Сарайский Ю.Н., Алешков И.И. Аэронавигация
Подождите немного. Документ загружается.
111
Рис. 5.3. Изогоны на карте мира
5.3. Понятие о девиации магнитного компаса
Магнитный компас предназначен для измерения магнитного курса, то
есть угла между северным направлением магнитного меридиана и
продольной осью самолета. Как уже отмечалось, северным направлением
магнитного меридиана называют направление горизонтальной составляющей
магнитного поля Земли H в данной точке. Именно на
эту составляющую и
реагирует чувствительный элемент магнитного компаса.
Но компас расположен на ВС, которое имеет собственное поле. Оно
вызвано намагниченными металлическими массами, входящими в состав
конструкции ВС, а также электрическими токами, протекающими в
многочисленных электрических цепях ВС. Обозначим вектор напряженности
собственного поля самолета F. Очевидно, что в одной и той
же точке
пространства не могут одновременно существовать два магнитных поля, два
вектора напряженности – Земли (H) и самолета (F). Эти два вектора
векторно складываются, образуя некоторое суммарное,
результирующее поле
с вектором напряженности, который обозначим R (рис.5.4).
Естественно, что чувствительный элемент магнитного компаса и
реагирует на это результирующее поле, поскольку только оно и существует в
данной точке. И если разместить на самолете туристский компас, то его
намагниченная стрелка встанет по направлению вектора R, то есть
отклонится от настоящего направления
магнитного меридиана. Это явление
называется девиацией магнитного компаса. Девиация – означает отклонение.
112
Рис. 5.4. Результирующий вектор магнитного поля
Поскольку направление R не совпадает с направлением магнитного
меридиана (вектора H), то и измеренный компасом курс не будет
правильным – ведь он будет измерен от направления вектора R.
В навигации для удобства любые направления начала отсчета углов
называют
северным направлением какого-то меридиана – истинного,
магнитного… Поэтому и направление вектора R называют
северным
направлением компасного меридиана
, а измеренный от него курс –
компасным курсом.
Угол между векторами H и R также называют девиацией.
Девиация(deviation) ΔК – угол, заключенный между северными
направлениями магнитного и компасного меридианов
(рис. 5.5).
Отсчитывается от северного направления магнитного меридиана к востоку с
плюсом, а к западу с минусом. Соответственно, девиация теоретически
может лежать в диапазоне ±180°, хотя фактически имеет, конечно, гораздо
меньшие значения.
Рис. 5.5. Девиация
113
Таким образом, компасный курс (γ
к
, КК), то есть то значение, которое
показывает магнитный компас, не совпадает с магнитным курсом (γ
м
, МК).
то есть фактическим направлением продольной оси ВС относительно
магнитного меридиана. Они отличаются на величину девиации:
ΔК =МК-КК.
Очевидно, что если величина девиации ΔК известна, то, сняв
показания магнитного компаса (КК), можно найти и магнитный курс:
МК=КК+ ΔК .
И наоборот, можно определить, какой КК необходимо выдерживать,
чтобы
МК был равен требуемому значению:
КК=МК- ΔК .
Для того, чтобы не ошибиться со знаками при переходе от одного вида
курса к другому, следует руководствоваться уже упоминавшимся правилом
учета поправок в навигации:
при переходе от приборных величин к истинным
поправки прибавляются, а при переходе от истинных к приборным –
вычитаются
. Очевидно, что в данном случае самым приборным является
компасный курс – ведь это и есть значение, непосредственно снимаемое с
прибора. Магнитный курс по сравнению с ним является более правильным,
более «истинным». Ну, а истинный курс, разумеется, более «истинный», чем
магнитный, поскольку отсчитывается от географического (истинного)
меридиана.
За рубежом для правильного учета
девиации используется правило:
«Deviation west – compass best. Deviation east – compass least».
Рис. 5.6. Правило учета поправок
Важно помнить, что величина девиации зависит от курса самолета. Для
каждого компаса в кабине экипажа имеется график или таблица, по которой
пилот может определить величину девиации в зависимости от показаний
компаса (компасного курса).
114
5.4. Устройство простейшего авиационного магнитного компаса
Ввиду присущих им недостатков магнитные компасы в чистом виде в
современной авиации практически не используются в качестве основного
средства измерения курса. Но на любом воздушном судне обязательно
устанавливается простейший магнитный компас, используемый в качестве
резервного или аварийного датчика курса. Он применяется при отказе
основных курсовых приборов, а также для контроля правильности их
показаний в целях своевременного определения отказа.
В отечественной авиации в качестве такого простейшего компаса, как
правило, используется компас КИ-13 или компас другой модификации, но
аналогичного принципа действия.
КИ-13 состоит из герметичного корпуса, с
лицевой стороны которого
имеется прозрачное «окошко». За окошком располагается курсовая нить,
служащая для отсчета курса. Чувствительным элементом компаса служит
расположенная внутри кормпуса так называемая
картушка в форме
цилиндра или усеченного конуса, по окружности которой нанесена шкала
курсов. Цена делений 5°, а оцифровка сделана через 30° . Следует отметить,
что практически на всех типах шкал курсовых приборов оцифровка
приведена в десятках градусов, то есть, например, надпись 27 означает 270 .
На картушке закреплен поплавок и два намагниченных стержня.
Закрепленной в центре картушки
шпилькой она опирается на подпятник,
установленный на дне корпуса.
Принцип действия КИ-13 похож на принцип действия обычного
туристского компаса, в котором чувствительным элементом является
намагниченная стрелка, подвешенная на острие иглы и ориентирующаяся по
направлению магнитного меридиана. Здесь роль стрелки играет картушка.
Благодаря ее намагниченным стержням она должна быть все время
ориентирована
по направлению магнитного меридиана. Самолет вместе с
корпусом прибора разворачивается, а картушка остается в прежнем
положении, поэтому в окошке корпуса напротив курсовой нити меняются
деления шкалы, по которой и отсчитывается курс.
Герметичный корпус прибора заполнен лигроином (это одна из
фракций переработки нефти), который сглаживает колебания картушки и, в
соответствии с
законом Архимеда, уменьшает ее вес, а, следовательно,
трение между шпилькой и подпятником.
В основании корпуса установлен так называемый
девиационный
прибор
, который представляет собой просто два взаимно перпендикулярных
постоянных магнита, которые позволяют уменьшить девиацию компаса.
Вращая отверткой два винта с надписями С-Ю и В-З, можно перемещать
магниты и добиться того, чтобы создаваемое ими магнитное поле полностью
или частично компенсировало собственное поле самолета.
115
Рис. 5.7. Устройство КИ-13
(вид сбоку, верхняя часть корпуса вырезана)
Рис. 5.8. Внешний вид простейшего магнитного компаса
КИ-13, как правило, устанавливается перед лобовым стеклом кабины
экипажа.
Основными достоинствами компаса являются:
- простота устройства и, следовательно, высокая надежность;
- отсутствие необходимости в электрическом питании для его работы
(однако, компас может быть снабжен электрической подсветкой для
использования в темное время суток).
Но компас
имеет и немало недостатков:
116
- низкая точность даже в прямолинейном горизонтальном полете;
- большие погрешности при разворотах самолета (креновая и
ускорительная девиации);
- невозможность сразу отсчитать курс после завершения разворота из-
за колебательных движений картушки вследствие увлечения ее движущейся
по инерции жидкостью;
- неустойчивая работа в полярных районах, где мала горизонтальная
составляющая магнитного поля Земли (это относится
ко всем видам
магнитных компасов).
5.5. Основы теории девиации
Нормальная статическая девиация. Девиация, которая имеет место
на горизонтально расположенном неподвижном самолете, называется
нормальной статической девиацией. На каждом курсе для каждого
экземпляра компаса она имеет вполне определенную величину, но включает
в себя нескольких составляющих, характер которых проявляется по-разному
в зависимости от вызывающих ее причин.
Различные источники на борту, вызывающие магнитное поле самолета,
условно называют «железом», независимо от того, действительно ли они
являются металлическими предметами или
представляют собой
электрические цепи, по которым протекает ток. «Железо» делится на
«твердое» и «мягкое». Твердость и мягкость имеется в виду с точки зрения
магнитных свойств, а не физической твердости, прочности.
К
«твердому железу» относят такие металлические массы (например,
сталь, легированная кобальтом или вольфрамом), которые трудно
намагнитить, но которые, будучи намагниченными, сохраняют свою
намагниченность. Вектор напряженности поля, создаваемого «твердым
железом», поворачивается вместе с ВС при его развороте. Примером
«твердого железа» является обычный магнит.
Обозначим через F вектор напряженности магнитного поля,
создаваемого «твердым железом» на
борту. Для простоты будем считать, что
этот вектор оказался направлен вдоль продольной оси ВС. Этот вектор,
складываясь с вектором напряженности магнитного поля Земли H, образует
результирующий вектор R , как показано на рис. 5.9 (а). и будет иметь место
некоторая девиация ΔК (угол между H и R).
Если же ВС развернется на
другой курс, то вместе с ним повернется и
вектор напряженности «твердого железа» F, который будет по-прежнему
направлен по оси самолета. Но теперь, складываясь с вектором H, он
образует уже другой вектор R, отличающийся как по величине, так и, самое
главное, по направлению, рис. 5.9 (б). Девиация ΔК будет иметь уже другую
величину и даже может изменить знак!
117
Рис. 5.9. Изменение девиации, вызванной «твердым» железом
Нетрудно убедиться, что при развороте ВС на 360° величина девиации
ΔК будет изменяться по синусоиде, как показано на рис. 5.10. При этом ΔК
дважды примет нулевое значение, как бы через каждый полукруг. Поэтому
девиацию, вызываемую «твердым железом», называют
полукруговой
девиацией
.
Рис. 5.10. График полукруговой девиации
Изменение полукруговой девиации в зависимости от курса является
следствием того, что при развороте самолета меняется северное направление
компасного меридиана (направление результирующего вектора R). Таким
образом, «компасный» меридиан это не какое-то фиксированное направление
в пространстве или, тем более, линия на земной поверхности. Это условное
понятие,
введенное для удобства и единообразия в терминологии: истинный
курс отсчитывается от истинного меридиана, магнитный – от магнитного
меридиана, а компасный, следовательно, – от компасного. В зависимости от
конкретного компаса и курса самолета направление компасного меридиана в
одной и той же точке пространства различно. А если в этой точке нет
компаса, то компасного меридиана
просто не существует.
118
Можно заметить, что и магнитный меридиан не существует как
таковой, то есть как некоторая линия. По крайней мере, в навигации речь
всегда идет не о самом меридиане как линии, а о северном
направлении
магнитного меридиана в какой-либо точке, от которого отсчитываются курс,
пеленг и другие углы.
Можно заметить, что величина полукруговой девиации зависит не
только от курса, но и от величины горизонтальной составляющей магнитного
поля Земли H. Следовательно, величина девиации одного и того же компаса
на одном и том же курсе в разных
местах земного шара будет различаться,
тем сильнее, чем больше в этих местах различается величина H. На рис.5.11
показано, что при одном и том же курсе ВС величина ΔК будет разной при
разных значениях Н.
Рис. 5.11. Зависимость полукруговой девиации от напряженности магнитного
поля Земли
Другая разновидность магнитных масс на самолете – так называемое
«мягкое железо». Оно собственной постоянной намагниченности не имеет, а
намагничивается внешним полем. Примером «мягкого железа» является
обычное железо. Рассмотрим железный гвоздь. Сам он не намагничен, но
если подержать его возле постоянного магнита, то он намагнитится. Если его
повернуть на 180°, то он намагнитится в противоположном направлении.
Степень намагниченности «мягкого железа» зависит как от
магнитных
свойств самого материала, от напряженности внешнего поля и от
расположения условного бруска «мягкого железа» по отношению к
магнитным силовым линиям. Приближенно можно считать, что вектор
напряженности поля, создаваемого «мягким железом», является проекцией
вектора внешнего поля H на ось бруска (рис. 5.12).
119
Рис. 5.12. Намагниченность «мягкого железа»
Полученный таким образом вектор F складывается с H и образует
результирующий вектор R, аналогично случаю с «твердым железом»..
Но при развороте самолета, изменении его курса, картина будет
несколько другой. Теперь меняется не только взаимное положение F и H, но
и
величина вектора F (рис. 5.13). Ведь этот вектор является проекцией H на
ось условного бруска «мягкого железа», как бы расположенного на самолете.
Рис. 5.13. Изменение девиации, вызванной «мягким железом»
При развороте самолета на 360° девиация также будет меняться по
синусоиде, но с вдвое большей частотой (рис. 5.14). Она четыре раза будет
проходить через ноль, поэтому девиацию, вызываемую «мягким железом»
называют
четвертной девиацией.
120
Рис. 5.14. График четвертной девиации
В отличие от полукруговой девиации четвертная не зависит от
величины вектора H. Его изменение при перелете в другой район Земли
приведет только к изменению
величины вектора R, но не его направления
(рис. 5.15).
Рис. 5.15. Сохранение четвертной девиации при изменении напряженности
поля Земли
При рассмотрении механизма полукруговой и четвертной девиации
для наглядности нами предполагалось, что вектор напряженности
собственного поля ВС F направлен по продольной оси ВС. Поэтому на рис.
5.10 и 5.14 нулевая девиация имеет место на курсе равном нулю. На самом