2.1.4. Способ превращения гироскопа в гирокомпас

Гирокомпас должен иметь устройство, реагирующее на отклонение отсчетной оси от плоскости истинного меридиана и вырабатывающее управляющий сигнал (или момент) для приведения отсчетной оси в плоскость истинного меридиана. Такое устройство получило название чувствительного элемента (ЧЭ).

Существует несколько способов создания гирокомпасов на базе свободного гироскопа:

• создание положительного маятникового эффекта путем понижения центра тяжести гироскопа с гирокамерой (ГС с твердым маятником);

• создание отрицательного маятникового эффекта путем присоединения к астатическому гироскопу системы сообщающихся сосудов, заполненных маловязкой жидкостью (ГС с жидкостным маятником);

• включение астатического гироскопа в контур управления, содержащий индикатор горизонта (маятник), электрические цепи и датчики выработки управляющих моментов (ГС с электромагнитным управлением);

• гироскоп с геомагнитным управлением.

Первые два способа относят к гирокомпасам с непосредственным управлением, последние два - к гирокомпасам с косвенным управлением.

Рассмотрим физическую сущность превращения ГС в гирокомпас с помощью маятникового устройства (понижение центра тяжести ЧЭ). Для этого ГС помещают в гирокамеру как это изображено на рис. 2.7,в. К нижней ее части присоединяют груз, тем самым понижают центр тяжести всего устройства относительно точки подвеса - создается маятниковый эффект.

Предположим, что такой прибор установлен на экваторе, его главная ось выведена из меридиана на 90° и горизонтально направлена по линии EW (рис. 2.7,а). Сила тяжести Р не будет создавать момента относительно точки подвеса О, т.к. вектор ее лежит на оси Z-Z гироскопа. совпадающей в данном случае с отвесной линией, нормальной к плоскости горизонта.

В следующий момент из-за вращения Земли восточная половина горизонта опустится на некоторый угол β и ось Х-Х гироскопа видимым образом поднимется над плоскостью горизонта на тот же угол β (рис.2.7,б).

Центр тяжести G отойдет от отвесной линии zn , проходящей через точку подвеса О. Сила тяжести Р, направленная всегда по отвесной линии, введет относительно оси Y-Y момент L, вектор которого направлен вдоль оси Y-Y к северу (из конца вектора L, действие силы тяжести Р вокруг оси Y-Y усматривается против часовой стрелки).

Под действием момента L, гироскоп начнет совершать прецессионное движение вокруг оси Z-Z. Конец вектора Н пойдет к северной части меридиана наблюдателя. Таким образом, гироскоп становится указателем меридиана, т.е. чувствительным элементом гирокомпаса.

Определим угловую скорость прецессии ЧЭ к меридиану, обратившись к рис.2.7,в.

Расстояние OG, на которое смещен вниз центр массы ЧЭ, называется метацентрической высотой (обозначено буквой а).

К центру масс G приложена сила тяжести

Рис. 2.7. Чувствительный элемент с положительным маятниковым эффектом

,

где - масса ЧЭ;

- ускорение свободного падения.

Из треугольника COG плечо действия силы Р вокруг оси Y-Y гироскопа равно . При малых значениях углов , тогда плечо .

Следовательно, .

Произведение для данного ЧЭ есть величина постоянная. Обозначив эту величину через , получим . Величина носит название модуля маятникового момента. Угловая скорость прецессии ЧЭ к меридиану определится в виде

.

Гироскоп с пониженным центром тяжести является гироскопом с неполной связью. Действительно, при горизонтальном положении оси Х-Х прибора угол и момент равны нулю. Но стоит только вывести ось Х-Х из горизонтального положения, как сразу же появляется угол и момент , который заставит прибор прецессировать к меридиану.

Ниже будет показано, что угловая скорость этого прецессионного движения в установившемся положении равновесия равна - угловой скорости движения плоскости истинного меридиана наблюдателя.