Історія створення гіроскопів і гіроскопічних приладів

У Пермському музеї науки і техніки ВАТ «ПНППК» у рамках циклу щотижневих просвітницьких зустрічей відбулася бесіда з доцентом ПДПІУ Миколаєвим Юрієм Костянтиновичем про історію створення гіроскопа та гіроскопічних приладів.

ДОВІДКА

Автор і ведучий: Миколаїв Юрій Костянтинович, доцент ПДПІУ, дійсний член Міжнародної туристичної академії, член геральдічної комісії при губернаторі Пермського краю, член спілки журналістів України, голова Пермського відділення Всеукраїнського геральдичного товариства, член спілки геральдистів України.

гіроскопічних

приладів

Найраніша згадка цього пристрою в китайській літературі відноситься до 140 до н.е. Передбачуваним винахідником пристрою є Фан Фен. Підвіс Фан Фена застосовувався в масляних лампах, в яких лампадка кріпилася на кільцях, скріплених у двох протилежних точках, що дозволяло зберігати вертикальне положення. Принцип цього пристрою незабаром забуто. У творі «Всебічні записки західної столиці», виданому 189 р., повідомляється, що творцем «курительки для ліжка» із застосуванням особливого підвісу був Дін Хуань. Після цього карданів підвіс часто застосовувався у різних пристроях. Починаючи з епохи Сун, за допомогою карданова підвісу кріпилося сидіння імператора на паланкіні, що дозволяло сидіти йому вертикально, навіть якщо носії нахиляли паланкин. У 1852 році французький учений Фуко удосконалив гіроскоп і вперше використовував його як прилад, що показує зміну напрямку, через рік після винаходу маятника Фуко, також заснованого на збереженні обертального моменту. Саме Фуко вигадав назву «гіроскоп». Фуко, як і Боненбергер, використовував карданів підвіс. Перевагою гіроскопа перед більш давніми приладами є те,що він правильно працює у складних умовах (погана видимість, тряска, електромагнітні перешкоди). Проте гіроскоп швидко зупинявся через тертя. У другій половині ХІХ століття Труве запропонував використовувати електродвигун для розгону та підтримки руху гіроскопа. Вперше на практиці гіроскоп був застосований в 1896 австрійським інженером Л. Обрі для стабілізації курсу торпеди. Наступне застосування гіроскопа в техніці відноситься до морської справи. Гіроскоп використовували для розробки морського покажчика курсу – гирокомпаса. Прототип сучасного гірокомпасу першим створив Герман Аншютц-Кемпфе (запатентований у 1908), незабаром подібний прилад побудував американський інженер Е. Сперрі (запатентований у 1911). Історія винаходу гірокомпаса така: німецький інженер Герман Аншютц-Кемпфе запропонував проект експедиції підводного човна на північний полюс Землі. Для орієнтації підводного човна був необхідний пристрій для вказівки курсу. Магнітний компас використовувати не можна було, оскільки у високих широтах він не працює через великі обурення магнітного поля Землі. На той час були відомі роботи французького інженера Артура Кребса (1889 р.), який під час проведення експериментів на підводному човні запропонував зміщувати центр тяжкості гіроскопа з горизонтальним розташуванням осі обертання по вертикалі , що означало винахід морського маятникового гирокомпаса. Експедиція до північного полюса Землі не відбулася, але Г. Аншютц-Кемпфе було запропоновано дуже вдалу конструктивну схему морського гірокомпасу. У наступні роки розроблялося безліч гірокомпас різних модифікацій, але найбільш вдалі з них принципово майже не відрізнялися від пристроїв Аншютца і Сперрі. Е. Сперрі намагався оскаржити у Г.Аншютца-Кемпфе пріоритет винаходу гірокомпаса у суді, але справу програв.Головним експертом у цій судовій справі був Альберт Ейнштейн, який став на бік Аншютца-Кемпфе. Морські гірокомпаси сучасної конструкції значно вдосконалені порівняно з першими моделями; вони відрізняються високою точністю та надійністю та зручніше в експлуатації. У XX столітті гіроскопи стали використовуватися в літаках, ракетах та підводних човнах. українська авіація не лише не відставала від зарубіжних країн у справі використання гіроскопічних приладів на літаку, а й часто була піонером їх впровадження. Так, наприклад, 1917 р. українські льотчики О.М. Журавченко та Г.М. Алехнович здійснили на літаку «Ілля Муромець» сліпий політ, витримуючи прямолінійний курс у заданому напрямку за гіроскопічним покажчиком поворотів. Цей прилад розроблений П.П. Шиловським спеціально для авіації, дозволив провести літак за наперед наміченим курсом за повної відсутності видимості земних орієнтирів. Роботи радянських вчених О.М. Крилова, Б.В. Булгакова, С.С. Тихменєва, Г.В. Коренєва, А.Р. Боніна, Г.О. Фрідлен-дера та багатьох інших у співдружності з видатними конструкторами Є.Ф. Антіповим, Є.В. Ольманом, Р.Г. Чичикяном, А.І. Марковим та іншими талановитими інженерами забезпечили оснащення радянської авіації високоякісними гіроскопічними приладами. У двадцятих роках XX століття на додаток до покажчика поворотів створюються авіаційні гіроскопічні покажчики, курсу та горизонту, які стали нині обов'язковими навігаційними приладами літака будь-якого типу. На початку 30-х років радянські конструктори Д.А. Браславський, М.М. Качкачян та М.Г. Ейлькінд першими у світі розробили, побудували і випробували гіромагнітний компас, який на даний час набув широкого поширення в авіації всіх країн світу. Ідею визначення розташування об'єкта здопомогою дворазового інтегрування за часом проекцій вектора прискорення, що вимірюється на борту, запатентував Рейнгард Вуссов у 1905 році. І тому він запропонував помістити на об'єкті акселерометр, вісь чутливості якого стабілізувалася з допомогою вільного гіроскопа. Зазначена заявка у своїй основі містила ідею методу навігації, надалі названого інерційним. Суть цього методу полягає у визначенні координат об'єкта за допомогою розташованих на ньому гіроскопів, маятників (акселерометрів) і годинника без використання під час руху сторонньої інформації. Крім того, практично одночасно з Вусовим були запатентовані ідеї американського та українського винахідників М. Керрі (1903 р.) та В.В. Алексєєва (1911 р.) інерційних систем геометричного типу, які повинні забезпечувати визначення координат об'єкта, що рухається на поверхні земної кулі, що обертається. У 30-ті роки XX століття було сформульовано основні засади інерційної навігації. Історію інерційної навігації в нашій країні прийнято починати з моменту розробки в 1932 авіаційної приладової вертикалі з інтегральною корекцією, що не обурюється горизонтальними силами інерції. Надалі ідею цієї розробки стали називати схемою Л.М. Кофмана та Є.Б. Левенталь. Відповідно до цієї схеми гіроплатформа з жорстко пов'язаними з нею двома ньютонометрами (акселерометрами) керувалася сигналами, пропорційними інтегралам від показань ньютонометрів, причому коефіцієнт пропорційності вибирався так, щоб виконували умови незворушності. Як легко показати такий пристрій є моделлю маятника Шулера. Воно послужило прообразом інерційних навігаційних систем з платформою, що горизонтується. Слід зазначити, що схема, близька до схеми Кофмана-Левенталя, була запропонована в Німеччині у 1934 р.році Йоганном Бойковим. У роки Другої світової війни у ​​Німеччині було створено перші гіроскопічні ракетні прилади. Система гіроскопічних приладів ракети Фау-2, що складається з гіророризонту, гіровертиканта та гіроскопічного датчика регулювання швидкості польоту, стала класичною системою гіроприладів у ракетній техніці, яка не втратила своєї актуальності і зараз.

Література.

1. Johann G. F. Bohnenberger (1817) "Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren" ("Опис машини для пояснення законів") Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, vol. 3, pages 72-83. В інтернеті: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf

2. Simeon-Denis Poisson (1813) "Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans" ("Стаття про особливий випадок обертального руху масивних тіл"), Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, pages 247-262. В інтернеті: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf

4.Walter R. Johnson (January 1832) "Зображення про апарат називається ротаскопом для масштабування феномену і ілюстрації певних прав рокового руху," The American Journal of Science and Art, 1st series, vol. 21, no. 2, pages 265-280. В інтернеті: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html

5. Illustrations of Walter R. Johnson's gyroscope («rotascope») appear in: Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution…. (Washington, DC: Cornelius Wendell, 1856), pages 177-178. В інтернеті:http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html

6. Вагнер Дж. Ф. «Машина Боненбергера», Інститут навігації. В Інтернеті: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24

7. Л. Фуко (1852) "Sur les phénomenas d'orientation des corps tournants entrainements par un ax fixe à la surface de la terre", Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences (Paris), vol. 35, сторінки 424-427. В Інтернеті: http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html. Прокрутіть униз до "Sur les phénomènes d'orientation..."

8. (1) Юліус Плюккер (вересень 1853) «Про обертальну машину Фесселя», Annalen der Physik, том. 166, вип. 9, сторінки 174-177; (2) Юліус Плюккер (жовтень 1853) «Ще одне слово про обертальну машину Фесселя», Annalen der Physik, том. 166, вип. 10, сторінки 348-351; (3) Чарльз Вітстон (1864) «Про гіроскоп Фесселя», Праці Лондонського королівського товариства, том. 7, сторінки 43-48.