6.1.1. Предназначение и принцип действия артиллерийских гирокомпасов
Артиллерийские гирокомпасы предназначены для определения истинных азимутов ориентирных направлений.
Принцип работы гирокомпаса основан на использовании свойства маятникового гироскопа (гиромаятника), расположенного на вращающейся Земле, совершать периодические колебания относительно плоскости меридиана, проходящего через него.
Для уяснения причины этих колебаний необходимо уяснить основные положения теории гироскопа.
Гироскопом называется быстро вращающееся тело (ротор), масса которого равномерно распределена относительно оси его вращения, и ось вращения может изменять свое положение в пространстве. Простейшим примером гироскопа может служить волчок.
Гироскоп, имеющий три степени свободы вращения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, пересекающихся в одной точке, совпадающей с центром тяжести гироскопа, называется свободным (рисунок 6.1). В подшипниках осей такого гироскопа трение должно быть минимальным и не должно оказывать существенного влияния на его работу.
Ось вращения ротора XX называется главной осью гироскопа или просто осью гироскопа. Тот конец главной оси гироскопа, со стороны которого вращение ротора 1 наблюдается против хода часовой стрелки, называется полюсом гироскопа.
Оси YY и ZZ называются осями карданового подвеса. Вместе с внутренним кардановым кольцом 2 гироскоп может вращаться вокруг оси YY и вместе с внутренним и внешним кольцом 3 – вокруг оси ZZ. Таким образом, точка подвеса свободного гироскопа совпадает с центром его тяжести.
Свободный гироскоп обладает свойствами стабилизации и прецессии.
Свойство стабилизации состоит в том, что ось свободного гироскопа стремится сохранить неизменным свое первоначальное положение в мировом пространстве.
Свойство прецессии состоит в том, что под действием внешней силы или пары сил, приложенной к оси гироскопа, ось отклоняется в плоскости, перпендикулярной к плоскости приложенной силы.
То есть, если приложить силу вдоль оси ZZ, то ось гироскопа будет отклоняться вдоль оси YY. Такое движение называется прецессионным. Оно будет продолжаться до тех пор, пока действует внешняя сила.Угловая скорость прецессионного движения находится в прямой зависимости от величины внешней силы и расстояния от центра гироскопа до точки приложения силы и обратно пропорциональна массе гироскопа и угловой скорости вращения ротора.
В гирокомпасе, как было отмечено выше, применяется маятниковый гироскоп (рисунок 6.2). Гиромотор подвешен в точке О к неподвижной опоре. Ротор вращается вокруг оси XX. Ось ZZ проходит через точку подвеса О, а ось YY перпендикулярна оси XX. В тяжелом гироскопе в отличии от свободного точка подвеса не совпадает с его центром тяжести. Кроме того, отсутствует степень свободы относительно оси YY, но весь гиромаятник может совершать колебания вокруг оси Y´Y´, проходящей через точку подвеса параллельно оси YY.
Рассмотрим поведение такого гироскопа на вращающейся Земле.
Пусть в начальный момент времени ось гироскопа, установленного в некоторой точке Земли на широте В, лежит в плоскости горизонта данной точки, а полюс гироскопа направлен на восток (рисунок 6.3, положение I). В этом положении центр тяжести и точка подвеса расположены на отвесной линии, на вертикальной оси гироскопа ZZ. То есть реакция подвеса Q и сила тяжести P находятся на одной прямой и направлены в противоположные стороны, то есть не образуют кинетического момента.
Вследствие суточного вращения Земля через некоторый промежуток времени повернется на определенный угол. Ось гироскопа по свойству стабилизации останется параллельной своему первоначальному положению и займет положение II. В этом случае силы Р и Q образуют момент сил относительно главной оси гироскопа, который вызовет прецессию оси вокруг вертикали. При этом полюс гироскопа согласно свойству прецессии будет поворачиваться на нас, то есть к северу.
По мере дальнейшего суточного вращения Земли полюс будет подниматься над плоскостью горизонта.
Величина момента пары сил будет увеличиваться, а, следовательно, будет увеличиваться и скорость поворота оси гироскопа, которая достигнет максимального значения, когда ось станет в плоскость меридиана (положение III). В этом положении полюс гироскопа будет максимально приподнят над горизонтом, а противоположный конец оси – максимально опущен.По мере дальнейшего вращения Земли ось гироскопа выйдет из плоскости меридиана и займет положение IV, при этом полюс гироскопа будет прецессировать к западу.
В дальнейшем в связи с вращением Земли ось гироскопа будет приближаться к плоскости горизонта, и наступит такой момент, когда она совпадет с плоскостью горизонта (положение V). В этом положении момент пары сил Р и Q будет равным нулю и прецессия прекратится.
По истечении некоторого промежутка времени в соответствии со свойством стабилизации гироскопа его ось займет положение VI. В этом положении полюс гироскопа уже будет опущен под плоскость горизонта, и ось гироскопа, подчиняясь свойству прецессии, начнет прецессировать в противоположную сторону. При этом полюс гироскопа будет еще больше опускаться под плоскость горизонта, описывая эллипс, и возвратится в положение I, где, как и в положении V, на какой-то момент остановится.
Таким образом, главная ось маятникового гироскопа будет совершать периодические колебания относительно плоскости истинного меридиана.
Траектория движения полюса идеального гиромаятника является эллипсом, симметрично расположенным относительно линии меридиана (см. нижнюю часть рисунка 6.3). Так как Земля непрерывно вращается вокруг своей оси, то и полюс гироскопа также непрерывно будет описывать сильно вытянутый эллипс, малая ось которого будет меньше большой оси в 30-50 раз. Такое движение полюса гироскопа будет восприниматься наблюдателем как колебание по азимуту относительно плоскости истинного меридиана.
Крайние положения прецессионных колебаний, где направление движение полюса гироскопа меняется на противоположное, называются точками реверсии.
Для идеального гироскопа (при отсутствии трения в подвесе и подшипниках) колебания будут незатухающими, и среднее положение полюса гироскопа будет совпадать с плоскостью истинного меридиана, проходящего через данную точку.
Для реального гироскопа вследствие действия моментов трения и других причин колебания главной оси ротора гироскопа будут затухающими и в общем случае несимметричными относительно линии меридиана.
Время одного полного колебания гиромаятника (от первой точки реверсии до третьей) называется периодом колебания Т, который зависит от конструктивных данных гироскопа и широты места его установки В. Период колебания определяется из формулы
, (6.1)
где H – кинетический момент ротора гироскопа;
Р – масса гироскопа;
l – расстояние от центра гироскопа до точки приложения силы;
ωЗ – угловая скорость суточного вращения Земли.
Анализ формулы (6.1) показывает, что для каждого конкретного гироскопа период колебания зависит только от широты места его установки, так как остальные величины, входящие в формулу постоянны. По мере удаления от экватора период колебаний гиромаятника увеличивается. На полюсе (В = 90˚) он равен бесконечности, так как cos90˚ = 0. На широтах более 70˚ резко падает и точность определения азимутов. В связи с этим использовать гирокомпас на широтах свыше 70˚ не рекомендуется.
В ракетных войсках и артиллерии гирокомпасы входят в комплект топопривязчиков, разведывательных машин (комплексов), командирских машин управления и ракетных пусковых установок. В настоящее время наиболее распространенными являются выносные гирокомпасы 1Г17 и 1Г47, а также гирокомпасы жестко установленные в базовых машинах 1Г25-1 и 1Г40. С помощью стационарных гирокомпасов, жестко установленных на базовых машинах, определяется, как правило, истинный азимут продольной оси этой машины.
Комплект и устройство каждого из гирокомпасов подробно изложены в Указаниях по работе на топогеодезических приборах ракетных войск и артиллерии Сухопутных войск и соответствующих Технических описаниях, а в данном учебнике даны характеристики приборов, их общее устройство, а также порядок подготовки гирокомпасов к работе и определения азимутов ориентирных направлений.