История гироскопии - Кафедра "Приборостроение"
реклама
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» Кафедра «Приборостроение» История гироскопии Лекции © А. Н. Лысов, 2005 Прецессионное движение Во втором веке до н. э. греческий астроном Гиппарх обнаружил, что некоторые звезды появляются в расчетных точках небесной сферы несколько раньше, чем появлялись 150 лет назад, о чем свидетельствовали труды его предшественников, греческих астрономов Тимохариса и Аристилла. Гиппарх разработал теорию движения Солнца и Луны в геоцентрической системе координат, в центре которой находится Земля, звезды движутся вокруг нее. Ученый сделал вывод, что звезды медленно меняют видимое с Земли положение на небесной сфере, сходят сосвоих круговых путей. Этому явлению он дал название прецессии, (лат. praecessio – предшествие). Позже этот термин стал применяться для обозначения специфических свойств волчков и гироскопов. Прецессионное движение Ньютон дал объяснение прецессии Земли, зная, что Земля не является идеальным шаром и вращается вокруг Солнца. Но чтобы объяснить явление прецессии, ученый представил действительную форму Земли как идеальный шар с массивным поясом на экваторе толщиной 21 км, на отдельные участки которого действуют разные по величине силы тяготения. Он рассмотрел силы тяготения между Солнцем и участками пояса. Вычисления показали, Вега что, прецессируя, Земля совершает оборот за 25 800 лет. Цефей В 7500 г. ось вращения Земли будет направлена на одну из звезд созвездия А Цефей. Тубан п FА М Полярная звезда 6633 Плоскость орбиты Земли В FB Солнце Работы предшественников Фуко Британская энциклопедия (раздел «Гироскоп»): «...Уже сравнительно давно ряд исследователей высказывал предположение, что факт суточного вращения Земли может быть выявлен исходя из свойства гироскопа сохранять направление оси неизменным, например Э. Санг в 1836 г. и другие». Л. Эйлер (1707-1783) В теоретическом отношении предшественниками Фуко следует считать известных ученых конца XVIII и начала XIX столетия — русских академиков Л. Эйлера и Б. С. Якоби и французских исследователей Лагранжа, Пуассона и Пуансо. Ж.-Л. Лагранж (1736-1813) Работы предшественников Фуко С работами Л. Эйлера по механике твердого тела примерно совпадает по времени первая, отмеченная в литературе, попытка использования свойств волчка в практических целях. В 1742—1743 гг. английский механик Д. Серсон построил прибор, который по замыслу должен был заменить в работе с секстантом видимый горизонт. Работы предшественников Фуко Термин «гироскоп» появился в 1852 году. Французский физик Леон Фуко назвал так прибор, созданный им для обнаружения вращения Земли. В переводе с греческого гироскоп означает указатель вращения. io (гирос) oi (скопео) - вижу. вращение, наблюдаю, Работы предшественников Фуко 27 сентября 1852 г. Фуко представил Французской Академии наук четыре своих классических доклада. Их сущность сводится к следующему: 1. Свободный гироскоп, сохраняя первоначальное направление оси вращения неизменным в мировом пространстве, обнаружит кажущееся или видимое движение относительно поверхности Земли, чем и будет установлен факт ее суточного вращения. Работы предшественников Фуко 2. Если установить на Земле гироскоп с двумя степенями свободы, ось которого удерживается в горизонтальной плоскости, то эта ось получает направляющую силу, влекущую ее в плоскость истинного меридиана; такой прибор превращается в механический компас. Н Работы предшественников Фуко 3. Если установить на Земле гироскоп с двумя степенями свободы, ось которого может совершать колебания в плоскости истинного меридиана, то эта ось получает направляющую силу, стремящуюся расположить ее параллельно оси мира; такой прибор превращается в механический указатель географической широты места наблюдений. Гироскоп Фуко По поводу двух последних возможностей использования гироскопа Фуко говорил: «...Таким образом, всякое тело, вращающееся вокруг оси, могущей двигаться, не, выходя из горизонтальной плоскости, дает новое свидетельство вращения Земли, ибо вращение его создает направляющую силу, которая влечет ось тела к меридиану и располагает это тело так, чтобы оно вращалось в ту же сторону, в какую вращается земной шар. Поэтому вращения тела на поверхности Земли достаточно, чтобы без помощи какого-либо астрономического наблюдения указывать плоскость меридиана... Таким образом, всякое тело, вращающееся вокруг оси, могущей двигаться не выходя из плоскости меридиана, обнаруживает свойство располагаться параллельно оси мира и так, чтобы вращаться в туже сторону, что и Земля». Гироскоп Фуко Этим фундаментальным заключениям, приведенным у Фуко без единого математического символа, и, несмотря на это, являющимся вполне классическими, нетрудно было дать аналитическое обоснование, которое теперь можно найти в любом курсе по прикладной теории гироскопов. Осуществить на практике оба последних прибора, т. е. гирокомпас и гироширот, с гироскопами, обладающими двумя степенями свободы, Фуко не удалось, ибо продолжительность вращения роторов у них была слишком мала. А. Домогаров Данные о теоретических и практических работах в области гиродинамики приведены в трактате Ар. Домогарова «О свободном движении гироскопа», опубликованном в 1893 г. Домогаров приводит список 200 трудов в области теории вращения твердого тела вокруг неподвижной точки и общей теории гироскопа, в том числе 25 работ, опубликованных до Фуко. Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Гироскоп Труве В 1865 г. гироскоп Фуко усовершенствовал Труве. Ротор гироскопа впервые был осуществлен как якорь моторчика постоянного тока. Благодаря этому он уже в течение более долгого времени мог вращаться со скоростью 300 об/мин. Ось ротора вставлена в вертикальное кольцо, которое в свою очередь может вращаться во внешнем, также вертикальном кольце вокруг вертикальной оси. С целью получения ее вертикального направления, а следовательно, горизонтальности главной оси ротора, внешнее вертикальное кольцо было снабжено маятником с тяжелым грузом. Прибор Труве можно рассматривать как первую реализацию идеи гироскопического компаса. Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Гирокомпас Гопкинса В 1878 г американский физик Гопкинс опубликовал описание прибора подобного гирокомпасу Труве. На основе данных Фуко он сконструировал ряд моделей примитивных гирокомпасов, в одной из которых гироскоп имел две степени свободы и питался электрическим током. Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Гирокомпас Дюбуа Восьмидесятые годы отмечены во Франции работами Дюбуа. Основные черты устройства его гирокомпаса были теми же, что и у Труве. Этот прибор был установлен на французском фрегате, совершавшем переход в ВестИндию, но не оправдал себя. Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Гирокомпас Ван-ден-Боса Дальнейшим значительным шагом вперед явился гирокомпас, предложенный в восьмидесятых годах голландцем Ван-ден-Босом. Ротор этого компаса приводился в действие электрическим током, чувствительный элемент обладал маятниковым эффектом относительно горизонтальных осей и для уменьшения трении относительно вертикальной оси был подвешен в жидкости. Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко 1 - Мотор постоянного тока; 2 – внутренний сосуд (чувствительный элемент); 3 – внешний сосуд с водой; 4 – центрирующая шпилька; 5 – точка опоры сосуда 3; 6 – ось гироскопа 7; 7 – гироскоп; 8 – нактоузе; 9 – сосуд наполненный водой; 10 – картушка; 11 – уровень; 12 – ртутные ванночки для подачи токов. Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Гирокомпас Ван-ден-Боса Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Г. Аншютц-Кемпфе Приспособление Аншютца для приведения оси азимутального гироскопа в меридиан 1—вал ротора; 4 — гирокамера; 2—подшипники; 5 — горизонтальная ось; 3—ротор; 7 и 8—направляющие штифты; 9 — электромагниты. Общий увод гироскопа не превысил 1°. Ось гироскопа стремилась установиться к плоскости горизонта под углом θr, порядка 1,5—2°: J r sin Mga Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Авиационный гирокомпас Бругера Гирокомпас Бругера является первым образцом специального авиационного гироскопического компаса. Осенью 1912 г. компас Бругера прошел испытания на одном из судов германского флота; на маневрировании точность показаний составляла приблизительно ±3гр. Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Лабораторный гирокомпас Мартинсена 1 – сосуд, наполненный керосином; 2 – сосуд; 3 – шпилька; 4 – каменный подпятник; 5 – ротор; 8 – электромотор; 9 – компасная картушка; 11 – свинцовый груз. Дальнейшие усовершенствования гироскопа Фуко Гироскоп направления Аншютца 1 – гироскоп; 2 – ось гироскопа; 3 – вертикальная ось; 4 – горизонтальное кольцо; 5 – грузик; 6 – винт; 7 – шкала широт; 8 – изогнутая трубочка; 9 – металлические шарики. Гирокомпасы Аншютца Первая модель одногироскопного компаса Аншютца 1 – котелок; 2 – кардан; 3 – сосуд; 4 – жидкость; 5 – стекло; 6 – картушка; 7 – поплавок; 8 – штанга; 9 – гироскопическая камера; 10 – ротор; 11 – вал ротора; 12,13 – отверстия для воздуха; 14 – трубка; 15 – грузик. Гирокомпасы Аншютца 1 – стальной котелок ; Одногироскопный компас, 1908 г. а – южный конец оси ротора («антиполюс»); 2 – кольцеобразный стальной б – северный конец оси ротора(«полюс»); поплавок; 3 – компасная картушка; 1 – отверстие; 4 – втулка; 2 – патрубок, обращенный к западу; 5 – гироскопическая камера; 3 – щиток; 6 – ротор гироскопической камеры; 4 – маятник; 7 – статор гироскопической камеры. 5, 6 – отверстия. Гирокомпасы Аншютца С 26 марта по 25 апреля 1909г. на линкоре «Deutschland» прибор работал непрерывно. Под влиянием ускорений максимальная ошибка 3˚. Период в 70 минут признан наиболее удобным эмпирически, раньше чем это было доказано теоретически. Выводы: 1. Вопрос об апериодических переходах гирокомпаса к новым положениям равновесия разработан еще не был, и хотя величина периода колебаний фиксировалась исходя из других соображений, она, однако, была правильной. 2. Предполагалось, что качка не будет оказывать влияния на гирокомпас, так как этот вопрос тогда еще не поднимался, а между тем позже выявилось, что именно на качке данный компас оказался несостоятельным и, как известно, в 1912 г. он был заменен трехгироскопным компасом. Гирокомпасы Аншютца 3. По сравнению с описанным выше гирокомпасом Мартинсена значительным шагом вперед явились следующие моменты: а) наличие высококачественного ротора; б) благодаря приданию гирокомпасу большого периода колебаний удалось довести баллистические девиации до приемлемых величин; в) впервые создано приспособление для затухания, причем учтено, что при быстро колеблющейся картушке магнитного компаса можно применить для затухания трение чувствительного элемента о жидкость; при медленно же колеблющемся гирокомпасе это недопустимо. 4. По идеям Томсона и Ван-ден-Боса осуществлен и, притом весьма удачно для того времени, подвес чувствительного элемента на поплавке в ртути. 5. Уровень, укрепленный на картушке (чувствительном элементе), позволяет до некоторой степени судить, не вышел ли компас из меридиана. Теорема Шулера В работе Шулера впервые были даны: уравнения затухающих колебаний гирокомпаса и приведены их решения; дана формула для подсчета числовых величин девиаций, а также формула для определения величины баллистического перемещения и подсчитаны практически возможные ее значения; М. Шулер (1882—1972) высказывания (ошибочные) о влиянии качки на показания гирокомпаса. В 1910 г., Шулер дал свою известную теорему: «... Под любой широтой, под которой баллистические отклонения апериодичны, действительный период незатухающих прецессионных колебаний должен быть равен периоду колебания простого маятника, длина которого равна земному радиусу R: приблизительно 85 минутам». Первый гирокомпас Сперри Устройство компаса Сперри, 1909 г. 1 – гироскопическая 5 – картушка; 8 – электромагниты; камера с ротором; 6 – ртутные ванночки; 9 – питание; 7 – медная или 2 – поплавок; 10 – кардан; 3 – ртуть; алюминиевая 11 – кольцевой 4 – желоб; сферическая пластина; Гирокомпас Сперри Гирокомпас Сперри (схема) В 1911 г. фирма Сперри выпустила свой первый гирокомпас марки I с маятником и без малого гироскопа. В 1914 г. был выпущен гирокомпас марки II — с маятником и малым гироскопом. В 1917 г. выпускает гирокомпасы марок III и IV, построенные по проекту Таннера. Гирокомпасы с двумя одинаковыми спаренными между собой гироскопами. В 1919 г. выпускает гирокомпас марки V, вместо маятника в нем имелись ртутные сосуды. Гирокомпасы Сперри В 1920 г. выпускает гирокомпас марки VI, специально для коммерческих и военных вспомогательных судов (миноносцев). В 1922 г. та же фирма Сперри создала гирокомпас марки VII, который предназначался для сухопутных танков. В 1923 г. выпускает гирокомпас марки VIII, предназначенный для коммерческих судов и эсминцев и успешно использовался и на подводных лодках для навигационных целей. В 1927 – 1930 гг. выпустила артиллерийско-навигационные гирокомпасы марок IX, X, XI и XII. Гирокомпас марки X – гирокомпас наибольшей направляющей силы (740 Гсм) и наибольшей массы чувствительного элемента (вес ротора 54 кг). Гирокомпасы Сперри 5 – курсовое кольцо, 6 – азимут-мотор, 7 – пружинное кольцо, 8 – карданово кольцо, 9 – рама – крестовина, 10 – вакуумметр, 11 – камера, 12 – ртутные сосуды, 13 – вертикальное кольцо, 14 – лапа ртутных сосудов, 15 – эксцентрическое соединение, Основной компас. Вид с левого борта и с севера. 1 – втулка проволочного подвеса, 2 – верхний направляющий подшипник, 3 – контактная стойка, 4 – картушка, 16 – нижний направляющий подшипник, 17 – кран ртутных сосудов, 18 – следящее кольцо, 19 – проволочный подвес, 20 – головка проволочного подвеса. Гирокомпасы Сперри 1 – циферблат скорости; 2 – контактная стойка; 3 – наклонное кольцо; 4 – горизонтальная ось; 5 – цапфа рамы сосудов; 6 – компенсационный груз; 7 – вертикальное кольцо; 8 – следящее кольцо; 9 – окно камеры; 10 – эксцентрическое соединение; 11 – кран ртутных сосудов; 12 – циферблат широты. Основной компас. Вид с кормы и с юга. Гирокомпасы Сперри Основной компас. Вид с левого борта и с запада. 1 – собирательное кольцо; 2 – внешняя крестовина; 3 – картушка; 4 – курсовое кольцо – азимутмотор; 6 – ртутные сосуды; 7 – следящее кольцо; 8 – вертикальное кольцо; 9 – камера; 10 – лапа ртутных сосудов; 11 – подшипник эксцентрического соединения; 12 – рту-ролик рычага коррективного приспособления; 14 – зубчатый обод; 15 – передатчик; 16 – крышка. Гирокомпасы Сперри В 1918 г. два сотрудника Компасной обсерватории Английского Адмиралтейства Гаррисон и Ролингс предложили весьма простую идею превращения гироскопа в гирокомпас, путем подвешивания к гироскопу не маятника, а так называемой ртутной баллистической системы. Целью конструкции было получить на качке более точные показания прибора. Гирокомпас Сперри – Гаррисона – Ролингса Гирокомпасы Сперри Компания Арма (Arma Engineering Company) производила двухроторные компасы с осями гироскопов, образующими углы примерно в 40° с меридианом. Компас Брауна (Гирокомпас Арма) Прецессия к меридиану получается за счет момента силы тяжести жидкости в сообщающихся сосудах. Остроумное пневматическое устройство заставляет жидкость при отклонении оси фигуры от горизонтальной плоскости перетекать из сосуда, занявшего более низкое положение, в верхний, создавая таким путем восстанавливающий момент. При равномерном же маятникового эффекта. Гирокомпасы Сперри Гирокомпас Мартинссена Резервуар с ртутью, в котором плавает чувствительный элемент, стабилизован при помощи вертикального гироскопа, представляющего гироскопический маятник. Это сделано для предотвращения вредного влияния качки. Гирокомпасы Сперри Прибор состоит из чувствительного элемента, указывающего направление зюйд норд, и стабилизатора, предохраняющего чувствительный элемент от вредного влияния качки. Гирокомпас Беген - Монфрэ Схема чувствительного Карпантье элемента компаса (Beghin, Monfraix, Carpentier) Погашение колебаний производится в принципе по способу осуществляется с помощью груза, помещенного в экваториальной плоскости гироскопа с его восточной стороны. Гирокомпасы Сперри Стабилизатор представляет собой гироскопический маятник, установленный в кардановом подвесе, расположенном ниже того в котором установлен чувствительный элемент; оба подвеса спарены при помощи тяг таким образом, что их углы поворота относительно двух осей всегда равны между собой. Спаренные кардановы подвесы Чувствительный элемент, качающийся как физический, имеет период маятника Т = 1.429 сек, т.е. совершает 42 колебания в 1 мин. Период колебаний чувствительного элемента при работающем гироскопе – около 90 мин. Трехроторный компас Аншютца Основная цель - устранение интеркардинальной девиации. Для погашения колебаний гирокомпаса применено масло, которое может перетекать по трубке, имеющей форму окружности. В трехроторном компасе Аншютца вместо естественной девиации в 20° получается 0°,82 в противоположном направлении. Трехроторный гирокомпас Анщютца А – картушка; В – пустой стальной шар, плавающий в резервуаре со ртутью. Трехроторный компас Аншютца гироскоп I – южный гироскоп; гироскопы II и III – северные. Центры гироскопов II и III – северных – расположены на прямых, проведенных через центр южного гироскопа под углами к линии NS: 30 Приспособление для устранения влияния качки на показания компаса Выражение направляющей силы трехгироскопного компаса: J cos [sin sin( 30) sin( 30)] т.е. 2.73J cos sin Трехроторный компас Аншютца Котелок и его подвес 1 – карданово кольцо; 2 – котелок; 3 – сосуд со ртутью; 4 – шариковые подшипники; 6 – поплавок шарообразной формы; 7 – верхний край воронкообразной трубки; 8 – треугольная рама с тремя лапами; 9 – шариковые подшипники; 10 – гироскоп; 11 – компасная картушка; 12 – кольцеобразный футляр; 13 – масляный желоб; 14 – крестовина; 15 – центрирующий штифт; 16 – ванночка с ртутью; 17 – система азимутмотора; 18 – контактная гильза; 20 – державка. Создание гирокомпаса «Новый Аншютц» и принцип его действия Прибор получил «прецизионный» или Аншютц». название «Новый Прибор предназначался для одновременного обслуживания как артиллерийских (или торпедных), так и штурманских частей боевых судов. Нововведения: 1) герметически закрытый чувствительный элемент плавал в поддерживающей жидкости, оставаясь полностью в нее погруженным; Первый артиллерийско – навигационный компас, 1926 г. 2) подача токов в чувствительный элемент осуществлена непосредственно через поддерживающую жидкость без применения каких-либо проводов или электрических контактов. Пространственный гирокомпас Аншютца h – внешняя сфера; s – четыре стержня; b – камера; t – каркас; r – кольцо; r’ – карданово кольцо; g – внешняя рама; z – цилиндр; d –вертикальная стальная проволока, осуществляющая упругую связь между гироскопами; l – коромысло; f – пружина; w, w’ – две катушки; m1– поворотный мотор; m2, m3, m4 – моторы. Пространственный гирокомпас Аншютца Диаметр первой сферы равен 40 см. Первая сфера наполнена водородом. Диаметр второй сферы – 42 см. Пространство между обеими сферами наполнено подкисленной водой с примесью глицерина. Гироскопы вращаются со скоростью 21 000 об/мин. Гиросфера пространственного гирокомпаса Аншютца Оси фигур обоих вращающихся гироскопов под действием составляющей u cos суточного вращения Земли отклоняться от линии восток – запад на углы ε; нулевое значение этих углов для средних географических широт составляет около: 0 16 Пространственный гирокомпас Аншютца Схема пространственного гиромкомпаса Аншютца. Схема уравновешивания оси m – мотор; фигуры. s – винтовой шпиндель; l – грузик; p – маятник, управляющий мотором; k1, k2 – контакты. Пространственный гирокомпас Аншютца Выводы: 1. Пространственный гирокомпас Аншютца, установленный на неподвижном основании, указывает меридиан, а также горизонт совершенно точно; при передаче показаний компасамповторителям получается ошибка, не превышающая 1'. 2. Специально поставленные опыты показали, что на точность показаний пространственного гирокомпаса ни в какой мере не влияет даже быстрый поворот его рамы на 360°, притом не только вокруг вертикальной, но и вокруг горизонтальной оси. Прибор Орби Прибор Орби был первым гироскопическим прибором, получившим широкое практическое применения. 1-ротор гироскопа; 2-воздушная турбинка; 3-подвижный валик; 4-наружной кольцо гироскопов; 5-поводок. Авиационный полукомпас Сперри A-ротор; B-внутреннее карданово кольцо; B-наружное карданово кольцо; D-картушка; E-зубчатое зацепление; F-вилка; G-кольцо; Н-рычаг; I-горизонтальная шестерня; J-установочная ручка; X-главная ось; Y-ось внутренней рамки; Z-ось наружной рамки; Стабилизатор курса Аксания (1928) В приборе впервые применен принцип суммарного воздействия нескольких чувствительных элементов курса. 1-прецессионный гироскоп; 2-струйная трубка; 3-пружина; 4-мембрана пневматического реле; 5-сопла подвижной коробки; 6-камера цилиндрической рулевой машинки; 7-краник. Стабилизатор курса Аксания (1928) Прибор построен на том же принципе, что и образец 1928 г., но с дополнением дополнительного чувствительного элемента- приемника поперечных ускорений самолета. 1-струйная трубка; 2-маятник; 3-прецессионный гироскоп; 4-подвод сжатого воздуха; 5-штуцера соединения; 6-пневматическо реле; 7-рулевая машинка; 8-руль поворотов; 9-каретка приемных сопел Стабилизатор курса Аксания тип LStZ-14 Стабилизатор курса Сименс H-IV В этом приборе и гироскопическая и силовая система объединены в одном общем блоке совместно с масляным баком и мотором-генератором. 10-предохранительный клапан; 11-маслянный насос; 12-маслянный катаракт; 13-цилиндр рулевой машинки; 14-тяга руля поворота. 1-дистанционный магнитный компас; 2-задатчик курса; 3-индикатор отклонения от курса; 4-регулятор чувствительности; 5-прецессионный гироскоп; 6-электромагнитное реле; 7-маслянный золотник; 8-перепускной клапан; 9-мотор-генератор; Автомат курса АК-1 Отечественный автомат курса АК-1 конструкции инженера Сорокина представляет собой систему курсовой стабилизации с чувствительным элементом- магнитным компасом. 1-наружное кольцо; 2-заслонка; 3-приемное сопло коллектора; 4-пневмореле; 5-гидроагрегат; 6-золотник; 7-рулевая машинка; 8-насос; 9-тросик; 10-ролик; 11-ручка; 12-кран; 13-ручка аварийного расцепления; 14-трос аварийного расцепления
