Вопрос 2. Погрешности измерителей курса и способы их устранения.
Курсовая система состоит из ряда датчиков (магнитного, гироскопического, астрономического и радиотехнического), измеряющих соответственно курсы. Каждый из датчиков в зависимости от условий полета включается поочередно переключателем на общий индикатор курса. При этом соблюдается принцип: включается тот датчик, который в данных условиях имеет наименьшие погрешности (Рис. 5). Особенности этой схемы курсовой системы — отсутствие взаимосвязи между датчиками и передача погрешности каждого из них целиком на индикатор. Раздельное использование датчиков не позволяет извлечь из такой системы никаких преимуществ, кроме экономии на индикаторах. Схема курсовой системы, в которой осуществляется взаимная связь датчиков курса корректирующими звеньями, более совершенна. По такой схеме построены курсовые системы ГИК-1, ТКС-П, КС-6 и др.
Рис. 5. Простейшая схема курсовой системы
Рассмотрим принцип работы схемы на следующем примере (Рис. 6). Пусть на самолете установлен магнитный компас М, который на схеме показан в виде К пояснению принципа работы курсовой системы магнитной стрелки, и курсовой гироскоп Г. С магнитной стрелкой жестко связаны щетки потенциометра, сам потенциометр связан с самолетом. Внешняя ось карданова подвеса гироскопа жестко соединена с потенциометром П2, щетки которого могут поворачиваться двигателем Д через редуктор Р. Двигатель управляется усилителем У, сигнал на вход которого поступает со щеток потенциометра. Потенциометры П1 и П2 связаны между собой тремя проводами. Параллельно потенциометрам подключен трехкатушечный логометрический указатель И.
Рис.6. Схема курсовой системы с взаимной связью датчиков курса корректирующими звеньями
Очевидно, эту схему можно рассматривать как следящую систему, у которой входными величинами будут магнитный и гироскопический курсы, а выходной величиной — показание индикатора. Предположим, что в некоторый момент система находится в таком положении, когда электрические потенциалы точек А, Б, В потенциометра П1 равны потенциалам точек Ах, Бх, Вх потенциометра П2. В этом случае напряжение на входе усилителя равно нулю и двигатель не работает. Стрелка индикатора благодаря постоянным потенциалам на концах логометрических катушек установилась на определенном делении шкалы. Допустим, что самолет развернулся по курсу на некоторый угол. Если считать магнитный датчик и курсовой гироскоп идеальными приборами — измерителями курса, то щетки потенциометров П1 и П2 повернутся относительно самолета на тот же угол. Это не нарушит сбалансированного состояния потенциометров П1П2 и двигатель Д останется в покое. В то же время потенциалы точек изменятся, поскольку нарушилось пространственное положение щеток потенциометра П2 относительно точек подвода питания С, Д. Вследствие этого изменятся потенциалы точек А, Б, В потенциометра П1 и, главное, потенциалы на концах катушек логометра, что приведет к повороту стрелки индикатора на угол. Рассмотрим теперь случай, когда из-за особенностей конструкции магнитного компаса в полете могут возникнуть колебания магнитной стрелки, например, за счет вибраций самолета. Потенциалы точек А, Б, В постоянны; они могут измениться только в зависимости от потенциалов потенциометра П2, Со щеток же потенциометра П1 снимается некоторое напряжение, так как они изменили пространственное положение относительно точек Л, Б, В. Напряжение, снимаемое со щеток Пь усиленное в усилителе, заставит двигатель через редуктор повернуть щетки потенциометра П2 в положение, при котором потенциометры опять окажутся согласованными. Естественно, что новое сбалансированное положение потенциометров приведет к изменению потенциалов в катушках логометра и повороту стрелки указателя. Такой процесс произошел бы, если располагаемая скорость отработки следящей системы, в которую входят потенциометр П2 усилитель, двигатель, редуктор, потенциометр П2, была бы равна скорости колебания магнитной стрелки. В этом случае стрелка указателя повторяет колебания магнитной стрелки. Когда скорость отработки следящей системы меньше, чем скорость колебания магнитной стрелки, что достигается в основном выбором передаточного числа редуктора, то следящая система не успевает отрабатывать колебания магнитной стрелки на указателе и стрелка оказывается неподвижной. Таким образом, с помощью указанной схемы можно отфильтровывать, сглаживать высокочастотные колебания магнитного датчика. В этом проявляется положительное влияние гироскопического датчика на магнитный при их совместной работе.
Магнитная девиация. Магнитная система компаса реагирует на окружающее магнитное поле, которое в общем случае является результирующим магнитных полей Земли и источников магнетизма самолета, например, стальных масс, электрических источников, радиосистем и т. д. Поэтому магнитная система устанавливается не по направлению магнитного меридиана, а имеет некоторую погрешность, называемую магнитной девиацией. Теория магнитной девиации и ее применение для практических, целей разработана довольно полно. Глубокое и всестороннее исследование этого вопроса было дано академиком А. Н. Крыловым. Подробно теория магнитной девиации рассматривается в курсе «Воздушная навигация».
Девиация магнитного компаса определяется экспериментально при выполнении девиационных работ. Однако для оценки характера девиации весьма важно произвести некоторые расчеты, которые удобнее выполнить по приближенным формулам девиации.
Различают девиацию трех видов: постоянную, полукруговую и четвертную.
Постоянная девиация определяется главным образом неточной установкой компаса на самолете. Коэффициент постоянной девиации А представлен прямой линией на графике девиации (рис. 6), выражающем зависимость девиации от магнитного курса.
Полукруговя представляет собой девиацию, вызванную:
1) твердым в магнитном отношении железом, т. е. железом, которое, будучи однажды намагниченным, сохраняет постоянными свои магнитные свойства;
2) постоянными магнитными полями от различных электрических источников, не меняющих свои направления при повороте самолета. Пусть самолет расположен относительно направления горизонтальной составляющей Н магнитного поля Земли, а равнодействующая от магнитных полей самолета образует с его продольной осью угол. В этом случае магнитная система установится по направлению компасного меридиана. Следовательно, девиация, обусловленная твердым железом самолета, является непрерывной периодической функцией. Она зависит от величины магнитного поля, создаваемого твердым железом, направления этого магнитного поля относительно продольной оси самолета и напряженности магнитного поля Земли, которая зависит от широты места. Поскольку эта девиация дважды за оборот (360°) принимает максимальное значение и обращается в нуль, она получила название полукруговой девиации
Рассмотрим теперь девиацию бз, обусловленную мягким в магнитном отношении железом. Известно, что мягкое железо наманичивается полем Земли, причем направление магнитной оси в железе в общем случае не совпадает с направлением намагничивающего поля. Тогда, обозначив угол между направлением равнодействующей магнитного поля от мягкого железа Ф и продольной.
Магнитная девиация на летательных аппаратах устраняется на горизонтальных площадках, удаленных не менее чем на 100 м от стоянок самолетов, аэродромных сооружений, бетонированных взлетно-посадочных полос, армированных железом, электрических сетей и т. д.
Устранение девиации должно проводиться при включенном электрорадиооборудовании, которое в полете большую часть времени работает. Самолет разворачивается на соответствующий магнитный курс, контролируемый специальным девиационным пеленгатором, устройством, позволяющим точно установить самолет на заданный магнитный курс. Девиация определяется как разность между магнитным и компасным курсом
Девиация магнитного компаса типа КИ-13 устраняется девиационным прибором, представляющим собой устройство с двумя постоянными магнитами, взаимное положение которых изменяется как относительно друг друга, так и относительно магнитной системы компаса. Поворачивая валики 2, меняют результирующее магнитное поле магнитов 1 и тем самым компенсируют магнитное поле самолета. Девиационный прибор позволяет устранить полукруговую девиацию, после чего снимается график остаточной, т. е. не устраненной девиации. Этим графиком экипаж пользуется в полете для внесения поправок в показания компаса. Креновая погрешность, или креновая девиация компаса. Она возникает при кренах самолета, при наборе высоты или снижении в результате изменения положения деталей самолета, обладающих магнитными свойствами, относительно магнитной системы компаса, которая при эволюциях самолета стремится сохранить свое горизонтальное положение. Изменение положения магнитных масс относительно подвижной системы компаса приводит к изменению магнитных сил, действующих на компас, и создает дополнительную девиацию. Кроме этого, при кренах самолета на магнитную систему оказывает влияние вертикальная составляющая земного магнетизма Z.
Пусть самолет летит горизонтально, и его продольная ось Ох совпадает с направлением магнитного меридиана. При этом вертикальная составляющая магнитного поля Земли Z не оказывает влияния на движение магнитной системы, так как она направлена по оси компаса. Самолет при развороте получает некоторый угол крена у, в результате чего вектор Z уже не совпадает по направлению с осью подвеса магнитной системы на некоторый угол а, так как магнитная система все же получит наклон при вираже. Следовательно на магнитную систему будет действовать равнодействующая от горизонтальной составляющей магнитного поля Земли Н и проекции вертикальной составляющей Z на плоскость Z sinа, в которой находятся магниты, что приведет к ошибке бп в показаниях компаса. Эта ошибка зависит от магнитного курса самолета, географической широты места (от широты места зависит отношение горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности магнитного поля) и от крена самолета. Креновая погрешность может достигать значительных величин.
Инерционная девиация возникает вследствие действия ускорений па картушку, «южный» конец которой утяжелен для поддержания магнитной системы в горизонтальном положении.
Под действием периодических возмущений, например, при полете в болтанку, возникают инерционные силы, заставляющие магнитную систему колебаться относительно указывающего индекса, что затрудняет отсчет показаний. Кроме того, при некоординированном вираже или при изменении скорости полета инерционные силы заставляют магнитную систему двигаться при отсутствии разворота самолета.
Погрешность от увлечения картушки возникает при развороте самолета, когда жидкость, заполняющая кожух компаса, вследствие трения о стенки вращается вместе с самолетом и увлекает за собой картушку компаса. После виража картушка возвращается в свое прежнее положение по отношению к магнитному меридиану, на это уходит до 30 с. До истечения этого времени отсчитывать показания не следует.
Погрешность от трения возникает за счет того, что вращающийся магнитный момент при малых углах отклонения магнитной системы компаса от магнитного меридиана невелик и соизмерим с моментом трения в опоре подпятника компаса.
Вывод: учитывая полученные зависимости для ошибки курсовой системы, можно сделать следующее заключение.
1. Короткопериодические (быстроменяющиеся) погрешности магнитного датчика или астрокомпаса курсовой системы подавляются и на указатель практически не пропускаются.
2. Медленноменяющиеся погрешности курсового гироскопа (уход в азимуте) на точности выходного курса не сказываются.
3. Постоянные погрешности, такие, как девиационные, схемой курсовой системы не компенсируются, поэтому их нужно уменьшать другими способами.
Периодические быстроменяющиеся погрешности курсового гироскопа схемой курсовой системы не уничтожаются и для их компенсации нужно принимать особые меры.
Задание на самостоятельную подготовку
1. Магнитные датчики курса.
2. Гироскопические датчики курса.
3. Понятие магнитная девиация.