Гироскопическое оборудование - прошлое и настоящее

ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ - ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ

Ковтун Валентин, Вильгельм Хегер, Игорь Тревого, Лина Чаплинская

Гироскоп, название которого можно перевести как «наблюдатель вращений», был предложен в 1852 году французским ученым Леоном Фуко для изобретенного им прибора, предназначенного для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Фуко поместил вращающийся маховик в некое устройство, называемое кардановым подвесом, поэтому долгое время слово «гироскоп» использовалось для обозначения быстро закрученного вращающегося симметричного твердого тела.
Развитие гироскопической техники привело к тому, что так стали называть очень широкий класс приборов, и сейчас термин «гироскоп» используется для обозначения устройств, содержащих материальный объект, который совершает быстрые периодические вращения.
В наше время ни одни геодезическо-маркшейдерские работы, ни один подвижный объект, будь это рыболовецкое судно или сложный космический корабль, не обходится без гироскопических приборов.
Основные области их применения — судоходство, авиация и космонавтика. Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами. В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами. Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые обеспечивают получение надежной информации для систем стабилизации и навигации. К ним относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота. На многих самолетах предусматрива ются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование: навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания. Помимо военно-воздушных и военно-морских сил, в армии гироскопы применяются в артиллерии и ракетных войсках.
А еще гироскопы служат для определения азимута ориентируемого направления и широко используются при проведении маркшейдерских, геодезических, топографических, горных работ, для ориентирования тоннелей, шахт, топографической привязки. Основной вид гироскопа в этой области — гиротеодолит, использующий принцип компаса Фуко.
Гиротеодолиты обладают высокой точностью — погрешности при измерениях составляют от единиц угловых минут до нескольких единиц угловых секунд. Даже в наши дни, когда GPS-оборудование вытесняет оптические геодезические приборы, без гиротеодолитов не обойтись. Ведь под землей глобальные навигационные системы на работают. Чтобы объяснить важность использования гироскопического ориентирования, стоит только упомянуть о том, что Евротоннель между Францией и Великобританией было бы невозможно построить без использования гироскопа.

История гироориентирования «до нашей эры»
История гироскопического метода ориентирования, который очень молод по сравнению с другими, уходит корнями в ХІХ век, когда у мореплавателей все чаще и чаще возникала потребность в более точном ориентировании во время пути.
До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, по Солнцу, звездам. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнитное поле Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на определении местоположения относительно положения звёзд.
В 1852 г. Фуко описал новый прибор и назвал его гироскопом. Этот прибор давал возможность воспроизвести инерциальную систему координат и определить направление оси вращения Земли.
Мореплаватели не всегда могли полностью доверять корабельным компасам. Например, были известны случаи, когда в корабль попадала молния и оба компаса на судне оказывались «перемагниченными». На показания компаса влияли магнитные аномалии и просто обычные металлические предметы, случайно оказавшиеся вблизи него.
Неожиданное решение предложил сам Фуко. Он доказал: если трехстепенный гироскоп лишить одной степени свободы, а оставшуюся свободной ось карда нова кольца установить вертикально, то ось враще ния маховика сама придет в плоскость меридиана. Произойдет это потому, что именно в плоскости ме ридиана лежит горизонтальная составляющая ско рости вращения Земли.
Итак, если магнитный компас использует для сво ей работы магнитное поле Земли, то гироскопиче ский компас использует эффект вращения Земли. Но когда прибор был установлен на палубе кора бля, обнаружилось странное явление: ось перестала приходить в устойчивое положение, она совершала непрерывные хаотичные колебания в горизонтальной плоскости. Это происходило из-за качки судна. Относительно хорошо переносил качку гироскоп с тремя степенями свободы, сохраняя неизменное направление оси вращения маховика в абсолютном пространстве, — это было известно многим уче ным и инженерам. Но как «привязать» ось враще ния маховика к плоскости земного меридиана, было неясно.
Счастливая мысль — специально вызвать пре цессию оси вращения маховика, заставив ее прийти в плоскость меридиана, а затем, оставаясь в этой пло скости, вращаться вместе с ней в абсолютном про странстве — впервые пришла в голову голландскому священнику (!) Максиму Геррарду Ван ден Босу. В 1886 г. он получил патент по заявке, озаглавленной «Новый корабельный компас»1.
Предложение Ван ден Боса было предельно про сто. В трехстепенном гироскопе Фуко центр масс со впадал с точкой пересечения осей карданова подвеса и оси собственного вращения маховика. Ван ден Бос предложил опустить центр масс гироскопа несколько ниже оси внутреннего кольца карданова подвеса. Это и стало решением проблемы.
Постепенно усилиями многих ученых, инженеров и технологов гироскопические приборы были значи тельно усовершенствованы.
Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и под держания движения гироскопа.
Гироскоп был применён в 1880-х годах инжене ром Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и на подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Первый этап: с корабля в шахту
Чтобы создать гироскопы современного типа, по надобилось не одно десятилетие. В ХХ веке потреб ность в точных измерениях все больше возрастала. Развивались не только армия и флот, но и угледобыча, горнорудная промышленность, транспорт, строились шахты, тоннели. Были предприняты попытки раз работать гироскопический компас, который смог бы удовлетворить потребности маркшейдерского произ водства для обеспечения точности подземных сбоек. Как и в любой отрасли, изобретатели потерпели множество неудач, прежде чем создали надежный и удобный прибор. Сразу же сконструировать идеаль ный гироскоп, конечно же, не получилось. Кроме того, проблема исторического развития гироскопического оборудования состоит в том, что изначально при соз дании гироскопов преследовались другие цели. Это были приборы прежде всего для флота и для армии (преимущественно артиллерии). Но благодаря моря кам геодезисты получили гирокомпас и гиросекстант, а благодаря артиллеристам — гиробуссоль.
После создания в 1919-1921 гг. немецким учёным механиком Максимилианом Шулером, сотрудником фирмы «Аншютц» (Anschutz), первого наземного ги рокомпаса и усовершенствования его в 1924-1925 гг. исследования в этой области были приостановлены, так как не дали положительных результатов.
В то же время в СССР в 30-х годах также прово дились исследования по созданию гирокомпасов, а в 1936 году в Ленинградском институте точной меха ники и оптики (ЛИТМО) на факультете точной меха ники были открыты две новые кафедры: навигацион ных приборов и счетно-решающих приборов. Были разработаны опытные образцы гиркомпаса и гиро буссоли, но они оказались абсолютно неприменимы в геодезии и маркшейдерии.
И лишь после Второй мировой войны обе стра ны — СССР и теперь уже ФРГ — вернулись к идее создания «наземного» гироскопа. В СССР все ра боты были сосредоточены во Всесоюзном научно- исследовательском маркшейдерском институте (ВНИМИ) под руководством П.Л. Ильина, а в ФРГ аналогичные работы проводились в Кляустальской горной академии под руководством профессора О.Релленсмана.
Наконец в 1950 г. был выпущен советский марк шейдерский гирокомпас М-1. Приблизительно в это же время в ФРГ независимо сконструировали похо жий прибор — показатель меридиана MW1 (Meridian Weiser). Создание первых маркшейдерских гироско пов положило начало практического использования в геодезии и в маркшейдерском деле метода гироско пического ориентирования.
Это был большой прорыв не только в теории, но и в практике. Ведь с помощью М-1 было произведено более пятидесяти ориентирований шахт в Донбассе, Кривом Роге и Кузбассе. Ученые и инженеры начали работать с удвоенным энтузиазмом и на протяжении нескольких лет инженеры обеих стран разработали и усовершенствовали несколько моделей (М-3 и МУГ-2, W2B), которые в дальнейшем использовались на практике. С их помощью обнаружили отклонения в ориентировании некоторых шахт.
На этом закончился первый этап создания ги роскопических приборов. И хотя они имели ряд не достатков — громоздкость, огромную массу (около 500-600 кг), большие энергозатраты, но окончательно утвердили веру в гироскопический метод как в надеж ный метод геодезических и маркшейдерских работ.

Второй этап развития: портативность и мобильность
Новая эра в гироскопическом ориентировании ознаменовалась созданием советскими учёными в 1956 г. гирокомпаса нового типа МГ (малый горный), вес которого составлял всего лишь 10 кг. Этот гиро компас как раз и послужил базисом для разработ ки современных малогабаритных гироскопических устройств. Промежуточная цель — разработать пор тативный и транспортабельный прибор — была до стигнута. Такой «лёгкий» гирокомпас позволял про водить измерения в недоступных ранее условиях. В 1957 г. завершились работы по конструирова нию первой модели прибора во взрывобезопасном исполнении — маркшейдерского гирокомпаса МВ1 (потом — МВ2). По аналогичной схеме был создан пе реносной маркшейдерский гирокомпас во взрывобе зопасном исполнении МВ2М с полупроводниковым преобразователем.
В ФРГ, в отличие от СССР, в этот период был раз работан гирокомпас с торсионным подвесом ЧЭ. Эта конструкция оказалась очень удачной, так как обе спечивала высокую точность и продуктивность из мерения гироскопического азимута при малом весе, габаритах и затратах энергии.
В 1957 г. завершилась разработка модели марк шейдерского гирокомпаса с торсионным подвесом MW4. В 1958 г. фирмой Fennel выпущен торсионный гиротеодолит КТ-1 (Kreiseltheodolit), а в дальней шем — усовершенствованные модели КТ-2, MW10, MW7, MW50, MW77 и гиронасадки TK-4, TK-5.
С началом 60-х гг. в СССР тоже принялись за кон струирование торсионного гирокомпаса, который был выпущен в 1963 г. под маркой МТ1. А в 1967 г. закончились работы над малогабаритным компа сом МВТ2, представляющим собой первый образец взрывобезопасного маркшейдерского гирокомпаса с торсионным подвесом чувствительного элемента. Обе модели способствовали достижению более высо кой точности измерения гироазимутов, а МВТ2 стал самым массовым маркшейдерским гирокомпасом на протяжении более двадцати лет.
МВТ2 был прибором с автоматической системой слежения за положением точек риверсии, предна значенным для автономного определения азимута направления с погрешностью 30''. При этом время, необходимое для одного определения азимута при четырех точках риверсии, составляло 20-30 минут. В дальнейшем конструкторы работали над усовер шенствованием переносных гирокомпасов с торсион- ным подвесом: в 1970 г. был создан гирокомпас МТВ4, а в 1975 г. — гиробуссоль, в которых все необходимые для работы компоненты (гироблок, измерительный блок и блок питания) были объединены в один блок.

Третий этап развития: гиротеодолиты — значительное усовершенствование
В Советском Союзе и странах СЭВ потребность в гироскопическом оборудовании возрастала: стро ились новые шахты, метро в Москве, Ленинграде, Гирокомпас на корабле британских ВМС. 80-е годы Киеве, Минске, железнодорожные тоннели, крупные гидроузлы. В этих приборах также нуждались ракет ные войска и артиллерия. Мировой рынок геодези ческого и маркшейдерского оборудования тоже стре мительно расширялся.
В 1959 г. на базе маркшейдерского гирокомпаса МГ в СССР был создан первый образец действующего наземного артиллерийского гирокомпаса (под шиф ром АГ) и первая модель геодезического гирокомпаса (гиротеодолит ГТ-1, позже — ГТ-2).
Вскоре к разработкам гиротеодолитов приступи ли специалисты из Венгрии, которые в 60-х годах соз дали гиротеодолит Gi-B1, гиронасадки Gi-C1, Gi-C2 и гирокомпас Gi-B2. На базе последнего венгерские ин женеры сконструировали гиротеодолит Gi-B21, име ющий автоматическую фиксацию и высвечивающий на световом табло результаты измерений, а в 1978 г. — гиротеодолит Gi-B2М, затем Gi-B3. Выпуском при боров занимался Венгерский оптико-механический комбинат (МОМ).
Прибор Gi-B2М состоял из трех основных узлов: угломерной части, гироскопа и блока электропи тания. Угломерная часть — модернизированный теодолит Те-В1 со встроенной автоколлимацион ной системой — был предназначен для измерения углов и наблюдения точек риверсии гармониче ских колебаний чувствительного элемента. Датчи ком направления меридиана являлся маятниковый гироскоп с торсионным подвесом чувствительного элемента.
Интересно, что 1975 г. канадская фирма «Джимо» усовершенствовала приборы МОМ, автоматизировав снятие информации на Gi-B1, используя при этом временной способ определения положения колеба ний чувствительного элемента.
Выпуск гиротеодолитов освоили также в ГДР, где в 1963 г. Народным предприятием точной механики совместно с Фрайбергской горной академией был сконструирован маркшейдерский гирокомпас, на званный Гироскопическим указателем меридиана МRК1. В дальнейшем предприятие выпустило усо вершенствованную модель — указатель меридиана МRК2.
В ФРГ в это время занимались разработкой ар тиллерийского компаса, модель которого «Girolit II» была создана фирмой «Аншютц» (Anschutz) и исполь зовалась в армиях западноевропейских стран. Фир ма «Бодензееверк» (Bodenseewerk) сконструировала в 1973 г. быстродействующий маятниковый указатель меридиана МК-10 (Meridiankreisel — «меридианоука затель»). Направление на север определялось по элек трическому сигналу, вырабатываемому датчиком моментов и пропорциональному отклонению оси ги роскопа от плоскости меридиана.
Фирма «Тельдикс» 1974 г. сконструировала авто матический гирокомпас NSK (North Suchen Kreisel — «искатель севера». Сейчас этот принцип применя ется в гиронасадках SOKKIA). В качестве датчика направления плоскости меридиана был использо ван двухстепенный гироскоп в газостатическом подвесе.
В США созданием теодолитов занималась фирма «Лир-Сиглер». Её инженерами было сконструирова но несколько моделей для армии США, из которых в серийное производство вышел лёгкий геодезический гиротеодолит «Алинэ» с точностью ±25''. Начинается разработка гиротеодолита с точностью ±5'' и прибо ра, объединяющего искатель меридиана и лазерный дальномер.
В Швейцарии изготовлением гироскопической насадки GAK1 и гиробуссоли ARK1 и ARC2 в 60-х за нималась фирма Wild (Wild Heerbrugg — прародитель Leica Geosystems).
В конце 80-х годов ХХ в. ВНИМИ выполнены разработ ки маркшейдерских гирокомпа сов «Меридиан-1» и МВЦ4, ба зировавшихся на синхронном гистерезисном гиромоторе (ГМ) с перевозбуждением, который яв ляется наиболее экономичным по энергопотреблению из всех ранее применявшихся (это позволило исключить приборную поправку гирокомпаса и существенно по высило производительность работ по гироскопическому ориентиро ванию).
Первым отечественным взры вобезопасным гирокомпасом, в котором автоматизирован процесс определения гироскопического азимута ориентируемой стороны, стал маркшейдерский гирокомпас МВЦ4. Вычисление гироскопиче ского азимута в устройстве произ водилось автоматически по сигна лам от цифрового датчика угла в течение одного периода прецесси онных колебаний, а результат вы водился на цифровое табло. Но ги рокомпасы МВЦ4 и «Меридиан-1» не выпускались серийно.
Также необходимо отметить разработки украинских ученых Киевского завода «Арсенал» — ав томатизированные высокоточные гиротеодолиты серии GT и UGT, которые применялись для опреде ления астрономических азиму тов ориентирных направлений в геодезии, строительстве, а также в вооруженных силах.

Современная эра гироскопического оборудования
В дальнейшем возникла по требность в совершенствовании и развитии высокоточных цифро вых гирокомпасов, не требующих регулярного определения прибор ной поправки, с одной стороны, и разработке гироприборов техни ческой точности, небольших раз меров, отличающихся простотой изготовления и эксплуатации, с другой.
C этого момента начинает ся использование современной элементной базы: синхронного гистерезисного гиромотора с тор цевой зеркальной поверхностью, микропроцессора для обработ ки измерительной информации, цифрового угломера и др. К новым приборам предъявляются и повы шенные требования: высокая точ ность, минимум затрат времени на измерения, простота и удобство в обслуживании.
Впрочем, с внедрением во все сферы деятельности спутниковой системы определения координат на земной поверхности (GPS) от гироскопических разработок сра зу же отказались военные, оценив простоту GPS. Это повлекло за собой остановку разработок и в гражданской сфере. Популярность гироориентирования значительно упала, гироприборы перестали ис пользовать для наземных работ, а соответственно — и выпускать.
Но для проведения маркшей дерских работ гироскопический метод ориентирования остался основным и надёжным способом, обеспечивающим точность в под земных условиях. Поэтому в наше время при рзработке гироскопи ческих приборов учитываются прежде всего требования марк шейдерских служб. Гироприборы технической точности со средней квадратической ошибкой (СКО) определения азимута стороны 2-3' применяются в сложных горно-геологических условиях, в том числе при ориентировании шахтных выработок. С помощью гиротеодолитов c СКО определе ния азимута 3-10'' была осущест влена сбойка 50-километровго Евротоннеля под проливом Ла Манш, соединившего Англию с Францией.
История развития гирообору- дования постепенно эволюциони ровала к своей основной цели — созданию таких гироскопических приборов, которые обеспечивали бы надёжность и точность в слож ных подземных условиях при про ведении маркшейдерских работ.
Сегодня основными произво- дителями гироскопических при боров являются Германия и Япо ния. В Японии фирма SOKKIA выпускает гиронасадки типа GP1, принцип действия которых осно ван на свойстве подвешенного ги ромаятника совершать колебания относительно земного меридиа на («истинного направления на cевер»), которые вызываются вра щением Земли. Этот принцип на зывается North Seeking Gyroscope. Определение направления на cевер производится с СКО = ±20'' на широтах до 75°. Масса гиропри ставки, которая устанавливается сверху на электронный теодолит или тахеометр, составляет всего 3,8 кг.
Немецкая фирма DMT, за нимающаяся производством гироприборов, известна создани ем GYROMAT-2000 — «золотого стандарта» для геодезическо маркшейдерских измерений при сбойке тоннелей. С момента вы хода на рынок и по сей день ин женеры всего мира называют GYROMAT-2000 самым лучшим гироскопом, полностью автомати зированным и обладающим пре восходными характеристиками. С помощью этой системы были выполнены уникальные проход ки тоннеля под Ла-Маншем. Ни один созданный до этого гиро скоп не обеспечивал такой точ ности и быстроты измерений. Можно смело заявить, что без GYROMAT-2000 не существовало бы и Евротоннеля.
Единственный недостаток этой системы — ее цена. Стоимость та кой системы в пять раз превыша ет стоимость GYROMAX АК-2М фирмы GMТ, о которой пойдет речь ниже, и не всегда оправды вает затраты. Особенно это ак туально в украинских условиях, где большинство предприятий, занимающихся геодезическими работами, не смогут приобрести столь дорогостоящее оборудова ние. И даже если чудо всё-таки свершится, при нынешнем объ еме заказов вложения в систему будут очень долго окупаться, если окупятся вообще. Хотя во многих странах Европы, Азии и даже Аф рики есть по несколько приборов GYROMAT.
Недавно фирма DMT выпусти ла оборудование нового поколе ния — GYROMAT-3000 — усовер шенствованный вариант системы на основе гиротеодолита, позво ляющий проводить геодезические работы с наиболее высокой точно стью и быстротой. GYROMAT-3000, как и GYROMAT-2000, использует ся для работ при строительстве крупных тоннелей. Этот прибор уже востребован крупнейшими горными и тоннелестроительны ми компаниями.
Немецкая фирма GMT (GeoMessTechnik), руководимая профессором Вильгельмом Хеге ром (Wilhelm Heger), создала из вестную технологию GYROMAX.
GYROMAX AK-2M — гироскопи ческая насадка, которая работает на базе электронных тахеометров ведущих мирових производителей геодезического оборудования — Leica, Topcon, Trimble, Zeiss и дру гих.
Технические характеристики, приведенные в та блице, позволяют говорить о GYROMAX AK-2M как о приборе с высокой точностью измерений, необходи мой при работе в подземных условиях. Длительность измерения, составляющая 15 минут, позволяет бы стро проводить гироскопическое ориентирование, получая при этом качественный результат. Благода ря небольшому весу и размерам гиронасадка удобн как при транспортировании, так и при перемещении во время работы в тоннелях. Минимальные затраты энергии также способствуют использованию гиро насадки GYROMAX AK-2M даже в самых сложных условиях.
При этом гиронасадка GYROMAX AK-2M ещё и очень проста в использовании.
Тоннелестроительные работы требуют точности в измерении азимута, ведь сооружение тоннелей часто ведётся на отдельных, не связанных между собой участках. С применением насадки GYROMAX стало возможным выполнять работы без риска не стыковки тоннелей и остановки горнопроходче ских работ.
Вывод данных на компьютер или КПК происхо дит через кабель или Bluetooth (IEEE 802.15.1). К су щественным преимуществам гироскопа GYROMAX АК-2М относятся также встроенный телескоп, амор тизатор, пульт дистанционного управления, а также то, что прибор адаптирован к теодолитам и тахеоме трам всех известных фирм-производителей. Среди современных гироскопических технологий решение от GYROMAX занимает далеко не последнее место, а если судить по соотношению цены и качества, то с уверенностью можно дать и первое.
Подытоживая сказанное, нужно отметить, что современное гироскопическое оборудование отли чают высокая точность измерений и удобство в ис пользовании, современные приборы стали во много раз компактнее и легче. На данный момент разра ботано несколько десятков приборов, с помощью которых можно проводить гироскопическое ориен тирование в самых сложных условиях. И хотя при съёмке и навигации на поверхности сейчас в основ ном используются спутниковые методы (хотя пере ход на GPS произошел совсем недавно), в маркшей дерском деле — при строительстве тоннелей, шахт, коллекторов и других подземных объектов — без гиросокопов не обойтись. Ведь под землей GPS про сто не функционирует.
Кроме того, некоторые военные склонны счи тать, что GPS может отказать в работе в случае во енных действий. Или США как оператор глобальной навигационной системы может значительно огра ничить использование сигналов в период военных действий. И только с помощью гироскопических приборов инженеры способны будут осуществить сбойку тоннелей, а военные — правильно вычис лить направление.
Поэтому фирмы Германии, Японии, Швейцарии и других стран продолжают создавать гироскопиче ское геодезическое оборудование.
В числе этих компаний — и GeoMess Technik Heger, которая ведет разработку новой модели ги роскопической насадки GYROMAХ с повышенной точностью определения азимута. Выпуск такой гироскопической насадки ожидается в 2011 году.