Магнитный компас в авиации: принципы работы и особенности использования.

Введение

В авиации компасные развороты — это развороты, выполняемые в самолете с использованием только магнитного компаса для навигации.

Описание

Магнитный компас на борту самолета отображает текущий магнитный курс самолета, то есть его направленную ориентацию относительно геомагнитного поля Земли, которое приблизительно ориентировано с севера на юг. Компас можно использовать при выполнении поворотов, чтобы убедиться, что самолет движется в нужном направлении после завершения поворота. В силу особенностей конструкции прибора и выравнивания магнитного полюса Земли, магнитный компас имеет ряд существенных ограничений при использовании для навигации. Пилот, знающий об этих ограничениях, может эффективно использовать компас для навигации. Компас продолжает работать даже при отказах электрических, вакуумных или статических систем Пито. Повороты с использованием магнитного компаса в качестве основного прибора (ориентации по компасу) не являются стандартной практикой в современных самолетах. Такие повороты обычно выполняются при имитации или фактических отказах направленного гироскопа или других навигационных приборов. Магнитный компас – простой прибор, когда он неподвижен и находится на земле. Однако магнитный компас, установленный в самолете, подвержен ошибкам при поворотах во время полета. Пилоты должны компенсировать эти ошибки при использовании магнитного компаса. Большинство ошибок, возникающих при определении курса по магнитному компасу, связаны с его конструкцией. Авиационный компас состоит из перевернутой чаши с прикрепленной намагниченной стрелкой. Чаша сбалансирована на штифте с низким трением. Узел чаши и штифта заключен в корпус, заполненный некислым керосином. Намагниченная стрелка стремится ориентировать всю конструкцию по местному геомагнитному полю. Стрелка поворачивает видимую чашу компаса. На внешней поверхности чаши имеются отметки, указывающие магнитный курс. Когда самолет (и корпус компаса) поворачивается, чаша остается относительно неподвижной по отношению к Земле благодаря магнитному притяжению. Таким образом, самолет вращается вокруг неподвижной чаши. Стандартная практика при полете с гиростабилизованным компасом (или индикатором курса) заключается в считывании показаний магнитного компаса только во время прямого и горизонтального полета без ускорения. Полученное значение затем используется для установки гиростабилизованного компаса. Гирокомпас будет показывать правильный курс при повороте, в то время как магнитный компас не может быть правильно считан во время поворота. Поэтому пилот всегда игнорирует магнитный компас во время поворота, но периодически проверяет его в прямом и горизонтальном полете без ускорения.

A magnetic compass aboard an aircraft displays the current magnetic heading of the aircraft, i. e., the aircraft's directional orientation relative to the Earth's geomagnetic field, which has a roughly north south orientation. The compass can be used in turns to verify the aircraft is travelling in the desired direction at the conclusion of a turn. The nature of the instrument and the alignment of the magnetic pole of the earth cause the magnetic compass to have several significant limitations when used for navigation. A pilot aware of those limitations can use the compass effectively for navigation. The compass continues to operate despite failures in the electrical, vacuum or pitot static systems. Compass turns (turns using the magnetic compass as the primary reference instrument) are not standard practice in modern aircraft. Compass turns are typically performed in simulated or actual failures of the directional gyro or other navigational instruments. A magnetic compass is a simple instrument when the compass is not moving and is on the earth. A magnetic compass installed in an aircraft is subject to compass turning errors during flight. Pilots must compensate for such errors when using the magnetic compass. Most of the errors inherent in the heading indications of a magnetic compass are related to the compass' construction. An aircraft compass consists of an inverted bowl with a magnetized bar attached. The bowl is balanced on a low friction pin. The bowl and pin assembly is enclosed in a case filled with non acidic kerosene. The magnetized bar tends to orient the assembly with the local geomagnetic field. The bar turns the visible bowl of the compass. The outside surface of the bowl includes markings to indicate a magnetic heading. As the aircraft (and the compass housing) turns, the bowl remains somewhat stationary with respect to the Earth due to the magnetic attraction. In summary, the aircraft is free to turn around the stationary bowl. The standard practice when flying with a gyro stabilized compass (or heading indicator) is to read the magnetic compass only while in straight and level unaccelerated flight. This reading is then used to set the gyro stabilized compass. The gyro compass will read correctly in a turn, whereas the magnetic compass can't be read properly while turning. Thus the pilot will always ignore the magnetic compass while turning, but periodically check it in straight and level unaccelerated flight.

Ошибки компаса

Несколько типов ошибок повлияют на показания курса, предоставляемые магнитным компасом, если самолет не находится в установившемся, прямом и горизонтальном полете без ускорения.

Пределы наклона

Ограничение, обусловленное конструкцией компаса, состоит в том, что штифт центрирующей чаши, соединенный с осью вращения, в большинстве компасов допускает наклон чаши лишь примерно на 18 градусов, прежде чем она упрется в стенку корпуса. При этом теряется свобода вращения, и компас становится неисправным.

Магнитный погружение

Второе ограничение – магнитное склонение. Диаметр компаса будет стремиться выровняться с геомагнитным полем и отклоняться к северному магнитному полюсу в Северном полушарии или к южному магнитному полюсу в Южном полушарии. На экваторе эта ошибка пренебрежимо мала. По мере приближения самолета к любому из полюсов ошибка склонения становится более выраженной, вплоть до того, что компас может стать ненадежным, поскольку его точка опоры превысила допустимые 18 градусов наклона. Магнитное склонение вызвано притяжением магнитных полюсов и наиболее сильно проявляется вблизи самих полюсов. Чтобы компенсировать воздействие этой направленной вниз силы, центр тяжести компасной чаши расположен ниже точки опоры. Однако навигация по компасу вблизи полярных областей практически невозможна из-за ошибок, вызванных этим эффектом. При устойчивом, прямом и горизонтальном полете влияние магнитного склонения несущественно. Однако, когда самолет ускоряется или меняет курс, необходимо учитывать следующие два правила: во-первых, при полете на восточный или западный курс и ускорении центр тяжести чаши отстает от точки опоры, вызывая наклон вперед. Из-за магнитного склонения компас будет показывать ложный поворот на север в Северном полушарии и ложный поворот на юг в Южном полушарии. Также, при замедлении самолета компас покажет ложный поворот на юг в Северном полушарии и ложный поворот на север в Южном полушарии. Ошибка нейтрализуется, когда самолет достигает постоянной скорости, и магнитный компас будет показывать правильный курс. Пилоты в Северном полушарии запоминают это с помощью мнемонического правила ANDS: ускорение – на север, замедление – на юг. В Южном полушарии действует обратное правило. Эта ошибка устраняется при ускорении или замедлении на точном курсе север или юг. Во-вторых, при полете на северный курс и повороте на восток или запад магнит заставляет компас отставать от фактического курса самолета. Это отставание постепенно уменьшается по мере приближения к восточному или западному курсу и становится приблизительно точным при движении на восток или запад. Когда самолет поворачивает дальше на юг, стрелка магнитного компаса будет стремиться опережать фактический курс самолета. При повороте с юга на восток или запад компас будет опережать фактический курс самолета, отставание уменьшится по мере приближения к восточному или западному курсу и увеличится при дальнейшем повороте на север. Это происходит при координированном повороте из-за крена самолета и, как следствие, крена компаса. Северный магнитный полюс притягивается к магнитному полю Земли во время поворота. Это приводит к угловому отклонению компаса. Величина опережения/отставания приблизительно равна широте самолета. (Самолет на 30° северной широты должен будет недодержать 30° при повороте прямо на север и передержать 30° при повороте прямо на юг). Данное руководство основано не на стандартной скорости поворота, а на угле крена 15°–18°, что эквивалентно стандартной скорости поворота при скоростях, характерных для легких самолетов. Пилоты используют мнемоническое правило UNOS (недолет на север, перелет на юг) для запоминания этого правила в Северном полушарии. В Южном полушарии используется мнемоническое правило ONUS. Другие мнемонические правила, используемые в Северном полушарии: NOSE (North Opposite, South Exaggerates), OSUN (Overshoot South, Undershoot North) и South Leads, North Lags. В Южном полушарии они меняются местами.

A second limitation is magnetic dip. The compass dial will tend to align itself with the geomagnetic field and dip toward the northern magnetic pole when in the northern hemisphere, or toward the southern magnetic pole when in the southern hemisphere. At the equator this error is negligible. As an aircraft flies closer to either pole the dipping error becomes more prevalent to the point that the compass can become unreliable because its pivot point has surpassed its 18 degrees of tilt. Magnetic dip is caused by the downward pull of the magnetic poles and is greatest near the poles themselves. To help negate the effect of this downwards force, the center of gravity of the compass bowl hangs below the pivot. Compass navigation near the polar regions, however, is nearly impossible due to the errors caused by this effect. When in steady straight and level flight the effect of magnetic dip is of no concern. However, when the aircraft is accelerated or turned to a new heading the following two rules apply:

First, when on an easterly or westerly heading and the aircraft accelerates, the center of gravity of the bowl lags behind the pivot, making it tilt forwards. Because of magnetic dip the compass will show a false turn towards the north if in the northern hemisphere or vice versa a false turn towards the south if in the southern hemisphere. Also if the aircraft is decelerated the compass will show a false turn towards the south in the northern hemisphere and false turn towards the north in the southern hemisphere. The error is neutralized when the aircraft has reached its velocity and the magnetic compass will then read the proper heading. Pilots in the northern hemisphere remember this by the mnemonic ANDS: accelerate north, decelerate south. The opposite occurs when flying in the southern hemisphere. This error is eliminated while accelerating or decelerating on a heading of exactly North or exactly South. Second, when on a northerly heading and a turn towards the east or west is made, the magnet causes the compass to lag behind the actual heading the aircraft is flying through. This lag will slowly diminish as the aircraft approaches either east or west and will be approximately correct when on an east or west heading. When the aircraft turns further towards South, the magnetic compass needle will tend to lead the actual heading of the aircraft. When a turn is made from south to an east or west heading the compass will lead the actual heading the aircraft is flying through, it will diminish as the aircraft approaches either east or west, and it will lag as the aircraft turns further towards North. This happens in a coordinated turn because of the bank of the aircraft and resulting bank of the compass. The North seeking pole of the magnet is pulled towards the Earth's magnetic field in the turn. This results in an angular displacement of the compass. The magnitude of the lead/lag will be approximately equal to the aircraft's latitude. (An aircraft at 30° north latitude will need to undershoot 30° while turning directly north, and overshoot 30° while turning directly south). This guideline is based not on a standard rate turn, but on a bank angle of 15° 18°, which would equal a standard rate turn at the airspeeds typical of light aircraft. The pilot community uses the mnemonic UNOS (undershoot North overshoot South) to memorize this rule in the Northern hemisphere. In the Southern hemisphere the mnemonic ONUS is used. Other mnemonics used in the northern hemisphere are NOSE (North Opposite, South Exaggerates), OSUN (Overshoot South, Undershoot North), and South Leads, North Lags. These are reversed in the Southern hemisphere.

Стандартные курсовые повороты компаса

Стандартная скорость разворота – это стандартизированная скорость, при которой самолет совершает поворот на 360 градусов за две минуты (120 секунд). Стандартная скорость разворота отображается на координаторе поворота или указателе скольжения. Все развороты в полетах по приборам должны выполняться со стандартной скоростью разворота, но не более чем с креном в 30 градусов. В случае отказа приборов с вакуумным приводом (например, гирокомпаса, указателя искусственного горизонта) выход на новый курс выполняется по времени: предположим, самолет летит по курсу 060 градусов и ему необходимо лететь по курсу 360. Разворот составит 60 градусов. Поскольку стандартный разворот занимает 120 секунд на 360 градусов, самолету потребуется 20 секунд стандартного разворота влево. В случае отказа электрических приборов, включая координатор поворота или указатель скольжения, следующая формула поможет определить угол крена, при котором разворот будет выполняться со стандартной скоростью: для расчета угла крена при стандартном развороте необходимо знать воздушную скорость. Эмпирическое правило, использующее воздушную скорость, требует отбросить последнюю цифру скорости и прибавить пять. Например, если воздушная скорость составляет 90 узлов, угол крена будет (9+5=) 14 градусов. При 122 узлах это будет (12+5=) 17 градусов. Линия широты – это максимальное опережение или отставание, которое может показывать компас. Следующие пояснения относятся к Северному полушарию. Например, самолет, летящий на 45° северной широты и выполняющий разворот с востока или запада на север, сохраняя стандартную скорость разворота, пилот должен начать выход из разворота, когда компас покажет 45 градусов плюс половину угла крена до северного направления. (С востока на север при 90 узлах: 0+45+7=52). Пилот начинает выравнивать самолет в прямой полет на север, когда компас покажет 52 градуса. (С запада на север при 90 узлах: 360-45-7=308). Пилот начинает выводить самолет из крена на 308 градусах, показанных компасом, чтобы лететь на север. При развороте с запада на юг пилоту необходимо начать вывод самолета из крена, когда компас покажет 45 градусов минус половину угла крена (с запада на юг при 90 узлах: 180-45+7=142, с востока на юг: 180+45-7=218). Из этих примеров видно, что при развороте с востока или запада на север угол, используемый для расчета времени выхода из разворота, должен начинаться с большего числа градусов, то есть от более удаленного от севера направления. И наоборот, при разворотах с востока или запада на юг угол крена рассчитывается для уменьшения числа градусов, чтобы вывести самолет ближе к югу. Обычно пилоты отрабатывают эти развороты, используя половинную стандартную скорость разворота. Это уменьшит угол крена вдвое. При выполнении разворотов с половинной стандартной скоростью влияние линии широты на ошибку компаса будет вдвое меньше. Таким образом, новый расчет с использованием половинной стандартной скорости разворота выглядит следующим образом: (С востока на север при 90 узлах: 0+22,5+3,5=26). Курс, показываемый компасом для выхода из разворота, будет 26 градусов для полета на север. (С запада на север: 360-22,5-3,5=334). Курс, показываемый компасом, будет 334 градуса. Развороты в других направлениях следует интерполировать. Например, левый разворот с запада на юго-восток (ЮВ). Компас сначала покажет правильный курс, но по мере приближения к югу компас будет показывать опережающий курс с наибольшей ошибкой. Когда самолет пройдет юг, ошибка уменьшится и опережение станет меньше. При приближении к юго-востоку ошибка будет вдвое меньше, чем при прохождении самолетом юга. Таким образом, если разворот выполняется с половинной стандартной скоростью при 90 узлах, а требуемый курс ЮВ – 135 градусов, курс выхода из разворота будет 135-11,25+3,5=127 градусов. Следовательно, курс 127 градусов, показываемый компасом, будет использоваться для фактического полета по курсу 135 градусов.

Standard rate turn is a standardized rate at which the aircraft will make a 360 degree turn in two minutes (120 seconds). Standard rate turn is indicated on turn coordinator or turn slip indicator. All turns during flights under instrument rules shall be made at standard turn rate, but no more than 30 degrees of bank. In case of vacuum driven instruments failure (i. e. directional gyro, attitude indicator) the rollout to new heading is timed: let's say the aircraft is flying 060 degrees heading and it needs to fly new heading 360. The turn will be 60 degrees. Since the standard rate turn is 360 degrees in 120 seconds, the plane will need 20 second standard rate turn to the left. In case of electrical instrument failure, which include turn coordinator or turn slip indicator, the following formula will help to determine turn bank at which the turn will be made at standard rate: In order to calculate bank angle for a standard rate turn knowledge of airspeed must be known. The rule of thumb using airspeed requires that the last digit of the airspeed be dropped then add five. For example, if the airspeed is 90 knots, the bank angle would be (9+5=) 14 degrees. For 122 knots, it would be (12+5=) 17 degrees. The line of latitude is the maximum lead or lag a compass will have. The following explanations are for the northern hemisphere. For example, an aircraft flying at 45°N latitude making a turn to north from east or west maintaining a standard rate turn a pilot would need to roll out of the turn when the compass was 45 degrees plus one half of the bank angle before north. (From east to north at 90 knots 0+45+7=52) A pilot would begin to roll out to straight flight and on a heading of north when 52 degrees was read from the compass. (From west to north at 90 knots (360 45 7=308). A pilot would begin to roll the aircraft out of the bank at 308 degrees read from the compass to fly on a north heading. Making a turn towards south from west the pilot would have to roll the aircraft out of the turn when the compass was 45 degrees minus half the bank angle (from west to south at 90 knots 180 45+7=142, from east to south 180+45 7=218). From the examples we see that when turning to north from east or west the bank angle used to calculate the time to roll the plane out of the turn must begin at the greatest number of degrees or further away from north. Conversely for turns to south from east or west the bank angle is calculated to decrease the number of degrees to lead the roll out or closer to south. Generally pilots will practice making these turns using half standard rate turns. This will decrease the bank angle so that it is half of the calculated bank angle. When turns are made at half standard rate the line of latitude will only cause the compass to have an error of half as much. So our new calculation using a half standard rate turn is as follows: (From east to north at 90 knots 0+22.5+3.5=26) the lead roll out heading read from the compass would be 26 degrees to fly on a north heading. (From west to north 360 22.5 3.5=334) The lead roll out heading read off the compass would be 334 degrees. Turns made for other directions should be interpolated. For example, a left turn made from a heading of west to south east (SE). The compass would initially show a heading that is correct as the turn gets closer to south the compass would indicate a lead heading of the greatest error, as the aircraft passes through south the error would decrease and show less of a lead. As the aircraft approaches south east the error would only lead half as much as it did when the aircraft was rolling through south. So if the turn was made using a half standard rate at 90 knots and the SE heading required to fly was 135 degrees the roll out heading would be 135 11.25+3.5=127 degrees. Hence a roll out heading read from the compass of 127 degrees would be used to actually fly the heading of 135 degrees.