Александр Краснов - Волчок и применение его свойств

На дирижабле нужно иметь источник электрического тока, электромотор, для отклонения руля высоты и чувствительный элемент в виде маятника с переключателями цепи электрического тока (рис. 31).

Рис. 31. Схема автоматического управления продольной стабилизации дирижабля, предложенная К. Э. Циолковским.

В случае «ухода» дирижабля из горизонтального полета маятник отклоняется. Переключатель соединяет соответствующие контакты. От источников питания ток проходит в электромотор, приводя его в движение; электромотор через зубчатую передачу перемещает руль высоты в положение, при котором дирижабль возвращается в горизонтальное положение (рис. 31).

Принципиальная схема автоматического управления, разработанная К. Э. Циолковским, состоит из всех основных элементов, которые имеются в современных автопилотах «непрямого» действия. В таких автопилотах чувствительный элемент воздействует на управление не непосредственно, а через специальную машину, приводящую в движение управление дирижаблем или самолетом.

Конструкции подобных автопилотов относятся к группе маятниковых. «Автоматическое» управление на самолетах за рубежом впервые стали применять на десять-пятнадцать лет позже, чем в СССР, причем в качестве чувствительного элемента использовался… сам летчик.

Примерно в 1910–1911 гг. известный энтузиаст воздухоплавания и авиации бразилец Сантос Дюмон и летчик Кертис для облегчения управления полетом прикрепляли на спине к пиджаку хомутик, который имел связь с рычагом управления самолетом. Когда самолет кренился, пилот инстинктивно, стремясь сохранить вертикальное положение, наклонялся в сторону, противоположную крепу. Прикрепленный к спине рычаг управления перемещался так, что самолет выравнивался.

В то время подобную «автоматику» еще можно было применять. Самолет летал со скоростью около восьмидесяти километров в час. В 1910 г. мировой рекорд скорости полета составлял сто девять километров в час.

На современных самолетах, летающих со скоростями звука, использование маятниковых автопилотов невозможно. Поэтому маятниковые автопилоты заменили в настоящее время гироскопическими. Изобретателем такого автопилота считают американца Сперри. Но мы знаем, что создателем первой принципиальной схемы автопилота является все же К. Э. Циолковский.

Современный автопилот самолета состоит из трех самостоятельных механизмов: автомата курса, автомата поперечной устойчивости и автомата продольной стабилизации. В каждом из них управляет движением отдельно установленный гироскоп.

Роторы таких гироскопов, свободно умещающихся на ладони, весом около четырехсот граммов, вращаются со скоростью двенадцати тысяч оборотов в минуту. Их задача — только подать команду мощным механизмам. А они уже выполняют необходимую тяжелую, сложную и ответственную работу по управлению самолетом.

Кратко познакомимся теперь еще с одним свойством гироскопа — способностью устанавливаться по полуденной линии (линии меридиана).

Уже много тысяч лет тому назад в древнем Китае знали замечательные свойства магнитной стрелки. Рассказывают, что в 2364 г. до современного летосчисления китайский император Хуанг Ти сумел победить своего соперника Чжи Су, преследуя его в облаках пыли и тумана, руководствуясь указаниями компаса, установленного на каретах в виде художественно исполненной фигуры.

В России рыбаки и землепроходцы издавна пользовались компасом. Давно на Руси знали этот замечательный, незаменимый в тяжелых и опасных путешествиях прибор, уважительно называли его «маткой».

Много столетий и даже тысячелетий магнитный компас действовал «верой и правдой», безотказно, с отменной точностью. Но в современных условиях он оказывается все более непригодным или неточно действующим прибором. На металлических судах, например, магнитный компас не особенно надежен. Большие стальные корпуса и отдельные детали судна, работа электромашин и даже перемещение небольшой металлической массы оказывают вредное влияние, искажая показания компаса.

Болтанка, рысканье, продольные и поперечные крены самолета вызывают резкое снижение точности действия компаса. А именно в это время, как никогда, нужна исключительная точность его показаний.

Мысль о замене магнитного компаса другим, более надежным прибором возникала неоднократно у многих и очень давно.

Л. Фуко уже в 1852 г. теоретически показал возможность создания гироскопа, определяющего направление полуденной линии, линии север — юг, в любой точке Земли, т. е. гирокомпаса.

Чем объясняется такое, казалось бы, странное поведение гироскопа?

Мы уже говорили о том, что земной шар — это гигантский волчок. По правилу же, установленному Л. Фуко, ось гироскопа с двумя степенями свободы на вращающемся основании всегда устанавливается параллельно оси вращения этого основания. При этом направление вращения ротора совпадает с направлением вращения основания.

Значит, находясь с таким гироскопом на экваторе, мы заметим, что ось его установится по линии север — юг, то есть параллельно земной оси, причем направления вращения ротора и Земли совпадают.

В другом месте земного шара, не на экваторе, ось ротора нашего гироскопа будет отклоняться, направляясь одним концом на Полярную звезду. Чем ближе к полюсу, тем выше поднимается ось гироскопа, а непосредственно на полюсе ось его занимает вертикальное положение, что неудобно. Это неудобство вскоре было ликвидировано путем помещения гироскопа в подшипниках, прикрепленных горизонтально к поплавку, находящемуся, например, в сосуде с водой. Этим достигли того, что гироскоп неизменно устанавливался по линии север — юг (рис. 32), т. е. гироскоп использовался как гирокомпас.

Рис. 32. Принципиальная схема гирокомпаса.

Однако история создания гирокомпаса не так проста и легка.

От теоретического предположения Л. Фуко до практического претворения в жизнь его замечательной идеи прошел длительный период исканий и работ многих ученых, изобретателей и конструкторов. Постепенно, шаг за шагом решались отдельные элементы конструкции гирокомпаса.

Одним из серьезных препятствий для применения гироскопа в гирокомпасе было отсутствие источника энергии для вращения ротора с достаточной для этих целей скоростью. Обычно ротор приводили во вращение шнуром, накрученным на его ось. Но таким способом трудно получить достаточно большую скорость и длительность вращения.