности, над которыми он в данный момент времени пролетает. Только при этом условии можно совершить полет по заранее заданному маршруту.

На заре авиации, когда полеты самолетов производились только в хорошую, так называемую лётную погоду выполнение указанных условий не вызывало затруднений.

Так, например, если самолет должен был совершить перелет по маршруту, включающему в себя пункты А, В, С и D рис.13 , то летчик вначале выбирал направление на поселок А, затем на хутор В, после чего вел самолет вдоль реки до моста С, через нее, и дальше выдерживал направление полета вдоль железнодорожного полотна вплоть до достижения пункта D. Благодаря хорошей видимости летчики легко ориентировались по лежащей под ними местности, а, используя линию естественного горизонта, могли выдерживать полет в горизонтальной плоскости.

Однако с развитием авиации, увеличением дальности, скорости и высоты полетов уже нельзя было рассчитывать на выполнение перелетов только при лётной погоде.

Действительно, при больших дальностях беспосадочных перелетов нельзя предполагать, что на всей трассе будет стоять ясная погода. На своем пути самолет может попасть в облачность, туман, дождь и другие условия, при которых земная поверхность окажется скрытой от наблюдений. Характерная черта современной авиации - совершение полетов при отсутствии видимости земной поверхности. Пассажирские и почтовые самолеты должны совершать регулярные рейсы в любое время дня и ночи, при любой погоде, так как в противном случае, при выжидании лётной погоды будет теряться одно из основных преимуществ воздушного сообщения - скорость.

Более того, полет сопровождается подчас отсутствием видимости и небесных светил. В таком случае летчик ведет машину вслепую. Для выполнения слепого полета по заранее намеченному маршруту самолет должен быть оборудован приборами, которые в течение всего времени указывали бы направление линии север-юг, называемой обычно полуденной и истинной вертикали.

На первый взгляд такие требования могут быть обеспечены весьма простыми средствами. Достаточно, казалось бы, оборудовать самолет маятником и магнитной стрелкой, чтобы дать возможность летчику определить положение самолета относительно плоскостей горизонта и меридиана. Рис.13. Схема полета самолета по земным ориентирам Именно по этому пути использования магнитного компаса и маятникового креномера и пытались идти первые русские навигаторы. Так, еще в 1804 г. при полете Я.Д. Захарова с научными целями на воздушном шаре в его гондоле для определения направления движения был установлен магнитный компас.

Опираясь на опыт морского кораблевождения, русские авиаторы стремились оснастить свои воздушные корабли самыми совершенными в те времена навигационными приборами. А.Ф. Можайский при постройке своего первого в мире самолета, испытания которого происходили в России в 1882-1884 гг предусмотрел установку на нем специально сконструированного магнитного компаса. Большую помощь А.Ф. Можайскому оказал крупнейший специалист компасного дела академик И.П. Колонга 1839-1902 . Русский самолет Илья Муромец, первый полет которого состоялся в декабре 1913 г имел 2 комплекта маятниковых креномеров и магнитные компасы один для летчика и второй для штурмана. Опыт использования магнитного компаса на самолете Илья Муромец и явился началом развития самолетовождения по приборам.

Однако ни магнитная стрелка, ни маятник не могли в условиях полета, так же как и на качающемся корабле, сохранять свои положения неизменно совмещенными с направлениями полуденной линии и истинной вертикали.

Это объясняется тем, что даже при прямолинейном полете вследствие атмосферных возмущений, случайных отклонений рулей, неравномерной работы двигателей и других причин самолет совершает непрерывные колебания вокруг своих осей рис.14 . Эти колебания порождают перемещения с ускорениями опор подвесов магнитной стрелки и маятника в корпусе самолета, обусловливая тем самым их отклонения от направлений полуденной линии и вертикали.

Кроме того, при колебаниях самолета силы трения, неизбежно существующие в опорах подвесов, воздействуя на магнитную стрелку и маятник, увлекают их за поворотами самолета. Рис.14. Схема самолета 1 - продольная ось 2 - вертикальная ось 3 - поперечная ось Все это, учитывая непрерывные колебания самолета, порождает и непрекращающиеся колебания маятника и магнитной стрелки около направлений вертикали и полуденной линии. Указанные обстоятельства затрудняют пользование рассмотренными приборами для определения углов крена самолета по отношению к плоскости горизонта и его курсовых углов относительно плоскости меридиана. Таким образом, ни магнитная стрелка, ни маятниковый креномер не могли явиться надежными указателями положений плоскостей меридиана и горизонта.

Вот почему возникла насущная потребность в создании принципиально новых приборов, которые бы в специфических условиях полета сохраняли неизменным свое положение относительно плоскостей горизонта или меридиана.

Было сделано много попыток улучшения качества и магнитного компаса и маятникового креномера, однако ни одна из них не дала удовлетворительного решения. И только применение гироскопа позволило создать навигационные приборы, удовлетворяющие все возрастающим требованиям авиации. Естественно, что внедрению гироскопа в самолетовождение во многом способствовал опыт морского флота, который к этому времени накопил достаточное количество материала по практическому использованию гироскопического компаса на море. Однако было бы ошибочным полагать, что авиация лишь позаимствовала у морского флота уже готовые гироскопические приборы. Малые габариты кабины самолета, высокие скорости его полета, ограничение веса Для всех механизмов и приборов, устанавливаемых на самолете исключали возможность использования, на нем морского гироскопического компаса, обладающего, как известно, значительными габаритами и весом.

Правда, в начале XX в. были предприняты попытки использовать гироскопический компас в авиации.

Дирижабль Италия, совершивший в 1928 г. полет к Северному полюсу, был оборудован гироскопическим компасом, однако эксперимент этот был неудачным. Дальнейших же попыток использования гироскопического компаса в авиации, как об этом можно судить по периодической печати, не предпринималось. Самолетостроителям в этом вопросе пришлось идти самостоятельным путем. Без сомнения, установившиеся методы проектирования и технологические приемы изготовления гироскопических компасов были в полной мере использованы самолетостроителями, что и оказало решающее влияние на сравнительно быстрое внедрение гироскопических приборов в авиацию.

Так, уже в первую мировую войну русские военные самолеты были оборудованы гироскопическими указателями горизонта рис.15 . Рис.15. Авиационный гирогоризонт 1914 г. Волчок прибора приводился во вращение сжатым воздухом, подаваемым внутрь прибора через патрубок с и отсасываемым оттуда через трубку d. Волчок описываемого прибора упирался одним концом своей оси, так называемой шпилькой, в подпятник или топку N рис.16 . Верхняя часть оси ААХ вращения волчка оканчивалась небольшим плоским диском а, по положению которого относительно прозрачного сферического колпака Ь, неизменно связанного с самолетом, и выдерживался горизонтальный полет.

Русская авиация не только не отставала от зарубежных стран в деле использования гироскопических приборов на самолете, но часто являлась пионером их внедрения. Так, например, в 1917 г. русские летчики А.Н. Журавченко и Г.Н. Алехнович совершили на самолете Илья Муромец слепой полет, выдерживая прямолинейный курс в заданном направлении по гироскопическому указателю поворотов, о принципиальном устройстве которого будет сказано ниже. Этот прибор, разработанный П.П. Шиловским специально для авиации, позволил провести самолет по заранее намеченному курсу при полном отсутствии видимости земных ориентиров. Рис.16. Схема, объясняющая принцип работы авиационного гирогоризонта 1914 г. а-при горизонтальном полете б-при наборе высоты Работы советских ученых А.Н. Крылова, Б.В. Булгакова, С.С. Тихменева, Г.В. Коренева, А.Р. Бонина, Г.О. Фридлен-дера и многих других в содружестве с выдающимися конструкторами Е.Ф. Антиповым, Е.В. Ольманом, Р.Г. Чичикяном, А.И. Марковым и другими талантливыми инженерами обеспечили оснащение советской авиации высококачественными гироскопическими приборами.

В двадцатых годах текущего столетия в дополнение к указателю поворотов создаются авиационные гироскопические указатели, курса и горизонта, которые стали в настоящее время обязательными навигационными приборами самолета любого типа. В начале тридцатых годов советские конструкторы Д.А. Браславский, М.М. Качкачян и М.Г. Эйлькинд первыми в мире разработали, построили и испытали гиромагнитный компас, получивший в настоящее время широкое распространение в авиации всех стран мира. Гироскопические приборы позволяют измерять углы, угловые скорости и ускорения при отклонении самолета от заданного направления.

Пользуясь гироскопическими приборами, определяют Линейные скорости и ускорения движения самолета.

Наконец, они облегчают физический труд летчика, управляя полетом самолета автоматически. 7.2. Гироскопический тахометр Как упоминалось в предыдущем параграфе, одним из первых гироскопических приборов, использованных в авиации, был прибор, указывающий повороты самолета вокруг вертикали, или, как говорят, в азимуте.

Чтобы разобраться в его принципиальной сущности, представим себе ротор гироскопа, быстро вращающийся. вокруг оси АА1 в кардановом кольце ВК рис.17 . Кольцо ВК, в свою очередь, может вращаться совместно с ротором вокруг оси ВВ в корпусе прибора, жестко укрепленном на основании N. Рис.17. Принципиальная схема гиротахометра На продолжении оси АА1 к кардановому кольцу ВК прикреплен стержень D, заканчивающийся шаровым наконечником, с которым соединены концы спиральных пружин а и b. Вторые концы этих пружин закреплены на кронштейне L, смонтированном также на основании N. Благодаря наличию пружин свобода вращени5 гироскопа вокруг оси BBt его подвеса становится частично ограниченной, так как при повороте гироскопа вокруг оси ВВ1, пружинь будут деформироваться, создавая тем самым усилие, стремящееся возвратить гироскоп в исходное нулевое положение.

Если основание N поворачивать вокруг оси СС, с угловой скоростью щ, то вместе с основанием с такой же угловой скоростью а начнет поворачиваться и гироскоп.

При этом последний будет поставлен в условия одновременного движения сразу вокруг двух осей АА1 и CC1 с угловыми скоростями Щ и щ. В этом случае гироскоп начнет вращаться вокруг оси ВВ1 стремясь совместить свою главную ось АА1 с осью CC1 вынужденного поворота.

Вместе с гироскопом вокруг оси В1, будет поворачиваться и стержень D, шаровой наконечник которого начнет воздействовать на пружины а и b. Одна из пружин при этом будет растягиваться на величину z, вторая - на столько же сжиматься. В результате указанной деформации возникнет сила F упругости пружин, которая будет стремиться возвратить гироскоп к нулевому положению.

С увеличением угла поворота о гироскопа вокруг оси ВВ1 деформация z пружин будет возрастать увеличивая силу F их упругости. Угол поворота гироскопа b вокруг оси ВВ1 является пропорциональным величине угловой скорости вынужденного поворота прибора, так как кинетический момент JЩ и коэффициент k в каждом приборе остаются величинами постоянными.

Следовательно, по величине угла с помощью данного прибора можно измерять угловую скорость. Именно поэтому он получил название гироскопического тахометра. Так как гироскоп прибора имеет только две степени свободы, вокруг осей АА1 и ВВ1 его называют еще гиротахометром с двумя степенями свободы. Соединяя гироскоп тахометра со стрелкой рис.18 и снабжая корпус прибора шкалой с нанесенной на ней в соответствующем масштабе сеткой делений, получают возможность произвести непосредственную оценку величины угловой скорости ц. Для успокоения колебаний стрелки гироскопического тахометра последний снабжают специальным успокоителем.

В качестве такого успокоителя широкое распространение получил пневматический демпфер, представляющий собой жестко укрепленный на корпусе прибора цилиндр Ц, внутри которого помещен поршень П, соединенный рычагом с гироскопом. При колебаниях гироскопа, а следовательно и стрелки прибора, около оси ВВ, поршень будет перемещаться внутри цилиндра. Этому оказывает сопротивление воздух, сжимаемый в цилиндре и не успевающий выходить через отверстие L. Указанное сопротивление будет тем больше, чем с большей скоростью происходит перемещение поршня П внутри цилиндра Ц. Устанавливая описанный гироскопический тахометр на самолете, получают возможность измерять угловые скорости его поворота около одной из собственных осей рис.14 . Рис.18. Схема передачи поворота гиротахометра на шкалу прибора Рис. 19. Схема установки гиротахометра на самолете Большей частью гироскопические тахометры используются на самолете для фиксирования его поворотов вокруг вертикальной оси. В этом случае тахометр монтируется таким образом, чтобы ось BB1 его подвеса была совмещена с продольной осью Осхс самолета рис. 19 . До тех пор пока самолет летит строго по заданному направлению, гироскоп гиротахометра вращается только вокруг своей главной оси Гироскопические тахометры могут быть использованы для измерения угловых скоростей поворота самолета не только относительно его вертикальной оси, но и относительно его продольной и поперечной осей рис.14 . Для этого необходимо так установить гироскопический тахометр, чтобы его ось ОСх была совмещена при нулевом положении гироскопа рис.18 с соответствующей осью Осус или Осл с самолета. 7.3. Гироскопический указатель поворотов Из рассмотренного выше можно сделать заключение о том, что для выдерживания полета самолета в заданном направлении не обязательно определять величину угловой скорости его поворота вокруг оси Oczc. Важно лишь получить указание о возникновении этой скорости и ее направлении.

Вот почему в авиации гироскопическим тахометром часто пользуются не для количественного измерения угловых скоростей поворота самолета, а лишь для получения качественной информации о факте ее возникновения.

Рис. 20. Схема указателя поворотов Конструкция гироскопического прибора в этом случае остается принципиально такой же, как и описанная выше. Однако прибор не имеет шкалы с делениями, которая заменена здесь диском с тремя марками рис. 20 одной центральной, не имеющей обозначений, и двумя крайними правой П и левой Л. Одновременно прибор снабжен маятниковым креномером, выполненным в виде изогнутой по некоторому радиусу стеклянной трубки Т, внутри которой свободно перемещается шарик d. Пользуясь гироскопическим указателем поворотов, летчики контролируют правильность выполнения виражей при разворотах самолета вокруг вертикали.

Учитывая, что при правильном вираже шарик, как и обычный маятник, должен устанавливаться по направлению равнодействующей двух сил силы тяжести и центробежной силы инерции летчик, совершая разворот, может следить не только за положением стрелки гиротахометра, но и за положением шарика креномера.

Вот почему указатель поворотов и завоевал одно из основных мест среди авиационных навигационных приборов.

Чтобы читатель мог составить себе представление о конструктивном выполнении авиационных гироскопических указателей поворотов, на рис.21 показана одна из современных моделей прибора с питанием от постоянного электрического тока напряжением 27 в. 7.4. Авиационный гироскоп направления Несмотря на то, что гироскопический указатель поворотов позволяет выдерживать прямолинейный полет и совершать правильные развороты самолета, пользование одним этим прибором при выполнении слепого полета крайне затруднительно.

В самом деле, представим себе, что самолету было задано направление полета АВ рис.21 , по которому и совершалось его перемещение, начиная от пункта А. В силу тех или иных возмущений самолет в точке С начал отклоняться от заданного курса АВ, поворачиваясь вокруг вертикальной оси в направлении против часовой стрелки.

Рис.21. Общий вид авиационного указателя поворотов при снятой крышке При наличии на самолете гироскопического указателя поворотов описываемый поворот будет сразу же зафиксирован прибором, стрелка которого отклонится от нулевой черты на шкале указателя.

Однако летчик в момент нахождения самолета в точке С мог быть занят наблюдением показаний какого-либо другого контрольного прибора, число которых на приборной доске современного самолета достаточно велико.

Может случиться так, что летчик обратит внимание на шкалу гироскопического указателя поворотов лишь только в точке D, когда самолет уже отклонится от заданного курса на некоторый угол Дб. Как только пилот заметит по указателю поворотов вращение самолета, он сразу же прекратит это вращение и вновь будет выдерживать самолет в прямолинейном полете.

Но теперь это движение уже не совпадет с заданным курсом А В, а произойдет в некотором новом направлении DE, составляющем с заданным курсом АВ угол Дб. По шкале указателя поворотов летчик не сможет определить величину угла Дб и, следовательно, не сможет устранить накопившуюся ошибку. Вот почему выдерживание прямолинейного полета самолета по показаниям лишь одного гироскопического указателя поворотов требует непрерывного наблюдения за его стрелкой, что утомляет пилота. Для осуществления слепого полета необходимо иметь еще один прибор, который позволял бы летчику оценивать направление полета самолета по отношению к заданному курсу не в результате непрерывного наблюдения за показаниями прибора, а лишь по кратковременным взглядам на шкалу последнего.

Именно таким прибором и является авиационный гироскоп направления. Рис.22. Схема, объясняющая необходимость наличия на самолете гироскопа направления Сущность устройства гироскопа направления может быть пояснена схемой рис.23 . Представим себе гироскоп с тремя степенями свободы, корпус которого жестко укреплен на самолете так, что его наружная ось СС1 подвеса перпендикулярна плоскости xcOQyc крыльев.

В процессе горизонтального полета самолета наружная ось СС1 подвеса такого гироскопа будет совмещена с вертикалью 22. Если ротору гироскопа сообщить теперь вращение вокруг главной оси AA1 с достаточно большой угловой скоростью, то гироскоп, как известно, будет сохранять свою главную ось ААХ неподвижной в пространстве.

Поэтому направление полета самолета можно оценивать величиной угла ак, называемого обычно углом компасного курса, образуемого продольной осью 0с ес самолета с плоскостью АОС гироскопа. Для удобства замера угла ак наружное кольцо НК гироскопа снабжают диском D с нанесенной на нем шкалой, разделенной по окружности на 360 а корпус прибора индексом L, остающимся неподвижным относительно самолета. Нулевую черту, соединяющую деления 0 и 180 шкалы диска или так называемой картушки D, совмещают с плоскостью АОС гироскопа, в которой всегда находится его главная ось АА1. Поэтому в тех случаях, когда величина угла ц отклонения главной оси АА1 гироскопа от плоскости NOZ меридиана известна, посредством гироскопа может быть измерен и истинный курсовой угол а полета самолета, равный сумме двух углов.

Рис.23. Принципиальная схема гироскопа направления Однако пользоваться подобным способом измерения истинного курсового угла б в течение более или менее продолжительного времени практически невозможно.

Свободный гироскоп, сохраняя свою главную ось неподвижной в пространстве, непрерывно отклоняется как от плоскости горизонта, так и от плоскости меридиана. Это движение имеет место и в рассматриваемом случае, в результате чего главная ось АА1 будет непрерывно изменять свое положение по отношению к плоскости NOZ меридиана, вызывая тем самым и непрерывное изменение угла ц. Именно эта причина усложняет использование гироскопа с тремя степенями свободы для измерения истинного курсового угла а полета самолета.

Чтобы вызвать прецессионное движение гироскопа вокруг вертикали ZZ, рис.80 , необходимо создать внешний момент М, действующий на гироскоп относительно его внутренней оси подвеса ВВХ. В большинстве своем авиационные гироскопы направления снабжаются еще так называемой задающей шкалой, пользуясь которой пилот устанавливает для памяти необходимый курсовой угол полета. Эта вторая задающая шкала ничем не связана с гироскопом. Она соединена лишь с корпусом прибора, относительно которого ее положение может устанавливаться произвольно поворотом одной из рукояток, размещенных на лицевой стороне прибора.

В некоторых моделях авиационные гироскопы направления снабжаются дополнительно и маятниковым креномером, ясно видным на рис.25. Наличие гироскопа направления избавляет летчика от необходимости непрерывно следить за стрелкой гироскопического указателя поворотов. Однако силы трения, неизбежно существующие в опорах подвеса, неточности балансировки, люфты в подшипниках и целый ряд других причин, связанных с ошибками при изготовлении и регулировке прибора, обусловливают возникновение вредных моментов.

Указанные моменты, носящие название возмущающих, действуя на гироскоп относительно его осей подвеса, и вызывают отклонение гироскопа направления от первоначально заданного положения. Существенным недостатком прибора является также то, что при отклонении в силу тех или иных возмущающих моментов главной оси AA1 гироскопа от плоскости меридиана NOZ прибор не возвратится в прежнее положение даже после прекращения действия возмущающих моментов. Так как воздействие возмущающих моментов происходит непрерывно, отклонение простейших гироскопов направления от заданного положения совершается довольно быстро, примерно 5 за 15 мин. Поэтому гироскопом направления можно пользоваться в течение лишь непродолжительного времени при виражах самолета, при преодолении облаков, туманностей, грозовых туч и т.п. В дальнейшем его показания должны быть исправлены по магнитному компасу.

Рис.26. Принципиальная схема устройства гиромагнитного компаса Необходимость частой проверки показаний гироскопа направления заставляла приборостроителей усиленно искать путей, обеспечивающих неизменное сохранение главной оси гироскопа в плоскости меридиана.

Решение этой задачи впервые в мире было найдено советскими конструкторами, создавшими принципиально новый гироскопический прибор, получивший название гиромагнитного компаса. 7.5.