Гирокомпас: принцип работы и применение в судоходстве.
Gyrocompass
Гирокомпас: не магнитный компас для судов, использующий вращение Земли. Основан на гироскопическом эффекте, точнее чем магнитный компас. Патент 1885 г.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип немагнитного компаса, основанного на вращении Земли, используемый на судах.
Type of non magnetic compass based on the rotation of the Earth
devices used on ships
Гирокомпас – это тип немагнитного компаса, который основан на быстро вращающемся диске и вращении Земли (или другого планетарного тела, если используется в другом месте во Вселенной) для автоматического определения географического направления. Гирокомпас использует один из семи основных способов определения курса транспортного средства. Гироскоп является важным компонентом гирокомпаса, но это разные устройства; гирокомпас разработан для использования эффекта гироскопической прецессии, который является отличительной особенностью общего гироскопического эффекта. Гирокомпасы, такие как волоконно-оптические гирокомпасы, широко используются для обеспечения курса при навигации на судах. Это обусловлено двумя значительными преимуществами перед магнитными компасами: патент на конструкцию гирокомпаса был получен в 1885 году Маринусом Жерардусом ван ден Босом. Аншюц Каемпфе основал компанию Anschütz & Co. в Киле для массового производства гирокомпасов; сегодня компания является Raytheon Anschütz GmbH. Гирокомпас стал важным изобретением для морской навигации, поскольку он позволял точно определять местоположение судна в любое время, независимо от движения судна, погодных условий и количества стали, использованной при его строительстве. До успеха гирокомпаса в Европе было предпринято несколько попыток использовать гироскоп вместо него. К 1880 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) попытался предложить гиростат британскому флоту. В 1889 году Артур Кребс адаптировал электродвигатель к морскому гироскопу Dumoulin Froment для французского флота. Это позволило подводной лодке Gymnote удерживать прямолинейное движение под водой в течение нескольких часов и в 1890 году установить морскую блокаду. В 1923 году Макс Шулер опубликовал свою работу, в которой представил наблюдение о том, что если гирокомпас обладает Шулеровской настройкой с периодом колебаний 84,4 минуты (что соответствует орбитальному периоду условного спутника, вращающегося вокруг Земли на уровне моря), то он может быть сделан нечувствительным к боковому движению и поддерживать направленную стабильность.
A gyrocompass is a type of non magnetic compass which is based on a fast spinning disc and the rotation of the Earth (or another planetary body if used elsewhere in the universe) to find geographical direction automatically. A gyrocompass makes use of one of the seven fundamental ways to determine the heading of a vehicle. A gyroscope is an essential component of a gyrocompass, but they are different devices; a gyrocompass is built to use the effect of gyroscopic precession, which is a distinctive aspect of the general gyroscopic effect. Gyrocompasses, such as the fibre optic gyrocompass are widely used to provide a heading for navigation on ships. This is because they have two significant advantages over magnetic compasses: form of gyrocompass was patented in 1885 by Marinus Gerardus van den Bos. Anschütz Kaempfe founded the company Anschütz & Co. in Kiel, to mass produce gyrocompasses; the company is today Raytheon Anschütz GmbH. The gyrocompass was an important invention for nautical navigation because it allowed accurate determination of a vessel’s location at all times regardless of the vessel’s motion, the weather and the amount of steel used in the construction of the ship. Before the success of the gyrocompass, several attempts had been made in Europe to use a gyroscope instead. By 1880, William Thomson (Lord Kelvin) tried to propose a gyrostat to the British Navy. In 1889, Arthur Krebs adapted an electric motor to the Dumoulin Froment marine gyroscope, for the French Navy. That gave the Gymnote submarine the ability to keep a straight line while underwater for several hours, and it allowed her to force a naval block in 1890. In 1923 Max Schuler published his paper containing his observation that if a gyrocompass possessed Schuler tuning such that it had an oscillation period of 84.4 minutes (which is the orbital period of a notional satellite orbiting around the Earth at sea level), then it could be rendered insensitive to lateral motion and maintain directional stability.
Операция
Гироскоп, который не следует путать с гирокомпасом, представляет собой вращающееся колесо, установленное на системе карданных подвесов, позволяющей его оси свободно ориентироваться в любом направлении. Такой вращающийся гироскоп используется для навигации в некоторых случаях, например, на самолетах, где он известен как указатель курса или гироскопический пеленг-индикатор, но обычно не может применяться для длительной морской навигации. Ключевым дополнительным элементом, необходимым для превращения гироскопа в гирокомпас, чтобы он автоматически ориентировался на истинный север, является ограничение полной свободы переориентации оси гироскопа. Например, если устройство, связанное с осью, погружено в вязкую жидкость, эта жидкость будет оказывать сопротивление переориентации оси. Эта сила трения, создаваемая жидкостью, приводит к возникновению крутящего момента, действующего на ось, заставляя ее вращаться в направлении, ортогональном этому моменту (то есть прецессировать) вдоль линии долготы. Как только ось будет направлена к небесному полюсу, она будет казаться неподвижной и больше не будет подвергаться воздействию сил трения. Это происходит потому, что истинный север (или истинный юг) – единственное направление, в котором гироскоп может оставаться на поверхности Земли, не требуя изменения своего положения. Эта ориентация оси рассматривается как точка минимальной потенциальной энергии. Другой, более практичный способ – использовать грузы для поддержания горизонтального положения оси компаса (перпендикулярно направлению к центру Земли), позволяя ей при этом свободно вращаться в горизонтальной плоскости.
A gyroscope, not to be confused with a gyrocompass, is a spinning wheel mounted on a set of gimbals so that its axis is free to orient itself in any way. Such a rotating gyroscope is used for navigation in some cases, for example on aircraft, where it is known as heading indicator or directional gyro, but cannot ordinarily be used for long term marine navigation. The crucial additional ingredient needed to turn a gyroscope into a gyrocompass, so it would automatically position to true north, the gyroscope in a gyrocompass is not completely free to reorient itself; if for instance a device connected to the axis is immersed in a viscous fluid, then that fluid will resist reorientation of the axis. This friction force caused by the fluid results in a torque acting on the axis, causing the axis to turn in a direction orthogonal to the torque (that is, to precess) along a line of longitude. Once the axis points toward the celestial pole, it will appear to be stationary and won't experience any more frictional forces. This is because true north (or true south) is the only direction for which the gyroscope can remain on the surface of the earth and not be required to change. This axis orientation is considered to be a point of minimum potential energy. Another, more practical, method is to use weights to force the axis of the compass to remain horizontal (perpendicular to the direction of the center of the Earth), but otherwise allow it to rotate freely within the horizontal plane.
Ошибки
Гирокомпас подвержен определенным ошибкам. К ним относится ошибка от крена (steaming error), когда резкие изменения курса, скорости и широты вызывают отклонение до того, как гироскоп сможет скорректироваться. На большинстве современных судов данные от GPS или других навигационных приборов поступают в гирокомпас, позволяя небольшому компьютеру вносить поправки. Альтернативно, конструкция, основанная на архитектуре с жестким креплением (strapdown architecture) – включающая триаду волоконно-оптических гироскопов, кольцевых лазерных гироскопов или гироскопов на полусферическом резонаторе, а также триаду акселерометров – устраняет эти ошибки, поскольку не зависит от механических компонентов для определения скорости вращения.
A gyrocompass is subject to certain errors. These include steaming error, where rapid changes in course, speed and latitude cause deviation before the gyro can adjust itself. On most modern ships the GPS or other navigational aids feed data to the gyrocompass allowing a small computer to apply a correction. Alternatively a design based on a strapdown architecture (including a triad of fibre optic gyroscopes, ring laser gyroscopes or hemispherical resonator gyroscopes and a triad of accelerometers) will eliminate these errors, as they do not depend upon mechanical parts to determinate rate of rotation.
Математическая модель
Мы рассматриваем гирокомпас как гироскоп, свободно вращающийся вокруг одной из своих осей симметрии, при этом весь вращающийся гироскоп также свободно вращается в горизонтальной плоскости вокруг местной вертикали. Таким образом, существует два независимых локальных вращения. Помимо этих вращений, мы учитываем вращение Земли вокруг своей север-южной (NS) оси и моделируем планету как идеальную сферу. Мы пренебрегаем трением, а также вращением Земли вокруг Солнца. В этом случае неподвижный наблюдатель, расположенный в центре Земли, может быть аппроксимирован как инерциальная система отсчета. Мы вводим декартовы координаты для такого наблюдателя (которого мы обозначаем как 1 О), а барицентр гироскопа находится на расстоянии от центра Земли.
We consider a gyrocompass as a gyroscope which is free to rotate about one of its symmetry axes, also the whole rotating gyroscope is free to rotate on the horizontal plane about the local vertical. Therefore there are two independent local rotations. In addition to these rotations we consider the rotation of the Earth about its north south (NS) axis, and we model the planet as a perfect sphere. We neglect friction and also the rotation of the Earth about the Sun. In this case a non rotating observer located at the center of the Earth can be approximated as being an inertial frame. We establish cartesian coordinates for such an observer (whom we name as 1 O), and the barycenter of the gyroscope is located at a distance from the center of the Earth.
Постоянный перевод
Теперь мы выбираем другую координатную систему отсчета, начало которой находится в барицентре гироскопа. Это достигается следующим переносом вдоль оси зенита, чтобы начало новой системы располагалось в точке, а R – радиус Земли. Теперь ось направлена в южном направлении.
We now choose another coordinate basis whose origin is located at the barycenter of the gyroscope. This can be performed by the following translation along the zenith axis
so that the origin of the new system, is located at the point and is the radius of the Earth. Now the axis points towards the south direction.
Четвертое времязависимое вращение
Теперь мы вращаемся вокруг зенитной оси, чтобы новая система координат была связана со структурой гироскопа. Таким образом, для наблюдателя, находящегося в покое в этой системе координат, гирокомпас вращается только вокруг своей оси симметрии. В этом случае мы обнаруживаем, что ось симметрии гирокомпаса теперь направлена вдоль оси.
Now we rotate about the zenith axis so that the new coordinate system is attached to the structure of the gyroscope, so that for an observer at rest in this coordinate system, the gyrocompass is only rotating about its own axis of symmetry. In this case we find
The axis of symmetry of the gyrocompass is now along the axis.