2. Курсовые приборы

Магнитные компасы. Простейшим устройством для определения направления магнитного меридиана Земли служит магнит­ная стрелка. Северное направление магнитного меридиана задается горизонтальной составляющей Н вектора напряженно­сти Т магнитного поля Земли (рис. 2). Угол называется магнитным наклонением, а угол d между направлениями географического NS и магнитного меридианов — магнитным склонением. Величина и знак d, необходимые для пере­хода от магнитного курса к истинному, определяются по полет­ным картам.

Рис. 2. Параметры магнитного поля Земли

Рис. 3. Чувствительный элемент индукционного датчика курса.

1,2 – первичные обмотки, 3 – пермаллоевые сердечники, 4 – вторичная сигнальная обмотка.

В недистанционных магнитных компасах (например, типа КИ-13) роль магнитной стрелки выполняют цилиндрические по­стоянные подвижные магниты. Компасам с подвижными магни­тами свойственны значительные погрешности из-за трения в опорах магнитной системы. Кроме того, при разворотах само­лета возникают погрешности увлечения, поскольку начинающая вращаться при этом жидкость (заполняющая корпус прибора) отклоняет ось магнитов от вектора Н.

От указанных погрешностей свободны индукционные дат­чики магнитного курса. Чувствительный элемент индукционного датчика (рис. 3) представляет собой два пермаллоевых сердечника 3 с первичными обмотками 1 и 2, включенными встреч­но. Обмотки питаются напряжением U переменного тока часто­ты f. Оба сердечника охвачены вторичной обмоткой 4 (часто пользуются две сигнальные обмотки, намотанные поверх пер­вичных и включенные согласно).

Рис. 4. Схема включения ИД с тремя чувствительными элементами.

1 – основание ЧЭ.

В датчиках серии ИД с тремя элементами (рис. 4) послед­ние расположены треугольником на общем основании 1. Осно­вание помещено в двухстепенной карданов подвес и благодаря нижней маятниковости удерживается в горизонтальной плоско­сти. Первичные обмотки элементов соединены последовательно и питаются напряжением U частоты 400 Гц. Концы сигнальных обмоток, соединенных звездой либо треугольником, подсоеди­няются к статорным обмоткам сельсина-приемника СП.

Индукционный датчик курса ИД-6 в отличие от рассмотрен­ного имеет два чувствительных элемента, расположенных вза­имно перпендикулярно (рис. 5). В этом случае вместо сельсина в качестве приемника сигналов используется синусно-косинусный трансформатор (СКТ)

Индукционные датчики курса как самостоятельные устрой­ства не применяются. Они широко используются в курсовых си­стемах для магнитной коррекции последних ввиду более высокой инструментальной, точности по сравнению с датчиками с подвижными магнитами.

3. Погрешности магнитных компасов.

Всем типам датчиков магнитного курса свойственны общие методические погрешности: девиация, поворотная и креновая погрешности.

Магнитные массы летательного аппарата, а также электромагнитные поля самолета, создают дополнительные магнитные поля, под влиянием которых результирующий вектор магнитного поля отклоняется от направления магнитного меридиана. Это отклонение называется девиацией компаса . Девиация считается положительной, если северный конец вектора магнитного поля отклонился к востоку от меридиана.

Рис. 5. Схема включения ИД с двумя чувствительными элементами.

Постоянная составляющая устраняется поворотом корпуса датчика . Из переменных составляющих, являющихся перио­дическими функциями , наибольшее значение имеет состав­ляющая с периодом 2, называемая полукруговой девиацией и обусловленная магнитотвердым железом. Ее компенсируют девиационными приборами с постоянными магнитами, располагаемы­ми на корпусе датчика. Положение магнитов регулируют так, чтобы вектор их поля стал равным и противоположным вектору поля магнитотвердого железа. В некоторых курсовых системах исполь­зуют электромагнитный способ компенсации полукруговой де­виации. Остальные составляющие в компасах типа КИ учиты­ваются с помощью поправочных графиков, а в курсовых систе­мах компенсируются специальными лекальными коррекционными устройствами (ЛКУ).

Магнитные поля летательного аппарата, вызывающие девиацию компаса, можно разделить на два типа полей:

• поле, создаваемое магнитомягким железом, направление которого относительно осей летательного аппарата переменно и зависит от курса летательного аппарата;

• поле, создаваемое магнитотвердым, направление которого относительно летательного аппарата не зависит от курса летательного аппарата.

Стальные предметы летательного аппарата, создающие магнитное поле, обладают обычно большой коэрцитивной силой и, по существу, являются постоянными магнитами. При полете на любом курсе, они сохраняют свои свойства постоянными.

Поле магнитомягкого железа зависит от положения летательного аппарата относительно поля Земли, т.е. от курса летательного аппарата.

Рассмотрим влияние магнитного поля, создаваемого стержнем с магнитным моментом M=2lm₁, на стрелку компаса, один полюс которой имеет магнитную массу m.

При расстоянии между магнитной массой и серединой стержня, равном r, сила взаимодействия между стержнем с магнитным моментом M и магнитной массой m определим выражением:

, (1.1)

где угол - угол между осью магнита (стержня) и осью ординат, проходящее через массу m и середину стержня.

Из этого выражения следует, что для уменьшения влияния стальных предметов на стрелку компаса нужно увеличивать расстояние и выбирать положение массы так, чтобы или .

Если изменять курс летательного аппарата от 0 до , то взаимное расположение твердого и мягкого железа будет повторяться с периодом , а следовательно девиация будет периодичной функцией курса с периодом , т.е.:

Разлагая эту функцию в ряд Фурье, найдем:

Коэффициент разложения А характеризует круговую (постоянную) составляющую девиации, не зависящую от курса. Эта составляющая вызывается влиянием мягкого железа, намагничиваемого магнитным полем Земли (МПЗ).

Составляющие дважды обращаются в нуль при изменении курса от 0 до и называются полукруговыми. Они вызваны влиянием магнито-твердого железа.

Составляющие и называются четвертными. Они вызваны влиянием магнитомягкого железа.

Для уменьшения девиации полукруговой магнитные компасы снабжены девиационным прибором, представляющим собой набор магнитов, которые создают дополнительные магнитные поля.

Четвертные составляющие девиации не устраняются, их определяют экспериментально и учитывают с помощью графика поправок.

При полете самолета с поперечным или продольным креном и горизонтальном положении картушки компаса, возникают, так называемые креновые девиации, появление которых обусловлено действием твердого железа. Дело в том, что при крене вертикальная составляющая силы Fв меняет свое положение в пространстве, тогда как катушка остается горизонтальной. Горизонтальная составляющая силы Fв, равная (где - угол крена летательного аппарата) направлена перпендикулярна продольной оси летательного аппарата. Проекция этой составляющей на направление перпендикулярное к магнитному меридиану будет: и вызывает девиацию магнитного компаса:

, (1.2)

где - горизонтальная составляющая напряженности суммарного магнитного поля вдоль меридиана.

При продольных кренах с углом тангажа , аналогично, получаем:

(1.3)

При разворотах летательного аппарата, плоскость картушки компаса поворачивается и становится перпендикулярно равнодействующей сил веса и инерции. Но в таком случае на катушку начинает действовать вертикальная составляющая МПЗ, вызывая появление поворотной погрешности.

При правильном вираже самолета (рис. 6), картушка компаса расположится в плоскости A, наклоненной под углом к горизонту и совпадающей с плоскостью XY самолета. Направления полета самолета обозначим осью OX. Составляющая поля H (горизонтальная) лежит в плоскости B, т.е. в горизонтальной плоскости. Угол между H и осью OX – магнитный курс .

Катушка компаса будет располагаться по направлению равнодействующей силы, лежащей в плоскости картушки, и обусловленной действием горизонтальной и вертикальной составляющих МПЗ.

, (1.4)

где - угол наклонения вектора МПЗ.

Равнодействующая Tx и Ty направлена под углом к оси летательного аппарата – OX и определяет положение картушки:

(1.5)

Величина поворотной ошибки представляет разность между действительным курсом и показаниями компаса на вираже :

(1.6)

Креновая погрешность обуславливается воздействием на чувствительные элементы компаса (датчика) горизонтальной проекции составляющей напряженности поля твердого железа, направленной по нормальной оси летательного аппарата. Эта проекция возникает при ненулевых углах крена и тангажа. При этом предполагается, что плоскость чувствительных элементов горизонтальна, так что горизонтальные ускорения отсутст­вуют.

Наиболее существенной методической погрешностью явля­ется поворотная. Она возникает не только при разворотах, но и при любых эволюциях ЛА с ускорениями, когда плоскость основания чувствительных элементов становится не горизонтальной. Вслед­ствие этого изменяется направление проекции вектора T поля Земли (рис. 2) на эту плоскость, что и служит причиной пово­ротной погрешности.