Девиация, её виды, учёт в полёте

Очевидно, что в одной и той же точке пространства не могут одновременно существовать два магнитных поля, два вектора напряженности – Земли (H) и самолета (F). Эти два вектора векторно складываются, образуя некоторое суммарное, результирующее поле с вектором напряженности, который обозначим R (рис.5.4).

Естественно, что чувствительный элемент магнитного компаса и реагирует на это результирующее поле, поскольку только оно и существует в данной точке. И если разместить на самолете туристский компас, то его намагниченная стрелка встанет по направлению вектора R, то есть отклонится от настоящего направления магнитного меридиана. Это явление называется девиацией магнитного компаса (девиация – отклонение).

Рис. 5.4. Результирующий вектор магнитного поля

В навигации для удобства любые направления начала отсчета углов называют северным направлением какого-то меридиана – истинного, магнитного… Поэтому и направление вектора R называют северным направлением компасного меридиана, а измеренный от него курс – компасным курсом.

Угол между векторами H и R также называют девиацией.

Девиация (deviation) ΔК – угол, заключенный между северными направлениями магнитного и компасного меридианов (рис. 5.5). Отсчитывается от северного направления магнитного меридиана к востоку с плюсом, а к западу с минусом.

Рис. 5.5. Девиация

ΔК =МК−КК.

МК=КК+ ΔК.

КК=МК− ΔК.

Чтобы не ошибиться со знаками при переходе от одного вида курса к другому, следует руководствоваться уже упоминавшимся правилом учета поправок в навигации: при переходе от приборных величин к истинным поправки прибавляются, а при переходе от истинных к приборным – вычитаются (рис. 5.6). За рубежом для правильного учета девиации используется правило: «Deviation west – compass best. Deviation east – compass least».

Рис. 5.6. Правило учета поправок

Важно помнить, что величина девиации зависит от курса самолета. Для каждого компаса в кабине экипажа имеется график или таблица, по которой пилот может определить величину девиации в зависимости от показаний компаса (компасного курса).

Нормальная статическая девиация. Девиация, которая имеет место на горизонтально расположенном неподвижном самолете, называется нормальной статической девиацией. На каждом курсе для каждого экземпляра компаса она имеет вполне определенную величину, но включает в себя нескольких составляющих, характер которых проявляется по-разному в зависимости от вызывающих ее причин.

Различные источники на борту, вызывающие магнитное поле самолета, условно называют «железом», независимо от того, действительно ли они являются металлическими предметами или представляют собой электрические цепи, по которым протекает ток. «Железо» делится на «твердое» и «мягкое». Твердость и мягкость определяется с точки зрения магнитных свойств, а не физической твердости, прочности.

К «твердому железу» относят такие металлические массы (например, сталь, легированная кобальтом или вольфрамом), которые трудно намагнитить, но которые, будучи намагниченными, сохраняют свою намагниченность. Вектор напряженности поля, создаваемого «твердым железом», поворачивается вместе с ВС при его развороте. Примером «твердого железа» является обычный магнит.

Обозначим через F вектор напряженности магнитного поля, создаваемого «твердым железом» на борту. Для простоты будем считать, что этот вектор оказался направлен вдоль продольной оси ВС. Этот вектор, складываясь с вектором напряженности магнитного поля Земли H, образует результирующий вектор R (рис. 5.9, а), и будет иметь место некоторая девиация ΔК (угол между H и R).

Если же ВС развернется на другой курс, то вместе с ним повернется и вектор напряженности «твердого железа» F, который будет по-прежнему направлен по оси самолета. Но теперь, складываясь с вектором H, он образует уже другой вектор R, отличающийся как по величине, так и, самое главное, по направлению (рис. 5.9, б). Девиация ΔК будет иметь уже другую величину и даже может изменить знак.

Рис. 5.9. Изменение девиации, вызванной «твердым» железом

Нетрудно убедиться, что при развороте ВС на 360° величина девиации ΔК будет изменяться по синусоиде (рис. 5.10). При этом ΔК дважды примет нулевое значение, как бы через каждый полукруг. Поэтому девиацию, вызываемую «твердым железом», называют полукруговой девиацией.

Рис. 5.10. График полукруговой девиации

Изменение полукруговой девиации в зависимости от курса является следствием того, что при развороте самолета меняется северное направление компасного меридиана (направление результирующего вектора R). Таким образом, «компасный» меридиан это не какое-то фиксированное направление в пространстве или тем более линия на земной поверхности. Это условное понятие, введенное для удобства и единообразия в терминологии: истинный курс отсчитывается от истинного меридиана, магнитный – от магнитного меридиана, а компасный, следовательно, – от компасного. В зависимости от конкретного компаса и курса самолета направление компасного меридиана в одной и той же точке пространства различно. А если в этой точке нет компаса, то компасного меридиана просто не существует.

Можно заметить, что и магнитный меридиан не существует как таковой, то есть как некоторая линия. По крайней мере, в навигации речь всегда идет не о самом меридиане как линии, а только о направлении магнитного меридиана в какой-либо точке, от которого отсчитываются курс, пеленг и другие углы.

Величина полукруговой девиации зависит не только от курса, но и от величины горизонтальной составляющей магнитного поля Земли H. Следовательно, величина девиации одного и того же компаса на одном и том же курсе в разных местах земного шара будет различаться из-за различия H (рис.5.11).

Рис. 5.11. Зависимость полукруговой девиации от напряженности магнитного поля Земли

Другая разновидность магнитных масс на самолете – так называемое «мягкое железо». Оно собственной постоянной намагниченности не имеет, а намагничивается внешним полем. Примером «мягкого железа» является обычное железо. Рассмотрим железный гвоздь. Сам он не намагничен, но если подержать его возле постоянного магнита, то он намагнитится. Если его повернуть на 180°, то он намагнитится в противоположном направлении.

Степень намагниченности «мягкого железа» зависит от магнитных свойств самого материала, напряженности внешнего поля и расположения условного бруска «мягкого железа» по отношению к магнитным силовым линиям. Приближенно можно считать, что вектор напряженности поля, создаваемого «мягким железом», является проекцией вектора внешнего поля H на ось бруска (рис. 5.12).

Полученный таким образом вектор F складывается с H и образует результирующий вектор R, аналогично случаю с «твердым железом»..

Но при развороте самолета, изменении его курса картина будет несколько другой. Теперь меняется не только взаимное положение F и H, но и величина вектора F (рис. 5.13). Ведь этот вектор является проекцией H на ось условного бруска «мягкого железа», расположенного на самолете.

Рис. 5.12. Намагниченность «мягкого железа»

Рис. 5.13. Изменение девиации, вызванной «мягким железом»

При развороте самолета на 360° девиация также будет меняться по синусоиде, но с вдвое большей частотой (рис. 5.14). Она четыре раза будет проходить через ноль, поэтому девиацию, вызываемую «мягким железом», называют четвертной девиацией.

Рис. 5.14. График четвертной девиации

В отличие от полукруговой девиации четвертная не зависит от величины вектора H. Ее изменение при перелете в другой район Земли приведет только к изменению величины вектора R, но не его направления (рис. 5.15), поскольку величина F также пропорционально изменится.

Рис. 5.15. Сохранение четвертной девиации при изменении напряженности поля Земли

При рассмотрении механизма полукруговой и четвертной девиаций для наглядности нами предполагалось, что вектор напряженности собственного поля ВС F направлен по продольной оси ВС, поэтому нулевая девиация имеет место на курсе равном нулю (см. рис. 5.10 и 5.14). На самом деле вектор F может иметь на ВС любое направление. Это приведет к тому, что кривые на графиках будут смещены по оси абсцисс, и девиация будет равна нулю на таком курсе, при котором вектор F окажется направлен по магнитному меридиану.

Еще одной составляющей девиации является постоянная девиация, величина которой не зависит от курса. То есть, на любом курсе компас показывает курс больше или меньше фактического на одну и ту же величину. На самом деле такого рода погрешность (постоянная девиация) не обязательно вызвана именно «магнитными» причинами. Она может быть вызвана чисто инструментальными погрешностями компаса. Поскольку разделить погрешности, вызываемые магнитными и иными причинами, практически невозможно, постоянную погрешность относят к девиации. Чаще всего постоянная девиация вызвана тем, что чувствительный элемент компаса (индукционный датчик) не точно установлен по оси ВС.

Постоянная, четвертная и полукруговая девиации – это лишь составляющие общей нормальной статической девиации, все эти составляющие проявляются одновременно. Их значения складываются для каждого значения курса и полученный таким образом график девиации может иметь сложный неправильный вид (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Пример бортового графика девиации

Большой вклад в развитие теории девиации внес академик А.Н.Крылов. Он показал, что зависимость девиации от курса γ может быть выражена формулой:

ΔК = A+Bsinγ+Ccosγ+Dsin2γ+Ecos2γ,

где A,B,C,D,E - постоянные для данного компаса величины, называемые коэффициентами девиации.

A – коэффициент постоянной девиации, соответствующая ему составляющая девиации не зависит от курса.

B, C – коэффициенты полукруговой девиации. Как следует из формулы, соответствующая им девиация имеет период 360°. Эти коэффициенты зависят от напряженности поля Земли H, следовательно, постоянны только в данной точке пространства, а в других районах несколько изменяют свою величину.

D, E – коэффициенты четвертной девиации, ее период вдвое меньше.

Зная коэффициенты девиации, можно рассчитать величину девиации на любом курсе, построить график ее изменения.

На графиках девиации в кабине экипажа приводится именно нормальная статическая девиация.

Списывание и компенсация девиации. С установленной периодичностью, а также в случаях замены на самолете крупных агрегатов (например, двигателей) с каждым магнитным компасом проводят девиационные работы: списывание и компенсацию девиации.

Списывание девиации – определение ее значения на разных курсах, компенсация – полное или частичное устранение девиации.

На легких самолетах и вертолетах девиацию списывают последовательной установкой ВС на различные курсы и сравнением магнитного и компасного курсов. Списывание девиации осуществляется штурманом совместно с техником на специальных девиационных площадках на аэродроме, поблизости от которых отсутствуют металлические предметы.

Для установки ВС на заданный магнитный курс используют специальное устройство – девиационный пеленгатор. По сути он представляет собой компас, похожий на туристский, но большего размера и более точный. Обычно девиацию списывают на восьми курсах: 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° и 315°.

После этого определяют постоянную составляющую девиации (установочную ошибку). Ее находят как среднее значение девиации на четырех курсах: 0°, 90°, 180° и 270°. Устраняют ее просто поворотом компаса КИ-13 (в более совершенных компасах поворотом чувствительного элемента компаса – индукционного датчика) на соответствующий угол относительно продольной оси ВС.

Затем устраняют полукруговую девиацию. Для этого устанавливают ВС на курс 0° и вращением винта С-Ю на девиационном приборе (это часть компаса) добиваются, чтобы компасный и магнитный курс совпадали (ΔК =0). Затем разворачивают ВС на курс 90° и проделывают аналогичную операцию, добиваясь ΔК =0, но уже с помощью винта В-З.

На курсах 180° и 270° добиваются уже не нулевой девиации, как в предыдущих случаях, а уменьшают имеющуюся на этих курсах девиацию в два раза. Ведь если, например, на курсе 180° довести девиацию до нуля, то девиация появится на курсе 0°, поскольку на курсах 0° и 180° она устраняется одним и тем же винтом С-Ю.

В простейшем компасе КИ-13 можно полностью или частично компенсировать только постоянную и полукруговую девиации. В более совершенных курсовых приборах, в состав которых входит коррекционный механизм, можно устранить и четвертную девиацию.

После устранения девиации ее списывание осуществляется еще раз и остаточная девиация заносится в график или таблицу, размещенные в кабине экипажа.

На современных ВС чувствительным элементом компаса является индукционный датчик и его устанавливают в местах ВС с наименьшим влиянием собственного поля самолета. Например, в консоли крыла или в хвостовой части. В этом случае погрешность компаса вызвана не столько магнитными полями, влияние которых теперь незначительно, сколько инструментальными причинами.

Тяжелые ВС слишком сложно разворачивать на земле, чтобы установить на нужные курсы, поэтому списывание девиации на них осуществляют по-другому. С самолета снимают индукционный датчик (чувствительный элемент курсовой системы) и вне самолета устанавливают на немагнитной поворотной платформе. При этом он остается соединенным проводами с остальными частями системы и в кабине можно отсчитать измеренный с его помощью курс. Вместо того, чтобы разворачивать самолет, разворачивают платформу с индукционным датчиком.

Поскольку индукционный датчик в этом случае находится вне самолета, магнитное поле самолета на него не оказывает влияния и фактически проводится списывание не девиации, вызванной магнитными полями ВС, а списывание инструментальных погрешностей, возникающих при передаче курса от индукционного датчика к указателю курса.

Креновая девиация вызывается вертикальной составляющей магнитного поля самолета. Нормальная статическая девиация, рассмотренная ранее, имеет место на неподвижном горизонтально расположенном самолете. Если же самолет, даже неподвижный, имеет поперечный крен или крен продольный (тангаж), то появляются силы, вызывающие дополнительную девиацию. Такая девиация и называется креновой.

При рассмотрении нормальной статической девиации нами анализировался вектор F напряженности собственного поля ВС, который предполагался горизонтальным. Но на самом деле поле ВС может быть любым и, конечно, этот вектор может быть наклонен к горизонту и, следовательно, иметь вертикальную составляющую, которая и вызывает креновую девиацию (рис. 5.17).

Когда ВС располагалось горизонтально, проекция этой вертикальной составляющей поля самолета на горизонтально расположенную плоскость чувствительного элемента компаса была равна нулю и не вызывала никакой девиации. Если же ВС имеет крен, а чувствительный элемент остается горизонтальным (конструкция компасов обеспечивает чувствительному элементу такую возможность), то появляется проекция F на плоскость чувствительного элемента. Вследствие этого результирующий вектор R меняет свое направление и появляется дополнительная девиация.

Рис. 5.17. Возникновение креновой девиации

При поперечных кренах креновая девиация не имеет существенного значения. В прямолинейном полете ВС с креном обычно не летают. А при развороте ВС, если он координированный (без скольжения), чувствительный элемент компаса под действием центробежной силы наклоняется вместе с самолетом, поэтому проекция F на плоскость чувствительного элемента по-прежнему равна нулю, и креновая девиация не возникает.

А вот при тангаже (продольном крене), который имеет место в наборе высоты и при снижении, самолет может находиться несколько минут. Чувствительный элемент компаса остается горизонтальным и все это время имеет место креновая девиация.

Креновая девиация различна на разных курсах и при развороте ВС на 360° меняет свою величину по синусоидальному закону от минимального отрицательного (на курсе 270°) до максимального положительного (на курсе 90°) значения. Чем больше крен, тем больше амплитуда синусоиды. Эта амплитуда зависит от напряженности поля ВС, но для общего представления о величине креновой девиации можно считать, что она по порядку величины соответствует величине крена. То есть, при тангаже 5° и девиация может достигать примерно такой же величины.

На курсах 0° и 180° креновая девиация равна нулю при любом крене.

Ускорительная девиация вызывается вертикальной составляющей магнитного поля Земли Z (см. рис. 5.2).

Если плоскость чувствительного элемента компаса расположена горизонтально, то проекция этой составляющей Z на плоскость чувствительного элемента равна нулю и никакой девиации не возникает. Но при разгоне или торможении ВС под влиянием действующих на чувствительный элемент сил он устанавливается по направлению мнимой горизонтальной плоскости, не совпадающей с плоскостью настоящей горизонтали.

Этот эффект можно проиллюстрировать простым примером с обычным отвесом (грузом на нити). Направление нити отвеса – это и есть направление вертикали. Но если автомобиль, с расположенным в нем отвесом, разгоняется, то грузик и линия отвеса по инерции отклоняются назад. Направление отклоненной нити – это и есть мнимая вертикаль, а перпендикулярно к ней и расположена мнимая горизонтальная плоскость.

При наклоне чувствительного элемента появляется проекция вектора Z на его плоскость, которая и вызывает дополнительную (креновую) девиацию вследствие изменения направления вектора R (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Возникновение ускорительной девиации

Ускорительная девиация при изменении курса также меняется по синусоиде и равна нулю на курсах 0° и 180° при любом ускорении. Максимальные значения (на курсах 90° и 270°) зависят от величины ускорения ВС и магнитного наклонения θ. Чем больше наклонение (а оно больше в полярных районах), тем больше ускорительная девиация.

Гражданские ВС не летают с большими ускорениями, поэтому максимальная ускорительная девиация обычно не превышает 10−12°.

Но ускорения возникают не только при разгоне и торможении ВС. При координированном развороте с поперечным креном ВС движется по окружности, и чувствительный элемент компаса подвержен центростремительному ускорению, вследствие которого плоскость чувствительного элемента накреняется вместе с самолетом. И в этом случае будет иметь место ускорительная девиация, изменяющаяся по периодическому закону (но уже не по синусоиде) в зависимости от курса.

Но, поскольку крен теперь поперечный, нулевые значения ускорительной девиации будут равны нулю на курсах 90° и 270°, а максимальные абсолютные значения имеют место на северных и южных курсах (0° и 180°). Поэтому данную погрешность иногда называют северной поворотной ошибкой. Амплитуда ее зависит от величины крена и величины магнитного наклонения в районе полета. В средних широтах при крене 20° максимальная северная поворотная ошибка имеет величину порядка 30°. Поэтому по магнитному компасу трудно определить момент окончания разворота для занятия заданного курса.

При кренах, превышающих так называемый критический крен, ситуация в корне меняется и становится еще хуже. Критический крен χ_кр зависит от величины магнитного наклонения θ в районе полета:

χ_к = 90°− θ.

На территории России наклонение таково, что в большинстве случаев критический крен не превосходит 30−32°, а в полярных районах страны он всего 8−10°. При таком крене вектор T напряженности магнитного поля Земли будет перпендикулярен плоскости чувствительного элемента компаса, и его проекция на эту плоскость равна нулю (рис. 5.19). Компас будет безразличен к изменению фактического курса.

Рис. 5.19. Критический угол крена

При кренах, превышающих критический, девиация уже не носит характер синусоиды, а монотонно неограниченно возрастает при развороте самолета, составляя уже десятки градусов. Это означает, что показания компаса будут совсем недостоверными. Может даже оказаться, что погрешность измерения курса возрастает быстрее, чем изменяется сам фактический курс самолета при развороте. В этом случае, например, при развороте вправо курс на компасе будет уменьшаться, хотя на самом деле он увеличивается.