Сарайский Ю.Н., Алешков И.И. Аэронавигация
Подождите немного. Документ загружается.
101
Рис. 4.12. Ветрочет
Ветрочет состоит из трех частей: сектора, азимутального круга и
линейки. Сектор является основанием прибора, на нем нанесена шкала углов
сноса. Ноль этой шкалы стоит напротив курсовой черты, вдоль которой в
секторе сделана прорезь. По этой прорези можно перемещать азимутальный
круг. Местоположение центра круга можно зафиксировать винтом с
барашком (с обратной стороны сектора). Азимутальный круг оцифрован от
нуля до 360° и может вращаться. На линейке, прикрепленной к сектору
винтом, нанесена шкала скоростей.
Азимутальный круг служит для установки курсов, путевых углов,
направления ветра и других величин. Он изготовлен из материала, на
котором можно рисовать карандашом, например, нанести вектор ветра, а
затем
легко стереть нарисованное.
Навигационный треугольник как бы моделируется путем
соответствующего взаимного расположения частей ветрочета. Методика
применения ветрочета для решения конкретных навигационных задач в
данном учебном пособии не приводится, поскольку ветрочеты давно не
производятся и не применяются в практике полетов.
102
Навигационные расчетчики. Шкалы навигационной линейки в
принципе не обязательно должны быть прямолинейными, они могут быть и в
виде окружности. Навигационный расчетчик представляет собой в
определенном смысле навигационную линейку с круговыми шкалами,
объединенную с модифицированным ветрочетом (рис. 4.13). С его помощью
можно решать большое количество навигационных задач. Задачи по
навигационному треугольнику скоростей, благодаря
наличию ветрочета в
центре расчетчика, решаются более просто и наглядно. Но решение
некоторых других вычислительных задач подчас является более сложным из-
за особенностей шкал. В нашей стране выпускался навигационный расчетчик
комбинированный НРК-2, но он не нашел широкого распространения в
летной практике. Основные причины этого – хрупкость пластмассовых
частей прибора и привычка
летного состава к простой и надежной
навигационной линейке.
Навигационные калькуляторы. С появлением в 70-е годы
электронных калькуляторов они стали использоваться и в авиации. За
рубежом выпускается большое количество различных видов
специализированных навигационных калькуляторов, некоторые из которых
изображены на рис. 4.14-4.16. Калькуляторы имеют встроенные программы
для решения различных видов навигационных задач. Пользователю
необходимо
только установить нужный режим и ввести исходные данные. В
России пока (2010 г.) ни одно предприятие не организовало массовый выпуск
подобных устройств.
103
Рис. 4.13. Навигационный расчетчик НРК-2 (лицевая и обратная стороны)
104
Рис. 4.14. Навигационный калькулятор Tamaya NC-99
Рис. 4.15. Навигационные калькуляторы Tamaya NC-2000 и Avstar
105
Рис. 4.16. Навигационные калькуляторы Techstar и Commodore
106
5. ИЗМЕРЕНИЕ КУРСА
5.1. Физические принципы измерения курса и виды курсовых приборов
Курс характеризует направление продольной оси ВС в горизонтальной
плоскости, то есть показывает, куда направлен «нос» самолета. Он имеет
большое значение для навигации, поскольку одновременно является и
пилотажным, и навигационным элементом. Очевидно, что на борту ВС
должны иметься навигационные средства
для непрерывного измерения
курса. Приборы для измерения курса называют
курсовыми приборами или
просто
компасами.
Курс представляет собой угол в горизонтальной плоскости между
направлением, принятым за начало отсчета и направлением проекции на эту
плоскость продольной оси ВС. Для того, чтобы физически измерить этот
угол с помощью технического устройства (компаса), необходимо знать оба
эти направления. Очевидно, что направление продольной оси ВС всегда
известно – ведь компас находится
на борту. Следовательно, главная
проблема заключается в том, чтобы в любой момент знать, как проходит
направление начала отсчета, независимо от того, какое положение занимает
самолет.
В зависимости от того, каким образом определяется направление
начала отсчета, различают следующие физические принципы измерения
курса и, соответственно, виды компасов.
1)
Магнитный принцип. Основанные на нем курсовые приборы
называют магнитными компасами. Направлением начала отсчета служит
направление горизонтальной составляющей вектора напряженности
магнитного поля Земли, называемое северным направлением магнитного
меридиана. Это направление непрерывно определяется чувствительным
элементом магнитного компаса.
Магнитный компас является самым древним навигационным
приборам. В литературе часто упоминается, что он был изобретен в Китае
еще до нашей эры, но это утверждение у многих ученых вызывает сомнения.
Точно известно, что в Европе магнитные компаса для морской навигации
начали использоваться с XII века нашей эры и непрерывно
совершенствовались.
2)
Гироскопический принцип. Гироскоп – это быстро вращающееся
тело. В соответствии с законами механики гироскоп стремится сохранять
направление оси своего вращения в пространстве. В гироскопических
компасах гироскоп помещают в специальное устройство – карданов подвес,
который обеспечивает ему три степени свободы и дает возможность
гироскопу сохранять свое направление, независимо от эволюций самолета
(кренов, тангажа,. разворотов). Направление
горизонтально расположенной
оси гироскопа и служит направлением начала отсчета при использовании
гироскопических компасов.
107
3) Астрономический принцип. В вычислителе астрономического
компаса непрерывно рассчитывается истинный курс. Для этого
рассчитывается пеленг небесного светила (Солнца, Луны, звезды) в данный
момент времени относительно меридиана места самолета и измеряется угол
между продольной осью ВС и направлением на светило.
4)
Инерциальный принцип. Инерциальные навигационные системы
основаны на измерении ускорений ВС по трем осям системы координат и
позволяют определять в полете большое количество различных
навигационных параметров. Принцип их работы более подробно рассмотрен
в главе 7 данного учебного пособия. С точки зрения измерения курса ВС
инерциальные системы традиционного типа используют гироскопический
принцип. В таких системах
устройства для измерения ускорений –
акселерометры - установлены на стабилизируемой с помощью точных
гироскопов платформе, которая на протяжении всего полета сохраняет
горизонтальное положение и сориентирована по меридиану. В этом случае не
составляет проблемы измерить и отобразить на индикаторах угол между
осью гироплатформы и продольной осью самолета, то есть курс.
Но в инерциальных системах
нового поколения, бесплатформенных
системах, курс определяется другим способом, что позволяет отнести его к
отдельному принципу определения курса. В таких бесплатформенных
системах непрерывно измеряется угловая скорость поворота ВС вокруг трех
перпендикулярных осей, что позволяет в любой момент определить угол, на
который повернута каждая ось (в том числе – продольная ось ВС)
относительно
первоначального положения. Поэтому, если в начальный
момент времени курс был известен, то его можно расчетным путем
определить и в любой последующий момент времени.
Независимо от принципа действия любой компас включает в себя
чувствительный элемент и индикатор (указатель). Чувствительный элемент –
это та часть компаса, которая непосредственно определяет направление
начала отсчета курса. Индикатор
предназначен для отображения измеренного
курса экипажу и, как правило, представляет собой круговую шкалу, на
которой напротив стрелки или специального индекса можно отсчитать курс.
Если чувствительный элемент и индикатор конструктивно совмещены,
то такие компаса называют
совмещенными. Разумеется, они размещаются в
кабине экипажа, поскольку индикатор должен располагаться на приборной
доске.
Если же индикатор находится в кабине экипажа, а чувствительный
элемент в другом месте ВС, то компаса называют
дистанционными. В
настоящее время практически все курсовые приборы являются
дистанционными.
108
5.2. Основные сведения о магнитном поле Земли
Принцип действия магнитных компасов основан на использовании
магнитного поля Земли.
Как и у большинства других планет у Земли имеется магнитное поле.
Предполагается, что оно вызвано конвективным перемещением в ядре
планеты расплавленных металлических масс. Если эти массы имеют
электрический заряд, то их движение представляет собой
электрический ток,
который, в соответствии с законами физики, и вызывает магнитное поле.
Магнитные силовые линии выходят и входят в поверхность Земли в
точках, называемых геомагнитными полюсами (рис. 5.1). Эти полюса не
совпадают с географическими полюсами и, кроме того, медленно
перемещаются.
Рис. 5.1. Силовые линии магнитного поля Земли
Структура магнитного поля Земли является сложной. В первом
приближении можно считать, что внутри планеты находится огромный
магнит (диполь), ось которого наклонена к оси вращения Земли под углом
примерно 11,5° . Этот условный диполь и создает примерно 70% магнитного
поля. Однако региональные и местные магнитные аномалии вызывают
искривление силовых линий в разных местах планеты.
В любой точке пространства магнитное поле можно характеризовать
вектором его напряженности Т. Этот вектор направлен по касательной к
магнитной силовой линии в данной точке. Модуль его в системе СИ
измеряется в амперах на метр (А/м), но часто в литературе приводятся
значения и в
единицах по старым системам: в эрстедах (Э) и гаммах ( γ)
Соотношение между этими единицами следующее:
1 Э = 79,6 А/м, 1
γ = 10
-5
Э.
109
Гамма является просто более мелкой единицей измерения по
сравнению с эрстедом и, следовательно, более удобной для описания
магнитного поля Земли, поскольку напряженность его невелика.
Действительно, в разных точках планеты она не превышает 0,6…0,7 Э, а на
территории России в среднем составляет 0,2…0,4 Э. Для сравнения можно
заметить, что самые сильные современные электромагниты создают
напряженность 100 000 Э и более.
Часто интенсивность магнитного поля характеризуют также величиной
магнитной индукции.
Магнитная индукция B характеризует импульс
напряжения, индуцируемый в пробном соленоиде (катушке) при помещении
его в магнитное поле. Единицей измерения индукции является
Тесла (Тл).
Напряженность поля в 1 гамму соответствует создаваемой ею в
вакууме индукции величиной в 1 нанотеслу, то есть 10
-9
Тл.
Поскольку вектор напряженности Т направлен по касательной к
силовым линиям, он в общем случае не лежит в плоскости горизонта и,
вследствие искривления силовых линий, не совпадает с плоскостью
географического меридиана. Если разместить в какой-либо точке начало
прямоугольной системы координат и направить ось ОХ по меридиану на
север, ось
ОУ перпендикулярно к ней на восток, а ось OZ направить вниз, то
вектор Т можно разложить на горизонтальную составляющую Н и
вертикальную Z (рис. 5.2). Направление горизонтальной составляющей Н
является очень важным для аэронавигации, так как это направление и
называют
северным направлением магнитного меридиана в данной точке.
Очевидно, что угол между осью ОХ (направлением истинного меридиана) и
вектором Н (направлением магнитного меридиана), есть не что иное, как
магнитное склонение ΔМ в данной точке.
Угол
θ между горизонтальной плоскостью и направлением вектора
напряженности Т называется
магнитным наклонением.
Рис. 5.2. Элементы земного магнетизма
Очевидно, что в магнитных полюсах, где силовые линии входят в
Землю или выходят из нее, магнитное наклонение равно +90° и -90° . В
районах магнитных полюсов вертикальная составляющая поля Z
110
максимальна, а горизонтальная составляющая H очень мала. Это имеет
важное значение для аэронавигации. Ведь чувствительный элемент любого
магнитного компаса реагирует именно на горизонтальную составляющую.
Поэтому в полярных районах магнитные компаса работают неустойчиво.
В экваториальных районах, где силовые линии идут примерно
параллельно к поверхности Земли, магнитное наклонение близко к нулю, а
горизонтальная составляющая
H наибольшая.
Подвешенная на острие иглы намагниченная стрелка обычного
туристского компаса, которая и является его чувствительным элементом, под
действием магнитного поля стремится занять положение, соответствующее
направлению вектора T. А если заставить эту стрелку располагаться
горизонтально, то она будет направлена по направлению вектора H.
Из-за неоднородности магнитного поля в разных местах
планеты
направление вектора H (северное направление магнитного меридиана)
составляет разный угол (магнитное склонение) с направлением истинного
(географического) меридиана.
В земной коре в разных местах имеется большое количество
намагниченных пород, которые вызывают искривления магнитных силовых
линий. В таких районах, называемых
районами магнитных аномалий,
магнитное склонение резко отличается по величине и знаку от значений,
прилегающих к данному району. В Российской Федерации это районы
Курской, Магнитогорской и других аномалий.
Из-за искривления силовых линий северный конец стрелки туристского
компаса вовсе не показывает направление ни на географический, ни на
магнитный полюсы. Это просто направление вектора напряженности
именно
в данной точке.
Как уже отмечалось, на аэронавигационных картах наносят линии
(
изогоны), соединяющие точки с одинаковым магнитным склонением. Из-за
неоднородности магнитного поля и магнитных аномалий изогоны могут быть
довольно извилистыми. Местные аномалии оказывают влияние лишь до
высот 3-4 тысячи метров, поэтому на больших высотах изогоны становятся
более правильными, искривления менее выражены. На рис. 5.3 показана
карта изогон для большей части территории планеты без
учета местных
аномалий.
Магнитное поле медленно меняется, соответственно изменяется и
фактическое расположение изогон. Это необходимо учитывать при
определении магнитного склонения по аэронавигационным картам. На них
всегда указано, на какой год (эпоху) нанесены изогоны. Эпохи
устанавливаются кратными пяти годам (2000, 2005, 2010 г.г. и т.д.).
Магнитное поле Земли также подвержено нерегулярным и подчас
сильным изменениям, вызванным главным образом воздействием Солнца. Во
время так называемых магнитных бурь магнитное склонение может
непредсказуемо меняться на единицы и даже десятки градусов, что делает
невозможным применение магнитных компасов.