Żyrokompas

Kiedyś była krótka historia o tym ile statek ma Matek. Dzisiaj temat podobny - kompasy.

Wydawałoby się, że wystarczy nam jeden, ot taki jak to mieli w zwyczaju posiadać jeszcze za czasów Kolumba i pewnie dużo wcześniej kompas magnetyczny, który kręci się gdzie powinien.. Skoro nawet Kolumb dał radę (chociaż on uparcie twierdził, że płynie do Indii, a na Amerykę wpadł tylko dlatego, że akurat ciężko było ją ominąć). Prawda, od setek lat nic się nie zmieniło i na statku taki kompas mamy nadal. Nie jako muzealny eksponat albo poczucie przeszłości ale przydaje się dzisiaj w sytuacjach awaryjnych.

Zadacie sobie pewnie pytanie skoro sprzęt był wystarczająco dobry wtedy, mamy taki sam nadal to dlaczego nie jest głównym przyrządem do kierowania statkiem i właściwie co jest?

Dzisiaj statek kieruje się wbrew pozorom nie po wskazaniach GPS. Owszem, pokazuje nam naszą pozycję, pokazuje również kurs jakim płynęliśmy chwilę temu, ale nie wskazuje nam w zasadzie kursu jakim płyniemy. przy całej swojej wspaniałości tego systemu wypada zwrócić uwagę na to, że również nawigacja samochodowa nie działa tak dokładnie jak widzimy to na ekranie. Tam sprawę dokładności ułatwia założenie, że samochód przez znakomitą większość czasu znajduje się na jakieś drodze, a w przypadku statku ciężko o interpolowanie pozycji na podstawie drogi, skoro Morze długie i szerokie, a więc i nie możemy odnieść się do konkretnej trasy.

Zagadka - co wskaże nam kompas magnetyczny gdy będziemy stać dokładnie na Biegunie Północnym?

Do wyznaczania kursu służą nadal kompasy, ale nie te magnetyczne, tylko żyroskopowe. Dlaczego nie magnetyczne? Warto wiedzieć, że kompas, chyba każdy posiada swoje błędy pozycji. W przypadku kompasu magnetycznego podstawową jego cechą jest to, że nie wskazuje nam bieguna północnego tylko biegun magnetyczny Ziemi. Oś geograficzna Ziemi (powiedzmy, że chodzi o biegun) jest nieco odmienna od osi magnetycznej, która zmienia się z resztą ciągle.

Odpowiedź na zagadkę - Północ Magnetyczną. Dopiero gdybyśmy stali dokładnie w Biegunie Magnetycznym ziemi kompas powinien kręcić się w koło w zależności od fluktuacji pola magnetycznego.

W związku z tym, że potrafimy określić pozycję obu biegunów i wiemy jaka jest tendencja przemieszczania bieguna magnetycznego możemy wskazać pierwszą poprawkę - tzw. deklinację kompasową. Innymi słowy jest to odchylenie osi magnetycznej ziemi w stosunku do osi geograficznej. Zazwyczaj jest to ok. kilku stopni, zmienia się wraz z pozycją i czasem. Najniższa wartość to zero, a w pewnym miejscach na Ziemi różnica wynosi kilkadziesiąt stopni. Jest też miejsce na Ziemi gdzie kompas magnetyczny wskazuje północ gdzieś niemal na południe;)

Drugą i równie istotną poprawką kompasu jest tzw. dewiacja kompasowa. Jest to nic innego jak zaburzenie wskazania kompasu ze względu na tzw. magnetyczność własną statku. Innymi słowy wielka kupa żelaza oddziałuje na kompas i nieco odchyla wskazania. Poprawka jest zmienna wraz ze zmianami na statku, ale też z ładunkami. Generalnie co roku sprawdza się odchylenie kompasu magnetycznego na kilku głównych kursach, zapisuje w tabeli i po pewnych przeliczeniach otrzymujemy poprawkę w zależności od kursu statku. Dewiację również koryguje się za sprawą kul dewiacyjnych (każdy widział pewnie taką czerwoną i zieloną kulkę przy kompasie magnetycznym, prawda?)

Biorąc pod uwagę te niedokładności, a przy tym potrzebę bardzo dokładnej nawigacji w końcu ktoś wymyślił kompas żyroskopowy. W bardzo dużym uproszczeniu jest to kula obracająca się z bardzo dużą szybkością zawieszona w płynie pod ciśnieniem, który ją utrzymuje. Dzięki sile obrotu i dość prostym przełożeniom żyroskop wskazuje zawsze oś N-S, a dzięki temu na róży kompasowej możemy odczytać nasz kurs. Trochę elektroniki i każde niemal urządzenie na mostku może taki kurs otrzymać. Podobnie zachowuje się np. rozpędzone koło rowerowe, które można utrzymać w osi, czy dziecięcy bączek...

Przekrój przez kulę żyroskopu

Niestety i ten kompas posiada swoje błędy. Właściwość wskazywania osi N-S wynika z ruchu obrotowego Ziemi, a w związku ze spłaszczeniem elipsoidy ziemskiej w kierunku biegunów następuje pewne odkształcenie tej osi wraz z oddalaniem statku od Równika. Innymi słowy im bliżej biegunów tym większa poprawka. Jest ona stała, policzalna i mając szerokość geograficzną statku choćby ze wskazań GPS automat może taką poprawkę korygować.

Kolejna sprawa to poprawka ze względu na prędkość. W przypadku ruchu na kulę żyroskopową działają dodatkowe siły, które również nieco odkształcają wskazania. Zasada jest taka, że im statek płynie szybciej

tym większy błąd. Ponownie - wskazanie GPS lub logu pozwala na przekazanie informacji o prędkości i skorygowaniu poprawki.

Ostatnią już poprawką będzie błąd wynikający z kursu jakim przemieszcza się statek. Jest ona w pewien sposób skorelowana z drugą poprawką, bo w przypadku postoju statku nie ma w zasadzie znaczenia kierunek. Zasada tutaj jest taka, że na kierunkach W-E poprawka jest równa 0, a na kierunku N-S jest największa. Wynika to ponownie z sił oddziałujących na kulę żyroskopową. Tutaj również możemy liczyć na automatyczną korektę błędów. Czasem na statku w ramach zabezpieczenie znajdują się dwa takie kompasy żyroskopowe.

Innymi słowy dzięki żyrokompasowi możemy liczyć na dokładny, stały i niezależny od fluktuacji pola magnetycznego kurs statku. Niestety, taki żyrokompas wymaga z jednej strony energii, a z drugiej strony pewnego czasu od włączenia do "wykręcenia" prawdziwego kursu. W przypadku jego awarii na statku zawsze znajduje się kompas magnetyczny często podpięty pod ten sam autopilot. Dodatkowo wymagane są bardzo często dodatkowe, zapasowe kompasy magnetyczne złożone gdzieś w często ładnym, drewnianym pudełeczku:P

Widok z prawego skrzydła. 

Gdzie jeszcze mamy kompasy? W szalupach. Tam niestety nie możemy liczyć na prąd poza tym co mamy w akumulatorach, a o GPS nie ma co myśleć. Najpewniejszy i wystarczający dokładny jest więc kompas magnetyczny. Dużo mniejszy, wręcz "jachtowy".

W sumie, w zależności od statku mamy aż 5 kompasów. Coraz częściej zastępuje się je przez tzw. interpolowany kompas GPS. To nic innego jak trzy odbiorniki GPS, które uśredniają wartości kursu. Pytanie tylko czy na GPSie naprawdę można polegać do tego stopnia?

Warto również wspomnieć o tym, że ogromny wpływ na konstrukcję i rozwój żyrokompasów miał Albert Einstein. Wszystko zaczęło się od pewnego pomysłu niemieckiego pomysłodawcy Dr. Hermanna Anschutz-Kaempfe, który miał dziwny pomysł dotarcia do bieguna północnego łodzią podwodną (widać takie hobby Niemców te u-booty;). Budowa i udoskonalanie żyroskopu doprowadziła do sporu patentowego przed sądem z Albertem Einsteinem, który to w efekcie doprowadził do zbliżenia obu panów, a później przyjaźni, a także ogromnego wkładu w rozwój żyroskopu i autorstwa chociażby serwomotorów i pompy. Do dzisiaj firma Anchutz-Kiel (dzisiaj znana jako Raytheon Marine) jest głównym producentem żyroskopów i szczerze powiedziawszy na każdym do tej pory statku były to produkty tej firmy. 

Pracownia firmy Anchutz-Kiel na początku lat 80-tych

P.S. Przepraszam wszystkich teoretyków urządzeń nawigacyjnych za błędy merytoryczne. Trochę czasu minęło odkąd się tego uczyłem i mogłem popełnić pewne błędy merytoryczne w opisach. Dla wnikliwych polecam książkę kpt. Jurdzińskiego.