ГИРОСКОП И ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ПИЛОТАЖНЫЕ ПРИБОРЫ
Принцип гироскопа был успешно применен и авиации поело нескольких лет опыта и изучения. Без этого прибора полоты
при плохой погоде были бы невозможны.
Гироскоп состоит из маховика, вращающегося с большой скоростью. Когда он вращается вокруг своей оси, он быстро превращается из мертвого куска металла » очень живую и капризную деталь. Его главными свойствами становятся тогда прецессия и способность сохранять положение своей оси в пространстве.
Рис. 227. Для опыта гироскоп устанавливается, как показано на рисунке. Он может поворачиваться вокруг трех осей: главной, вокруг которой он вращается, и двух других. Предположим теперь, что фигура, стоящая наверху гироскопа, как показано на рисунке, невесома. При таких условиях гироскоп будет вращаться, сохраняя в пространстве неизменное положение. Дадим небольшую тяжесть в руки воображаемой фигуры, тогда гироскоп начнет вращаться около своей вертикальной оси слева направо, вместо того чтобы повернуться вокруг горизонтальной оси, как этого можно было ожидать. Это движение будет продолжаться, пока вращается гироскоп и пока действует сила тяжести. Если вращение гироскопа будет направлено в другую сторону и мы повторим тот же
самый опыт, вращение вокруг вертикальной оси будет справа налево.
Рис. 228. Если мы приложим внешнее усилие к одному из концов горизонтальной оси, как показано на рисунке, то гироскоп начнет вращаться вокруг своей горизонтальной оси, увлекая за собой воображаемую фигуру, которая упадет вперед. При обратном же направлении вращения гироскопа фигура упадет назад вместе с гироскопом. Этот опыт, как и опыт, показанный на рис. 227, указывает на основное свойство гироскопа - на прецессию, заключающуюся в том, что гироскоп всегда изменяет положение своей оси, двигаясь под прямым углом к осп действия внешней силы.
Рис. 229. Гироскоп сохраняет свое положение в пространстве, а также и относительно земли, если он вращается в плоскости, совпадающей с плоскостью экватора. Ось вращения гироскопа направлена в этом случае к полюсам земли.
Рис. 230. Поместим вращающийся гироскоп опять на экватор, но на этот раз так, чтобы ось вращения была направлена, как показано на рисунке, с востока на запад. При этих условиях гироскоп опять сохранит свое положение в пространстве. Однако вследствие «ращения земли ось вращении гироскопа будет постепенно перемещаться по направлению к центру земли. Через 6 часов ось вращения будет направлена к центру земли. Через 12 часов она будет опять направлена слева направо. Такое перемещение будет продолжаться до истечения 24 часов, когда гироскоп сделает один полный оборот вокруг своей горизонтальной оси. Гироскоп в таком виде не может быть использован для каких-либо практических целей, так как он меняет свое положение относительно земли. Если бы самолет следовал указаниям такого гироскопа, он летел бы сперва горизонтально, а затем его хвост начал бы обращаться все более и более к южному полюсу. Другими словами, как самолет, так и гироскоп сделали бы один полный оборот за 24 часа, что, может быть, и интересно, но, конечно, не имеет практического значения. Это указывает на важное свойство гироскопа - его способность сохранять постоянство положения своей оси в пространстве.
Рис. 231. Поэтому были найдены пути и способы для того, чтобы гироскоп сохранял положение своей оси вращения относительно земли, как показано на рисунке. Как это было достигнуто, увидим дальше. Гироскоп с горизонтальной осью вращения применяется в гирополукомпасе Снерри.
Рис. 232. На этом рисунке гироскоп опять находится в плоскости экватора, так что его ось вращения направлена к центру земли.
В данном случае получается тожо, что и на рис. 230. Поэтому мы не можем применять гироскоп до тех пор, пока не заставим ось ого вращения оставаться в одном и том же относительном положении, т. е. постоянно быть направленной в центр земли, как это показано на следующем рисунке.
Рис. 233. Гироскоп, ось вращения которого направлена постоянно к центру земли, независимо от того, в какой точке земной поверхности он находится, представляет собой тип гироскопа, применяемого в авиагоризонте Сперри. Это достигается, как будет объяснено ниже, специальной карданной подвеской и особой коррекцией.
Первые паровые машины ни имели автоматически закрывающихся и открывающихся золотников; за их работой следил специальный человек, который открывал и закрывал золотники вручную каждый раз, когда требовалось пустить пар в цилиндры. Маленький гироскоп на самолетах играет такую же роль, как автоматические золотники в паровой машине.
Рис. 234. Гироскопы, применяемые в этих приборах, так малы, что даже не покрывают
ладони. Они весят 397 г и вращаются со скоростью 12 000 об/мин. На рисунке показан гироскоп в увеличенном по отношению к самолету виде. Гироскоп с горизонтальной осью вращении сохраняет свое постоянное положение относительно любого ориентира на земле.
Самолет может повертываться вокруг гироскопа и может быть поставлен относительно пего в разные положения по направлению; однако самолет направляется гироскопом всегда в одно и то же положение относительно выбранного ориентира - обычно северного полюса, указываемого компасом.
Рис. 235. Во время работы гироскоп с вертикальной осью вращения имеет только одно положение относительно земли, т. е. его вертикальная ось всегда направлена к центру земного шара. Поэтому, если в положении самолета относительно гироскопа будут боковые или продольные крены, как это показано в А и В, то они будут соответствовать таким же изменениям положения самолета относительно земли.
Если мы хотим, чтобы гироскоп служил нашим целям, он должен быть статически и динамически уравновешенным с величайшей точностью, иначе при вращении со скоростью 12000 об/мин, могут возникнуть совершенно нежелательные силы на цапфах’ его оси. Трение на обоих концах этой оси, поддерживающей гироскоп, доводится до величины, которой можно пренебречь, так что можно сказать, что вращение происходит без трения. Помнить об этом необходимо, так как
133
отсутствие заметного трения в гироскопах должно поддерживаться с величайшей заботливостью при их эксплуатации.
Когда самолет поднимается в ясную погоду, то ориентировочной линией, по которой вы можете установить его положений относительно земли, является видимый естественный горизонт. По если он закрыт туманом и облаками и невидим невооруженным глазом., то самолет можно вести с помощью искусственного горизонта таким же способом, как и при помощи естественного горизонта. Рис. 236. Авиагоризонт Сперри. Вращающийся гироскоп помещен в кожух; его ось вращения вертикальна. Сила, вращающая гироскоп, создается по принципу турбины напором воздуха, проходящего через маленькую трубку (трубку Вентури) (рис. 238). Пройдя через лопасти гироскопа, воздух выходит через четыре отверстия, расположенные на нижнем конце кожуха. Половина каждого из этих отверстий закрывается маятниковым клапаном, как показано на рис. 230. Когда ось вращения гироскопа вертикальна, воздух выходит равномерно через псе четыре отверстия. По как только ось вращения гироскопа отклоняется от вертикального положения,
соответствующий маятниковый клапан немедленно прекращает равномерный выход воздуха через выпускное отверстие (площадь всех четырех выпускных отверстий остается неизменной). Если из одного отверстия выпускается больше воздуха, то выходящая струя создает небольшую силу, действующую на нижнюю часть кожуха гироскопа; в силу этого возникает
прецессия, т. с. вращение гироскопа начинает происходить вокруг оси, находящейся под прямым углом к приложенной извне силе, и тем самым его ось вращения опять устанавливается в вертикальном положении.
Ось вращения гироскопа не должна отклоняться от вертикали более, чем на четверть градуса до того, как отклонение начнет исправляться неравномерным выпуском воздуха.
Рис. 237. Гирополукомпас Сперри. Если самолет летит по прямой линии в спокойном воздухе, магнитный компас укажет нужный правильный курс. Но если он летит в неспокойной атмосфере, магнитный компас может колебаться («рыскать»). Тут приходят к нам на помощь более устойчивые показания гирополукомпаса. Повертывая кнопку, мы можем повернуть гироскоп вместе с картушкой в направлении, соответствующем направлению но компасу. Рекомендуется согласовывать показания гирополукомпаса с магнитным компасом каждые 15-20 минут полета.
Рис. 239-247. На этих рисунках изображены положения самолета, как их видит находящийся в нем. Заметьте положение самолета относительно естественного горизонта. Положенно миниатюрного изображения самолета относительно авиагоризонта аналогично положению настоящего самолета относительно естественного горизонта.
Опыт учит пас, что аэронавигационные приборы па самолетах оправдывают себя лишь в тех случаях, когда их показания правильно учитываются.
Автопилот Сперри для автоматического управления самолетом. Авиагоризонт и гирополукомпас указывают точное положение самолета относительно земли, равно как и направление его движения. Если в положении происходит какая-либо перемена, вы учитываете показания этих приборов и действиями рулей приводите самолет в желаемое положение. В автоматическом полете отсчеты упомянутых приборов передаются непосредственно сервомоторам, воздействующим на соответствующие органы управления так, как это делали бы вы сами.
Как мы теперь знаем, маленький быстро вращающийся гироскоп очень чувствителен. Поэтому мы и можем применять его для управления самолетом. Но сила гироскопа слишком мала по сравнению с силой, необходимой для управления самолетом.
Поэтому сила самого гироскопа для управления рулями не используется. Как мы знаем, гироскопы искусственного горизонта и полукомпаса удерживают свое постоянное положение не по отношению к пространству, а относительно земли. Когда самолет меняет свое положение, клапаны, выпускающие воздух, открываются и закрываются,- вот яти-то клапаны и приводят в действие Сервомоторы, управляющие рулями и элеронами. Для ясности мы рассмотрим только работу элеронов, так как остальные два органа управления действуют таким же образом.
Рис. 248. Самолет в горизонтальном положении. Открыты оба отверстия А и А1, о которых будет пояснено ниже.
Рис. 249. Если самолет примет положение, указанное на рисунке, он переместит воздушные клапаны относительно гироскопа, и это заставит отверстие А закрыться. Если крен самолета будет меньше, то и клапан закроется частично. Как видите, гироскоп не связан с клапаном. Поэтому перемещение самолета и клапана относительно гироскопа не вызовет трения, которое могло бы приложить к гироскопу нежелательные внешние силы.
При первых попытках применить для автопилота принцип гироскопа Сперри разреженно, необходимое для вращения гироскопа, создавалось трубкой Вентури, которая выставлялась вне самолета
137
навстречу воздушному потоку. Это приспособление, хорошо действовавшее при полете в хорошую погоду, отказывало в плохую, когда гироскоп был гораздо нужнее. Бывали случаи, когда трубка Вентури забивалась ледяной коркой или водой, что прекращало работу прибора.
13 современных приборах вращение гироскопа создастся воздушной помпой, работающей от мотора самолета. Помпа действует только по время работы мотора. На больших многомоторных транспортных .самолетах применяется несколько помп, но так как для работы гироскопа достаточно одной, то остальные остаются в запасе. Тем не менее все это не избавляет от необходимости пользоваться трубкой Вентури как вспомогательным прибором на случай неисправности помп.
Гироскопы в значительной степени увеличили безопасность полетов и позволили современным самолетам летать в такую погоду, когда даже птицы не решаются покинуть землю. Маленькие гироскопы весьма помогли наладить регулярные воздушные сообщения.
Рис. 250. Этот схематический рисунок позволяет выяснить
связь между гироскопом и рулями самолета. Гироскоп А, как уже было сказано, вращается в своем кожухе, будучи окружен воздушным клапаном В. Воздушный клапан В меняет свое положение относительно гироскопа вследствие изменения положения самолета относительно гироскопа. Диафрагма С выгибается в ту или другую сторону, и зависимости от разности поступающего из воздухопроводов давления. Она воздействует соответствующим стержнем на масляный золотник D) (клапан), подающий масло под давлением в сервомотор, как показано в Е. Давление масла поддерживается гидравлическим насосом, работающим от мотора. Как вы видите, нужная для автоматического управления самолетом энергия берется от мотора самолета, причем некоторое со количество расходуется гидравлическим насосом для поддерживания давлении и 4,2 атмосферы в маслопроводах сервомоторов.
Рис. 251. На этом рисунке показано соединение между диафрагмой и маслораспределительным золотником в момент, когда диафрагма находится в нейтральном положении, что переводит масляный золотник также в нейтральное положение. Отверстия, ведущие к сервомоторам, закрыты, а потому масло не приводит в действие сервомоторов. Диафрагма может перемещаться в обе стороны от нейтрального положения на 0,8 мм. Этого небольшого перемещения достаточно, чтобы перевести рычаг R в одно из крайних положений, дающих полный ход поршня масляного золотника.
Рис. 252. Следующее положение показано на этом рисунке. Диафрагма переместилась к левому впускному отверстию Р, впуская масло в одну сторону сервомотора, как показано в A. Поршень сервомотора под этим давлением выходит из нейтрального положения. Перепускной клапан в A закрыт. Если он будет открыт, как показано в В, поршень сервомотора останется в нейтральном положении, так как масло будет проходить, через открытый клапан и протекать, как показано, по маслопроводам. Этот перепускной клапан накрывается, когда самолет переводится на управление автоматическим пилотом.
Рис. 253, А и В. Рассмотрим на этих рисунках, как работает в действительности автоматический пилот. Самолет изменил свое положение относительно гироскопа и принял положение /. Так как он наклоняется, то с ним наклоняются и воздушные клапаны, открывая одно из отверстий воздухопровода, в результате чего возникает давление на одну из сторон диафрагмы. После этого начинает двигаться поршень масляного золотника, открывая отверстие к сервомотору. Масло перемещает поршень сервомотора, как
139
сказано выше, а последний передвигает элероны. Передвижение же элеронов возвращает самолет в нормальное горизонтальное положение.
Передвижение элеронов может быть прекращено ненадолго до того, как самолет придет в горизонтальное положение. Производится это с помощью троса, соединяющего воздушный клапан с сервомотором: воздушный клапан переводят обратно и нейтральное положение, как показано в B, и таким образом останавливают серво-
мотор раньше, чем самолет примет горизонтальное положение. Этот цикл повторяется все время, пока самолет отклоняется от требуемого положения относительно земли.
Рис. 254. Вы всегда можете проверить автоматический пилот, вследствие наличия на приборной доске искусственного горизонта и гирополукомпаса, указывающих положение самолета.
Если вы передаете управление автопилоту, вы можете менять курс и высоту полета самолота с помощью различных кнопок, показанных на рисунке, и наставлять его подниматься или опускаться, не трогая при этом рычагов управления. Это имеет важное значение,
особенно при полете во время тумана и когда вам приходится сосредоточивать свое внимание на решении навигационных задач.
Рис. 255. На этом рисунке показано общее расположение приборов автоматического пилота Сперри на самолете.
Скорость - один из лучших друзей прогресса.
