ГИРОСКОП И ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ПИЛОТАЖНЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип гироскопа был успеш­но применен в авиации после не­скольких лет опыта и изучения. Без этого прибора полеты 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 в очень живую и ка­призную деталь. Его главными свойствами становится тогда пре­цессия — 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 оси 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 вращения земли, ось вращения 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 по 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 гирополуком — пасе Сперри.

Рис. 232. На этом рисунке гироскоп опять находится в плоскости экватора, так что его ось вращения направлена рисі к центру земли. В данном слу­чае получается то же, что и на рис. 230. Поэтому мы не мо­жем применять гироскоп до тех пор, пока не заставим ось его вращения оставаться в од­ном и том же относительном положении, т. е. постоянно быть направленной в центр рис. земли, как это показано на

231. ’

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 0и„ в авиагоризонте Сперри. Это гі2- достигается, как будет объ­яснено ниже, специальной кар­данной подвеской и особой кор­рекцией.

Первые паровые машины не имели автоматически закры­вающихся и открывающихся золотников; за их работой сле — Ряв. дил специальный человек, ко — 2JS — торый 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 едва покрывают ладонь. Они весят 397 г и вращаются со скоростью 12 000 об/мин.

На рисунке показан гиро­скоп в увеличенном виде.

Гироскоп с горизонтальной осью вращения сохраняет свое постоянное положение относительно любого ориен — Рис. тира на земле. Самолет 234′ может повертываться во­круг гироскопа и может быть поставлен относитель­но него в разные положе­ния по направлению; одна­ко, самолет ставится 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 їй рис.

В, то они будут соответст — 235 вовать 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 12 000 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 отсутствие заметного трения в гироскопах должно поддерживаться с величайшей заботливостью при их эксплоатации.

Когда самолет поднимается в ясную погоду, то ориентировочной линией, по которой вы можете установить его положение относительно земли, является видимый естественный горизонт. Но 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. рис. 236. Когда ось вращения гиро — г36′ скопа вертикальна, воздух вы­ходит равномерно через все че­тыре отверстия. Но 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 выпу-

Рис.

237. скается больше воздуха, то выхо-

142
дящая струя создает небольшую силу, действующую на нижнюю часть кожуха гироскопа; в силу этого возникает прецес­сия, т. е. 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 гирополу — компаса. Повертывая кнопку, мы можем повернуть гироскоп вместе с картушкой в направлении, соответствующем направлению по ком­пасу. Рекомендуется согласовывать показания гирополукомпаса с маг­нитным компасом каждые 15—20 минут полета.

Рис. 239—247. На этих рисунках изображены положения, как их видит находящийся в самолете. Заметьте положение самолета относительно естественного горизонта. Положение маленького само­лета относительно авиагоризонта аналогично положению настоящего самолета относительно естественного горизонта.

Опыт учит нас, что аэронавигационные приборы на 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.

из

рис. 239.—247,

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 полу — компаса удерживают свое постоянное положение не по отношению к пространству, а относительно земли. Когда самолет меняет свое положение, клапаны, выпускающие воздух, открываются и закры­ваются, — вот эти-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 Ах.

Действие отверстий будет объяснено ниже.

Рис. 249. Если самолет примет 248.’ положение, указанное на рисунке, он переместится относительно воздуш­ных клапанов, и это заставит отверстие А закрыться. Если крен самолета будет меньше, то и клапан закроется частич­но. Как видите, поверхность гироско­па не связана с клапаном. Поэтому перемещение самолета и клапана от­носительно гироскопа не вызовет тре — 249.’

Гироскоп Сохраняет

• постоянное положение относительно земли

У’

‘ Управляемая *плоскость (элерон)

Рис. 250.

ния, которое могло бы прило­жить к гироскопу нежелательные внешние силы.

При первых попытках приме­рно. нить для автопилота принцип ги — 251′ роскопа Сперри засасывающая сила, необходимая для вращения гироскопа, получалась от трубки Вентури, один конец которой вы­ставлялся вне самолета навстречу воздушному потоку. Эго 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.

В современных приборах вра­щение гироскопа происходит с по­мощью воздушной помпы, работа­ющей от мотора самолета. Помпа действует только во время работы рис — 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, в 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 ее количество расходуется гидравли­ческим насосом для поддерживания давления в 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 так же 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 В 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 А. Поршень сервомотора выходит под этим давлением из нейтрального положе­ния. Перепускной клапан в А 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 закрывается, когда самолет переводится на управление автомати­ческим пилотом.

Рио. 253.

Рис. 254.

к сервомотору. Масло перемещает поршень сервомотора, как ска­зано выше, а последний передвигает элероны. Передвижение же элеронов возвращает самолет в нормальное горизонтальное поло­жение.

Передвижение элеронов может быть прекращено незадолго до того, как самолет придет в горизонтальное положение. Произво­дится это с помощью троса, соединяющего воздушный клапан с серво­мотором: воздушный клапан переводят обратно в нейтральное поло­жение, как показано в В, и таким образом останавливают сервомотор 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 самолета с помощью различных кнопок, пока­занных на рисунке, и заставлять 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.

Скорость — один из лучших друзей прогресса.