| Где север?
Этот вопрос стар как мир. Его стали задавать себе люди, как только ими овладела «охота к перемене мест». Например, в начале нашей эры суровые викинги, отправляясь на своих парусно-гребных судах в страну бриттов (англичан), определяли направление на север (а следовательно, и на запад) по звездам. Они умели находить на ночном небе одну звезду, которая в отличие от всех других звезд не перемещалась по небосклону. Вожди викингов знали тайну: если, опустив голову на грудь, поклониться этой звезде, то слева окажется страна бриттов, а справа — родные фиорды. Позже эту звезду назвали Полярной, а дотошные ученые установили, что и она движется вокруг оси вращения Земли (оси мира), описывая в течение суток на небесной сфере окружность радиусом около 1° (на небесной сфере расстояния измеряются в угловых единицах, а не в линейных). Но поскольку этот радиус невелик и Полярная звезда находится над Северным полюсом Земли совсем рядом с осью ее вращения, то для приближенной ориентации Полярную звезду вполне можно считать неподвижной. Умели «разговаривать со звездами» и другие древние мореходы Земли — греки, финикийцы, египтяне. Однако звезды капризны: днем они «отдыхают» — становятся невидимыми, а ночью часто не желают «беседовать», закрываясь тучами или туманами. В таких случаях древние мореплаватели замедляли движение своих кораблей, давая желанную передышку гребцам, и старались плыть, не теряя из виду берегов. Однако со временем все упорнее стала распространяться молва, что некоторые монахи и капитаны имеют таинственные металлические продолговатые предметы, которые могут «видеть» Полярную звезду днем и ночью сквозь тучи и туман и даже сквозь глухие стены замков и монастырей. И обращение с тем предметом несложно. Нужно лишь, привязав один конец нити длиною в локоть к середине предмета, поднять его и дать возможность свободно покачаться. Успокоившись, предмет всегда одним и тем же концом укажет сторону, в которой находится Полярная звезда. Пока древние европейцы дивились «чуду великому», народы Востока уже тысячу лет использовали его. ...Идут караваны по бескрайним гобийским пескам. Солнце закрыто желтой пеленой пыли. Меж горбами белого верблюда совершает путь через пустыню глиняный сосуд, в котором на пробке плавает в воде продолговатый кусок намагниченного железа, один конец которого выкрашен в черный цвет, а другой — в красный. Как бы ни повернулся верблюд, черный конец магнита всегда указывает на север... Этот древний магнитный компас помогал караванщикам отыскать путь в бескрайних песках пустыни. Но вернемся в Европу. В Неаполе стоит памятник Флавио Джойе, который, по мнению итальянцев, в 1302 г, изобрел магнитный компас. Как это произошло на самом деле, никто не знает, но живет красивая легенда... Давным-давно, когда город Амальфи стоял, как и Венеция, на берегу моря, жил в нем Флавио Джойя, ювелир и инкрустатор. Он был беден и молод и, конечно, любил черноглазую красавицу Анджелу, дочь богатого рыбака Доменико. Суровый Доменико считал людьми второго сорта всех тех, кто не выходил в море на веслах или под парусами, не испытал себя в штормах и бурях. А Флавио Джойя как раз относился к этой категории людей, и естественно, Доменико не хотел иметь такого зятя. Но отказать претенденту на руку дочери Доменико решил дипломатично и поэтому поставил условие: Флавио должен хотя бы один раз ночью или в туман проплыть на лодке строго по прямой линии. Доменико считал свое условие невыполнимым, так как даже его товарищам, бывалым морякам, это не удавалось. Но Флавио был не из тех, кто сдается. В его мастерской нашелся продолговатый магнитный камень, который он укрепил горизонтально на круглой плоской пробке. На верхнюю поверхность пробки он установил диск с делениями — получился чувствительный элемент магнитного компаса — картушка. Чтобы картушка могла поворачиваться в горизонтальной плоскости, Флавио проткнул ее вертикальной осью с острыми концами, которые упирались в опоры, установленные в корпусе прибора — чашке. Однако из-за давления картушки на нижнюю опору возникал большой момент трения, который препятствовал вращению картушки и вызывал большие ошибки прибора. Тогда Флавио налил в чашку воды, пробка всплыла, давление на нижнюю опору снизилось, вращение картушки стало плавным и свободным. В одном месте на краю чашки Флавио провел тонкую черту, а всю окружность диска картушки разделил на 32 равные части, каждая часть называлась румбом. Настал день испытаний. Флавио сел в лодку и установил свой прибор так, чтобы тонкая черта на чашке совпадала с продольной осью лодки. Картушка, покачавшись вокруг оси, остановилась в таком положении, что один конец продолговатого магнитного камня указывал на север. Флавио заметил румб, который установился против тонкой черты на чашке, и смело налег на весла. Его задача была уже нетрудной: нужно было вести лодку так, чтобы во все время движения против тонкой черты на чашке стоял бы один и тот же румб. Это означало, что лодка идет по прямой. Дальнейшее течение событий ясно: Доменико усомнился в своей точке зрения на деление людей, а его друзья-моряки, получившие магнитный компас, шумно отпраздновали свадьбу Анджелы и Флавио. С помощью магнитного компаса, устройство которого существенно не изменилось со времени Флавио Джойи, были сделаны большие географические открытия. Направляемые острием стрелки магнитного компаса, капитаны вели свои корветы, фрегаты и бригантины к благоухающим туберозой континентам, к зелено-желтым лагунам, к таинственным островам сокровищ... Однако уже во времена Колумба знали, что не всегда можно верить магнитному компасу. Великий мореплаватель писал: «Существует лишь одно безошибочное корабельное исчисление — это астрономическое; счастлив тот, кто с ним знаком». А вот Дик Сэнд, пятнадцатилетний капитан, к несчастью, еще не умел делать астрономических наблюдений и поэтому попал в опасную историю, захватывающе рассказанную Жюль Верном. В основе этой истории лежит ошибка магнитного компаса, обусловленная влиянием на него массивных железных предметов. Вот как описывает Жюль Верн возникновение этой ошибки. «Мы уже упоминали, что лаг и компас были единственными приборами, которыми Дик Сэнд мог пользоваться для приблизительного определения пути, пройденного "Пилигримом". Молодой капитан приказал бросать лаг каждые полчаса и записывать показания прибора. В ночь с 13 на 14 февраля Дик вынужден был отдохнуть несколько часов. У штурвала его заменил старик Том. ...Около трех часов ночи со старым Томом, утомленным долгой вахтой, случилось что-то похожее на гипнотический сон. ...Он не заметил, что по палубе скользнула какая-то тень. Это был Негоро. Подкравшись к компасу, судовой кок подложил под него какой-то тяжелый предмет. ...Это был железный брусок, под влиянием которого показания компаса изменились. Вместо того чтобы указывать направление на магнитный полюс, которое лишь немного отличается от направления на истинный полюс, стрелка указывала теперь на северо-восток. Отклонение это достигало четырех румбов, то есть половины прямого угла. Через мгновение Том очнулся. Он бросил взгляд на компас... Ему показалось — могло ли быть иначе? — что «Пилигрим» отклонился от курса. Том повернул штурвал и направил корабль прямо на восток. Так ему, по крайней мере, казалось. Но вследствие отклонения стрелой, о котором он, конечно, и не подозревал, курс корабля, измененный на четыре румба, лег теперь на юго-восток. Таким образом, «Пилигрим», продолжая идти вперед с прежней скоростью, уклонился от заданного курса на 45°». Со временем, поняв причину ошибок компаса, мореплаватели стали разрабатывать меры для их снижения и учета. Например, один из указов Петра I гласил: «Впредь на кораблях заменять железа около компаса медью и не ставить оного ближе 14 футов от компаса». Но железо — не единственная причина ошибок магнитного компаса. Доминик Франсуа Араго (1786—1853), двадцатитрехлетний французский академик, автор фундаментального научного труда «Гром и молния», был одержим идеей найти связь между электричеством и магнетизмом. О существовании такой связи свидетельствовали его на блюдения над грозами на суше и на море. Араго настойчиво собирал и изучал факты воздействия гигантской электрической искры — молнии на металлические предметы. Были в его коллекции случаи и трагические, и ко мические, и кончившиеся благополучно. ...Английское судно «Дувр» 9 января 1748 г. попало в сильную грозу. Ударом молнии расщепило грот-мачту, опалило частично палубу, некоторые каюты, борта. Капитан Уэддел, сверив по звездам направление стрелок магнитных компасов, убедился, что все они перемагничены, все четыре. Лежавшие на палубе стальные и железные предметы оказались сильно намагниченными. Видимо, Уэддел был опытным капитаном, он знал «слабость» магнитных компасов, поэтому катастрофы не произошло. Однако Араго описывает ряд трагических случаев, когда капитаны продолжали верить стрелке магнитного компаса, перемагниченной молнией. Итак, железо и электричество вызывают отклонение стрелки магнитного компаса и делают его показания ненадежными. Шло время... Начиналась последняя треть XIX в. Готовясь к кровопролитным мировым войнам, флот одевался в сталь, насыщался приборами и системами, энергия к которым подводилась по многокилометровым жилам электрических проводов. В грозное оружие превращались «потаенные суда» — подводные лодки. Флот остро нуждался в более надежном Курсоуказателе, чем магнитный компас. Моряки мечтали об указателе курса, работа которого не зависела бы от капризов погоды и волнения моря, от видимости звезд и стали бортов. И такой прибор будет создан —им станет гироскопический компас. Но произойдет это еще не скоро — в новом, XX веке. «Идея граничит с безумием»
|
| Итак, магнитный компас в морском флоте уже не может полностью справиться с возложенными на него обязанностями. Моряки и ученые ищут новый принцип построения курсоуказываю-щего прибора. Один из этих принципов был предложен Л. Фуко в 1852 г. в его знаменитых докладах Парижской академии наук. «Однако, — пишет один из крупных ученых-гироскопистов К. Магнус, — путь от демонстрационной модели до практически полезного прибора был сложным и полным препятствий. Если окинуть мысленным взором пройденный путь, то можно почувствовать захватывающую напряженность поиска, связанную с блестящими озарениями и глубокими заблуждениями, присущую лишь действительно великим открытиям. Примером может служить проблема, связанная с идеей создания гироскопического компаса — компаса, не зависящего от магнитного поля Земли. Важность проблемы несомненна, но идея граничит с безумием, ведь задача в конечном счете состоит в том, чтобы выделить медленную, едва заметную скорость вращения Земли на фоне огромных, по сравнению с этим, скоростей вращения самого прибора, когда он установлен на корабле, плывущем в штормовом море. Разве не удивителен сам факт, что люди работают над подобным проектом, вкладывают в него свой труд и средства? Правда, преимущественно это люди далеких от техники профессий, взявшиеся за дело с энергией и мужеством дилетантов: психолог Н. Ах, священник Ван ден Бос, историк искусства Г. Аншютц-Кемпфе. Последнему удается достичь цели...». Но рассскажем все по порядку. Прежде всего вспомним демонстрационный прибор Л. Фуко. Он представ- лял собою вращающийся маховик с горизонтальной осью, установленный в кардановом подвесе. Поскольку маховик имел три степени свободы, то ось его вращения должна была сохранять неизменным положение в абсолютном пространстве, несмотря на любые движения основания, на котором установлен прибор. В частности, таким основанием могла быть палуба корабля. Следовательно, с помощью прибора Фуко можно было наблюдать отклонение продольной оси корабля от направления, неизменного в абсолютном пространстве, материализуемого осью вращения маховика. Но это была «не та информация». Морякам нужно было знать отклонение корабля не по отношению к неподвижному абсолютному пространству, а по отношению к каким-либо опорным направлениям, связанным с Землей, вращающейся в абсолютном пространстве. Традиционно таким опорным направлением считалось направление на Северный полюс Земли. Это направление лежит в плоскости любого земного меридиана. Итак, встала задача: как заставить ось вращения маховика гироскопа приходить в плоскость меридиана и продолжать удерживаться в этой плоскости, несмотря на любые угловые движения корабля. Первое решение предложил сам Фуко. Помните, он доказал: если трехстепенный гироскоп лишить одной степени свободы, а оставшуюся свободной ось карданова кольца установить вертикально, то ось вращения маховика сама придет в плоскость меридиана. Произойдет это потому, что именно в плоскости меридиана лежит горизонтальная составляющая скорости вращения Земли Ucosφ. Итак, если магнитный компас использует для своей работы магнитное поле Земли, то гироскопический компас использует эффект вращения Земли. Идея гирокомпаса, предложенная Фуко, скоро нашла своих последователей среди ученых и инженеров. Уже через восемь лет после докладов Фуко, в 1860 г., французский физик Ж. Сир по схеме Фуко создал прибор, вполне удовлетворительно работавший на основании, неподвижном относительно Земли. Но когда прибор был установлен на палубе корабля, обнаружилось странное явление: ось перестала приходить в устойчивое положение, она совершала непрерывные хаотичные колебания в горизонтальной плоскости. Съем показаний с гирокомпаса был невозможен. Довольно скоро была установлена причина этого явления: гирокомпас Фуко реагирует на угловую скорость того основания, на котором он установлен. Пока гирокомпас Фуко устанавливался на основании, неподвижном относительно Земли, все было хорошо. Но палуба корабля — основание, подвижное относительно Земли. Это основание испытывает бортовую и килевую качку корабля при волнении моря. Причем угловые скорости качки во много раз больше полезной угловой скорости (Ucos¦) Поэтому гирокомпас Фуко, реагируя на угловые скорости качки палубы корабля, давал неустойчивые показания. Попытки изолировать гирокомпас от угловых скоростей качки палубы, установив его в кардановом подвесе, обладавшем нижней маятниковостью (гирокомпасы Ж. Труве, М. Гопкинса, Э. Дюбуа), успеха не принесли. Гирокомпас, построенный на основе гироскопа с двумя степенями свободы, оказался совершенно неработоспособным на подвижном основании. Относительно хорошо переносил качку гироскоп с тремя степенями свободы, сохраняя неизменное направление оси вращения маховика в абсолютном пространстве,— это было известно многим ученым и инженерам. Но как «привязать» ось вращения маховика к плоскости земного меридиана, было неясно. Счастливая мысль — специально вызвать прецессию оси вращения маховика, заставив ее прийти в плоскость меридиана, а затем, оставаясь в этой плоскости, вращаться вместе с ней в абсолютном пространстве — впервые пришла в голову голландскому священнику (!) Максиму Геррарду Ван ден Босу. В 1886 г. он получил патент по заявке, озаглавленной «Новый корабельный компас». Предложение Ван ден Боса, как и все гениальное, было предельно просто. В трехстепенном гироскопе Фуко центр масс совпадал с точкой пересечения осей кардано-за подвеса и оси собственного вращения маховика. Ван ден Бос предложил опустить центр масс гироскопа несколько ниже оси внутреннего кольца карданова подвеса. В этом и состояло изобретение! Работа маятникового гирокомпаса, установленного на экваторе Земли, показана на рисунке. Гиромотор с невращающимся маховиком превращается в физический маятник, который может качаться вокруг оси внутреннего кольца карданова подвеса. На неподвижном относительно Земли основании плечо этого маятника силами тяготения устанавливается по вертикали, а перпендикулярная к нему ось вращения маховика располагается в горизонтальной плоскости.  После запуска гиромотора начинается «борьба» между маятником и гироскопом — каждый из них стремится проявить свои свойства: гироскоп — сохранить положение оси вращения неизменным в абсолютном пространстве, маятник — установить свое плечо по вертикали, меняющей положение в абсолютном пространстве из-за вращения Земли. В результате этой «борьбы» плечо маятника отклоняется гироскопом от вертикали, а на гироскоп вокруг оси внутреннего кольца карданова подвеса действует момент М, создаваемый отклоненным маятником. Под действием этого момента гироскоп прецессирует, приводя ось вращения маховика в плоскость меридиана. Предположим теперь, что гирокомпас установлен на корабле, спокойно стоящем у причала. Такой корабль представляет собой фактически «основание, неподвижное относительно Земли», поэтому ось вращения маховика гирокомпаса отыщет направление плоскости меридиана и установится в этой плоскости. Но вот корабль отправляется в рейс. Он может совершать любые развороты (эволюции), но ось вращения маховика гирокомпаса всегда останется направленной на север. Чтобы определить положение продольной оси корабля по отношению к плоскости меридиана, в гирокомпасе, так же как и в магнитном компасе, может быть применен горизонтальный диск с делениями, укрепленный на оси наружного кольца карданова подвеса гироскопа. Прибор на палубе устанавливается так, чтобы тонкая черта, нанесенная на корпус прибора, была параллельна продольной оси корабля, диск с делениями (шкала) стабилизируется гироскопом. Поэтому он не участвует в угловых движениях корабля, его диаметр С — Ю (север—юг) всегда совпадает с плоскостью меридиана, а диаметр 3—В (запад—восток)—с плоскостью параллели. Обычно шкала имеет 360 делений по числу градусов в окружности. Отсчет начинается от отметки «0», которая совпадает с буквой «С», и ведется по ходу часовой стрелки. Таким образом, если корабль идет точно на север, то его продольная ось, обозначенная тонкой чертой на корпусе прибора, параллельна оси вращения маховика и диаметру С—Ю шкалы гирокомпаса. Другими словами, тонкая черта стоит против отметки «С» («0») на шкале прибора, корабль идет курсом «0». Если корабль изменил курс и идет теперь точно на северо-восток, то тонкая черта на корпусе прибора, повернувшись вместе с кораблем, установится против отметки шкалы 45°. Зто и будет курс корабля — 45°. В современных гирокомпасах вместо такой шкалы применяют электрические измерители углов рассогласования между продольной осью корабля и осью вращения маховика — так называемые вращающиеся трансформаторы, которые позволяют передавать показания гирокомпаса к различным потребителям. «Эта вещь наделает много шума»
| Любопытна дальнейшая судьба трехстепенного гирокомпаса. Патент Ван ден Боса был куплен крупным немецким предпринимателем Вернером фон Сименсом. Он писал об этом в 1888 г. своему брату: «Сегодня я заключил договор с двумя голландцами об осуществлении их изобретения — компаса без магнита. Он состоит из вращающихся дисков, которые направляют плавающий в воде корпус точно на истинный полюс Земли. Естественно, что он совершенно не зависит от воздействия железа и от магнитных помех. Эта вещь наделает много шума». Быстро был создан опытный образец гирокомпаса, испытания которого при волнении моря не дали положительных результатов. Спустя 8 месяцев Сименс писал: «Ротационный компас также оказался иллюзией, в которую мы были введены благодаря легкомысленности господина Лента. Последний, будучи экспертом по этому делу, тем не менее не был знаком со многими явлениями, и благодаря его безосновательному энтузиазму мы и позволили втянуть себя в это дело». Сименс потерпел неудачу потому, что сотрудникам его фирмы удалось решить лишь одну из трех основных проблем, стоявших на пути создания трехстепенного гирокомпаса. Первая проблема— обеспечение высоких и постоянных скоростей вращения маховика гироскопа (создание «сердца» прибора — гиромотора). Вторая — подвес маховика, обеспечивающий ему две степени свободы, но при этом не создающий вредных моментов (трения, тяжения и др.), уводящих через вредную прецессию ось вращения маховика из плоскости меридиана. Третья проблема — незнание причин основных ошибок гирокомпаса, что не позволило правильно выбрать его параметры, или, как стали говорить позднее, осуществить его настройку. Сименс решил лишь вторую проблему, опустив чувствительный элемент гирокомпаса в сосуд с водой и тем устранив вредные моменты сухого трения. Правда, поплавковый принцип подвеса гироузла использовался и раньше В. Томсоном (лордом Кельвином), и вообще он может показаться естественным, если учесть, что поплавок применялся еще в магнитных компасах. Работы над схемой гирокомпаса Ван ден Боса приостановились. ...Новый, 1821 г. экипажи русских шлюпов «Восток» и «Мирный» встречали в высоких южных широтах. 21 января 1821 г. русские моряки первыми увидели неизвестные берега — они открыли Антарктиду, шестую часть света. Но последняя ли она, может быть, существует еще и седьмая часть света? На Земле осталось лишь одно «белое пятно» — зона Северного полюса. И туда устремились отважные полярные исследователи. Сначала пытались подойти к Северному полюсу на кораблях, но неудачно: тонули корабли, раздавленные льдами, гибли люди. И тогда возникла идея добраться до полюса на подводной лодке. Но как найти и выдерживать направление движения на север под льдами, в кромешной тьме холодных вод Ледовитого океана? За решение этой проблемы берется Герман Аншютц-Кемпфе (1872—1931). С юношеских лет Герман вызывал удивление: сначала он изучал медицину, потом историю искусств (ему даже была присвоена степень доктора философии за работу о венецианских художниках XVI в.), затем его охватывает полярная страсть — он, как и многие его современники, хочет достичь Северного полюса. Герман участвовал в двух полярных экспедициях, но цели не добился. И тогда он решает организовать собственную экспедицию на подводной лодке. Дело за «небольшим» — нужно лишь создать курсоуказывающий прибор. Аншютц понимает, что для его цели не годятся ни магнитный, ни гироскопические компасы, так как в высоких полярных широтах они «еле живы» — теряют свои направляющие силы. Стрелка магнитного компаса стремится установиться вдоль магнитных силовых линий «большого магнита» — Земли. А эти силовые линии в зоне Северного полюса опускаются на поверхность Земли почти под прямым углом. Поэтому стрелка магнитного компаса в высоких полярных широтах стремится встать под прямым углом к поверхности Земли, а в горизонтальной плоскости направляющей силы практически не имеет. Гироскопические компасы (Л. Фуко и Ван ден Боса) используют для своей работы горизонтальную составляющую угловой скорости вращения Земли Ucosφ. Но в высоких полярных широтах φ≈90°, cosφ≈0 и Ucosφ≈U*0≈0, то есть исчезает причина, пораждающая направляющую силу гироскопических компасов. Аншютц решает создать новый тип гироскопического курсового прибора — «азимутальный волчок». Первые опыты с макетом прибора были проведены в 1900 г. В 1904 г. Аншютц патентует законченную конструкцию прибора. Прибор Аншютца очень напоминал по схеме трехстепенной гироскоп Л. Фуко, Но гироскоп Фуко сохранял неизменной ось вращения маховика в абсолютном пространстве. Как же собирался Аншютц «привязать» ось вращения маховика своего прибора к плоскости меридиана? Очень просто. Он предполагал устанавливать на внутреннее кольцо карданова подвеса грузы определенной массы (грузиковая коррекция). Эти грузы смещали центр масс гиромотора вдоль оси вращения маховика. В результате вокруг оси внутреннего кольца действовал момент, который вызывал прецессию гироскопа вокруг вертикальной оси наружного кольца. Искусство пользования таким прибором состояло в том, что нужно было, подбирая величину момента, создать такую скорость прецессии, которая в точности равнялась бы скорости вращения плоскости меридиана в абсолютном пространстве. Хотя идея была совершенно правильная, создать удовлетворительно работающий прибор не удалось: слаба была еще техника, неясны были и основные причины ошибок прибора. Однако именно этот прибор следует считать родоначальником современных гироскопических курсоуказывающих приборов, которые решили проблему полярной навигации. В морском флоте они получили название гироазимутов, а в авиации — гирополукомпасов, или гироскопов направления. Ну а что же Герман Аншютц? Пал духом? Нет! Он понимает, что две заоблачные вершины — создать гироскопический курсоуказывающий прибор и покорить Северный полюс — ему не взять. Он отказывается от организации полярной экспедиции и целиком отдается новой страсти — созданию корабельного гироскопического компаса, где его ждет успех. Трижды прав Галилео Галилей, сказавший: «Ничто великое в мире не совершалось без страсти». Аншютц ставит дело широко. В городе Киле в 1905 г. он основывает фирму «Аншютц и К0», которая будет заниматься разработкой «меридионального гироскопа». Для работы над проблемой Аншютц приглашает молодых талантливых инженеров и среди них своего двоюродного брата Макса Шулера (1882—1972). За основу решено взять схему гирокомпаса Ван ден Боса. Шулер предлагает прежде всего решить проблему «сердца» прибора — проблему гиромотора. Задача решается применением быстроходного асинхронного двигателя. Но здесь возникает новое неожиданное препятствие. В 1906 г. известный ученый-механик О. Мартиенссен публикует теоретические результаты своих исследований маятникового трехстепенного гирокомпаса. Выводы неутешительны: на неподвижном основании гирокомпас может работать безупречно, но для использования «на движущемся экипаже подобный компас непригоден». Основание для этого вывода весьма серьезно: экипажи при начале движения, при маневрировании, при торможении движутся с ускорениями. Ускорения порождают силы инерции, которые, создавая вредные моменты, «уводят» ось вращения маховика из плоскости меридиана, то есть возникает ошибка гирокомпаса, которая называется баллистической девиацией. Когда движение экипажа с ускорением прекратится, то исчезнет и сила инерции, но возникнет направляющий момент гирокомпаса, который вызовет прецессию гироскопа к положению равновесия, то есть в сторону плоскости меридиана. Однако гироскоп займет положение равновесия не сразу, а совершив несколько колебаний около этого положения. В этом явлении Мартиенссен увидел большую опасность, так как, по его мнению, таким прибором не смог бы пользоваться рулевой, ибо "нельзя будет отличить собственные колебания компаса от движений судна". Пессимизм Мартиенссена не поколебал уверенности Аншютца в успехе его дела: Аншютц, видимо, пока интуитивно не считал баллистические девиации непреодолимым препятствием. По этой причине возник бурный диспут, в ходе которого Мартиенссен попросил Аншютца более четко обосновать свои позиции и опубликовать это обоснование. Почти два года понадобилось Аншютцу, чтобы доказать свою правоту. За это время Шулер провел более глубокие теоретические исследования схемы маятникового гирокомпаса, а инженеры фирмы «Аншютц» на основании его рекомендаций создали первый вариант прибора. Кроме баллистической ошибки, открытой Мартиенссеном, Шулер обнаружил еще одну ошибку, названную позднее скоростной ошибкой (девиацией). Суть ее заключается в следующем. Представим себе корабль, который плывет на север, огибая шарообразную Землю по меридиану. В результате корпус корабля поворачивается вокруг своей поперечной оси в абсолютном пространстве с угловой скоростью ω= Vc/R, где Vc — скорость движения корабля в северном направлении; R — радиус Земли. Вектор этой угловой скорости совпадает с направлением запад—восток. При одновременном вращении корабля с угловыми скоростями Ucosφ и Vc ось вращения маховика будет стремиться установиться по направлению равнодействующей этих угловых скоростей, отклоненной от плоскости меридиана на какой-то угол δc .Вот этот угол δс и будет скоростной ошибкой гирокомпаса, определяемой по формуле Итак, известны уже две методические ошибки маятникового гирокомпаса — баллистическая и скоростная. Понимая физическую сущность этих ошибок, Шулер предлагает способы их значительного снижения. Лабораторные и морские испытания первого варианта гирокомпаса, проведенные специалистами фирмы «Аншютц», подтвердили высокую эффективность предложений Шулера. В техническом отношении этот вариант гирокомпаса был для своего времени весьма совершенным: высокоскоростной асинхронный гиромотор, гидростатическая (с помощью поплавка, плавающего в ртути) разгрузка опор, сводящая к незначительным величинам вредные моменты трения, оригинальная система успокоения колебаний чувствительного элемента (с помощью струй воздуха, создаваемых вращающимся маховиком гиромотора), устройства для компенсации скоростных и баллистических ошибок и многое другое обеспечили успех испытаний первого гирокомпаса. Но, как мы увидим в дальнейшем, успех этот был... случаен. И причиной тому было ошибочное мнение теперь уже авторитетного ученого Макса Шулера о том, что периодические возмущения, возникающие при качке корабля, не вызывают погрешностей гирокомпаса. Шулер в данном случае рассуждал слишком прямолинейно: поскольку в течение первого полупериода качки сила инерции действует на маятник в одном направлении, а во второй полупериод— в противоположном, то в целом за период качки результирующего действия сил инерции на гирокомпас не будет. Эта ошибка дорого обошлась фирме «Аншютц», но, как сказал Гёте, «кто ищет истины — не чужд и заблужденья». Ошибка Шулера вскроется позже, а пока окрыленный успехом глава фирмы Аншютц решается сделать доклад Германскому обществу кораблестроителей о результатах разработки гирокомпаса, чтобы, с одной стороны, публично ответить Мартиенссену, а с другой — создать рекламу своему детищу и получить выгодные заказы. В ноябре 1908 г. доклад состоялся и прошел с большим успехом. Решено было создать официальную комиссию из представителей заинтересованных фирм и провести испытания гирокомпаса фирмы «Аншютц» на корабле, составлявшем гордость германского флота — линкоре «Дойчланд». И снова счастливая случайность: и эти испытания гирокомпаса прошли успешно. В результате гирокомпас «Аншютц» был принят на вооружение германского и английского флотов, началось серийное производство приборов. Однако вскоре, по мере того как росло число кораблей, оснащенных гирокомпасами «Аншютц», в правление фирмы стали все чаще поступать рекламации, в которых указывалось, что прибор имеет слишком большие ошибки при бортовой качке корабля. Аксель Иванович Берг, академик, крупнейший советский специалист в области радиотехники, в молодости был морским офицером и плавал на подводной лодке. Он вспоминал, что плавать было очень трудно, так как ошибки гирокомпаса при качке достигали 20°, а другого курсового прибора на подлодке не было. Правда, русский флот в то время был оснащен гирокомпасами американской фирмы «Сперри», которая несколько позже начала производство маятниковых гирокомпасов, но повторила основные ошибки фирмы «Аншютц». За чрезмерно большие ошибки, которые имел гирокомпас Аншютца при сильном волнении моря, он был метко назван «компасом для хорошей погоды» и снят с вооружения. Неудачи подавляют слабых
| Для фирмы «Аншютц» наступили черные дни. Но неудачи подавляют лишь слабых, сильных они закаляют, зовут к борьбе и победе. С удвоенной энергией Шулер берется за более глубокое исследование маятникового гирокомпаса. Уже в 1910 г. он окончательно «расправляется» с баллистическими девиациями, открыв условие невозмущаемости гирокомпаса при движении корабля с ускорением. Оказалось: если выбрать параметры гирокомпаса так, что период недемпфированных колебаний оси вращения маховика около плоскости меридиана составит 84,4 мин., то баллистические девиации не возникают. Это открытие сыграло очень важную роль в совершенствовании и развитии морских гирокомпасов, а затем и в развитии инерциальной навигации, о чем речь еще впереди. Период колебаний какой-либо механической системы, равный 84,4 мин., называется периодом Шулера. Колебательные системы, обладающие периодом Шулера, не реагируют на ускоренное движение основания, на котором они установлены. Однако выполнить это условие для простейших устройств типа маятника или уровня затруднительно, поэтому период Шулера реализуется лишь в гироскопических приборах. Итак, с баллистическими и скоростными девиациями все ясно, они практически обезврежены. Но вот качка... Специалисты фирмы проводят тщательные испытания гирокомпаса на корабле в условиях сильного волнения моря и устанавливают: Это была существенная подсказка, позволившая Шулеру установить причины ошибок гирокомпаса при качке, а затем и предложить пути их устранения. Эффект, открытый Шулером, оригинален и проявляется во многих гироскопических приборах, имеющих неуравновешенные узлы или конечную, неравную в разных направлениях жесткость конструкции и работающих в условиях периодических возмущений (качка, вибрация). Механизм возникновения втого эффекта непрост, но попробуем дать о нем хотя бы общее представление. В основе интеркардинальной ошибки гирокомпаса лежат два явления. Первое — отсутствие гироскопической стабилизации маятника гирокомпаса вокруг оси вращения маховика. В результате этого силы инерции, порожденные качкой корабля, раскачивают маятник гирокомпаса вокруг этой оси. Второе — в промежутки времени (полупериоды качки), когда маятник отклонен относительно вертикали, силы инерции создают моменты сразу вокруг обеих осей карданова подвеса. Поскольку предполагалось, что «увод» чувствительного элемента гирокомпаса из плоскости меридиана дают моменты, действующие вокруг оси внутреннего кольца карданова подвеса, то в первую очередь изучили эти моменты. Оказалось, что за целый период качки они ре зультирующего «увода» не дают, поскольку в первый полупериод качки «уводят» чувствительный элемент в одну сторону, а во второй полупериод — в противоположную. Именно эти моменты имел в виду Шулер, когда ошибочно утверждал, что качка для маятникового гирокомпаса нестрашна. Иное дело моменты, действующие вокруг оси наружного кольца карданова подвеса. Детальное их изучение показало, что направление действия этих моментов одинаково в оба полупериода качки. Следовательно, за целый период качки на гироскоп вокруг оси наружного кольца действует постоянный по направлению момент. Вот в этом и был корень зла. Но на этот факт Шулер не обратил сразу внимания. Дальше все просто: момент, действующий вокруг оси наружного кольца, вызывает прецессию гироскопа вокруг оси внутреннего кольца и как результат этой прецессии — отклонение плеча маятника от вертикали. Отклоненный от вертикали маятник создает момент вокруг оси внутреннего кольца, который вызывает прецессию гироскопа вокруг оси наружного кольца, уводящую чувствительный элемент гирокомпаса из плоскости меридиана. Вот так возникает ошибка гирокомпаса, порожденная качкой корабля. Как только причины ошибки гирокомпаса при качке стали ясны, нашлись и радикальные меры для их устранения. Поскольку причина ошибки состояла в том, что при качке корабля плечо маятника отклонялось от вертикали, то был предложен способ удержания (стабилизации) плеча маятника на вертикали путем применения дополнительных гироскопов. Так фирма «Аншютц» лришла сначала к трехгироскопной схеме гирокомпаса (1913 г.), а потом к более совершенной двухгироскопной (1925 г.). О последней следует сказать особо, так как она с успехом применяется и в настоящее время. Два гироскопа, связанных между собою системой рычагов и пружин, были установлены внутри шара, полностью погруженного в электропроводящую жидкость, через которую к гиромоторам подводилась электрическая энергия. Шар, являвшийся чувствительным элементом гирокомпаса, в свою очередь был помещен в сферическую оболочку — следящую сферу, которая приводилась в движение специальным двигателем и повторяла (отслеживала) все движения шара. Электрическое уст ройство для отсчета курсовых углов было установлено на оси следящей сферы и позволяло размножать и дистанционно передавать показания гирокомпаса различным потребителям. Введение следящей сферы позволи ло свести к минимуму вредные моменты, действующие на чувствительный элемент (шар), и тем значительно повысить точность прибора. Чтобы шар не касался стенок следящей сферы, по совету А. Эйнштейна было применено центрирование шара с помощью магнитного поля, («магнитное дутье»). Это позволило вообще исключить механический контакт между шаром и следящей сферой. Надо сказать, что Эйнштейн был многие годы дружен с Аншютцем, сотрудничал с его фирмой, следил за развитием гироскопической техники. Итак, понадобилось около 40 лет напряженной работы выдающихся людей, чтобы создать надежно работающий гирокомпас, который получил название «новый Аншютц» и начал успешно использоваться на кораблях многих стран мира. В процессе работы над гирокомпасом были получены не только важные технические, но и фундаментальные научно-теоретические результаты. Трудами выдающихся ученых — В. Томсона (лорда Кельвина), А. Феппля, М. Шулера, Ф. Клейна, А. Зоммерфельда были заложены основы новой науки — прикладной теории гироскопов, которая в отличие от классических задач изучала движение не одного тела с неподвижной точкой, а целой системы тел, находящихся под действием самых разнообразных возмущающих сил. Начало советской школе теории гироскопов положил знаменитый ученый-кораблестроитель, математик и механик академик А. Н. Крылов. В 1932 г. вышла в свет его книга «Общая теория гироскопов и некоторых технических их применений» (в со авторстве с Ю. А. Крутковым), в которой приводилось систематическое изложение известных к тому времени результатов исследований в области гироскопической техники и результаты важных оригинальных работ автора, посвященных развитию теории гирокомпаса и других гироскопических приборов. Труды Крылова оказали решающее влияние на формирование воззрений многих специалистов в области гироскопии и в целом на развитие теории и производства гироскопических приборов в СССР. В середине 30-х гг. под научно-техническим руководством А. Н. Крылова и Н. Н. Острякова в СССР началось серийное производство морских гирокомпасов, которые получили название «Курс-1». Тем самым был завершен большой труд по созданию отечественного гирокомпаса, начатый еще в канун Октябрьской революции группой молодых морских офицеров (гирокласс), изучавших теорию и практику гироскопии под руководством Б. И. Кудревича, впоследствии известного советского ученого в области гирокомпасов и систем гироскопической стабилизации. В настоящее время все морские суда Советского Союза оснащены различными типами гирокомпасов. В частности, широкое распространение нашла гироскопическая курсовая система «Вега» (рисунок). Она содержит не только центральный гироскопический прибор, но и обслуживающую его аппаратуру (пускатель, преобразователь, прибор питания, корректор-транслятор) и устройства для размножения его показаний — разветвительную коробку, подающую сигналы о курсе корабля различным потребителям: авторулевому, радиолокатору, радиопеленгатору, курсографу, репитерам (повторителям).  Особенностью центрального гироскопического прибора курсовой системы «Вега» является устройство исключения влияния маятника на гироскоп, что позволяет эксплуатировать центральный гироприбор в двух режимах—гирокомпаса и гироазимута. Если корабль плывет постоянным курсом, а море спокойно, то гироприбор работает в режиме маятникового гирокомпаса. Если корабль маневрирует или море штормит, то, отключая маятник, гироприбор переводят в режим хранителя направления (гироазимута), ошибки которого в условиях качки корабля значительно меньше, чем маятникового гирокомпаса. Курсовая система «Вега» устанавливается на транспортных судах и судах промыслового флота. Ее ошибка курсоуказания (в зависимости от условий плавания) 0,8...1,5°. Однако во многих случаях нужны более точные курсовые системы, поэтому их совершенствование продолжается. Используемая литература
| Шестов Станислав Алексеевич "Гироскоп на земле, в небесах и на море." - М: Знание, 1989. |
