Как на море раньше определяли, где север? В ясную погоду ночью ориентировались на Полярную звезду, а днём — на движение Солнца. Либо использовали компас — тоже полезный инструмент, с поправкой на то, что магнитный и истинный север не совпадают.
Но что делать на подводной лодке? Стальной корпус и электрооборудование мешают ориентированию по компасу. А регулярно всплывать, чтобы сверяться с небом, — сомнительное решение.
С конца XIX века инженеры были буквально одержимы поисками прибора, способного снять эту проблему. В итоге к ней пришли два изобретателя, между которыми вспыхнул патентный спор. А арбитром в нём неожиданно выступил автор теории относительности.
Как работает гирокомпас
Разберём принцип действия максимально просто. Для тех, кто хочет углубиться, ниже будут ссылки на подробные описания. Если же вы уже знакомы с работой гирокомпаса, этот раздел можно пропустить.
Ключевой элемент гирокомпаса — гироскоп. Эти устройства часто путают, но задачи у них разные. Гирокомпас используется для ориентации на истинный север — направление на географический Северный полюс. Гироскоп же предназначен для сохранения заданного направления и лежит в основе систем стабилизации и автопилотов.
Гироскоп представляет собой вращающееся колесо или ротор, установленный в кардановом подвесе — системе шарнирных опор, позволяющих конструкции свободно вращаться вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей.
Ось X — главная ось, вокруг которой вращается ротор. При отсутствии внешних воздействий его ориентация сохраняется благодаря закону сохранения момента импульса.
Ось Y — ось вращения внутреннего кольца подвеса.
Ось Z — ось вращения наружного кольца подвеса.
Чем выше скорость вращения, масса и радиус колеса, тем сложнее его «опрокинуть». А карданов подвес нужен для того, чтобы компенсировать влияние внешних сил на вращающийся диск. Например, корабль качается на волнах, или самолет с гироскопом совершает маневр — выставленная в определенном направлении главная ось останется неподвижной.
Но как сделать так, чтобы ось гироскопа всегда была направлена на истинный север, вдоль плоскости меридиана? Проблема в том, что Земля вращается. Из-за этого ось гироскопа, которая сама по себе стремится сохранять фиксированное направление в пространстве, для наблюдателя на поверхности Земли будет выглядеть как медленно поворачивающаяся.
Этот эффект называют прецессией — медленным изменением ориентации оси вращающегося тела под действием внешних факторов. В случае гироскопа таким фактором оказывается вращение самой Земли.
Чтобы ось стабильно ориентировалась на истинный север, нужна внешняя сила, которая будет мягко «подталкивать» её в нужном направлении. Примерно так же, как магнитное поле Земли ориентирует стрелку обычного компаса. Для гирокомпаса эту роль играет сила притяжения Земли.
Для этого к ротору добавляют небольшой корректирующий груз, смещающий центр тяжести конструкции вниз. Его масса подбирается так, чтобы создаваемое усилие было достаточным для стабилизации, но не мешало вращению гироскопа.
Что происходит дальше? При вращении Земли или при движении корабля или самолёта ротор начинает стремиться ориентироваться относительно центра планеты. В результате возникает опрокидывающий момент, под действием которого главная ось гирокомпаса постепенно поворачивается и занимает устойчивое положение. Когда все силы уравновешиваются, ось стабилизируется вдоль плоскости меридиана — то есть указывает на истинный север.
Компенсирующий момент достигает максимального значения на экваторе при отклонении главной оси гироскопа от меридиана на 90°. И на полюсе, очевидно, это влияние окажется нулевым — прецессии главной оси не будет.
Это — общий принцип. Физическая реализация современного гирокомпаса значительно сложнее:
1. Внутри используются два гироскопа, установленных под углом 90˚. Например, при движении судна это позволяет лучше компенсировать ��ачку: гироскопы отклоняются по очереди, и через механическую тягу с пружиной быстрее замедляются.
2. Сами гироскопы с электроприводами помещаются внутри так называемой гиросферы. Это герметичный полый шар, состоящий из двух латунных полусфер и плавающий в электропроводящей жидкости. Электрический ток частотой 400 Гц и напряжением 55 В подается на электроприводы гироскопов через электроды, расположенные на полюсах гиросферы. Сфера центрируется при помощи внешнего электромагнитного поля.
3. Гиросфера окружена другой сферой, называемой «следящей». На ней располагается «фантомное кольцо»: полоса, которая позволяет отслеживать положение одной сферы относительно другой.
Когда корабль меняет курс, в цепи питания возникает разность потенциалов: шаговый азимутальный двигатель выдает управляющие импульсы и поворачивает «следящую» сферу вслед за гиросферой. Это продолжается до момента, пока рассогласование в положении сфер снова не станет нулевым.
Положение «следящей» сферы передается как в виде аналоговых сигналов на репитеры, расположенные по всему кораблю, так и по цифровому интерфейсу NMEA на другие устройства. Это позволяет, например, связывать систему еще и с GPS для большей точности.
Конечно, такая система не может работать без электрического питания. А после включения система довольно долго стабилизируется — до момента, когда колебания затухнут, порой требуется несколько часов.
Есть гирокомпасы, работающие на совершенно других принципах и имеющие свои преимущества: например, на базе лазерных гироскопов и других. Этот раздел с описанием принципа работы — только для общего понимания читателем.
Более подробно ознакомиться с теорией можно по следующим ссылкам:
Ранние попытки создать гирокомпас
С принципом работы разобрались — теперь можно перейти к истории появления этого устройства.
Гироскоп как физический прибор впервые появился в 1817 году благодаря работе Иоганна Боненбергера. Он описал устройство с часовым механизмом, помещённым внутрь полой сферы, установленной в кардановом подвесе. Такая конструкция позволяла наглядно продемонстрировать устойчивость оси вращения.
Сам термин «гироскоп» появился позже — его ввёл Жан Бернар Леон Фуко. Используя аналогичный принцип, Фуко применил гироскоп для демонстрации вращения Земли — той же цели служил и его знаменитый маятник.
Именно Жан Бернар Леон Фуко на заседании Парижской академии наук предложил идею использовать гироскоп как основу навигационного компаса, который ориентировался бы не на магнитный, а на истинный север.
Эту идею подхватили инженеры следующего поколения. В 1876 году Уильям Томсон из Университета Глазго, более известный как лорд Кельвин, предложил проект экспериментального гирокомпаса на основе поплавка. Устройство должно было использовать гироскопический эффект для ориентации, но дальше лабораторного прототипа проект не продвинулся. Сам Томсон вскоре сосредоточился на совершенствовании магнитных компасов и методах компенсации ошибок, вызванных магнитными девиациями.
В 1885 году следующий шаг сделали Маринус ван ден Бос и Баренд Янсе из Нидерландов. В основе их прибора лежало два массивных диска, вращающихся в горизонтальной плоскости через ременную передачу от главного электропривода. Вся конструкция, названная «вращающимся компасом», имела положительную плавучесть и помещалась в ванную. Та, в свою очередь, также плавала в другой емкости побольше, чтобы лучше устраняться колебания при «рыскании» корабля. Таким образом, за счет большого момента инерции двух дисков, устройство сохраняло ориентацию в одной плоскости.
По сути, получился прообраз современного гирокомпаса с двумя сферами, одна в другой, но без карданова подвеса.
Наибольший интерес к изобретению ван ден Боса и Янсе проявил Вернер фон Сименс. Он активно занимался разработками для флота и хорошо понимал проблемы магнитных компасов на стальных кораблях — прежде всего ошибки навигации, вызванные собственным магнитным полем корпуса и оборудования. В 1888 году Сименс приобрёл права на их патент.
Работы велись в рамках компании Siemens & Halske, основанной самим Сименсом. Однако к 1892 году эксперименты показали, что предложенная конструкция оказалась непрактичной: гироскоп не обеспечивал стабильной ориентации и был слишком чувствителен к внешним воздействиям.
В результате Siemens & Halske прекратила работы над гирокомпасом и сосредоточилась на альтернативном подходе. Он заключался в том, что классический магнитный компас размещали снаружи корпуса корабля — вдали от источников магнитных помех, — а информацию о положении его стрелки передавали внутрь судна с помощью механических или электрических повторителей. Это позволяло получать показания компаса даже в помещениях с сильным магнитным экранированием, например внутри бронированных отсеков.
Параллельно, в 1889 году, французский инженер Артур Кребс разработал гироскоп с электроприводом, установленный в карданных подвесах, для экспериментальной подводной лодки Gymnote. Это устройство уже не предназначалось для определения севера, но позволяло под водой поддерживать строго заданный курс — важный шаг в сторону практического применения гироскопов на флоте.
Изобретение Аншютц-Кемпфе
В 1902 году темой гирокомпасов увлекся немецкий инженер Герман Аншютц-Кемпфе. Он был одержим идеей добраться до Северного полюса на подводной лодке и искал альтернативы магнитному компасу. Нужно было, чтобы устройство:
работало даже внутри металлического корпуса;
указывало сразу на истинный север, а не магнитный;
не было подвержено колебаниям по всем трем осям.
Изучив приборы Фуко, а также ван ден Боса и Янсе, к 1903 году Аншютц-Кемпф создал рабочую модель гирокомпаса. Он состоял из пары вращающихся колес, соединенных электродвигателем.
Аппарат подвешивался на валу к поплавку, состоящему из полого кольца, погруженного в ванночку с ртутью. Это позволяло ему свободно вращаться вокруг оси вала и также служило электрическим контактом для двигателя. Вал был соединен с картушкой компаса, видимой штурману корабля — по сути более поздний репитер.
Электродвигатель и гироскоп располагались на рамке, которая крепилась к системе карданных подвесов. Это позволяло сохранять ориентацию, даже несмотря на крен и тангаж корабля. Ровно та проблема, которую не смогли решить ван ден Боса и Янсе. В 1904 году Аншютц-Кемпфе подал заявку, а в 1907 получил патент DE182855 на свое устройство.
В 1905 году Герман Аншютц-Кемпф вместе с Максимилианом Шулером основал фирму Anschütz & Co. в городе Киль. Позже Шулер сформулировал принцип настройки гиросистемы, при котором период собственных колебаний составляет 84,4 минуты — сегодня он известен как настройка Шулера.
Там же были проведены первые испытания гирокомпаса на борту судна «Ундина» в Кильской бухте. Испытания показали, что в спокойных условиях система работает удовлетворительно, однако сильная качка или резкие манёвры корабля приводят к заметным сбоям ориентации.
Поначалу эту проблему пытались решить за счёт демпфирования с помощью струй сжатого воздуха (патент DE236200C). Чем резче отклонялся механизм, плавающий в ртутной ванночке, тем более интенсивный поток воздуха создавался, создавая тормозящее усилие и тем самым гася возникающие колебания.
Только к 1910 году проблему удалось решить за счет внедрения трех гироскопов (патент DE241637), связанных системой рычагов и пружин, компенсирующих друг друга. К сожалению, иллюстрацию патента найти не удалось.
Последующие испытания показали, что гирокомпас работает отлично. И немецкое командование военно-морского флота в преддверии большой войны разместило крупные заказы на поставку. В 1913 году пассажирское судно «Император» компании HAPAG Line (на тот момент в мире суда этого класса считались самыми большими в мире) официально было оснащено гирокомпасом Аншютца.
Изобретение Сперри
В 1898 году американский изобретатель и предприниматель Элмер Амброуз Сперри, уже достаточно успешный (например, основал Sperry Electric Railway Company), впервые пересек Атлантику на корабле и серьезно пострадал от морской болезни из-за сильной качки.
Тогда ему пришла в голову идея — почему бы для компенсации крена не использовать гироскопы, о которых тогда уже много писали? Для этого Сперри использовал комбинацию:
из маленького чувствительного гироскопа, по прецессии которого можно было определить степень «качки»;
огромных гироскопов, которые включались в зависимости от рассогласования и компенсировали наклон.
В 1908 году Элмер Сперри заинтересовался задачами морской навигации. Поняв, какую роль в них могут сыграть гироскопы, которые он уже применял на кораблях, Сперри разработал собственную модель ги��окомпаса.
В 1909 году он основал компанию Sperry Gyroscope Company и в том же году подал заявку на патент судового гирокомпаса. Из-за патентного спора и последовавшей войны заявка была удовлетворена лишь в 1917 году под номером US1242065A.
В 1911 году Сперри подал ещё одну заявку — на гиронавигационный аппарат (патент GB191115669). Это устройство позволяло отслеживать отклонение судна от направления север–юг и автоматически управлять рулевой системой. Сама система получила неофициальное название Metal Mike.
Конструкция представляла собой сферу, которая плавала в емкости с ртутью за счет поплавка, а все вместе располагалось на кардановом подвесе. Внутри сферы вращался ротор-гироскоп с частотой 12 000 об/мин. Важной доработкой послужила система демпфирования при помощи электромагнитов, расположенных под сферой — ток на них подавался импульсами, в зависимости от отклонения сферы, тем самым гася колебания.
В целом Сперри предусмотрел весьма сложную электрическую схему. Пытливый читатель может ознакомиться с ней по ссылкам на патенты, приведенным выше.
После нескольких успешных испытаний в частном порядке Сперри предложил свое изобретение руководству ВМФ, красочно расписав все преимущества гирокомпаса. В 1911 году устройство успешно испытали на корабле USS Delaware и некоторых других судах.
Результаты превзошли все ожидания. Гирокомпасы Сперри MK1 установили на более чем 30 кораблях: причем не только американских, но и британских, французских, итальянских и других.
Сложилась интересная ситуация: немцы ставили на корабли гирокомпасы Аншютца-Кемпфе, а американцы и другие европейский страны — продукцию Sperry Gyroscope Co Inc. И все это накануне Первой мировой войны.
Патентный спор, который разрешил сам Альберт Эйнштейн
3 августа 1914 года в войну с Германией вступила Франция, 4 августа — Великобритания. Элмер Сперри, будучи гражданином нейтральной страны, разумно посчитал, что «кому война, а кому мать родна», и увидел интересные финансовые перспективы.
А когда он выяснил, что Аншютц-Кемпфе предлагал свои гирокомпасы в том числе руководству ВМФ США, решение назрело само по себе. Он предложил свою продукцию Императорскому флоту, и те согласились на испытания.
Дальше про это узнал Аншютц-Кемпфе и рассвирепел. После он подал иск о нарушении его патента DE182855. Слушания проходили в Королевском земельном суде I в Берлине в 1914 году. Вот какие позиции заняли стороны:
Защита Сперри утверждала, что патент Аншютца-Кемпфе принципиально не добавляет ничего нового к патенту ван ден Боса 1885 года. И поэтому должен считаться недействительным.
Позиция Аншютца-Кемпфе — устройство Сперри принципиально не отличается от его и не имеет действующих патентов на территории Германской империи. А следовательно, его распространение нужно запретить и наложить штраф.
Дело оказалось технически крайне сложным, поэтому к его рассмотрению привлекли не кого-нибудь, а одного из самых известных физиков своего времени — профессора Прусской академии наук в Берлине Альберта Эйнштейна.
Причин было сразу несколько. Во-первых, в момент начала разбирательства Эйнштейн работал в Берлине, где и рассматривался патентный спор. Во-вторых, он хорошо разбирался в теме и лично сотрудничал с Аншютцем-Кемпфе, помогая ему в разработке гирокомпаса. И, наконец, за плечами Эйнштейна был многолетний опыт работы в патентном бюро, что делало его редким специалистом, одинаково хорошо понимавшим и физику, и юридическую сторону вопроса.
Первый 13-страничный отчёт Альберт Эйнштейн представил суду 6 февраля 1915 года. Документ сохранился в материалах патентного разбирательства и неоднократно упоминается в исследованиях по истории гирокомпасов, однако в открытом доступе он встречается лишь фрагментарно. Этот отчёт не дал однозначного ответа на вопрос о приоритете изобретений.
В нём Эйнштейн указал, что патент Аншютца-Кемпфе не содержит принципиальных улучшений по сравнению с системой ван ден Боса, однако из-за отсутствия формальных претензий и истечения срока давности аннулировать его невозможно. Конструкция Сперри, по его оценке, действительно имела общие черты с германской системой, но при этом включала существенные отличия — в частности, элементы компенсации и управления курсом судн��, — что не позволяло наложить прямой запрет.
Однако судебное разбирательство проходило в условиях Первой мировой войны. Для суда перспектива допуска на корабли Германского флота оборудования, разработанного потенциальным противником, выглядела крайне нежелательной.
После осмотра американского гирокомпаса Эйнштейн подготовил второй отчёт, представленный 7 августа 1915 года. В нём он пришёл к иным выводам. Согласно этому документу, гирокомпас Аншютца-Кемпфе действительно обладал значимыми техническими преимуществами по сравнению с системой ван ден Боса — прежде всего за счёт свободного вращения по трём осям благодаря карданову подвесу. Конструкция Сперри при этом признавалась во многом схожей с германской, пусть и с рядом доработок.
На основании этих заключений 16 ноября 1915 года суд постановил запретить Сперри распространение гирокомпасов на территории Германии и назначил штраф в размере 300 тысяч марок. Штраф американский изобретатель так и не выплатил, а после окончания войны и поражения Германии все патентные ограничения были аннулированы.
Что же в итоге
Элмер Сперри, будучи невероятно плодовитым изобретателем, продолжил улучшать свое изобретение. Например, вместе с сыном Лоуренсом адаптировал его для самолетов. К проекту подключился Питер Хьюитт (создатель первой ртутной лампы), и все вместе они разработали первый беспилотный самолет, работавший по принципу гиростабилизации курса. Но и про автоматическое управление кораблями он не забывал (см. патент 1925 года US1788807A).
В 1923 году сын Сперри погиб в проливе Ла-Манш в результате крушения самолета собственной конструкции. В январе 1929 года Сперри продал свою компанию Sperry Gyroscope Company компании North American Aviation и год спустя умер.
Компания, носящая фамилию изобретателя, прошла через ряд покупок и поглощений и достигла пика своего влияния в 1940-е годы, став одним из ключевых поставщиков навигационного оборудования для армии и флота США во время Второй мировой войны. В том или ином виде она существует до сих пор.
Герман Аншютц-Кемпфе сохранил свою дружбу с Альбертом Эйнштейном. Их совместная работа привела к появлению Anschütz Standard Compass — первого по-настоящему массового продукта компании. В нем уже были реализованы те идеи, которые применяются и в современных гирокомпасах:
наличие двух сфер — наружной «следящей» и внутренней гиросферы, плавающей в жидкости (чего Сперри не реализовал);
их центрирование при помощи электромагнитов (что до этого применил Сперри);
конструкция с двумя гироскопами, расположенными под углом 90˚ по отношению друг к другу, для их взаимной компенсации.
Компания Anschütz & Company активно работала до 1945 года, поставляя навигационные приборы для военно-морского и гражданского флотов. По окончании Второй мировой войны завод был демонтирован, но в 1952 году предприятие возродили, и оно стало ведущим поставщиком гирокомпасов для судов по всему миру.
В 1995 году его купила Raytheon, а в 2023 году — перекупила компания DMB. Сейчас предприятие называется Anschütz GmbH и занимается тем же, чем и 100 с лишним лет назад — производит, пожалуй, лучшее морское навигационное оборудование в мире.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
