Лекция 4 Понятия о курсоуказателях
1. Основные элементы земного магнетизма. Одним из типов курсоуказателей на судне является магнитный компас, работа которого основана на использовании магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли в любой точке можно описать вектором его напряженности (единица напряженности эрстед). L
Представим вектор напряженности магнитного поля Земли в виде следующих элементов: собственно вектора напряженности Т, его горизонтальной H и вертикальной Z составляющих, магнитного склонения d и магнитного наклонения I (рис. 1). Истинный меридиан N d H Магнитный меридиан I T Z Рис. 1
Вертикальная плоскость, содержащая векторы T, H, Z, называется плоскостью магнитного меридиана(magnetic meridian plane), а след ее пересечения с плоскостью истинного горизонта есть линия магнитного меридиана. В этой плоскости и устанавливается картушка магнитного компаса с системой магнитных стрелок. Горизонтальная составляющая Н определяет направление магнитного меридиана в конкретной точке поверхности Земли и удерживает чувствительный элемент магнитного компаса в его плоскости. .
Магнитное склонение d(magnetic variation) ─ угол в плоскости истинного горизонта между географическим (истинным) и магнитным меридианами Nм NИ (-) d. W (+) d. E Рис. 2 Nм
Если магнитный меридиан отклоняется от истинного к Е, то склонение называется остовым и имеет знак (+), а если к весту, то склонение называется вестовым и имеет знак (-). Магнитным наклонением I называется угол между горизонтальной плоскостью и направлением вектора напряженности магнитного поля. На магнитных полюсах Z=T, H=0, На магнитном экваторе H=T, Z=0. Магнитное склонение Земли непостоянно по времени. Вариации среднегодовых значений его характеристик называют вековыми вариациями. Для судовождения наибольшее значение имеют вековые вариации магнитного склонения. Прогноз изменения магнитного склонения указывается на морских навигационных картах в градусах и минутах в год
2. Магнитный компас (МК) – прибор, предназначенный для непрерывного указания компасного курса судна и для определения компасных направлений или курсов, углов на различные ориентиры и небесные светила. Принцип устройства МК основан на использовании свойства свободно подвешенной магнитной стрелки устанавливаться по направлению магнитных силовых линий внешнего магнитного поля. Свойство намагниченного железа указывать на N магнитный использовалось китайцами много тысяч лет назад. Но настоящий компас в Европе появился в начале XIII века. Изобрел его итальянец Флавио Джоййя. Он приспособил к стрелке картушку.
Магнитный компас прост, малогабаритен, независим от источников питания, всегда готов к действию. Но его показания необходимо исправлять поправкой, величина и знак которой изменяются в зависимости от курса судна, местоположения на земной поверхности и других причин. В высоких широтах точность показаний МК уменьшается, а районах магнитного и географического полюсов он вообще перестает работать.
Магнитный компас (рис. 3) состоит из: 1 ― защитного колпака 2. ― котелка с картушкой 3 ― пеленгатора 4 ― корпуса 5 ― девиационного прибора Рис. 3
Котелок компаса(рис. 4) состоит из: Рис. 4 1 ― основной камеры 2 ― колонки картушки 3 ― шпильки 4 ― курсовой черты 5 ― дополнительной камеры 6 ― диафрагмы 7 ― стекла 8 ― лампочки 9 ― стеклянной крышки 10 ― азимутального круга 11 ― свинцового груза 12 ― козырька
Картушка магнитного компаса состоит из: 1― диска со шкалой 2― поплавка 3― агатовой топки 4― винта 5― системы магнитных стрелок Рис. 5 Пеленгатор ― прибор для измерения пеленгов и курсовых углов состоит из: 1― основания 2― предметной мишени 3― чашки 4― светофильтров 5― глазной мишени
Под воздействием магнитных сил Земли магнитный компас показывает не на истинный норд, а на магнитный. Соответственно, мы снимаем с него не ИК и ИП, а магнитный курс и магнитный пеленг (рис. 6) Рис. 6
Магнитный курс (МК)(magnetic course) - угол между северной частью магнитного меридиана и ДП судна. Магнитный пеленг (МП)(magnetic bearing) - угол между северной частью магнитного меридиана и направлением на предмет На компас воздействуют магнитные силы судового железа и электромагнитные силы от различных приборов и устройств, имеющихся на судне. Под действием этих сил компасная стрелка отклоняется от магнитного меридиана и располагается вдоль компасного меридиана (compass meridian). Девиация магнитного компаса (deviation magnetic compass) ─ угол отклонения компасной стрелки от магнитного меридиана под воздействием магнитных сил судна
Девиация изменяется с курсом судна. Если компасный меридиан отклонен к Е от магнитного, то девиация восточная (остовая), а если к W , тогда девиация западная (вестовая) Девиация имеет знак «+» для остовой и «–» для вестовой в расчетных формулах. Девиация относится к конкретному компасу в конкретном месте судна.
Компасным курсом (КК) (compass course) – называется угол между северной частью компасного меридиана и направлением ДП судна. Компасным пеленгом (КП) (compass bearing) называется угол между северной частью компасного меридиана и направлением на предмет. Рис. 7
Рис. 8
Формулы связи между компасными, магнитными и истинными направлениями следующие: МК = КК +δ (4. 5) МП = КП + δ (4. 6) ИК = КК + d + δ (4. 7) ИП = КП + d + δ (4. 8 ) Алгебраическая сумма склонения d и девиации называется общей поправкой магнитного компаса (ΔМК)( compass correction): ΔМК = d + δ (4. 9) Формулы (4. 7) и (4. 8) перепишем с учетом (4. 9): ИК = КК + ΔМК (4. 10) ИП = КП + ΔМК (4. 11)
В навигации есть ряд задач, решаемых по вышеприведенным формулам, с которыми постоянно приходится иметь дело штурману. Исправление румбов (прямая задача) т. е. переход от компасных к магнитным и истинным направлениям. Её решают, тогда, когда необходимо проложить курс, которым следует судно на карте или при определении места судна, когда снятые с компаса отсчеты пеленгов надо проложить на карте. ИК = КК + ΔМК ИП = КП + ΔМК ИК = МК + d (4. 12) ИП = МП + d МК = КК + δ МП = КП + δ
Перевод румбов (обратная задача) – это переход от истинных направлений к компасным и магнитным. Такую задачу, например, решают, когда необходимо задать КК рулевому после того, как ИК проложен на карте или при выходе в точку поворота по КП, который рассчитан по снятому с карты ИП ориентира. КК = ИК – ΔМК КП = ИП – ΔМК МК = ИК- d (4. 13) МП = ИП – d КК = МК – δ КП = МП - δ
Вспомогательные задачи: ΔМК = ИК – КК ΔМК = ИП – КП d = ИК – МК d = ИП – МП δ= МК- КК δ = МП - КП (4. 14)
4. Гироскопический компас. Гироазимут. Поправка гирокомпаса. Гироскопический компас (ГК) (gyrocompasses) ─ навигационное гироскопическое устройство, предназначенное для указания плоскости истинного меридиана и позволяющее, определять курс судна и пеленги ориентиров, а также осуществлять стабилизацию в азимуте различных судовых приборов. В основу определения положения плоскости истинного меридиана положен факт суточного вращения Земли. Чувствительным элементом ГК служит гироскоп, осуществляющий слежение за положением истинного меридиана, которое непрерывно меняется в пространстве вследствие суточного вращения Земли.
Гирокомпасы делятся на два класса: с непосредственным управлением с косвенным управлением У гирокомпаса с непосредственным управлением чувствительный элемент механически связан с маятниковым устройством и управляется с помощью момента тяжести. У гирокомпаса с косвенным управлением чувствительный элемент управляется от датчиков моментов по сигналу индикатора горизонта. Гирокомпасы (ГК) более точны, чем магнитные компасы, особенно при качке, удобны при работе с авторулевым. Ни магнитное поле Земли, ни магнитные силы судна не влияют на его показания. Ось ГК на движущемся судне в силу ряда причин не устанавливается точно в плоскости истинного меридиана. Направление, которое она фиксирует, является условным гироскопическим меридианом (gyrocompass meridian) ( «норд гирокомпасный» )
Для получения направления на норд истинный необходимо вводить поправку гирокомпаса (gyrocompass error or gyrocompass deviation). Рис. 9
Поправкой ГК называется угол между нордовыми частями истинного и гирокомпасного меридианов. Поправка ГК положительна, если Nгк отклонен к Е от истинного меридиана (рис. 10), и отрицательной, если Nгк отклонен к W (рис. 11). Nи Nгк ΔГКE Рис. 10 Nгк Nи ΔГКW Рис. 11
Формулы связи запишутся так: ИК = ГКК + ΔГК (4. 15) ИП = ГКП + ΔГК (4. 16) С увеличением географической широты линейная скорость вращения меридианов уменьшается, а на полюсах она равна нулю. Поэтому при плавании в высоких широтах (более 80 о) ГК работает неустойчиво и к его показаниям следует подходить критически.
В качестве указателя направления в высоких широтах применяется гироазимут (ГА). Этот гироскопический прибор, в отличие от гирокомпаса, предназначен для хранения заданного в пространстве направления. Ось чувствительного элемента ГА не находится точно в плоскости истинного меридиана и с течением времени уходит от этой плоскости. Этот процесс называется дрейфом гироазимута, поэтому поправка ГА меняется со временем. Основным недостатком гироазимута является то, что он не обладает направляющим моментом, способным отыскивать плоскость истинного меридиана, но в высоких широтах ГА обеспечивает более устойчивое курсоуказание, чем гирокомпас.
Из сказанного можно сделать следующие выводы: 1. Приборами курсоуказания являются магнитный и гироскопические компасы и, в меньшей степени, гироазимут. 2. Магнитный компас прост, малогабаритен, независим от источников питания, всегда готов к действию. Но на него действуют силы земного магнетизма, отклоняющие его стрелку от истинного меридиана на некоторый угол d называемый магнитным склонением. Магнитное склонение меняется со временем и местонахождением. Кроме того, на стрелку магнитного компаса действуют магнитные силы судового железа и электромагнитные силы от различных приборов и устройств, которые отклоняют магнитную стрелку от магнитного меридиана на некоторый угол δ называемый девиацией. Девиация меняется с курсом судна. Таким образом, магнитная стрелка располагается уже вдоль компасного меридиана.
3. Угол, на который отклоняется магнитная стрелка под воздействием склонения и девиации называют общей поправкой компаса. 4. Судоводителю в своей деятельности приходится встречаться с решением двух задач. Исправление румбов (прямая задача) т. е. переход от компасных к магнитным и истинным направлениям. Ее решают при прокладке курса и определении места судна Перевод румбов (обратная задача) – это переход от истинных направлений к компасным и магнитным. Такую задачу решают, когда необходимо задать КК рулевому после того, как ИК проложен на карте или при выходе в точку поворота по КП, который рассчитан по снятому с карты ИП ориентира. 5. Гироскопический компас не зависит от магнитного поля Земли и судна, хотя и он имеет поправку.