Гирополукомпасы, назначение, принцип действия.

Те курсовые приборы, в которых чувствительные элементы обладают свойством избирательности, относятся к компасам, а те, в которых лишены этого свойства - к полукомпасам и, в частности, к гирополукомпасам. Из курсовых приборов к компасам относятся магнитный КИ-13 и индукционный, к гирополукомпасам:

Гирополукомпас ГПК-52

Гирополукомпас ГПК-52АП предназначен для определения, индикации и выдачи сигналов ортодромического (условного) курса потребителям, а также для выдачи сигналов отклонения от заданного курса в канал курсовой стабилизации автопилота.

Гирополукомпас ГПК-52АП входит в состав пилотажно-навигационного оборудования самолета Ан-24 и предназначен для решения следующих задач:

- формирования и выдачи сигналов, пропорциональных отклонениям самолета от заданного ортодромического курса в канал курсовой стабилизации автопилота;

- формирования и выдачи сигналов в автопилот с целью осуществления автоматических доворотов на углы до 120°.

- определения и индикации ортодромического курса на показывающих приборах при полетах самолета в любых районах северного полушария, в том числе и в Арктике, где возможность применения обычных магнитных и гиромагнитных компасов ограничена или исключена полностью;

- указания точных углов разворота самолета.

Основной частью прибора является гироузел, представляющий собой ротор гироскопа вместе с электродвигателем, приводящим его во вращение со скоростью 22-23 тыс. об. /мин.

Гироскоп помещен в карданов подвес из двух рамок. Во внутренней рамке на подшипниках закреплена ось гироскопа в горизонтальном положении. Сама внутренняя рамка также может вращаться вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной оси гироскопа. Ось внутренней рамки также в свою очередь закреплена в подшипниках во внешней рамке, которая может вращаться вокруг вертикальной оси. Эта внешняя ось жестко закреплена в корпусе ГПК-52, который размещен в кабине самолета и, естественно, поворачивается вместе с самолетом.

На оси внешней рамы карданова подвеса закреплена шкала отсчета курсов. ГПК-52 часто монтируется на штурманском столике в кабине так, что плоскость шкалы совпадает с плоскостью столика. Рядом со шкалой на корпусе прибора нанесен треугольный индекс, напротив которого по шкале и отсчитывается курс.

Схема простейшего гирополукомпаса

При развороте ВС корпус прибора поворачивается вместе с ним, а шкала остается ориентированной по сторонам света по-прежнему, поскольку гироскоп внутри карданова подвеса сохраняет направление своей оси. Таким образом, напротив треугольного индекса на шкале пилот всегда отсчитывает угол между осью курсового гироскопа и продольной осью самолета - гироскопический курс.

Главная ось курсового гироскопа может быть направлена в любом направлениии. Поэтому, при одном и том же направлении продольной оси ВС гироскопический курс может быть любым. Пилот может принудительно поставить ось гироскопа по любому желаемому направлению начала отсчета, например, по северному направлению меридиана. Для этого на пульте управления ГПК-52 имеется рукоятка задатчика курса, при нажатии которой влево или вправо ось гироскопа и шкала поворачиваются и показания гироскопического курса на шкале начинают изменяться. Следует отметить, что на самом деле ГПК-52 и более современные гироскопические приборы конструктивно устроены таким образом, что при нажатии задатчика курса вращается только шкала курса, а направление оси гироскопа остается неизменным. Вполне допустимо считать, что при нажатии задатчика курса действительно поворачивается ось гироскопа, то есть меняется ее направление в пространстве.

Выставка ГПК. Как следует из устройства гирополукомпаса, он сам не измеряет курс, то есть не может определить, где север и юг, куда направлена ось самолета относительно сторон света. Этим он отличается от магнитного компаса, чувствительный элемент которого сам определяет направление магнитного меридиана в данной точке. Все что делает ГПК – показывает направление продольной оси ВС относительно оси гироскопа, которая хотя и сохраняет свое направление, но в принципе может быть направлена куда угодно. Поэтому данный прибор и называется полукомпасом. Ведь полноценный компас – это прибор для измерения курса.

Можно привести аналогию с обычными часами, которые тоже вовсе не измеряют время. Если завести только что купленные механические часы, то они сами не покажут правильное время. Точное время необходимо установить на часах, после чего от этого момента они и будут отсчитывать время в той системе, в которой оно было установлено (московское, гринвичское или любое другое). Точно так же, только что включенный ГПК может показать совершенно любое значение гироскопического курса, поскольку ось гироскопа может оказаться в любом положении. Для отсчета курса с помощью гирополукомпаса необходимо сначала установить ось гироскопа с помощью задатчика курса по выбранному направлению начала отсчета.

Для того, чтобы с помощью ГПК определять курс самолета, необходимо:

- выбрать направление начала отсчета курса.

- каким-либо образом определить, каков на самом деле курс самолета (направление его продольной оси) относительно этого направления,

- установить это значение на шкале гирополукомпаса с помощью задатчика курса.

Курс ВС относительно выбранного меридиана можно узнать с помощью другого компаса. Например, магнитного, который всегда имеется на самолете. Магнитный компас измеряет курс относительно магнитного меридиана места самолета, поэтому, при установке на шкале ГПК значения магнитного курса ось гироскопа и окажется ориентированной по направлению магнитного меридиана в той точке, где эта операция была проделана. Это не означает, что ГПК будет теперь измерять магнитный курс. Это только в данном месте гироскопический курс совпадет с магнитным. Если же самолет переместится в другое место, то ось гироскопа сохранит прежнее положение, а направление магнитного меридиана в новой точке может быть уже другим из-за схождения меридианов и из-за изменения магнитного склонения.

Другой способ выставки ГПК не требует даже магнитного компаса. Перед взлетом, когда самолет находится на исполнительном старте на взлетно-посадочной полосе (ВПП), его продольная ось с высокой точностью соответствует направлению ВПП, которое точно известно на каждом аэродроме. На практике выставка гирополукомпаса осуществляется по магнитному компасу на стоянке аэродрома перед выруливанием, а на исполнительном старте на ВПП установленный курс при необходимости корректируется задатчиком курса.

Ось гироскопа может быть выставлена по любому направлению, а не обязательно по направлению магнитного меридиана. В любом случае необходимо определить и выставить задатчиком курса фактический курс ВС относительно выбранного меридиана. Например, если за направление начала отсчета выбрано направление истинного меридиана, то нужно определить и выставить фактический истинный курс. Его можно определить путем вычитания из магнитного курса магнитного склонения.

Уход гироскопа из-за вращения Земли.

Гироскоп действительно стремится сохранить направление оси своего вращения в пространстве. Но относительно чего, относительно каких объектов он остается неподвижным?

Земля и вращается вокруг своей оси, и движется по орбите вокруг Солнца с большой скоростью (примерно 29 км/с).

Можно упрощенно считать, что ось гироскопа сохраняет свое направление относительно окружающую нашу планетную систему звезд.

Таким образом, можно считать, что если ось вращения гироскопа, находящегося в кардановом подвесе, направить на какую-нибудь звезду, то она стремится сохранять направление на эту звезду. Но тогда получается неприятный эффект. Ведь курс нужно измерять относительно направления начала отсчета, связанного с Землей, например, относительно северного направления истинного или магнитного меридианов. Но Земля вращается, а гироскоп сохраняет направление относительно звезд. И если выставить ось гироскопа по направлению земного меридиана (при этом она, возможно, окажется направленной на какую-то звезду), то через некоторое время из-за вращения Земли, ось гироскопа отклонится от этого направления меридиана, «уйдет» от него. Этот уход иногда называют кажущимся, поскольку на самом деле это Земля повернулась и расположенный на ней меридиан «ушел» от первоначального направления в пространстве. А ось гироскопа как раз сохранила свое направление, по-прежнему направлена в ту же точку небесной сферы, на звезду.

Уход гироскопа из-за вращения Земли

Горизонтальная коррекция. Курс – это угол именно в горизонтальной плоскости, и направление начала отсчета (меридиана) тоже является горизонтальным. Но что такое горизонтальная плоскость? Если принять Землю за сферу, то это плоскость, касательная к ней в данной точке, то есть перпендикулярная к радиусу Земли. А при вращении Земли эта плоскость меняет свое положение в мировом пространстве относительно звезд. Гироскоп же сохраняет свое направление и, следовательно, со временем выходит из этой горизонтальной плоскости. Хотя на самом деле это горизонтальная плоскость отклоняется от оси гироскопа.

Чтобы ось гироскопа оставалась горизонтальной в ГПК-52 и в более современных приборах предусмотрена горизонтальная коррекция. Ее механизм постоянно удерживает ось курсового гироскопа в горизонтальном положении.

В простейшем случае механизм горизонтальной коррекции представляет собой так называемый жидкостной переключатель, который выполняет функцию маятника. Это небольшая емкость с токопроводящей жидкостью, закрепленная на нижней части гироузла. В жидкости имеется

пузырек воздуха, а по краям емкости – электрические контакты. Если гироузел с жидкостным маятником и, следовательно, ось гироскопа расположены горизонтально, то пузырек плавает в центре емкости. Если маятник вышел из плоскости горизонта, то пузырек примыкает к краю емкости, касаясь какой-либо пары контактов. Поскольку воздух в пузырьке ток не пропускает, изменяются электрические токи в цепях маятника и разность токов, протекающих через разные пары контактов, заставляет работать специальный электрический двигатель. Этот двигатель разворачивает внутреннюю рамку карданова подвеса и приводит гироузел вместе с осью гироскопа и жидкостным маятником в горизонтальное положение. Пузырек перестает замыкать контакты и двигатель выключается.

Механизм горизонтальной коррекции работает автоматически и не требует от экипажа каких-либо действий. Благодаря этому механизму ось курсового гироскопа все время находится в горизонтальном

положении.

Азимутальная коррекция. За счет вращения Земли ось курсового гироскопа имеет уход и в азимуте, то есть поворачивается и вокруг вертикальной оси, отклоняясь от направления меридиана начальной выставки. Поскольку Земля вращается с запада на восток, нетрудно сообразить, что в северном полушарии Земли ось гироскопа «уходит» к востоку, то есть вращается по часовой стрелке, если смотреть сверху.

Скорость этого ухода, то есть поворота оси гироскопа, зависит от широты места расположения гироскопа. На рис. изображен гироскоп, а ось Y -направление местной вертикали в точке его расположения.

Азимутальный уход курсового гироскопа

Вектор угловой скорости вращения Земли ωзнаправлен по оси вращения планеты, причем, в соответствии с правилом буравчика, в сторону северного полюса. Проекцию этого вектора на ось обозначим ωз.y.Из рисунка видно, что ωз.y = ωз sin φ, где φ - широта точки, ωз - угловая скорость вращения Земли. Поскольку Земля совершает оборот на 360° за 24 часа, то ωз =15 °/ч.

Вектор ωз.y характеризует скорость вращения Земли вокруг вертикальной оси в точке относительно звезд и, следовательно, относительно сохраняющего свое направление гироскопа. Очевидно, что такой же по величине, но противоположной по направлению, будет скорость поворота оси гироскопа относительно Земли, если теперь Землю считать неподвижной.

Таким образом, скорость азимутального ухода гироскопа за счет суточного вращения Земли зависит от широты места самолета. Наэкваторе (φ =0) гироскоп от начального направления (например, направленияистинного меридиана) не уходит. На полюсе (φ =90°) скорость уходамаксимальна (15°/ч). На промежуточных широтах скорость ухода пропорциональна синусу широты. Например, на широте 30° она составляет 7,5°/ч (sin30°=0,5; 0,5х15=7,5).

В южном полушарии Земли широта отрицательна, поэтому противоположен и знак (сторона) ухода. Если смотреть на компас сверху, ось гироскопа уходит против часовой стрелки (влево).

Таким образом, если даже на неподвижном самолете установить ось гироскопа, например, по истинному меридиану и не предпринять никаких мер, то с течением времени ось гироскопа будет уходить от меридиана. На компасе при этом будет меняться гироскопический курс, несмотря на то, что самолет неподвижен.

Для компенсации ухода гироскопа в азимуте ГПК снабжен механизмом азимутальной коррекции. Он представляет собой небольшой электромотор,скорость вращения которого можно регулировать. На пульте управленияГПК имеется кремальера установки широты пролетаемой местности, котораяи регулирует скорость электромотора. Если установить с ее помощьюнекоторую широту φуст , то двигатель будет поворачивать ось гироскопа с угловой скоростью прецессии (ухода) ωпр = ωз sin φуст, но в сторону, противоположную той, в которую уходит гироскоп из-за вращения Земли.

Очевидно, что если установить φуст равную фактической широте места самолета, то ось гироскопа будет сохранять свое первоначальное положение. Ведь с какой скоростью она «хочет» уйти за счет вращения Земли, с такой же скоростью, но в обратном направлении, ее будет поворачивать двигатель механизма азимутальной коррекции.

Механизм азимутальной коррекции на практике часто называют «широтным потенциометром», поскольку в первых типах гироскопических приборов (в том числе, ГПК-52) действительно использовался потенциометр для изменения скорости вращения электромотора.

Из изложенного следует, что для сохранения осью курсового гироскопа направления начала отсчета в полете необходимо устанавливать широту пролетаемой местности (на практике – при ее изменении на 1-2°). Если этого не делать или устанавливать широту неточно, ось гироскопа будет уходить со скоростью, соответствующей разности фактической и установленной широт, и, следовательно, будет возрастать погрешность измерения курса.

Подготовка гирополукомпаса к полету. Гирополукомпас ГПК-52АП используется при выполнении полетов в высоких широтах и на маршрутах большой протяженности. Перед полетом прокладывается и рассчитывается маршрут по ортодромии. Обычно за опорную ортодромию берется истинный или магнитный меридиан ИПМ. Перед выруливанием на старт за 8—12 мин включается питание ГПК, а на ПУ ручкой «Широта» устанавливается широта ИПМ, если маршрут малой протяженности.

На исполнительном старте после установки самолета на линию взлета ручкой «Задатчик курса» на пульте устанавливается по шкале гиродатчика магнитный курс взлета ВПП. С этого момента указатели ЗК-2 и гиродатчик показывают текущий ортодромический магнитный курс относительно магнитного меридиана вылета.

После взлета и выхода самолета на ИПМ самолет по компасу ГИК-1 ложится на курс следования по заданной ортодромии, т. е. на заданный ортодромический магнитный курс (ОЗМК) с учетом угла сноса. Ручкой «Задатчик курса» выставляет на гиродатчике либо магнитный курс, определяемый компасом ГИК-1, либо, исправляя его магнитным склонением, истинный курс. В первом случае за опорный меридиан берется магнитный ИПМ, во втором — истинный. В дальнейшем управление самолетом производят по ГПК-52АП, выдерживая рассчитанный при прокладке маршрута ОМК или ОК с учетом угла сноса.

Курсовые системы.

Каждый из двух рассмотренных принципов измерения курса – магнитный и гироскопический – имеет свои достоинства и недостатки.

Магнитный компас обладает тем достоинством, что позволяет именно измерить курс, то есть он сам может определить направление продольной оси ВС относительно меридиана. Но он обладает и многими недостатками. Во-первых, он подвержен различным видам девиации. Во-вторых, его практически нельзя использовать в полярных районах. В-третьих, с помощью магнитного компаса трудно выполнить полет по ортодромии.

Гироскопические компасы, наоборот, обеспечивают выполнение полета по ортодромии и девиация у них отсутствует. Но гирополукомпас не измеряет курс, то есть сам не может определить, где север, а где юг. Можно только выставить ось гироскопа по нужному направлению и измерять курс именно от него. Кроме того, гироскоп имеет собственный уход и другие виды погрешностей.

Естественно, уже давно появилась идея объединить два принципа измерения курса в одном устройстве таким образом, чтобы использовались достоинства обоих этих принципов, а их недостатки взаимно компенсировались. Такие курсовые приборы и назвали курсовыми системами.