CC BY
330
УДК 629.12.053.13
К ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГИРОКОМПАСА
ЮЛ. Лесковец, Д.П. Лукьянов
Гирокомпас (ГК) является одним из основных навигационных приборов современных подвижных объектов и обеспечивает безопасность маневрирования и наиболее экономичное выполнение поставленных целей, помогая определить направление на географический север [2, 3, 4].
В отличие от магнитного компаса, ГК невосприимчив к возмущениям магнитного поля, вызываемым залежами железной руды, стальными конструкциями или электрическими токами. Это свойство сделало ГК основным навигационным прибором для кораблей и подводных лодок. Сейчас он нашел широкое применение в качестве указателя направления в системах управления артиллерийским огнем и торпедами на военных кораблях [5].
На стыке XIX и XX столетий резко увеличился удельный вес железных конструкций на кораблях и мощность применяемых электротехнических установок. В результате нестационарности магнитных полей, обусловленной изменением режима работы электротехнических установок, показания магнитных компасов стали крайне ненадежными. Появилась острая необходимость в создании ГК, которая, естественно, привела к концентрации сил и форсированию разработок в этой области [6].
Направляющий момент ГК обуславливается горизонтальной проекцией вектора угловой скорости вращения Земли. Эта проекция направлена вдоль меридиана на север, и имеет наибольшее значение на экваторе, но исчезает на полюсах. Величина направляющего момента пропорциональна моменту инерции и собственной скорости вращения гироскопа [27]. Для получения приемлемой статической точности прибора необходимо было достичь высоких скоростей вращения гироскопа и свести к минимуму влияние моментов от посторонних сил, возникающих от неточной балансировки чувствительного элемента прибора, наличия трения в подвесе и других причин [7].
Разработка ГК инициировала процесс создания первых высокоточных гироскопов, а навигацию с применением гирокомпаса можно рассматривать как прообраз инерциальной навигации [5,40].
От идеи до практических реализаций
Идея использования гироскопа для обнаружения факта вращения Земли высказывалась в середине
XIX века независимо несколькими авторами, однако ■ только прибор, построенный Л. Фуко (Leon
Плох тот народ, который не помнит, не ценит и не любит своей истории! [1]
В.М. Васнецов
Foucault), позволил произвести качественную проверку. В 1852 г. в своем докладе французской академии наук им впервые высказана мысль о возможности использования гироскопа для получения указателя направления географического севера [8]. Позднее опыты Фуко повторялись в различных вариантах.
В 1860 г. Г. Сиром (Georges Sire) в Англии был построен лабораторный прибор, на котором можно было видеть, как гироскоп с ограниченной степенью свободы вращения относительно его горизонтальной оси превращается в ГК [8]. Он и в настоящее время применяется для учебных целей.
Проблемы создания ГК многим были небезразличны.
В 1865 г. Труве ввел маятник, применив гироскоп с ограниченной третьей степенью свободы (рис. 1). Таким образом, была осуществлена именно такая конструкция, на которой принципиально и основан мореходный компас. Но этот прибор не мог быть «мореходным», так как период колебаний ГК получился очень малым [9].
л*.
Рис. 1. Гирокомпас Труве
В 1878 г. американский физик Гопкинс использовал гироскоп, приводимый во вращение электричеством. Он опубликовал описание прибора, в котором гироскоп имел две степени свободы и питался электрическим током (рис. 2).
В 1884 г. В. Томсон (\У. ТЬотзоп) дал описание своего ГК. Он впервые внес предложение для уменьшения трений подвешивать гироскопическую систему в жидкости и сообщать системе достаточный маятниковый эффект [8], О дальнейших опытах Томсона, которые проводились им совместно с английским адмиралтейством, известно очень мало [8].
Одновременно с Томсоном Е. Дюбуа (Е. Dubois) реализовал ГК, испытывавшийся французским флотом (рис. 3). Погрешность показаний компаса не превысила ±5° [4]. Основные черты устройства его ГК были теми же, что и у Труве. Это прибор был установлен на французском фрегате, совершавшем переход в Вест-Индию, но не оправдал себя [9].
В 1888 г. по проекту голландца М.Г. Ван-ден-Боса фирмой «Сименс и Гальске» построен оригинальный ГК (рис. 4). На котором подтвердили предсказанное Фуко стремление оси гироскопа устанавливаться с севера на юг [8].
Работы Томсона, Дюбуа и Ван-ден-Боса выявили, что техника того времени еще не могла создать гироскоп, который имел бы надлежащие высоко-технологическое исполнение. Вместе с этим следует отметить, что в то время еще не были ясны динамические свойства ГК и то влияние, которое оказывает на прибор движение корабля. Ходовые испытания, произведенные с этими компасами во Франции и Англии, показали их полную несостоятельность [9].
Позже по проекту Бругера фирмой «Гартман» был построен первый образец специального авиационного ГК. Бругер с одной стороны, впервые попытался учесть тяжелые условия, а с другой массогабаритные показатели.
Прибор представлял собой компас с «положительным» маятниковым эффектом (рис. 5). Уменьшение размеров достигалось подвесом чувствительного элемента на агатовых подшипниках, причем, существенной чертой устройства этого подвеса являлась дрожащая следящая система, применение которой должно было уменьшить тре-ние относительно вертикальной оси. Для демпфи-
рования эллиптических колебаний имелось специальное приспособление. Осенью 1912 г. компас Брутера прошел испытания на одном из судов германского флота. На маневрировании погрешность показаний составила приблизительно ±3° [9]. Об испытаниях на воздушных кораблях и массогабаритных характеристиках ГК данных не имеется.
Рис. 5. Гирокомпас Бругера
Теория приходит на помощь практике
История создания ГК тесно связана с фамилией Мартинсена (Oscar Martienssen) [8]. Конечно, делу создания ГК содействовали своими теоретическими исследованиями такие ученые, как Жильбер, Фоппль, Клейн, Зоммерфельд, но труды Мартинсена были первыми одновременно как в теории мореходного ГК, так и в области соответствующих конструирований и экспериментов [9].
Главнейшей и наиболее интересной явилась работа Мартинсена «Применимость механического
компаса взамен компаса магнитного», о которой сам Мартинсен в 1923 г. говорил [8]: «В 1904-1906 гг. я вновь провел те опыты, которые проводились ранее В. Сименсом. При этом я дал точную теорию ГК и проверил ее на опытовом приборе...».
Мартинсен выполнил по поручению фирмы «Сименс и Гальске» ряд важнейших работ и дал объяснение несостоятельности ГК Ван-ден-Боса, которая была связана с недостаточной величиной направляющего момента. Им была обоснована, необходимость больших периодов колебаний ГК [24].
ГК, построенный Мартинсеном для его лабораторных опытов, изображен на рис. 6.
На треноге установлен сосуд 1, наполненный керосином. В сосуде плавает компасная картушка 2 так, что она своей шпилькой 3 опирается на упорный каменный подшипник 4 с давлением всего лишь в несколько граммов. Компасная картушка 2 состоит из герметически закрытого стеклянного сосуда с металлическим дном. Внутри него установлен ротор 5, ось которого покоится на фрикционных колесиках 7. Ротор с его валом поддерживаются в быстром вращении двумя электромоторами 8. Питание подведено, с одной стороны, через нижний подпятник и днище картушки, а с другой, - через сосудик 9, наполненный ртутью, в который сверху входит от крышки сосуда 1 неподвижный металлический стержень 10. Ртутный стаканчик 9 достаточно велик, чтобы стержень 10 не мог мешать небольшим боковым движениям картушки. В нижней части картушки имеется свинцовый груз 11. Благодаря этому картушка с большой устойчивостью сохраняет вертикальное положение; с другой стороны, когда ротор 5 не вращается,
картушка может очень легко поворачиваться вокруг вертикальной оси.
В 1909 г. Аншютц, о котором пойдет речь далее, говорил [8]: «Как указал проф. Мартинсен, гирокомпас с коротким периодом колебаний является неприемлемым для управления, ибо он вследствие низкого расположенного у него центра тяжести может приходить под влиянием движения судна в столь сильные колебания, что по нему становится невозможным править...» И далее: «Исследования Жшьбера, Фоппля, Мартин-сена и др. дали опытовое доказательство правильности теоретически полученного числового значения направляющего момента гирокомпаса».
Два направления развития
В 1900 г. в Германии Германом Аншютцем-Кемпфе (Hermann Anschiitz-Kaempfe) (рис. 7) физиологом по специальности, был выдвинут оригинальный проект - пройти к Северному полюсу на подводной лодке в поисках нового маршрута к Америке [11] (как известно, осуществление этого проекта было реализовано спустя лишь 30 лет в 1931-1932 гг. подводной лодкой Вилькинса «Наутилус» [8]).
При этом в числе других, возник вопрос - об указателе направления, ибо при подобном рейсе требовалось точная ориентировка. Полагаться здесь, особенно на подводной лодке на магнитный компас было невозможно. Неопределенность в указаниях направления, даваемых этим компасом, малое значение его направляющего момента в высоких широтах и, наконец, частые и мощные магнитные бури и аномалии делали этот прибор как средство кораблевождения мало состоятельным. В связи с этим автор проекта Аншютц указал [8]:
«Эти соображения подали мне повод обратиться к конструированию такого прибора, который был бы совершенно свободен от влияния на него магнитных моментов и позволял бы в течение определенного промежутка времени вести корабль в желаемом направлении. Этот прибор основывается на законе сохранения осью вращающегося гироскопа ее направления; он был достаточно исследован рядом физиков и, главным образом, Фуко».
Свои работы в данном направлении Аншютц начал в 1900 г. и именно с попытки постройки возможно более точных свободных гироскопов. Эти опыты выявили, что достичь совпадения центра тяжести с точкой пересечения трех осей одновременных возможных вращений гироскопа не только очень трудно, но даже невозможно, несмотря на вводимые усложнения конструкции. Ось гироскопа устанавливали горизонтально, причем оказалось, что иногда она сохраняла свое направление неизменным не относительно инерциально-го пространства, а относительно Земли, именно тогда, когда система гироскопа приобретала незначительный маятниковый эффект.
Это обстоятельство навело Аншютца на мысль предложить совершенно новый для того времени прибор, названный им гироазимутом (Azimutk.rei.4el), в котором автоматически учитывалось бы влияние вертикальной составляющей угловой скорости суточного вращения Земли [9].
В марте 1904 г. состоялись ходовые испытания азимутального гироскопа Аншютца. Результаты получились весьма хорошие: за восемь часов работы при наличии изменения курсов общая погрешность показаний гироскопа не превысила 1° [8].
Прибор состоял из гироскопа, которому незначительным понижением его центра тяжести был придан очень небольшой маятниковый эффект относительно горизонтальной оси. Поэтому он, в сущности, представлял собой ГК, обладающий очень большим периодом колебаний (в средних широтах - порядка 6 ч). Вследствие этого величины баллистический перемещений у прибора при переменах кораблем курсов получались (особенно в высоких широтах, где период колебаний должен был становиться очень большим) достаточно мал. Поэтому прибор и должен был явиться удобным для плавания в таких широтах, где ГК Томсона и Ван-ден-Боса Рис. 7. Герман (основанный на действии Аншютц-Кемпфе направляющего момента и самоустанавливающийся в меридиане) должен был ввиду малого значения направляющего момента давать ошибочные показания.
Таким образом, в 1904 г. в гирокомпасном деле создалось два течения. Ван-ден-Бос (как и ранее В. Томсон и Дюбуа) стремился получить компас, который сам устанавливался бы в меридиане. Стараясь использовать направляющий момент, Ван-ден-Бос пытался, насколько возможно, уничтожить трения в подвесе чувствительного элемента, но для того чтобы компас скорее установился в меридиане (т.е. имел бы достаточно малый период колебаний) он придавал гироскопу слушком большую величину маятникового эффекта.
Представителями другого течения явились Аншютц и фирма «Гартман и Браун», которые создавали гироскоп направления, не обладающий направляющей силой. Для уничтожения последней применялось сравнительно большое трение в вертикальной оси прибора, а уменьшением маятникового эффекта старались увеличить динамический момент инерции гироскопа, чтобы получить его лучшую устойчивость в азимуте.
Для того чтобы привести прибор в меридиан (магнитный), через специальные обмотки электромагнитов пропускали ток. По приходе прибора в меридиан ток выключали, но одновременно включали питание ротора. Идея эта была, конечно,
мало удачной: введение подобного устройства стремились превратить гироскоп направления в компас, которым по существу он не является. Обстоятельство это, а также нерациональность базирования на трениях привели к тому, что от работ с азимутальным гироскопом Аншютцу пришлось отказаться.
Однако в 1905-1906 гг. Анппотцем был предложен еще один вариант устройства гироскопа направления [9].
Необходимость дальнейших усложнений конструкции азимутальных гироскопов привела Аншютца к заключению о рациональности перехода к ГК, медленно колеблющемуся около меридиана. Отсюда выявилось два обстоятельства: во-первых, следовало идти тем же путем, каким шли В. Томсон, Дюбуа и Ван-ден-Бос; во-вторых, необходимо было примириться с тем, что в мореходном образце ГК период его колебаний около меридиана должен быть очень большим, иначе, как указал Мартинсен, компас на маневрировании корабля получит недопустимые по величине девиации [8].
Теорема Шулера Теоретическим базисом для конструирования ГК, кроме работы Мартинсена и его предшественников, явилась теория мореходного ГК, разработанная Максом Шулером (Max Schuler), сотрудником фирмы «Аншютц». В своей работе он произвел сравнение ГК с компасом магнитным, которое позволило установить, что первый эффективнее второго [8].
В 1910 г. Шулер дал свою известную теорему
- условие апериодических переходов ГК к новым положениям равновесия, обуславливаемых новыми значениями скорости и курса [9]:
«Под любой широтой, под которой баллистические отклонения апериодичны, действительный период незатухающих прецессионных колебаний должен быть равен периоду колебания простого маятника, длина которого равна земному радиусу R - приблизительно 85 минутам».
Вывод этой теоремы явился кардинальным моментом в области теории и практики ГК.
Аншютц и Сперри - борьба за технологии Первый практический образец одногироскоп-ного компаса был закончен Аншютцем к концу
1908 г. На рис. 8 показан прибор, вынутый из нактоуза (подставки, на верхнем основании которой устанавливается судовой компас [12]).
«На практике, писал в 1909 г. Аншютц, - речь идет о том, чтобы с одной стороны, в компасе баллистические перемещения не были слишком велики, а с другой — чтобы период не был слишком большим, иначе компас после его пуска будет медленно устанавливаться в меридиане. Таким образом, период в 70 минут признан наиболее удобным эмпирически, раньше, чем это было доказано теоретически... С 26 марта по 25 января 1909 г. на
линкоре «Deutschland» прибор работал непрерывно... За это время под влиянием ускорений максимальная ошибка один раз достигла 3 °» [8].
Компанией Аншютц было установлено иностранное сотрудничество с Э.А. Сперри (Eimer Ambrose Sperry) для повышения уровня продаж ГК в США. Позже, во время посещения г. Киля Сперри [31] отклонил совместную работу с фирмой «Аншютц» [11].
Рис. 8. Одногиросколный компас Аншютца
В 1914 году первый ГК Сперри (рис. 9) был поставлен на вооружение на флоте США. Это, конечно, не осталось незамеченным, так как конструкция во многих деталях напоминала патенты фирмы «Аншютц». Был подан иск в Берлинский Королевский Окружной суд. Но материалы технологии производства ГК оказались слишком сложны для непрофессионалов. Суд выбрал эксперта - главу Императорского Вильгельмского Института А. Эйнштейна (Albert Einstein the head of the Kaiser-Wilhelm-lnstitut for physico-chemistry) (рис. 10) [11].
Г. Аншютц и А. Эйнштейн встретились впервые в 1915 г., в зале суда. За плату в 1000 марок Эйнштейна попросили составить экспертное мнение. Он показал, что компания Сперри объединила идеи патента фирмы «Аншютц». Далее последовал запрет Сперри производить похожие ГК. На фирму был наложен штраф в 300 000 марок. Возмещение убытков было растянуто до конца первой Мировой войны (до 1918 года). Впоследствии эта сумма была съедена инфляцией национальной валюты [11].
Но больше возмещение убытков не могло требоваться от любой другой фирмы, основанной в США или других странах. И все немецкие патенты стали общедоступными.
Проблемы гироскопии заинтересовали Эйнштейна, и он был частым гостем в Киле (рис. 11),
где давал ценные практические советы. В переписке между Эйнштейном и Аншютцем можно найти множество деталей, которые обсуждались на пути к «идеальной конструкции», так, например, была решена проблема центрирования сферы [8].
Рис. 9. Элмер Рис. 10. Альберт
Амброуз Сперри Эйнштейн
К 1926 г. после многолетних упорных трудов фирмой «Аншютц» был разработан и запущен в серийное производство весьма сложный и совершенный гироскопический прибор - прецизионный артиллерийско-навигационный ГК «Новый Аншютц», за которым на практике закрепилось название ГК «Эйнштейна-Аншютца». Это был поис-тине замечательный прибор, значительно превосходивший по точности, надежности, устойчивости при качке и сроку службы все другие модели ГК. Конструкция его была высоко оценена специалистами, и он имел коммерческий успех [33].
Рис. 11. А. Эйнштейн (справа) и Г. Аншютц
Но каков был конкретный вклад Эйнштейна в эту работу? К сожалению, об этом мало что известно. Нам встретилось лишь одно прямое указание, исходящее от К. Магнуса, ученика М. Шулера (занимающего в период 1908-1922 гг. руководящие посты в фирме «Аншютц»): «Центрирование шара, по совету А. Эйнштейна, с которым Ан-
шютц был дружен, осуществлялось магнитным способом с помощью катушки, расположенной внутри гиросферы» [33].
Создание этого ГК - выдающее достижение прецизионной техники (рис. 12).
В тяжелые для Германии 20-е годы с их безудержной инфляцией и нестабильностью Эйнштейн был заинтересован в работах по гироскопическим приборам еще и просто из материальных соображений. Однако, не вызывает сомнения, что он получал удовольствие от этой деятельности. Идей, причем самых оригинальных, у него всегда было предостаточно, а возможностей дня их реализации фирма Аншютц была рада предоставить не задумываясь. Пламенный энтузиаст Аншютц располагал достаточными денежными средствами, прекрасным оборудованием и высококвалифицированными инженерами, чтобы попытаться осуществить совершенно неожиданные и нешаблонные конструктивные решения [33].
Рис. 12. Гирокомпас Эйнштейна-Аншютца
Фирма «Аншютц» приносила ее основателю значительный доход, который он использовал для создания многочисленных фондов, призванных оказывать содействие ученым и деятелям искусства. На его средства организовывались выставки, лекции, поездки ученых. В трудные инфляционные времена Германии начала 20-х годов средствами фонда Аншютца пользовался и Эйнштейн [33].
Тем временем первые ГК Сперри были усовершенствованы сотрудниками Компасного департамента Британского адмиралтейства Гаррисоном (G.B. Harrison) и Ролингсом (A.L. Rawlings) - устранена постоянная составляющая момента силы инерции на качке корабля с применением жидкостного маятника в виде системы сообщающихся сосудов с ртутью [13, 24, 29]. Предложенная конструкция оказалась настолько эффективной, что в тех случаях, когда на качке показания компаса с маятником становились совершенно несостоятельны, ГК Сперри продолжал давать приемлемую точность [8].
Но появлялись задачи, которые диктовал рынок потребителей, об использовании ГК на воздушных кораблях, применении ГК в горных рабо-
тах, в качестве измерителя наклонов буровых скважин (инклинометра) и при интеграции ГК в систему автопилота. По этой причине основные изготовители ГК - фирмы «Анппотц» и «Сперри» не знали ни сна, ни отдыха, постоянно расширяя линейку выпускаемой продукции.
Работы русских ученых и инженеров
Начиная с середины XVIII и кончая первыми десятилетиями XX века русские ученые и инженеры внести значительный вклад в дело разработки и практики гироскопических приборов и ГК в частности [8, 9].
Практическая разработка и внедрение ГК сопровождалась глубокими исследованиями. Основы теории гироскопов были заложены такими выдающимися учеными, как Л. Эйлер (член Российской Академии наук), О.И. Сомов (академик), Б.С. Якоби (профессор), С.В. Ковалевская (первая в мире женщина - профессор математики), Д. К. Бобылев (академик), Н.Е. Жуковский (профессор), П.А. Некрасов (академик), А.Я. Ляпунов (академик), Ар. Домогаров, А.Н. Крылов (рис. 13) (академик), М. Конокотин (лейтенант флота), последний из которых разработал и предложил в начале
XX столетия конструкцию гироскопического прибора для указания направления на движущемся корабле. Как следует из отчета об этих испытаниях, конструкция прибора была еще недостаточно доработана, однако, в ряде случаев он показывал истинный курс с точностью до 1°. Из тех же материалов следует, что прибор Конокотина представлял собой свободный гироскоп, а не ГК в полном смысле этого слова. Однако предложение лейтенанта Конокотина не получило дальнейшего развития, так как к тому времени в России магнитный компас был доведен до высокой степени совершенства и ему отдали предпочтение перед новым, еще не испытанным прибором [8].
В нашей стране большое значение в становлении и развития теории гироскопических устройств имели работы Б.В. Булгакова, С.А. Изенбе-ка, А.Ю. Ишлинского, В.Н. Кошлякова, А.Н. Крылова, Б.И. Кудревича, Е.Л. Николаи, Д.С. Пельпо-ра, С.С, Ривкина, Я.Н. Ройтенберга, С.Ф. Фарма-ковского и др. [7, 8, 13, 14, 15, 24].
Первый ГК появился в России в 1909 г. Этот маятниковый ГК, разработанный фирмой «Сперри» (США), был куплен по инициативе академика
А.Н. Крылова (в то время председателя научно-технического комитета Морского министерства) Для строящегося крейсера «Рюрик» [38]. Несколько флотских специалистов были обучены обслуживанию и ремонту ГК (на флоте их называли «сперристами») [15].
Руководство этими работами по линии Гидрографического управления флота осуществлял Борис Иванович Кудревич, впоследствии инженер-контр-адмирал, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РСФСР.
В 1919-1923 гг. Б.И. Кудревич (рис. 14), понимая необходимость подготовки молодых специалистов, проводил большую педагогическую практику с группами командиров и электриков флота, и уделил большое внимание написанию учебного пособия «Теория и практика гироскопического компаса».
Рис. 13. Алексей Рис. 14. Борис Иванович
Николаевич Крылов Кудревич
Большой заслугой Бориса Ивановича было участие в создании отечественной гироскопической промышленности. Потребовалось не только новая производственная база, но и подготовка немалого числа инженеров и техников, необходимых для проектирования и изготовления этих сложнейших приборов, не говоря уже о проработке научно-технических вопросов в связи с новизной дела. Написанные ясным и доступным языком с отличным обоснованием физической сущности работы гироскопических приборов и устройств, труды Б.И. Кудревича не потеряли своего значения и в настоящее время. При этом Борис Иванович всегда оставался человеком чрезвычайно скромным, требовательным к себе и своим сотрудникам по работе, чутким и внимательным к их запросам и нуждам. Особенно заботливо он подходил к воспитанию и подготовки молодых специалистов, передавая им свои глубокие и разносторонние знания [8].
Работы Кудревича побудили командировать его в начале 1928 г. в Германию для ознакомления с работой гирокомпасной фирмой «Аншютц» [9].
Научно-техническая деятельность Бориса Ивановича в 1930-1932 гг. ознаменовалась созданием под его руководством на Заводе штурманских приборов в Ленинграде первого советского ГК [9]. Силами подготовленных Б.И. Куд-ревичем специалистов под его руководством, с использованием расчетов академика А.Н. Крылова в 1931 г. были изготовлены первые три опытных образца ГК, получившие шифр «ГУ Марка-1» (прототип ГК «Сперри МК VIII»). Летом в 1932 г. компас прошел ходовые испытания на миноносце «Яков Свердлов». Тем самым трудная проблема создания отечественных ГК была успешно решена [8].
В тоже время в нашей стране одновременно испытывались оригинальные ГК фирмы «Сперри» и «Анппотц». По результатам испытаний был сделан выбор в пользу ГК «Аншютц»[15].
В довоенные годы (1937-1940 гг.) слушателям артиллерийского факультета Военно-морской академии, будучи уже видным ученым и педагогом, Б.И. Кудревич читал небольшой курс по гироскопическим системам (рис. 15), в котором излагались сведения и по ГК [14]. А уже в 1938 году по предложению академика А.Н. Крылова, который более всего ценил в инженере способность к исследованию и прогнозу, который «должен не только уметь смотреть, но и видеть, должен не только слушать, но и слышать, не только нюхать, но и чуять» [36], были основаны специализированные кафедры гироскопических приборов в Ленинградском электротехническом институте [34], а позже в Ленинградском институте точной механики и оптики [30]. Они существуют и по ныне, выпустив несколько тысяч инженеров хорошо подготовленными специалистами для предприятий нашей родины [15, 39]. Кафедру «Гироскопические и электронавигационные приборы» идейно возглавил Б.И. Кудревич [17, 37].
Рис. 15. Профессор Б.И. Кудревич (первый слева) проводит занятие по устройству ГК со слушателями Штурманского класса. 1939 г.
Большую роль в ознакомлении с современными для того времени типами корабельных гироскопических приборов сыграла производственная учебная практика группы слушателей на заводе «Электроприбор», которой руководил замечательный инженер и преподаватель H.H. Остряков (рис. 16). Эта традиция получила развитие [43].
«Если взять, например, ГК - одно из любимых детищ Николая Николаевича, то следовало найти такую математическую модель, которая правильно отражала бы сам компас. Отбросив второстепенное и оставив главное, он это главное воплотил в математике. В этом он видел задачу общения инженера с людьми теоретического плана: инженеру важно в теоретической механике, математике выделить главные параметры (а не писать много уравнений) и уже над ними выполнять математические операции. Учение о неизвестных параметрах в системе проходят через всю технику. В сущности, все наши неудачи происходят потому, что в наших сложных системах
существуют некоторые величины, некоторые параметры, иногда числовой природы, а иногда -и качественной, которые не всегда бывают известны с самого начала. Николай Николаевич всегда обращал на это внимание, говорт, что надо изучать и тщательно накапливать опыт в лабораториях, на испытаниях, чтобы эти параметры стали известными», — писал в своей статье академик А.Ю. Ишлинский о главной задаче H.H. Ост-рякова [18].
И далее: «Так, например, в 1937 г. вдруг на заводе перестали выходить ГК. Момент был очень ответственный. Николай Николаевич сумел раскрыть причину: был один неизвестный параметр
- люфт в вертикальном подшипнике кожуха гироскопа, который оказался слишком велик, а от этого люфта, оказывается, в очень большой степени зависит точность показаний ГК» [18].
В последующие годы на заводе «Электроприбор» в Ленинграде под руководством главного конструктора гироскопических приборов H.H. Острякова (впоследствии дважды лауреат Государственной премии СССР) взялись за разработку прецизионного двухроторного ГК «Курс» [39]. При его изготовлении возник ряд технических и производственных трудностей. Одна из сложных задач состояла в осуществлении динамической балансировки роторов. Теоретически эта задача блестяще была решена академиком А.Н. Крыловым, который вместе с профессором Б.И. Кудре-вичем проводил на заводе научно-технические консультации. В результате плодотворного сотрудничества ученых и специалистов завода, возглавляемыми H.H. Остряковым, были в 1937 г. созданы ГК «Курс-1» и «Курс-2», которые успешно прошли ходовые испытания и были приняты на вооружение [16]. Конструкция этого маятникового ГК оказалась весьма удачной, ГК этого типа («Курс-10», «Амур-ЗМ», «Курс-4М») использовались на кораблях 50 лет [39] и продолжают выпускаться по настоящее время [4,19,20].
Дальнейшие работы велись по созданию принципиально нового стабилизированного артиллерийского ГК «Полюс». Задача была решена, опытный образец прибора изготовлен и испытан на крейсере «Ворошилов» и лидере «Минск». Перед Великой Отечественной войной ГК прошел предварительные ходовые испытания, показавшие хорошие результаты [16].
В конце 30-х годов ряд ведущих инженеров завода «Электроприбор», в том числе H.H. Остряков с коллективом талантливых инженеров, были переведены в Москву, где создалось новое гироскопическое подразделение. В годы войны основная часть специалистов и оборудования завода «Электроприбор» была эвакуирована в Москву и Свердловск, дополнительно укрепив созданные там предприятия [15].
Опыт Великой Отечественной войны показал, что созданные в предвоенное время на заводе «Элек-
троприбор» и на других предприятиях Советского Союза гироскопические системы обеспечивали решение задач навигации боевых кораблей [21,35J.
В 1943 г. был создан и принят на вооружение малогабаритный ГК «Гиря» (рис. 17). Создатели этого прибора Н.И. Сигачев, H.H. Остряков, М.А. Гиф были удостоены Государственной премии СССР [16, 23].
В после военные годы появилась улучшенная модель ГК «Курс-2» с дистанционным вводом широты и скорости хода из поста штурмана и с ручным включением затухания при изменении скорости и на маневрировании. Для подводных лодок была создана модель ГК «Курс-3» с устройством ускоренного приведения в меридиан за 1 ч с точностью до 1°. На подводной лодке проекта 611 размещались два ГК «Курс-3» [19].
Все ГК типа «Курс» разрабатывались для фиксированной географической широты ±60°, для которой период невозмущаемости маятника был равен 84,3 мин (период Шулера), что теоретически не допускало возникновения в ГК баллистических девиаций 1-го рода. При плавании в широтах удаленных от 60°, ошибки курса из-за баллистической девиации ГК стали неприемлемы для наведения ракетного оружия. Потребовались апериодические ГК, лишенные этого недостатка [19].
В 1954 г. новый апериодический ГК «Маяк» для ВМФ (главный конструктор Г.Д. Блюмин, МНИИ-1) успешно прошел ходовые испытания на Северном флоте. Модификации этого ГК и ныне работают в составе комплексных систем курсоука-зания. Их показания могут обрабатываться совместно с курсовой информацией от гироазимутов, что существенно снижает погрешности выработки курса на маневрировании [19].
Использование систем стабилизации: корректируемые ГК
Дальнейшее бурное развитие морского флота, появление высокоскоростных судов нового типа -на подводных крыльях и воздушной подушке, резкое увеличение общего количества судов на морских путях обострили проблему безопасности мореплавания. Эту задачу не решить путем использования традиционных маятниковых ГК или их модернизации, которые не могут удовлетворить высоким требованиям, продиктованным условиями эксплуатации высокоскоростных судов и условиями плавания в высоких широтах.
Новые задачи, например, были успешно решены коллективом ЦНИИ «Дельфин», которые разработали и внедрили в серийное производство аппаратуру нового поколения - двухрежимные корректируемые ГК (КГК) с косвенным управлением [19, 22].
Принципиальным отличием КГК с косвенным управлением является то, что чувствительный элемент (ЧЭ) снабжен датчиками момента, кото-рые управляют его движением, а вместо маятника
использован индикатор горизонта (акселерометр), который электрически связан с датчиками момента ЧЭ [22]. Такое устройство обеспечивает реализацию гибкой схемы управления ЧЭ, позволяющей сводить к минимуму погрешности ГК при качке и маневрировании и привести автоматически или вручную прибор в режим гироазимута [19].
Как показали дальнейшие исследования и натурные испытания, ГК этого типа приобретает принципиально новое качество - сохраняет
устойчивость при работе при высоких скоростях
движения объекта (порядка сотен узлов), даже превышающих так называемые «критические» скорости, присущие маятниковым ГК. Для КГК «потолка» скорости в высоких
широтах не существует.
Эффективность КГК для высокоскоростных судов неоднократно подтверждалось испытаниями на судах на подводных крыльях и воздушной подушке, а также на экранопланах [19].
Первые КГК для ВМФ «ГКУ-1», «ГКУ-2» (гл. конструктор Н.В. Герасимов) были разработаны и приняты в 1968 г. на вооружение большого количества скоростных малых кораблей ВМФ. Практически в те же сроки (1970 г.) были создан КГК «Вега» (гл. конструктор М.В. Чичинадзе) для судов гражданского флота и КГК «Днепр-Н» (гл. конструктор
В.Н. Новиков) для объектов войск ПВО.
Рис. 17. Основной прибор гирокомпаса «Гиря-М»
В дальнейшем развитие КГК шло по пути сокращения их массогабаритных характеристик, повышения уровня автоматизации и расширения широтно-скоростного диапазона. Были созданы и внедрены КГК «Пеленг», «Двина-М» (гл. конструктор Ю.А. Шахов) для буксируемых антенн гидроакустических станций, КГК «ГКУ-3», «ГКУ-4» для глубоководных аппаратов.
Рис. 16. Николай Николаевич Остряков
Начиная с середины 80-х гг. усилия коллектива разработчиков ЦНИИ «Дельфин» были направлены на создание малогабаритного КГК с электронным управлением «Яхта» (гл. конструктор Ю.А. Шахов). Несмотря на объективные трудности, эти разработки были успешно завершены.
КГК «Яхта» на середину 90-х гг. явился самым малогабаритным морским ГК в мире, превосходящим все зарубежные аналоги. Убедительным свидетельством этого служит тот факт, что если в
1909 г. Россия закупила первый ГК из США у фирмы «Сперри», то в 1995-1996 гг. Фирма «Сперри», мировой лидер в производстве ГК, закупила в России 59 ГК разработки ЦНИИ «Дельфин» (г. Москва) [19].
В статье в силу ограниченного объема не представляется возможным отметить все организации, которые связанны с историей и развитием ГК, но отдельно упомянем Пермскую научно-производственную компанию [25] и Завод Точной Механики (г. Екатеринбург) [26] выпускающие широкий спектр отечественных ГК.
Дальнейшее совершенствование ГК идет по линии использования индикаторных гиростабилизаторов. Наиболее совершенные из них строятся на динамически настраиваемых гироскопах (ДНГ). В последние годы разрабатываются оптимальные с точки зрения эксплуатации ГК - бескарданные системы на волоконно-оптических и лазерных гироскопах [2, 3, 40], а также ГК, использующие сетевые спутниковые радионавигационные системы [11,41,42].
Заключение
В работе сделана попытка проследить эволюцию гирокомпаса. Отмечается ряд характерных особенностей: с момента, когда впервые Фуко указал на возможность создания ГК, и до момента его создания потребовалось более 50 лет труда гениальных людей. Успехи работы были тесно связаны с общим прогрессом а области техники и развивались постепенно, на основе полного использования всего предшествующего опыта.
Вклад ученых и инженеров, связавших себя с преподавательской деятельностью, неоценим в истории создания, развития и совершенствования этого удивительного прибора, который объединил в себе свойства: гироскопа, маятника и факта вращения Земли.
Литература
1. Пикуль В. Пером и шпагой. Роман-хроника. Том 15. - М.: Новатор, 1996.
2. Курсы лекций внутренней локальной сети ЦНИИ «Электроприбор». - Сервер: http://education. elprib.ru/
3.Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д. А. Навигация и управление движением судов. Учебник. - СПб.: Элмор, 2002. — 360 с.
4. Герасимов Н.В. Современные тенденции ги-рокомпасной техники// Морское приборостроение. -1971.-Ns 6(113).
5.Ригли У., Холлистер У., Денхард У. Теория, проектирование и испытание гироскопов. - Пер. с англ. С.А. Харламова. - М.: Мир, 1972, - 416 с.
6. Гироскопические системы, ч. II. Гироскопические приборы и системы / Под ред. Д.С. Пелъпо-ра. Учеб. пособие для вузов по специальности «Гироскопические приборы и устройства». - М., Высшая школа, 1971. — 488 с.
7. Каргу Л.И. Гироскопические приборы и системы. - Л. : Судостроение, 1988. - 240 с.
8.Кудревич Б.И. Теория гироскопических приборов, избранные труды Том 2. - Л.: Судостроение, 1965. - 296 с.
9.Кудревич Б.И. Избранные труды. — Издание Управления начальника Гидрографической службы ВМФ, 1959. - 463 с.
10. Беген А. Теория гироскопических компасов Аншютца и Сперри и общая теория систем с сервосвязями. - М.: Наука, 1967. - 172 с.
11. Bernhardt Schell 100 Years of Anschütz Gyro Compasses -100 Years of Innovations in Nautical Technology// Symposium Gyro Technology. - 2005.
12. Словарь иностранных слов. - 16-е изд., испр. - М. : Рус. яз., 1988. - 624 с.
13. Одинцов A.A. Теория и расчет гироскопических приборов. — Киев: Вища школа, 1985.
14. Ривкин С. С. О расчете погрешностей гироскопических и инерциальных систем при случайных воздействиях. Обзорный доклад//Доклады 2-й научно-технической конференции молодых ученых. СПб, ЦНИИ «Электроприбор», 2000. - с. 5-23.
15. Пешехонов В.Г. Три века теории и техники морской навигации в Санкт-Петербурге //Гироскопия и навигация. -2003,-№2(41). - С. 3-17.
16. Ривкин С. С. Развитие артиллерийской гироскопии на российском флоте// Гироскопия и навигация. - 2003. - № 2(41). - С. 105-112.
17. 50 лет Ленинградского электротехнического института имени В.И. Ульянова (Ленина). -Л.-М.: Государственное энергетическое издательство, 1948.
18. Ишлинский А.Ю. Николай Николаевич Остряков// Морское приборостроение. — 1971. -№6(113).
19. История Штурманской службы Флота России / гл. ред. Е.Г. Бабинов; редком.: С.В. Козлов, Г.И. Безбородов, P.A. Зубков. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. - 599 с.
20. Морская навигационная техника. Справочник. / под общ. ред. Е.Л. Смирнова. - СПб. : Элмор, 2002. - 224 с.
21. Ривкин С. С. К истории подготовки и чтения курса «Теория гироскопических и стабилизационных устройств корабельного вооружения»// Гироскопия и навигация. — 2004. - № 2(45). -
С. 114-126.
22. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. -Л.: Судостроение, 1968, -352 с.
23. Правша штурманской службы №17 (гирокомпасы «Гиря-М» и «Гиря-МК»). Изд. 2-е, Управление гидрографической службы военно-морского флота. - 1964. - 140 с.
24. Булгаков Б.В. Прикладная теория гироскопов. Изд. 2-е. - М.: Гос. издательство теоретико-технической литературы, 1955. — 336 с.
25. Пермская Научно-производственная Компания, Продукция - Морская навигация. - Сервер: http://www.ppk.perm.su/detail.asp7id—3&gID=l 8.
26. Завод Точной Механики, Екатеринбург, Россия. -Сервер: http://www.coynpass.ur.ru/gyros.htm.
27. Александров Ю.С. Навигационные системы. Текст лекций. - СПб.: ГНЦРФ ЦНИИ «Электроприбор», 2002.
28. Сервер: http://kartograff.hl.ru/begining/be-gining_ gyrocompas.php.
29. Сервер: http://fizprak.org.ru/GlRO-
KOMPASS/girokompass-html. htm.
30. Сотрудниками ЛИТМО разработан первый в стране маркшейдерский ГК. - Сервер: http://www.ifmo.ru/album/index.php? out=big&rid=4 &pid=39.
31. Биография - Элмер. А. Сперри. - Сервер: http: //www. krugosvet. г и/articles/51/1005159/1005159 al.htm.
32. Погрешности гирокомпасов. - Сервер: http://ups. km.ru/metod/Deck/qu%20061. htm.
33. Френкель В.Я., Явелов Б,Е. Эйнштейн: изобретения и эксперимент. Глава VII Калейдоскоп изобретений и экспериментов. - Сервер: http://metodolog. ru/00259/00259, html.
34. История кафедры ЛИНС. - Сервер: http://www. eltech. ru/kafedrs/anum/history. htm
35. Новый музей ЦНИИ «Электроприбор». -Сервер: http://www.elektropribor.spb.ru/ru/rcsri.html.
36. Крылов А.Н. Мои воспоминания. 8-е стереотипное изд. - Л.: Судостроение, 1984. - 480 с.
37. Личное дело Б.И. Кудревича, предоставленное музеем ЭТУ «ЛЭТИ».
38. Липилин В.Г. Алексей Николаевич Крылов.
- М. : Молодая гвардия, 1983. - 223 с.
39. Пешехонов В.Г. «Электроприбор» и развитие отечественной гироскопии и морской навигации// Гироскопия и навигация. - 2005. - №49. - С. 3-6.
40. Анучин О.H., Емелъянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / под общей ред. академика РАН В.Г. Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ — ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390 с.
41. Резниченко В.И, Мониев A.A. Определение курса по сигналам спутниковых навигационных систем. - СПб. : 2004. -88 с.
42. Спутниковые гирокомпасы. - Сервер: http: //www. star со. ru/sputnik, htm.
43. Степанов O.A. Конференции и симпозиумы по проблемам навигации. Обзорный доклад. В сборнике докладов 2 научно-технической конференции молодых ученых. - СПб. : ЦНИИ «Электроприбор», 2000. - С. 263—269.
