Компас для подводной лодки

Магнитный компас

Содержание

Общие сведения о магнитных компасах

Для точного и безопасного плавания необходимо в первую очередь знать курс, скорость движения корабля, его место и глубину под килем. этих параметров современные корабли оснащены специальными приборами. Развитие этих приборов имеет свою интересную историю, теснейшим образом связанную с историей мореплавания.
Первые плавания совершались днем и, конечно, вдоль берегов. Потом плавать ночью, ориентируясь по Полярной звезде. С появлением магнитного компаса в мореплавании произошел переворот. С помощью компаса могли ориентироваться по направлению в любое время суток при погоде. Свойство магнитной стрелки показывать туда, где в ясную погоду видна Полярная звезда, т. е. на север, дало морякам в руки инструмент, который и по сей день используется на всех кораблях и судах мира.
Магнитный компас для мореплавания стал применяться в Китае еще за 3000 лет до н. э., но достоверные данные относятся к 10 – 11 вв. Спустя время он стал известен арабам. В Европу магнитный компас привез Марко Поло. Однако имеются сведения, что скандинавы пользовались магнитной стрелкой уже в 11 веке. Одна из самых ранних конструкций дошедших до нас благодаря найденным древним описаниям,— соломинка с намагниченной иглой внутри, плавающая в сосуде с водой. В 17 веке компас имел вид, напоминающий современный.
Неточность плавания приводила порой к серьезным казусам. Так было с Х. Колумбом, когда, возвращаясь в 1493 году к родным берегам после открытия Америки он, определив широту, не мог точно сказать, где находится его судно – перед Азорскими островами или они давно остались позади. шторм усугубил неуверенность, что заставило Х. Колумба выбросить на всякий случай в океан бочонок с сообщением о своем открытии Нового Света. К счастью, всё обошлось благополучно, и великий мореплаватель добрался до берегов Испании. Здесь он убедился, что его помощники, определяя долготу по пройденному расстоянию, разошлись в расчете более чем на 400 миль.
Другой пример. В 16 веке испанским мореплавателем Менданья де Нейрой были открыты Соломоновы острова, но определения их место-положения они затем почти на два столетия были «потеряны» и открыты вновь лишь в 1767 –1768 г.г.
Иногда на поиски берегов уходили целые недели и месяцы. Даже в начале 18 века попасть точно в пролив между побережьем Франции Великобритания было делом нелегким. Так случилось с английской адмирала Клаудисли Шовела, которая в хмурую штормовую сентябрьскую погоду 1707 года не смогла отыскать пролив и оказалась на камнях вблизи
Компас считался точным прибором, требующим бережного и аккуратного обращения. За компасами на судах устанавливался специальный надзор. старинным документам, один из матросов был повешен на рее за то, что продырявил котелок в надежде утолить жажду заполнявшей его жидкостью.
Петр 1 требовал в морском уставе: «Должен компасы добрым делать и смотреть, чтоб иглы, на чем компас вертится, были остры и крепки, и не скоро б смалывались. Также чтобы проволока на компасе к норду и зюйду была натерта магнитом, дабы компас мог быть верным, в чем крепкое смотрение иметь, ибо в том зависит ход и целостность
Показаниям компаса моряки в то время доверяли без сомнений и считали, что стрелка его всегда показывает туда, где в ночное время светится Полярная звезда, т. е. на север. Однако уже в 14 –15 веках мореплаватели заметили, что магнитная стрелка нередко отклоняется от географического меридиана считали, что это происходит от потери магнитных свойств материала, из сделана стрелка, и от неточных наблюдений).
Х. Колумб, обнаружив на второй неделе своего плавания отклонение стрелки от установившегося положения относительно Полярной звезды, был настолько уверен в показаниях компаса, что усомнился в постоянстве Полярной звезды над Северным полюсом. Тем более что при удалении от берегов Европы к западу отклонение стрелки всё больше возрастало. чуть не вызвало бунт команды, таким необычным показалось оно матросам.

Характеристика магнитного поля земли и корабля

Земной шар можно представить в виде магнита, имеющего два магнитных полюса: северный PN и южный PS. Условно считают, что в северном полюсе сконцентрированы отрицательные магнитные массы, а в южном – положитель-ные. Поэтому магнитное поле Земли изображается силовыми линиями, от южного магнитного полюса к северному. Вектор напряженности Т поля Земли направлен по касательной к магнитной силовой линии. В различных точках земной поверхности вектор Т имеет разное пространственное положение. Проекция вектора Т на плоскость горизонта называется составляющей Н, а проекция его на отвесную линию – вертикальной составляющей Z магнитного поля Земли.
Величины составляющих вектора Т связаны между собой соотношениями:

(1.1)
где— магнитное наклонение, т. е. угол между плоскостью горизонта и направлением вектора Т. Магнитное наклонение изменяется от −90° (южный магнитный полюс) до +90° (северный магнитный полюс). Например, для Финского залива I=720. Кривая, соединяющая точки земной поверхности, в которых магнитное склонение равно 0, называется магнитным экватором. Он имеет форму неправильной замкнутой кривой.
Рассмотрим, как будет вести себя магнитная стрелка, подвешенная на нити, проходящей через ее центр тяжести, в магнитном поле Земли. Предположим, что вся положительная масса m стрелки сосредоточена на одном конце стрелки (северный полюс, обозначаемый буквой N), а вся отрицательная масса – m стрелки – на другом (южный полюс, обозначаемый буквой S). Прямая, соединяющая полюсы стрелки, называется магнитной осью стрелки. В магнитном поле Земли северный магнитный полюс стрелки будет притягиваться отрицательными магнитными массами северного магнитного полюса Земли. В северном полушарии магнитная ось стрелки будет наклонена вниз относительно плоскости горизонта в результате действия составляющей Z и будет приподнята над горизонтом в южном полушарии. Плоскость в которой устанавливается магнитная ось стрелки в результате взаимодействия ее магнитных масс с магнитными массами Земли, называется плоскостью магнитного меридиана. Линия пересечения плоскости магнитного меридиана с поверхностью Земли в данной точке называется магнитным меридианом.
С увеличением магнитной широты величина вертикальной составляющей Z растет, а горизонтальной составляющей H уменьшается. При этом будет уменьшаться направляющей момент магнитной стрелки, и она будет медленнее приходить в плоскость магнитного меридиана, а положение ее в плоскости меридиана будет неустойчивым. На магнитных полюсах Н=0, Z=Т, и магнитная стрелка расположится вертикально.
Установлено, что магнитные полюсы Земли перемещаются вокруг ее географических полюсов в западном направлении, совершая один оборот примерно за 500 лет. В настоящее время северный магнитный полюс находится в точке с координатами Ш=71°N, Д=96°W, а южный – в точке с координатами Ш=73°S, Д=156°E.
В общем случае магнитный меридиан не совпадает с истинным. Горизонтальный угол между плоскостями истинного и магнитного меридианов, проходящих через данную точку поверхности Земли, называется магнитным склонением d. Оно отсчитывается от северной части истинного меридиана к востоку (Е) или западу (W) от 0 до 180°. Восточное склонение принято считать положительным, а западное – отрицательным.
Величины T, H, Z, I и d называются элементами земного магнетизма. Эти элементы непрерывно изменяются вследствие перемещения магнитных полюсов и под влиянием Солнца. Влияние Солнца проявляется в виде суточных колебаний магнитного поля Земли и магнитных бурь. Суточные колебания обычно невелики и не имеют практического значения. Магнитные бури представляют собой внезапные, беспорядочные изменения элементов земного магнетизма и могут продолжаться от нескольких часов до нескольких суток. Установлена зависимость между магнитными бурями и пятнообразованием на Солнце. Магнитные бури возникают через каждые 27 дней и имеют одиннадцатилетний цикл – цикл возрастания солнечной активности. Практически влияние магнитных бурь на магнитную стрелку учесть невозможно
Наглядное представление о величине и распределении элементов земного магнетизма на поверхности Земли дают магнитные карты. На этих картах магнитное поле Земли изображается в виде изолиний, которые соединяют точки с одинаковыми значениями отдельных элементов земного магнетизма. Изолинии склонения называют изогонами, наклонения – изоклинами, кривые, соединяющие точки с одинаковыми значениями величин H и Z,— изодинами.
Принцип действия магнитного компаса основан на свойстве магнитной стрелки, вращающейся вокруг вертикальной оси, устанавливаться своей магнитной осью по направлению внешнего магнитного поля. Относительно оси стрелки можно определять направления на различные водимые предметы и небесные светила. Если магнитный компас установить на корабле, корпус которого набран из немагнитных материалов, то его магнитная стрелка установится по направлению магнитного меридиана и можно будет определить магнитный курс корабля.
Угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и диаметральной плоскостью корабля по часовой стрелке называется магнитным курсом (МК). Магнитные и истинные направления связаны между собой зависимостями: МК=ИК – d, МП=ИП – d, в которых величина склонения учитывается со своим знаком. Величина склонения и его годовое изменение указаны на МНК.
Корабль находится в магнитном поле Земли, поэтому все части корабля, изготовленные из магнитных материалов, намагничиваются магнитным полем Земли в период его постройки и эксплуатации. Величина намагниченности корабля зависит от напряженности магнитного поля Земли и свойств намагничивания корабельного железа.
Железо корабля условно делится в магнитном отношении на твердое и мягкое. Твердое железо после намагничивания устойчиво сохраняет свое состояние в течение продолжительного времени, мягкое железо с течением времени теряет свои свойства и может перемагнититься под действием более сильных полей. Набор корпуса корабля и его механизмы состоят из брусков удлиненной формы мягкого и твердого железа, расположенных продольно, поперечно и вертикально. Бруски мягкого железа намагничиваются соответственно продольной X, поперечной Y и вертикальной Z составляющими вектора Т магнитного поля Земли по осям корабельной системы координат xyz.
. (1.2)
Намагниченные силами X, Y, Z бруски мягкого корабельного железа возбуждают в окружающем пространстве свое магнитное поле, называемое магнитным полем корабля.

Принцип построения и работы магнитного компаса со стрелочным и индукционным магнитным чувствительным элементом

Магнитные компасы, устанавливаемые на современных судах и кораблях, бывают самых различных типов и размеров. Наибольшее применение находит компас со стрелочным магнитным чувствительным элементом.
Рассмотрим устройство магнитного компаса. Основная часть его – чувствительный элемент, представляющий собой систему из нескольких параллельных постоянных магнитов – компасных стрелок. Магниты для чувствительного элемента компаса изготавливаются обычно из сплава железа, никеля и кобальта с высокой магнитной восприимчивостью. жестко крепится выполненная из немагнитного материала картушка компаса, на внешней стороне которой нанесены с интервалом в 1 градус 360 делений. Отсчет ведется от точки 0 (N), совпадающей с «чувствующими» север концами компасных стрелок, по часовой стрелке. Наряду с делениями на картушку, как правило, наносятся и четвертные румбы. В центре картушки находится поплавок, служащий для уменьшения массы чувствительного элемента в жидкости. В центре поплавка находится конус, ограничивающий угол наклона картушки. В центре конуса имеется шпилька в виде стержня из твердого сплава, опирающаяся на подпружиненное опорное устройство, жестко связанное с корпусом котелка. Для того чтобы снизить давление на шпильку, уменьшить трение при вращении и колебаниях картушки при движении корабля и на качке, латунный резервуар-котелок, в который помещается магнитный чувствительный элемент, заполняется специальной незамерзающей жидкостью. Сверху котелок компаса закрыт стеклянной крышкой на резиновой прокладке, обеспечивающей возможность наблюдения за картушкой. На внутренней стороне котелка в носовой его части на уровне картушки установлен курсовой указатель. Поворачиваясь вместе с кораблем и котелком вокруг удерживаемой магнитным полем Земли неподвижной картушки, курсовой указатель дает возможность считывать курс корабля.
Именно по нему и правит рулевой, удерживая эту черту около заданного деления картушки. Если котелок компаса не находится в горизонтальной плоскости, могут быть ошибки в считывании курса, а также возмущающие эффекты от изменения влияния окружающего магнитного поля. Чтобы избежать этого, к нижней части котелка крепится груз, а сам он устанавливается на кардановых кольцах в нактоузе.
Нактоуз представляет собой немагнитный силуминовый корпус, в котором размещены все части компаса. В верхней части нактоуза кроме котелка установлены компенсаторы полукруговой, креновой, четвертной и электромагнитной девиации. Компас содержит вспомогательные устройства – защитный колпак от непогоды с окном для съема показаний, регулятор освещения картушки магнитного чувствительного элемента, устройства для пеленгования.
Нередко магнитные компасы делаются дистанционными. В этом случае они снабжаются оптическими или электрическими устройствами для передачи показаний магнитного чувствительного элемента на расстояние. На каждом компасе после его установки на корабле проводятся работы по компенсации его погрешностей. После проведения девиационных работ определяют остаточную девиацию и заносят ее в специальную таблицу, пользуясь которой штурман исправляет показания компаса.
В индукционных чувствительных элементах используются пермаллоевые стержни, поэтому в магнитном поле стержни намагничиваются до насыщения только в продольном направлении, когда их оси параллельны вектору напряженности магнитного поля. При расположении стрежней перпендикулярно вектору напряженности магнитного поля они не намагничиваются.
Индукционный ЧЭ состоит из двух пермаллоевых стержней с первичной и сигнальной обмотками. Первичная обмотка питается переменным током. Витки первичной обмотки на одном стержне уложены встречно виткам другого стержня, поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля в каждый полупериод тока стержни намагничиваются в противоположных направлениях. Результирующее магнитное поле стрежней равно нулю и в сигнальной обмотке ЭДС не наводится.
Расположим стержни по направлению вектора Н. Так как стержни в магнитном поле намагничиваются до насыщения, то в первом полупериоде тока намагниченность верхнего стержня останется равной величине Н?, а намагниченность нижнего стержня уменьшится максимально на величину Нv. Во втором полупероде тока картина намагничивания стержней меняется на обратную. На сигнальную обмотку будет действовать пульсирующее магнитное поле Нс, которое наведет в ней ЭДС. Таким образом, поворачивая стержни до положения, при котором ЭДС в сигнальной обмотке будет равно нулю, можно найти направление компасного меридиана, которое соответствует нормали к продольной оси стержней и может быть зафиксировано указателем. Угол между диаметральной плоскостью корабля и указателем является компасным курсом корабля.
Магнитные компасы по сравнению с другими измерителями курса имеют следующие преимущества:
— практически мгновенная готовность к выдаче курса;
— полная независимость от других источников навигационной информации;
— простота эксплуатации, монтажа и регулировки;
— большой ресурс и надежность работы;
— устойчивость к внешним температурным и виброакустическим воздействиям.

На малых кораблях и судах, где не требуется высокой точности курсоуказания, но большое значение имеют такие факторы, как стоимость, надежность и простота эксплуатации, магнитный компас используется как основной источник курса. На больших кораблях и судах с хорошим штурманским вооружением он, как правило, играет роль резервного или аварийного средства.
На современном корабле размещают, как правило, магнитных компаса: главный, по которому прокладывают курс и на котором устанавливают пеленгатор для определения места корабля и поправки курса по пеленгам, и путевой, располагаемый в ходовой рубке. На некоторых кораблях имеется еще и аварийный или шлюпочный компас.
Компас, особенно главный, должен быть установлен в диаметральной плоскости корабля или вблизи нее и параллельно ей, т. е. в месте с симметричным эффектом воздействия магнитных материалов. Поблизости не должно быть подвижных железных и стальных масс, периодически включаемых электромашин и т. п. Для уменьшения влияния на магнитный чувствительный элемент ускорений, возникающих при качке, компас размещают ближе к центру качания корабля.

Заключение

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Магнитные компасы с давних времен получили широкое применение для обеспечения мореплавания и ориентирования по направлению в любое время суток и при любой погоде.
2. Магнитное поле Земли обусловлено концентрацией отрицательных и положительных магнитных масс в полюсах и характеризуется величинами напряженности (Т), горизонтальной (Н) и вертикальной (Z) составляющих магнитного поля Земли, магнитным наклонением (I) и магнитным склонением (d).
3. Намагниченные силами X, Y, Z бруски мягкого корабельного железа возбуждают в окружающем пространстве свое магнитное поле, называемое магнитным полем корабля.
4. Магнитный стрелочный ЧЭ представляет собой систему стрелок с подвесом, обеспечивающим его движение по азимуту (картушка). Индукционный ЧЭ состоит из двух стержней с первичной и сигнальной обмотками.

Источник

Подводная навигация или как пользоваться компасом?

Плавая под водой, сознательно или неосознанно мы используем природную навигацию. Дайвер запоминает характерные точки рельефа дна, его снижение, расположение камней, валуны, подводные горки, характерные затонувшие предметы. Вся эта информация позволяет нам вернуться к месту входа в воду.

Многие начинающие дайверы, удивляется, как у их более опытных коллег это хорошо выходит. Этот навык не слишком сложный, нужно просто смотреть и запоминать элементы. Карта является идеальным помощником в навигации. Из карты мы узнаем глубины, расстояния, можем безошибочно определить собственное месторасположение и интересующие нас объекты. Полезно также перерисовать часть карты на слэйт, это будет помощью в ситуации сомнения правильности выбранного маршрута. Как создать собственную карту, вы сможете найти в статье подводная карта.

Для навигации вы можете использовать:

• рельеф дна — конкретные элементы, такие как камни, валуны
• солнце – такая навигация работает на небольших глубинах, тем самым поднимая голову наверх, мы видим солнце или его лучи. Эта навигация похожа на навигацию с компасом, только мы оперируем не значениями углов в градусах, а значениями времени (как будто перед нами циферблат). Мы говорим, что плывем на 12 часов, когда плывем прямо на солнце, когда солнце находится сзади, плывем на 6 часов. Солнце перпендикулярно справа означает, что мы плывем на 9 часов. Перпендикулярно слева означает, что плывем на 3 часа. Установка направления — определяем, что солнце, например, находится на 5 часах и плывем, все время, поддерживая постоянную позицию по отношению к солнцу. Если мы плывем вблизи дна, то наблюдаем собственную тень. Важно заметить свое положение относительно солнца непосредственно перед погружением, так как солнце в течение дня изменяет свою позицию, и положение солнца до 12 часов уже не будет актуальным для дайвинга во второй половине дня.
• термоклин — позволяет вам поддерживать постоянную глубину, если плывем на границе термоклина и немного опустимся, то сразу это почувствуем. Конечно, очевидно, что этим можно пользоваться только в озерах нашей климатической зоны и на небольшой глубине.

Навигация по компасу.

Компас может быть на консоли, на запястье, его можно держать в руках. Независимо от того, где он расположен, есть два простых правила:

1. компас должен быть расположен горизонтально, в противном случае он как бы «замерзает» и ошибочно указывает направление (реально вообще не будет указывать направление, потому, что как не крутись, показание будет то же самое).
2. курсовая линия должна точно указать направление движения, она должна быть параллельна вертикальной плоскости, проходящей через ось нашего тела. Невыполнение этого условия приведет к ошибке, курс будет неправильным, смещение от цели будет тем больше, чем больше расстояние до нее.

Считывать показания компаса можно с верхней или боковой панели.

1. Если мы посмотрим сверху перпендикулярно магнитной стрелке (диск должен быть горизонтальным). Курс, которым мы плывем, считываем с поворотного лимба.
2. Если мы смотрим сбоку в окно компаса, мы видим боковую часть диска магнитной стрелки с циферблатом. Можно легко оценить, находится ли компас в горизонтали. Курсовая линия указывает на цифру на диске. Эта цифра и будет курсом нашего движения, при этом магнитная стрелка не будет видна. Такой метод считывания показаний компаса позволяет максимально отдалить его от стальных элементов дайверского снаряжения, и который является очень полезным для повышения точности навигации. Компас лучше всего держать в руках, или на специальной консоли (планшете, на котором помимо глубиномера и компаса находится в модели супер люкс также измеритель расстояния).

Установка курса на компасе

Самый простой способ найти правильное направление движения — это смотреть на компас сверху. Если наш курс 300 градусов, то поверните поворотный лимб так, чтобы курсовая черта совпала с цифрой 300 на поворотном лимбе. Теперь держите компас, так чтобы магнитная стрелка находилась в центре мушки. Курсовая линия укажет направление движения.

При плавании на очень длинные расстояния (больше 10 мин), или когда мы стремимся точно попасть на цель, я предлагаю просто смотреть в окно компаса, а не на мушку сверху. Во время движения мы видим постоянные отклонения от назначенного курса. Колебания 5-10 °, вполне естественны и не стоит так чрезмерно с ними бороться. Более значительные отклонение от правильного курса должны быть скорректированы. Если для примера, отклонение справа 20 °,то следующее должно быть 20 ° влево от правильного курса. Период перестройки и справа и слева должны быть равны. Любая корректировка курса должно быть очень плавной, изменения курса более чем на 20 ° свидетельствует о проблемах с сохранением направления движения и не будет надежно достигнута цель. Обучение является лучшим способом для решения всех проблем

Перемещение вперед и назад

Найти курс возвращения просто, он находится на другом конце курсовой линии, для 300 градусов, мы можем прочитать значение курса 120 градусов. Вам не нужно рассчитывать ничего, просто прочитать значение. Математически — это курс, смещенный от первоначального на 180 градусов

Когда мы знаем, обратный курс вы должны повернуть поворотный лимб, так чтобы курсовая линия показала 120 градусов, а магнитная стрелка находилась в центре мушки (причем повернуться должен дайвер, а не только компас). Теперь мы уже вернуться при сохранении магнитной стрелки в середине мушки

Навигация по квадрату

Следующий шаг заключается в навигации по квадрату, это не особенно трудно. Так же, как в методе плавания вперед и назад, перед началом движения вы должны определить новый курс. Различия в следующем курсе будет на 90 °.

Если поворачиваем налево, то поворотный лимб вращаем вправо, если поворачиваем направо, то поворотный лимб вращаем влево, то есть всегда в противоположном направлении направлению поворота.

Т.е. если плывем курсом 300 ° и хотим повернуть налево на 90о, то лимб поворачиваем вправо на 90 °. Новый курс составляет 210 ° (300-90 = 210 °).

В следующей точке поворачиваем на 90 ° влево. Новый курс составляет 120 °. В третьей точке поворот налево также на 90 °. Новый курс составляет 30 °. И приплываем с исходную точку.

Если будем поворачивать вправо, то лимб нужно будет вращать влево. Соответственно курсы будут следующие: 300 °, 30 °, 120 °, 210 °.

Источник