Гироскопы, и с чем их едят в авиации⁠⁠

Многие видели видео с этими магическими штуками, не подчиняющимися гравитации. Сегодняшний пост про то, какие радости и печали они приносят на борт самолетов.

Сначала немного истории. В 1914 году во Франции состоялось что-то вроде нашего Макса, т.е. авиашоу + демонстрация новинок в самолетных делах. Один из самолетов пилотировался Лоренсом Сперри и его помощником. Они сделали 3 прохода вдоль реки на глазах у публики и жюри.

- В первом проходе оба пилота убрали руки со штурвала и подняли их над головой. Самолет летел прямо, вдоль реки.

- Во втором проходе помощник Сперри вышел на крыло. Самолет накренился было, но быстро выровнялся и продолжил лететь вдоль реки.

- В третьем проходе Сперри тоже вышел на крыло. В кабине никого не было, самолет летел вдоль реки.

Так мир увидел первый автопилот. Но обо всем по порядку.

1. Авиагоризонт. Вращающийся диск гироскопа стремится сохранить свое положение в пространстве. Правда для этого нужно, чтобы он мог свободно вращаться вокруг всех трех осей; для этого его подвешивают на две рамки.

Если раскрутить диск в горизонтальной плоскости и взять с собой в самолет, то он будет показывать, как располагается горизонт. По нему почти можно будет лететь (на самом деле нет). На этом принципе основано действие авиагоризонта. Обычные авиагоризонты стоят 500-2000 баксов.

Вот на этом видео, где камера крутится вместе со стулом, видно одну интересную особенность. Поначалу кажется, что внутренняя рамка проскакивает через внешнюю рамку, но если приглядеться, то нет. На этой гифке они никогда не совмещаются.

Совмещение рамок приводит к тому, что гироскоп теряет одну степень свободы и перестает сохранять положение в пространстве. Это называется "выбиванием" гироскопа. Такое бывает при очень резких маневрах, например при пилотаже, и приводит вот к чему:

Как утверждают авторы, это случилось после 7 штопоров на цессне. В выбивании гироскопа нет ничего хорошего - во-первых, его нельзя использовать по назначению следующие несколько минут, но самое главное, что, он не рассчитан на такое вращение и сильно изнашивается. У нас в клубе по этой причине запрещены штопора на цесснах, хотя по РЛЭ они разрешены.

Есть много разных способов бороться с этой проблемой - например, можно поставить дополнительную рамку со специальным механизмом, который не дает ей совпасть с остальными рамками. Ну и самое гениальное решение - использовать лазерные гироскопы вместо классических - они не подвержены выбиванию. Хотя нет, самое гениальное решение применили в нашем пилотажном самолете, отгадайте какое.

Пока я писала этот пост, мне вспомнилось, что в телефонах тоже есть гироскопы. Они основаны на другом принципе и поэтому, как и лазерные гироскопы, не выбиваются. И да, я только что потратила 10 минут своей жизни на попытки выбить гироскоп в телефоне, прежде чем об этом узнала (телефон не пострадал).

Гироскоп использовался при съемках полетов на мотоциклах в лесу в star wars - мужик со стабилизированной камерой шагал по лесу и снимал примерно 1 кадр в секунду. Потом все это ускорили и вуаля, мотоцикл быстро, но плавно летит сквозь лес.

2. Автопилот. Первый автопилот был очень простым: гироскоп механически соединялся с рулями самолета. Если по какой-то причине самолет отклонялся от фиксированного положения, гироскоп активировал рули и тем самым возвращал самолет обратно, что Сперри и продемонствировал во Франции. Кстати выиграл 10 000 баксов тогдашних.

Современные автопилоты конечно намного сложнее.

3. Указатель курса. Давайте я просто гифку покажу.

Этот прибор используется на пару с магнитным компасом. Магнитный компас - довольно неудобная штука, т.к. из-за турбулентности он болтается на +-10 градусов, и к тому же неправильно показывает курс при разгоне и поворотах. Поэтому летают по указателю курса, а компас используют, чтобы его подправлять.

Здесь мы от свободных гироскопов плавно переходим к несвободным, т.е. тем, которые не могут свободно вращаться в пространстве.

Что за магия, и почему он не падает? Есть такой шутливый ответ на вопрос "почему конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный?" Типа постоянный упирается в конденсатор, а переменный из-за синусоиды его огибает.

Так вот, давайте пока в шутку будем думать, что гироскоп вертел действующие силы, в прямом смысле этого слова:

Сила тяжести пытается уронить гироскоп, при этом развернув его вертикально (белая стрелка). Но гироскоп вертел эту стрелку на 90 градусов по вращению и превратил ее в желтую стрелку. Она и заставляет гороскоп крутиться, а сила тяжести как будто бы исчезла.

Как это он так не падает?

Я знаю, я хожу по офигенно тонкому льду. Тема об устойчивости велосипеда - это как "взлетит или не взлетит". Где три человека, там четыре мнения. И все таки, по одной из версий виноват гироскоп. Сила тяжести (белая) хочет опрокинуть велосипед, но гироскоп ее вертел 90 градусов по вращению, превратив в желтую стрелку, а белая стрелка будто бы исчезла.

Очень прикольные ощущения, когда пытаешься наклонить раскрученный гироскоп. Он, как живой, сопротивляется и пытается вильнуть в сторону. Представьте, сколько подколок можно придумать, пряча гироскопы внутри обычных предметов. Берешь кружку, а она вырывается из рук.

У этого гироскопа всего 10-30 секунд "полезного" вращения, но его хватает, чтобы наиграться. Он раскручивается резким движением палочки с резьбой.

Вернемся к авиации. Есть такая шутка, "назовите самую большую деревянную деталь в самолете" (летчик). Как вы думаете, какой гироскоп в самолете самый большой? Не авиагоризонт. Вот самый большой гироскоп в самолете:

4. Пропеллер. Двадцать килограмм пропеллера, вращающиеся на 2500 оборотах в минуту - это вам не это. К счастью, пропеллер составляет очень маленькую часть массы самолета. Если бы он весил больше, самолетом было бы очень весело управлять - попытка задрать нос вместо этого разворачивала бы самолет вправо (у винта правого вращения). Но он весит мало, поэтому гироскопические эффекты малы, и видны только на взлете. Например, при взлете самолета с хвостовым колесом в момент опускания носа самолет довольно сильно виляет влево (как это ни странно звучит, на таких самолетах для взлета нос опускают, а не поднимают). У американских и советских самолетов разные направления вращения винтов, поэтому многие эффекты оказываются противоположны по направлению.

5. Реактивный двигатель. А что с большими самолетами? У них свои гироскопы - двигатели. Легкое гугление показывает, что гироскопические эффекты от двигателей в полете пассажирских самолетов незаметны, но их учитывают на стадии проектирования. Кроме того, гироскопические эффекты реактивных двигателей становятся заметными при малых скоростях полета - например в штопоре, или при вертикальном взлете.

У Харриера (самолет с вертикальным взлетом) пришлось делать вращающиеся в разные стороны ступени компрессора, чтобы уменьшить гироскопические силы.

А теперь источник колдунства: взяли вы крутящийся гироскоп и решили нажать пальцем на край:

Но у той точки, на которую вы нажали, были свои планы лететь вбок, она же крутилась вместе с гироскопом, а тут вы нажали:

Куда она полетит, вниз? Нет. скорости сложатся, и она полетит по диагонали, вот так:

То есть ее вращение вокруг центра просто перейдет на новую орбиту.

Методом пристального взгляда в эту картинку можно заметить, что результат нажатия - как будто бы мы наклонили диск гироскопа, но не там, где нажали, а 90 градусов вперед по диску. Тарам-парам пам, всё! Всем новых сил и необычных моментов!