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陀螺罗经

来源:海军百科 时间:2017-06-23 00:00:01

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陀螺罗经

根据陀螺仪的定轴性和旋进性,利用地球自转和重力,借助控制设备,使陀螺转轴(主轴)能自动找北指北的导航仪器。俗称电罗经。广义上还包括平台罗经。用于指示舰船航向和纵倾角、横倾角、观测目标方位和向有关部位及设备提供航向、纵横倾角等信息。陀螺罗经结构精密,虽启动找北时间较长(一般要1~4小时),但工作不受铁磁干扰,指向精度高,使用方便。是当代舰船上普遍装备、保证航行和作战的重要导航设备。

历史沿革 陀螺罗经在20世纪初问世,几经改进,至今技术已相当成熟,种类繁多,应用广泛。早在1852年,法国物理学家L.傅科首先提出把陀螺在高速旋转时的特性和地球自转联系起来制作指向仪器的设想,并做了实验。到19世纪后期,钢铁舰船大量出现,传统的磁罗经很难再准确指向。以傅科的理论为基础,德国的H.安休茨、美国的E.A.斯佩里和英国的S.G.布朗分别于1908年、1911年和1916年相继制成首批可供航海实用的陀螺罗经,并分别以他们各自的姓氏命名,构造上各有差异。1923年,德国教授M.舒勒发表了《运载体的加速度对摆和陀螺仪的干扰》一文,系统地提出了消除舰船加速度对陀螺罗经影响的非周期过渡条件(即陀螺的自由振荡周期须保持在84.4分钟)后,使陀螺罗经的理论和应用进一步得到充实与完善。上述三种罗经在实用中逐步形成三大不同系列。“安休茨”系列罗经的基本特点是采用由双转子构成的陀螺球,用液体支承悬浮,液体导电和下重式控制。除安休茨本型外,典型品种还有苏联的“航向”型与“灯塔”型,日本的“北辰-普拉特”型,意大利的“天狼星”型和中国的“航海”型等。“斯佩里”系列罗经的基本特点是采用由钢丝悬吊的单转子陀螺仪,软线导电,水银或氟油连通器上重式控制。典型品种有美国的“斯佩里MK-14”型,日本的TG型和ES型等。“布朗”系列罗经后发展为“阿玛-布朗”罗经,由美国的阿玛公司和英国的布朗公司联合研制,对传统的陀螺罗经技术有较多的革新,基本特点是用单转子陀螺球,由电磁摆和力矩器控制,氟油支承,扭丝定位。典型品种有“阿玛-布朗10”型,苏联的“韦加”型和中国的DH型、CLP型等。1949年,美国斯佩里公司又领先制成了能在舰船上同时提供方向和水平两个基准的平台罗经,定名为MK-19型平台罗经。

分类 三大系列罗经总体上还有4种分类法:①按陀螺结构方案,分为双转子和单转子两类。“安休茨”系列均为双转子罗经;“斯佩里”和“阿玛一布朗”系列都是单转子罗经。双转子罗经核心部件陀螺球的结构较复杂,球内有两个高速旋转的转子,可有效地消减摇摆误差。找北指北原理与单转子类同。在20世纪40年代以前,陀螺罗经仅此一种分类法。②按控制找北指北力矩的产生方式,分为机械摆式和电磁控制式两类。“安休茨”和“斯佩里”两系列均属机械摆式罗经,结构简单,使用可靠。但有很难消除由舰船加速而引起的冲击误差;在75°~80°以上的高纬度地区失去指向作用;启动找北到稳定指北时间过长等缺陷。电磁控制式罗经简称电控罗经。于20世纪50年代前后问世,发展了陀螺罗经的传统理论与技术,采用电磁摆和力矩器控制陀螺找北指北,使控制更为灵活,在相当程度上克服了机械摆式罗经的不足。阿玛-布朗系列罗经都是电控罗经。③按工作状态,分为单态罗经和双态罗经。单态罗经启动后,仪器能自行找北指北,一般情况下指向稳定可靠。双态罗经具有罗经和方位陀螺仪两种工作状态可视情转换选用。部分军用电控罗经属双态罗经。方位陀螺仪状态简称方位仪状态,启动稳定时间更短(只需数分钟)。完全没有冲击误差,且高纬度地区也可保持指向,但仪器自身没有找北能力,启动时须靠人为设定指向,指向误差还会随时间而积累,需要定时校正。④按指向功能,分为指北罗经和平台罗经。现有一般罗经都只是指北罗经,仅能提供方向基准。平台罗经还提供水平基准,可输出舰船航向及纵、横倾角即三维姿态信息,能较好地控制稳定舰船上各种雷达天线和各类武器的瞄向不受偏航、摇摆的影响,提高观测效率和武器攻击命中率,进一步满足军事需要。各型平台罗经均采用电控方式、且多数都是双态罗经。部分新型平台罗经又增设了短时间的简易惯性导航工作状态。

组成和工作原理 各型陀螺罗经通常都由主罗经和附属仪器两大部分组成。主罗经是找北指北的主体部件,核心部分是带有控制找北指北设备的陀螺仪,转速可高达每分钟数万转,另有随动部分和罗经座等。附属仪器包括电源变换器、控制箱、放大发送箱、航海操纵箱和若干个分罗经等,是保证主罗经正常工作和能准确及时向外传送航向信息的必需设备。各类舰船主甲板下较安全、稳定的部位常专设有罗经室,集中安装主罗经和有关附属仪器,便于统一管理使用。一些小型陀螺罗经的主罗经也有直接装在驾驶室内或与自动操舵仪配套安装的。为了减少陀螺罗经的全套部件数,部分附属仪器也可与主罗经组装成一体。主罗经一般可带8~20个分罗经和航向接收机,用以复示航向,观测目标方位和向有关部位输送航向信息。在一些大中型作战舰艇上,平台罗经可输出多达100路以上的信号,以保证全舰指挥控制系统、观通与火控设备等配套工作的需要。陀螺罗经基本工作原理,以电磁控制式罗经为例(见图),核心部件是中心与重心重合并高速旋转的两自由度陀螺仪,因地球自转,主轴北端相对子午面和地平面会产生偏离和倾斜,用装在陀螺壳上的电磁摆来敏感主轴这种运动,输出相应的电信号(摆信号)。摆信号由控制放大器放大,再经变比调节器按一定比例分配给水平力矩器和垂直力矩器,对陀螺施加相应的力矩,控制主轴自行找北并稳定指北。变比调节器可根据不同需要调节向两个力矩器输送电流的分配比例,以利于罗经在启动时能快速找北,航行中又可少受干扰而较稳定地指北。机械摆式罗经与电磁控制式罗经的基本工作原理类同。但用机械摆来控制陀螺找北指北,对陀螺施加两个力矩的比例不能视情调节,启动指北时间相对较长。

电磁控制式罗经工作原理图

误差 陀螺罗经主要有纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差和基线误差。①纬度误差,是“斯佩里”和“阿玛-布朗”两系列罗经构造上的原因而特有的一种结构误差。误差的大小和方向随纬度而变。②速度误差,亦称速度自差。是各系列罗经都有的一种原理误差,大小和方向取决于舰船的速度、航向和所在地纬度,而与罗经的结构参数无关。纬度误差和速度误差均可按其变化规律,用移动罗经基线、反调刻度盘、力矩补偿或查表法等予以修正。③冲击误差,是由于舰船航行中加速度而引起,可用设计好罗经的构造参数,使其自由振荡周期为84.4分钟(非周期过渡条件)或短时间切断电磁摆的办法来消除。多数机械摆式罗经只能在某一纬度上满足非周期过渡条件,这一特定纬度称为设计纬度。中国的“航海-Ⅰ”型罗经设计纬度为60°,在其余纬度上航行时均会有冲击误差。中国的“航海-Ⅲ”型和苏联的“灯塔”型等罗经由于结构上的改进,可在纬度20°~80°较广阔的海域内保持罗经的自由振荡周期为84.4分钟,从而消除冲击误差,进一步满足军用要求。这类罗经统称为非周期罗经。④摇摆误差,是舰船在风浪中摇摆而引起,各型罗经均有消减这一误差的装置,使用中一般可不再考虑。⑤基线误差,是由于主罗经或分罗经的基线安装不当而引起的一种固定误差,经测定后可采用转动主罗经或分罗经基座,使基线与舰首尾线平行的办法来校正。在平静海面上,舰船恒向恒速航行时,经校正各误差后陀螺罗经的剩余误差一般不大于±1°,军用陀螺罗经的指向精度还要高一些。平台罗经可达到几个角分的要求。

发展趋势 主要是进一步提高可靠性,延长寿命,减小体积,降低价格以及简化日常使用维护等。在技术改进上,革新核心部件陀螺仪的质量及支承方式,如采用结构简单、性能更好的挠性陀螺等;广泛采用当代各种新技术和先进工艺,如电源设备用静止型逆变器代替旋转式变流机组,用集成电子元件代替分立元件,提高元部件的互换性和使报警系统及故障自检手段更加完善等;陀螺罗经与电子计算机配套,扩展导航功能和信息输出形式,结合其他导航手段组成综合导航系统,进一步实现导航、定位自动化等。一种以新颖激光陀螺代替传统转子陀螺仪的激光陀螺平台罗经已在积极研制并逐步完善中。

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