Волчок и применение его свойств - Краснов Александр Иванович. Страница 8

На современных самолетах, летающих со скоростями звука, использование маятниковых автопилотов невозможно. Поэтому маятниковые автопилоты заменили в настоящее время гироскопическими. Изобретателем такого автопилота считают американца Сперри. Но мы знаем, что создателем первой принципиальной схемы автопилота является все же К. Э. Циолковский.

Современный автопилот самолета состоит из трех самостоятельных механизмов: автомата курса, автомата поперечной устойчивости и автомата продольной стабилизации. В каждом из них управляет движением отдельно установленный гироскоп.

Роторы таких гироскопов, свободно умещающихся на ладони, весом около четырехсот граммов, вращаются со скоростью двенадцати тысяч оборотов в минуту. Их задача — только подать команду мощным механизмам. А они уже выполняют необходимую тяжелую, сложную и ответственную работу по управлению самолетом.

Кратко познакомимся теперь еще с одним свойством гироскопа — способностью устанавливаться по полуденной линии (линии меридиана).

Компас без магнита

Уже много тысяч лет тому назад в древнем Китае знали замечательные свойства магнитной стрелки. Рассказывают, что в 2364 г. до современного летосчисления китайский император Хуанг Ти сумел победить своего соперника Чжи Су, преследуя его в облаках пыли и тумана, руководствуясь указаниями компаса, установленного на каретах в виде художественно исполненной фигуры.

В России рыбаки и землепроходцы издавна пользовались компасом. Давно на Руси знали этот замечательный, незаменимый в тяжелых и опасных путешествиях прибор, уважительно называли его «маткой».

Много столетий и даже тысячелетий магнитный компас действовал «верой и правдой», безотказно, с отменной точностью. Но в современных условиях он оказывается все более непригодным или неточно действующим прибором. На металлических судах, например, магнитный компас не особенно надежен. Большие стальные корпуса и отдельные детали судна, работа электромашин и даже перемещение небольшой металлической массы оказывают вредное влияние, искажая показания компаса.

Болтанка, рысканье, продольные и поперечные крены самолета вызывают резкое снижение точности действия компаса. А именно в это время, как никогда, нужна исключительная точность его показаний.

Мысль о замене магнитного компаса другим, более надежным прибором возникала неоднократно у многих и очень давно.

Л. Фуко уже в 1852 г. теоретически показал возможность создания гироскопа, определяющего направление полуденной линии, линии север — юг, в любой точке Земли, т. е. гирокомпаса.

Чем объясняется такое, казалось бы, странное поведение гироскопа?

Мы уже говорили о том, что земной шар — это гигантский волчок. По правилу же, установленному Л. Фуко, ось гироскопа с двумя степенями свободы на вращающемся основании всегда устанавливается параллельно оси вращения этого основания. При этом направление вращения ротора совпадает с направлением вращения основания.

Значит, находясь с таким гироскопом на экваторе, мы заметим, что ось его установится по линии север — юг, то есть параллельно земной оси, причем направления вращения ротора и Земли совпадают.

В другом месте земного шара, не на экваторе, ось ротора нашего гироскопа будет отклоняться, направляясь одним концом на Полярную звезду. Чем ближе к полюсу, тем выше поднимается ось гироскопа, а непосредственно на полюсе ось его занимает вертикальное положение, что неудобно. Это неудобство вскоре было ликвидировано путем помещения гироскопа в подшипниках, прикрепленных горизонтально к поплавку, находящемуся, например, в сосуде с водой. Этим достигли того, что гироскоп неизменно устанавливался по линии север — юг (рис. 32), т. е. гироскоп использовался как гирокомпас.

Рис. 32. Принципиальная схема гирокомпаса.

Однако история создания гирокомпаса не так проста и легка.

От теоретического предположения Л. Фуко до практического претворения в жизнь его замечательной идеи прошел длительный период исканий и работ многих ученых, изобретателей и конструкторов. Постепенно, шаг за шагом решались отдельные элементы конструкции гирокомпаса.

Одним из серьезных препятствий для применения гироскопа в гирокомпасе было отсутствие источника энергии для вращения ротора с достаточной для этих целей скоростью. Обычно ротор приводили во вращение шнуром, накрученным на его ось. Но таким способом трудно получить достаточно большую скорость и длительность вращения.

Впервые эта проблема была решена в 1865 г., когда в качестве ротора гироскопа использовали якорь электромотора постоянного тока.

Толчком к созданию гирокомпаса для морских судов послужил возникший в 1904 г. проект путешествия к Северному полюсу на подводной лодке. Для нее немецкий доктор Аншютц сконструировал гироскопический прибор, назвав его «азимутальным волчком».

Испытания «азимутального волчка» не дали положительных результатов: изобретатель неверно выбрал тип гироскопа.

Первым наиболее удачным гирокомпасом оказался прибор, созданный немецким специалистом Оскаром Мартинссеном в 1906 г. Однако и Аншютц после своей первой неудачи, отказавшись от «азимутального волчка», создал удовлетворительный для пользования гирокомпас (рис. 33).

Рис. 33. Схема гирокомпаса Аншютца.

Скорость вращения роторов в этом гироскопе достигала двадцати тысяч оборотов в минуту. Такой скорости удалось достичь благодаря электромотору.

После Аншютца значительных успехов достиг американец Элмер А. Сперри, запатентовавший осенью 1909 г. свой гирокомпас. Впоследствии гирокомпасы, успешно применяемые на кораблях, были усовершенствованы. Многое сделали в этом отношении и наши отечественные инженеры, конструкторы.

Несмотря на совершенство гирокомпаса, в авиации его не применяют вследствие большой погрешности при больших скоростях полета, фигурах высшего пилотажа, болтанке. «Хранителем курса» в авиации служат гирополукомпас и гиромагнитный компас. В основе их действия лежит все тот же гироскоп.

Гирополукомпас — довольно удобный и надежный прибор для самолетов. Он может с достаточной степенью точности показывать правильный курс, причем на него не действуют болтанка, рысканье и другие резкие движения самолета. Гирополукомпас обладает лишь одним недостатком: его показания оказываются точными в течение 10–15 минут, после чего их требуется сверять с магнитным компасом и, внеся исправление, вновь уверенно пользоваться в течение указанного срока.

Автоматизация работы по внесению исправлений в гирополукомпас достигнута и в гиромагнитном компасе. Для этого в нем имеется специальное корректирующее магнитное устройство.

Авиагоризонт, гирополукомпас, гиромагнитный компас, указатель поворотов, автопилот — приборы, без которых невозможен слепой полет. Все они прекрасно действуют благодаря быстро вращающемуся ротору гироскопа — волчку.

Можно было бы привести еще много примеров использования замечательного свойства быстро вращающегося гироскопа — сохранять приданное ему направление неизменным. Однако рассказанного достаточно, чтобы представить колоссальную важность и ценность этого замечательного прибора.

Не меньшее значение в технике имеет явление прецессии гироскопа, или так называемый гироскопический эффект. К рассказу о его проявлениях мы и перейдем.

Несколько полезных и вредных неожиданностей

Обратившись к примерам из области техники, нетрудно обнаружить множество загадочных на первый взгляд явлений. Вот некоторые из них.

Уже при первых полетах самолетов было замечено странное явление, послужившее в некоторых случаях причиной аварий и даже катастроф. Самолет при совершении правого виража (поворота вправо) самопроизвольно стремился войти в пикирование. Если же выполнялся левый вираж, то он также самопроизвольно проявлял стремление кабрировать, то есть задирать нос, как бы становясь на дыбы, поворачиваясь вокруг своей поперечной оси.