История лага

МОРСКИЕ СПИДОМЕТРЫ

УЗЛЫ И МИЛИ

Древние мореплаватели до появления карт скорость своих судов и пройденное расстояние, очевидно, не измеряли. В точном определении их не было необходимости, поскольку плавали они в основном вдоль берега и никакого графического счисления пути не вели. Важнее было знать, сколько времени надо затратить, чтобы пройти из одного порта в другой, сколько проплыли и сколько еще осталось.

Карфагенский флотоводец Ганнон Мореплаватель (VII—VI вв. до н. э.), совершивший плавание вдоль западного берега Африки, регистрировал в своем дневнике наиболее приметные характеристики берега днями пути до них от Карфагена.

Великий историк Геродот (IV в. до н. э.), описывая “огромное озеро” Каспий, приводил такие сведения: “Каспийское море — это замкнутый водоем, не связанный ни с каким другим морем. Длина его — пятнадцать дней плавания на гребном судне, а ширина в самом широком месте — восемь дней”.

Эратосфен Киренский (276—194 до н. э.), заложивший основы математической географии, описывая моря к востоку от Египта, приводит расстояние в переводе на путевые дни и сообщает, что папирусным судам с теми же парусами и такелажем, что на Ниле, требуется десять дней на путь от устья Ганга до Цейлон^.

Арабы измеряли время в пути уже не сутками, а замами. Один зам равнялся у них трем часам ходу. Так, Ахмад ибн-Маджид в своей знаменитой “Книге польз” пишет: “...Ведь от Мадраки до Савкиры (мысы в восточной части побережья Аравии) — шестнадцать трехчасовок, а корабль нередко проходит их менее чем за восемь, изредка за шесть, а тяжелый за десять”. Считалось, что за сутки, включающие восемь замов, судно преодолевает около ста восьмидесяти километров, т. е. один зам равнялся приблизительно двадцати трем километрам.

В Китае во времена флотоводца, путешественника и дипломата Чжэн Хэ (1371 — ок. 1434), который руководил семью морскими походами к берегам Индокитая, Индостана, Малайского архипелага

и Восточной Африки, пройденное на море расстояние измерялось в гэнах (от кит. гэн — вахта). В среднем считалось, что за одну вахту, составлявшую у китайских мореплавателей 2,4 часа, судно преодолевает 10 миль.

Хорошо знакомая нам мера длины миля (от лат. milia — тысяча) стала впервые применяться древними римлянами. Одна миля соответствовала тысяче двойных римских шагов, что считалось равным 1481 метру. Слово миля упоминается в I в. до н. э. в трудах Помпония Мела: “Ширина входа в залив Сирт составляет около ста миль, а периметр его побережья — триста миль”.

Миля как единица измерения пройденного расстояния на море получила широкое распространение. Однако в разных странах она оценивалась по-разному. Так, венецианская миля отличалась от римской и была равна 1739 метров, а испанская — 1356 метров.

Г. Меркатор, создавая свою прямоугольную цилиндрическую проекцию для морских карт, принял расстояние между параллелями в 1 ° равным шестидесяти морским милям. Меркаторская карта явилась крупнейшим открытием, во многом способствовавшим успешному развитию мореплавания и картографии. Несмотря на искажения изображения земной поверхности, она оказалась самой удобной для мореплавателей и в первые же годы после ее появления получила широкое распространение. Во-первых, на крупномасштабных морских картах, охватывающих сравнительно небольшие части поверхности моря, искажения почти незаметны. Во-вторых, на такой карте параллели и меридианы — прямые параллельные линии, т. е. она равноугольна, а это значит, что всякий угол, образуемый двумя направлениями на земном шаре, будет равен такому же углу на карте, и путь судна, идущего неизменным курсом, будет представлять на карте прямую линию и его можно вычертить с помощью карандаша и линейки. Наконец, широтная градусная сетка с правой и с левой сторон карты может служить масштабом для измерения расстояний.

Таким образом, с помощью циркуля-измерителя стало возможно легко, быстро и достаточно точно измерять расстояния между двумя любыми точками и вести прокладку пути судна, т. е. по данным курса и пройденного расстояния графически отображать на карте пройденный судном путь.

Поскольку расстояния между параллелями в меркаторской проекции возрастают в направлении от экватора к полюсам, длина одной мили в разных широтах оказалась величиной переменной, зависящей от широты. В районе полюса она максимальна и равна 1861,6 мили, а на экваторе — минимальна — 1842,2 мили.

В первые столетия после появления меркаторских карт такая разница особенно не мешала мореплавателям, поскольку пройденное расстояние они измеряли довольно грубо. Однако с совершенствованием навигации и с появлением приборов, определяющих и учитывающих скорость и пройденное расстояние, использовать переменную единицу стало практически невозможно. Поэтому в 1926 г. Международное географическое бюро за стандартную географическую милю приняло величину, равную 1852 метра.

Кроме миль для измерения пройденного расстояния на море в разных странах применялись и другие единицы, в частности лига (5559,54 метра), лье (5555,55 метра), кабелленгте (225 метров), фарлонг (201,17 метра).

В России наряду с милями использовали версты (1066 метров). Некоторые карты русских моряков имели даже два масштаба расстояний — мили и версты.

В настоящее время в подавляющем большинстве стран для измерения пройденного на море расстояния применяют только мили.

Прибор, измеряющий скорость и пройденное расстояние, называют лагом. Считают, что слово это происходит от голландского log — расстояние. Однако существует и другое его толкование. Так, например, в югославской Морской энциклопедии указано, что такое название измерителя скорости и пройденного расстояния происходит от скандинавского lag — плывущее дерево. Русский ученый в области военно-морских наук, академик П. Я. Гамалея (1766— 1817) также называл лагом “брошенный с корабля кусок дерева”. По нашему мнению, это толкование слова лаг более правильное, чем приводимое в энциклопедиях, поскольку самый древний способ измерения скорости, известный под названием “голландский лаг”, предполагал использование именно брошенного в воду куска дерева.

Суть этого способа очень проста. С носа судна бросали щепку и определяли время, за которое она, дрейфуя, достигнет кормы. Зная длину судна, вычисляли скорость. Философ и теолог XV в. Николас (1401 —1464), описывая этот способ в своих трудах, предлагал бросать не щепки, а фрукты, например яблоки, поскольку они более заметны. Промежуток времени определялся чаще всего произнесением мерным голосом определенных фраз или сочетаний слов. П. Гамалея указывает, что в русском флоте такими словами были “эйнень-твентих”. Для их произнесения требовалась ровно одна секунда.

Конечно, способом “голландского лага” можно было как-то измерить скорость, если судно движется медленно. О скоростях судов того времени можно судить из замечания, приведенного в “Очерке истории кораблевождения капитана В. Р. Мартина”, относящегося к 1551 г. О судне, преодолевшем расстояние в 200 миль за 37 часов, говорится: “Столь быстрый ход, который обыкновенному человеку кажется невероятным... объясняется влиянием буйных приливов и жестоких ветров”. Нетрудно посчитать, что этот “невероятный” ход составлял всего около пяти миль в час.

Возможно, с помощью щепки приблизительно оценивали скорость своего хода X. Колумб и Васко да Гама, никаких других измерителей скорости у них не было.

Полагают, что одним из первых, кто стал определять скорость и пройденное расстояние для непосредственного счисления пути суд на, был итальянский мореплаватель, участник экспедиции Магеллана Антонио Пигафетта (1491 —1534). Запись пути судна (скорость, курс, пройденное расстояние и время) велась в то время мелом на деревянной доске, складывающейся подобно книге. По этим записям вычисляли место судна и делали из них выборки в книгу, которая позже получила название навигационного журнала.

В 1574 г. Уильям Берн опубликовал описание устройства нового лага, получившего название ручного, или секторного. Он состоял из деревянного, окованного железом сектора, тонкого, но прочного троса-лаглиня, на котором через определенные промежутки были завязаны узлы, и вьюшки для его сматывания. Вертикально плавающий тяжелый сектор, опущенный с борта в воду, оставался неподвижным, наподобие якоря, а судно уходило вперед. Пока песок в песочных часах, рассчитанных, как правило, на 30 секунд, пересыпался из одной половины в другую, считали число узлов, которое успело уйти за борт вместе с лаглинем, увлекаемым сектором. Интервалы между узлами выбирали с таким расчетом, чтобы узел соответствовал скорости, равной морской миле в час. В то время при разбивке лаглиня милю принимали равной 6080 футам, и поэтому расстояние между узлами делали равным 50,67 фута (15,4 метра). Однако вскоре заметили, что лаглинь погружается неравномерно: сначала больше, а затем по мере ухода в воду его погружение уменьшается. Это привело к необходимости делать расстояния между узлами различными — сначала несколько меньше 50,67 фута, а затем больше этого значения.

Наносили метки на мокрый, хорошо натянутый линь. Последовательно на первых пяти отрезках вплетали соответственно 1, 2, 3, 4 и 5 узелков, а затем снова 1; 2; 3 и т. д., что соответствовало 6; 7; 8 и т. д. меткам. Иногда между узлами вплетали гладкие метки, указывающие половину узла.

Первая метка, называемая флагдуком, устанавливалась на расстоянии от сектора, равном длине судна. Это делалось цдя того, чтобы уменьшить влияние на точность измерений увлечения сектора движущимся судном.

Измерение скорости производили с подветренной стороны, чтобы вывести лаг в кильватер, поскольку при плавании под парусами (кроме плавания при попутном ветре), лаг всегда отклонялся к наветренной стороне.

В наблюдениях, производимых в кормовой части судна, участвовали, как правило, три члена экипажа: один забрасывал лаг, другой держал на поднятых руках вьюшку с намотанным лаглинем, а третий, обычно юнга, контролировал время, Т. е. переворачивал склянки. Когда истекало 30 секунд, останавливали вьюшку и выбирали сектор на борт, проверяя еще раз, сколько узлов отмоталось.

Несмотря на свои недостатки (низкая точность, неудобства в использовании, периодичность измерений и т. п.) и появление в последующие годы более совершенных инструментов и приборов измерения скорости, секторный лаг применялся на судах несколько столетий. В русском флоте он использовался вплоть до XIX в., а на парусных и малотоннажных судах его можно встретить и сейчас. Объясняется это в первую очередь простотой его изготовления. При необходимости его можно сделать непосредственно на судне. Благодаря этому качеству секторный лаг не раз выручал моряков из беды. Примером тому может служить плавание капитана Уильяма Блая (1754—1817) после знаменитого мятежа на шлюпе английского Королевского флота “Баунти”. Напомним читателю эту историю.

По заданию английского правительства лейтенант Блай должен был переправить с острова Таити в британские колонии в Вест-Индии саженцы хлебного дерева, которые могли обеспечить дешевую пищу черным рабам. В апреле 1789 г. шлюп с саженцами на борту взял курс на запад. Жестокость капитана шлюпа Блая по отношению к подчиненным давно возмущала экипаж и в конце концов привела к мятежу матросов. Блай был схвачен и вместе с восемнадцатью членами экипажа, отказавшимися присоединиться к восставшим, высажен на баркас. На него погрузили 16 килограммов солонины, три мешка хлеба, бутылки с вином и ромом ^и 120 литров пресной воды. Произошло это в районе архипелага Тонга в Тихом океане.

До Таити, который остался позади на востоке, 1200 миль, на баркасе до него не дойти из-за встречного ветра. На западе — ближайший безопасный берег, где бывали европейцы,— остров Тимор (Нидерландская Индия). До него 3500 миль. Блай принимает решение идти к нему. Надежд на спасение в этих условиях почти нет. Из навигационных инструментов в распоряжении Блая — один магнитный компас. И тем не менее через 43 дня они доплывут туда. Спастись удалось благодаря не только мужеству и выдержке капитана, но и его выдающимся навигационным способностям. Блай прекрасно ориентировался по звездам и Солнцу, отлично знал геогра фию этого района и умело вел баркас в нужном направлении. Как сообщает французский историк мореплавания Жорж Блон в своей книге “Великий час океанов. Тихий”, лаг наподобие секторного моряки соорудили сами “из веревки и тряпок”. Он помогал Блаю отсчитывать пройденные мили и, конечно, весьма приближенно ориентироваться.

ВЕРТУШКИ ЗА КОРМОЙ

В конце XVI — начале XVII в. капитаны установили, что секторный лаг из-за больших погрешностей не позволяет успешно использовать новые карты. Особенно это стало заметно с появлением более точных карт в меркаторской проекции. Большие ошибки в измерении скорости лагом возникали из-за погрешностей в отсчетах времени, неверного счета узлов, неправильной разметки расстояний между ними, сноса сектора течением и кильваторной струей, рыскания судна и т. п. Кроме того, работа с таким лагом была очень утомительна. Измерения скорости производились каждые полчаса-час, и каждый раз требовалось извлекать тяжелый сектор из воды, просушивать пеньковый линь, проверять расстояния между узлами по особым меткам на палубе и т. п.

Столь ощутимые недостатки побудили ученых и мореплавателей искать новые средства для измерения скорости. Необходимость в новом, более точном и удобном в использовании лаге особенно обострилась в связи с появлением паровых судов и началом “железного века” в судостроении.

Переход от деревянного судостроения к железному проходил не гладко, а в острой борьбе за скорость, грузоподъемность и надежность судов. На этом пути было немало драматических и жестоких событий. Особенно это проявилось в борьбе за обладание “Голубой лентой Атлантики” — призом для судна, пересекшего Атлантический океан за рекордно короткое время. Конкурентная борьба на море нередко приводила к авариям и катастрофам. И причиной тому было не только несовершенство судов нового типа, но и плохое их навигационное вооружение.

Перечислить все изобретения и приборы, созданные для измерения скорости судна, просто невозможно, настолько они многочисленны и разнообразны. Выделим лишь те из них, которые либо прожили наиболее долгую жизнь, либо представляют определенный интерес с точки зрения оригинальности технических решений.

Как и в случае с компасом и астрономическими инструментами, в решении проблемы измерения скорости наряду с рядовыми специалистами участвовали и выдающиеся ученые. Так, Р. Гуку (1635— 1703), наблюдавшему за ветряными флюгерами с вертушками, пришла в голову мысль использовать их для измерения скорости судна. В 1668 г. он показывал некоторым членам Лондонского Королевского общества инструмент, содержащий вертушку, приводимую

во вращение напором воды. Несколько позже лаг с применением вертушки, вращающейся от напора воды, возникающего при движении судна, предлагал использовать и механик Генрих Сомарец. Однако сэр И. Ньютон дал отрицательный отзыв на его предложение. Несмотря на ряд усовершенствований прибора Сомареца, сделанных его современниками, принцип механического вращающегося тела под напором воды для измерения скорости не нашел широкого применения, пока в 1802 г. Э. Массей не предложил свою более совершенную конструкцию механического лага. Он состоял из деревянного винта и коробки с часовым механизмом и циферблатом, указывающим пройденные мили. Между винтом и коробкой размещался лаглинь длиной около 6 футов (^ 1,8 метра).

В 1861 г. английский изобретатель Томас Уокер установил циферблат вплотную к телу вращающегося винта и поместил их в единый цилиндр. Винт имел четыре наклонных крыла. При движении судна напор воды оказывал давление на крылья и те приходили во вращение. Чем больше была скорость, тем больше было число оборотов. Вращение передавалось на счетчик, который по числу оборотов отсчитывал пройденное расстояние. Преимущество этого лага перед лагом Массея состояло в том, что у него счетчик более точно регистрировал число оборотов винта, так как последний непосредственно вращал главную ось счетчика без участия линя. Лаглинь в лаге Массея, в особенности новый, обыкновенно скручивался, и часть оборотов вертушки при этом терялась.

Для определения пройденного расстояния лаг Уокера, названный “Гарпуном”, опускали с борта судна на длинном шесте, привязанным к нему на десяти-пятнадцатиметровом лине. Когда надо было снять показания счетчика, лаг поднимали на борт. Для измерения скорости пройденное расстояние делили на время, которое лаг находился в воде.

Необходимость часто вынимать лаг из воды ограничивала его применение, поэтому Уокер продолжает его совершенствовать и в 1878 г. предлагает новую конструкцию, которую он назвал “Черубом”. Винт и счетчик вновь были разделены. Но теперь счетчик устанавливали на борту судна, а винт в виде цилиндра с перьями — на лаглине длиной в десятки метров. Вращение винта через лаглинь передавалось счетчику, показывающему, в зависимости от числа сделанных им оборотов, число пройденных судном миль.
Чтобы вращение счетчика было более равномерным, между ним и винтом размещался маховик. Счетчик устанавливался на кормовой надстройке или на площадке, устроенной для отвода винта от кормовой струи.

На больших судах, где управление движением осуществлялось с мостика, расположенного в передней части судна, для снятия отсчета надо было каждый раз посылать на корму вахтенного матроса. Чтобы обеспечить штурмана информацией на мостике, Уокер вскоре разработал электрическую дистанционную передачу пройденного расстояния на репитер. Этот вариант лага получил название “Нептун”.

В июне 1900 г. американец Артур Мак Грей запатентовал новый лаг с дистанционной электрической передачей показаний от буксируемого цилиндрического тела с крыльями, аналогичного тому, что применял Уокер, на счетчики, установленные в штурманской рубке. Внутри забортной части вращался ротор с металлическим пальцем, который периодически замыкал и размыкал электрическую цепь, управляющую счетчиком с электромагнитами.

Лаг Грея был испытан на миноносце США “Портер”, а затем, по предложению автора изобретения, на русском крейсере “Варяг”, когда тот находился в Америке. Прибор оказался значительно точнее лага Уокера, так как линь, приводящий во вращение ветушку, был заменен стержнем, приводимым в движение непосредственно винтом, благодаря чему была устранена неравномерность вращения счетчика.

Механические лаги совершенствовались, и следующим шагом на пути их развития стал лаг Форбса, который перед первой мировой войной начала выпускать фирма “Эллиот” в Лондоне. В нем винт-пропеллер был помещен в вертикальную металлическую трубку, которая выстреливалась за пределы корпуса судна так, что при движении судна вода, попадая в отверстие трубки, вызывала вращение винта, которое после преобразования в электрический сигнал передавалось на счетчики пройденного расстояния.

После первой мировой войны русский гидрограф Черникеев, живший в Лондоне, существенно усовершенствовал лаг Форбса, применив вместо винта вертушку, имевшую значительно меньшее трение в осях подвеса, и сделав приемную трубку более обтекаемой и надежной. Лаг Черникеева обладал заметными преимуществами перед прежними системами этого типа: он был годен к работе в любой момент времени; не выходил из строя при движении задним ходом; работал в большем диапазоне скоростей — от самых малых до самых больших и, что особенно важно, с его помощью стало возможным непосредственно измерять не только пройденное расстояние, но и скорость хода, в том числе подводной лодки в подводном положении.

Первые испытания лага были произведены в Лондоне на гребной шлюпке. Затем его установили на английской подводной лодке К-14 вместе с четырьмя тщательно выверенными новейшими лагами других типов. Лаг Черникеева в результате длительных испытаний оказался лучшим как по точности, так и по надежности и удобству эксплуатации. Вскоре этим лагом были оснащены многие суда военного и торгового флотов разных стран мира.

В России с давних пор применяли секторные лаги. Однако уже М. В. Ломоносов обратил внимание на их несовершенство. В “Размышлениях о точном определении пути корабля” он писал: “Лаглини не измеряют скорость непрерывно, а указывают ее с промежутками. Отсюда достаточно ясно, что им следует предпочесть средства, которые выполняли бы это без перерывов. Для этого можно построить инструмент, который и действовал бы непрерывно, показывая в любой момент скорость курса, и при изменении направления позволял одним взглядом охватить протяжение пройденного пути и притом без тягостного многократного выбрасывания и наматывания веревки и записей в журнале”. Михаил Васильевич предложил свою конструкцию лага, названную им дромоскопом. В основе ее лежала “спиральная лопасть, движимая сопротивлением воды”. Дромоскоп был одним из первых прообразов механических лагов, созданных впоследствии за рубежом.

Из механических лагов наибольшее распространение в русском флоте получили лаги Массея и Уокера. Лаги Массея не только покупали за границей, но и изготавливали в Мастерской мореходных инструментов. Здесь не ограничивались копированием их конструкций, но вносили свои усовершенствования. Особенно следует отметить талантливого механика Андрея Васильевича Самойлова (1790— 1871), сыгравшего большую роль в развитии отечественного морского приборостроения. Выходец из семьи мастерового, он рано начал трудовую жизнь, поступив в 11-летнем возрасте в интендантскую службу писцом. Через три года его перевели в Мастерскую мореходных инструментов, где он быстро вырос в крупного “физического мастера”. С 1819 г. Самойлов становится фактическим руководителем Мастерской. Он внес ряд усовершенствований в лаг Массея, в частности присоединил к нему “машинку, с помощью которой можно во всякое время узнавать ход судна, не вынимая лаг из воды”, сделал буксируемое устройство более обтекаемым, что повысило его устойчивость и др.

Лаги Уокера хотя и покупали за границей, но запасные счетчики к ним, которые часто выходили из строя, изготавливали на Электромеханическом заводе Кронштадтского порта.

Перестали покупать лаги за границей лишь в 30-х гг. Но уже в 1924 г. Мастерская мореходных инструментов начала серийно выпускать забортные лаги типа “Нептун”, а вскоре — лаги с буксируемой вертушкой для судов торгового флота. Лаг забортный малый (ЛЗМ) предназначался для использования на судах со скоростями до 15 узлов, а лаг забортный большой (ЛЗБ) — до 25 узлов. Отличались эти лаги друг от друга только устройством вертушки и передаточным отношением редуктора.

В 1933 г. Мастерская мореходных инструментов освоила серийное производство вертушечного днищевого лага “ГО марка 3”, который стал основным типом лагов для кораблей и судов более чем на два десятилетия. В основе его конструкции лежали многие технические решения, предложенные Черникеевым. Передающий аппарат с подводным механизмом и вертушкой выстреливался через клинкет под днище судна. Вращение вертушки 7, возникающее от скоростно го напора воды, передавалось через червячные передачи 2; 8 и б; 7 на ось 3 контактной звездочки 4. При этом электрические сигналы приводили в действие счетчик пройденного расстояния.

Структурная схема верту-шечного лага, в котором в качестве преобразователя угловой скорости вращения вертушки в электрический сигнал использовался тахогенератор, приведена на рисунке. При вращении вертушки 1 на выходе тахогенератора 2 вырабатывалось напряжение, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения вертушки. Это напряжение подавалось на вход измерительной схемы 8, которая, как правило, представляла собой следящую систему. С помощью усилителя 3 повышали напряжение тахогенератора и приводили в действие исполнительный двигатель 4, с осью которого были связаны линейный вращающийся трансформатор 6 и шкала скорости 5. Двигатель 4 разворачивал ось вращающегося трансформатора до тех пор, пока вырабатываемый последним компенсирующий сигнал не становился равным напряжению тахогенератора. При этом шкала скорости 5 разворачивалась относительно указателя на угол, пропорциональный угловой скорости вращения вертушки, т. е. пропорциональный скорости судна. Для учета погрешностей лага в измерительной схеме был предусмотрен корректор 7, вносящий в показания лага поправку, определяемую по результатам натурных испытаний. Пройденное судном расстояние вычисляли путем интегрирования скорости.

В последнее время в днищевых вертушечных лагах, устанавливаемых на малых судах, спортивных катерах и яхтах, используют лопастные вертушки, размещаемые непосредственно в корпусе судна. Следует отметить, что идея такого лага была высказана еще в 1781 г. французским инженером де Голлем, но не получила одобрения как “крайне многосложная”. Подобные лопастные вертушки менее подвержены механическим повреждениям при ударах судна о плавающие предметы, меньше забиваются водорослями, чем традиционные винтовые вертушки. Кроме того, поскольку шаг лопастной вертушки определяется ее диаметром, то при одинаковых с винтовой вертушкой размерах лопастная вертушка будет давать больше оборотов на одну милю, т. е. лаг, ее использующий, может иметь большую точность и лучшую разрешающую способность. Для преобразования частоты вращения вертушки в электрический сигнал на ее лопастях размещают постоянные магниты /, которые, проходя рядом с магнитоуправляемым контактом 2, замыкают его. При этом в измерительной цепи появляется электрический импульс, воздействующий на измерительную схему лага.

Измерители пройденного расстояния и скорости, основанные на использовании вращающейся вертушки, не могли в полной мере удовлетворить требования новых быстроходных кораблей и судов. Вертушки часто опутывались плавающей травой, тиной, ржавели и ломались или давали неверные показания. Поэтому, совершенствуя вертушечные лаги, ученые и инженеры продолжали искать другие средства измерения скорости и пройденного расстояния, которые “не требовали бы никаких отдельных работ с ними, кроме одного только спокойного наблюдения, какое делается, например, над компасом, барометром, термометром и т. п.”

Вот для примера несколько оригинальных конструкций для измерения скорости, предложенных изобретателями того времени. В 1753 г. Бугер в своей “Навигации”, переведенной на русский язык в 1764 г., предложил для измерения скорости использовать принцип рычажных весов. Он рассудил, что если одно плечо весов опустить в воду, а к другому присоединить тяжесть, которая уравновешивала бы напор воды, то можно непрерывно измерять скорость. В качестве плеча, опускаемого в воду, он предлагал использовать шар диаметром в один фут (около 30 сантиметров).

Похожий принцип, но уже пружинных весов, предлагал реализовать русский инженер П. Зарубин. Его идея состояла в том, что погруженный в воду ниже поверхности воды пустотелый металлический шар определенного диаметра соединялся с помощью шнура или проволоки с пружиной, другой конец которой был закреплен неподвижно. Степень натяжения проволоки, зависящая от скорости судна, измерялась с помощью “циферблата”.

В начале XX в. военно-морскими силами Франции был принят на вооружение измеритель скорости, предложенный лейтенантом французского флота Болем. Лаг Боля представлял собой электрическую схему с датчиком, использующим пузырьки воздуха. Под днищем судна вдоль его диаметральной плоскости размещалась полая трубка Т. В корпусе судна над трубкой находился резервуар со сжатым воздухом. Из резервуара в трубку с определенной частотой, зависящей от скорости судна, поступали пузырьки воздуха. В конце трубки был расположен контакт Р, периодически разобщаемый прохождением через него воздушных пузырьков.

При каждом таком разобщении автоматически выпускался из резервуара новый пузырек воздуха. Эту функцию осуществлял расположенный под резервуаром электромагнит Е. Электрический сигнал по проводам подавался на пульт управления с хронографом С, показывающим

скорость прохождения пузырьков воздуха, т. е. скорость судна, и счетчиком d, суммирующим эти прохождения, т. е. фиксирующим пройденное расстояние.

Лаг отличали простота конструкции и отсутствие вращающихся частей, что делало его сравнительно надежным измерителем скорости и пройденного расстояния. Однако точность его оставляла желать лучшего.

Было много и других изобретений лагов, основанных на различных принципах, но развития они не получили, поскольку не могли оказать конкуренцию вертушечным лагам.

ПРИНЦИП ПИТО И ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ

 

Наиболее широкое применение получил гидродинамический принцип измерения скорости, предложенный французским математиком, физиком и гидротехником, членом Парижской академии наук Анри Пито (1695—1771).

В 1732 г. в сочинении “Описание одного прибора для измерения скорости воды, текущей струей из сосуда” Пито опубликовал описание изобретенной им трубки, которая позволяла измерять динамический напор текущей жидкости. По имени изобретателя она получила название трубки Пито. Если можно измерить скорость текущей жидкости относительно какого-либо неподвижного предмета, рассуждал Пито, то, очевидно, можно решить и обратную задачу — измерить скорость предмета относительно неподвижной жидкости. Так возникла идея измерять скорость судна по величине сопротивления морской воды, возникающего при его движении.

Пито предложил для этих целей использовать искривленную трубку, вертикальное колено которой возвышается над ватерлинией судна, а отверстие горизонтального колена находится в воде и обращено к носу. При движении судна высота воды в вертикальном колене от возникающего напора начинает подниматься и тем выше, чем больше скорость. А. Пито установил, что динамическое давление в трубке пропорционально квадрату скорости и коэффициенту К, величина которого зависит от водоизмещения судна, формы корпуса и т. п., т. е. от гидродинамических свойств обтекающего трубку потока воды.

Предложение свое Пито не довел до практической реализации, но внимание уче- ных и специалистов оно привлекло. Некоторое время спустя после опубликования работ французского ученого член Американского ученого общества Гопкинс советовал для измерения скорости по принципу Пито использовать корабельную помпу, загнув нижний конец ее к носу, а верхний вывести на палубу и вставить в стеклянную трубку, наполненную маслом. Нам неизвестна конструкция помпы, которую имел в виду Гопкинс, но, очевидно, это была стационарная помпа и не исключено, что предложение Гопкинса использовать ее навело впоследствии мысль конструктора на создание клинкетов для трубок гидродинамических лагов — своеобразных водонепроницаемых колодцев, позволяющих опускать трубку за пределы корпуса и поднимать ее внутрь судна.

Во второй половине XVIII и начале XIX в. было предпринято несколько попыток создать практически приемлемую для использования на судне конструкцию лага по принципу Пито, но созданные приборы из-за своей сложности и несовершенства не могли в то время конкурировать с более простыми секторными и вертушечными лагами. Тем не менее инженеры и конструкторы вновь и вновь возвращались к этой идее.

Развитию гидродинамических лагов во многом способствовали теоретические исследования, выполненные в области гидродинамики в XVIII—XIX столетиях. Особую роль в этом вопросе сыграли работы швейцарского механика и математика Даниила Бернулли (1700—1782) — одного из представителей семейства, из которого вышли восемь выдающихся математиков, из них трое широко известны во всем мире — Яков (1654—1705), Иоганн (1667—1748) и, наконец, Даниил. Удивительным и, наверное, единственным примером того, как могут передаваться по наследству математические способности, является тот факт, что математическую кафедру Ба-зельского университета в течение более 100 лет постоянно занимал кто-нибудь из семейства Бернулли.

Ранние годы Даниил провел в Гронингене в Голландии. Затем учился в гимназии и в университете Базеля. После завершения учебы двадцатипятилетний математик поступает на службу в Петербургскую Академию наук, где начинается расцвет его творческой деятельности. Научные интересы его весьма широки — теоретическая гидродинамика, теория колебаний, теория вероятностей, кинетическая теория газов. В области теоретической гидродинамики Д. Бернулли выводит уравнение, связывающее между собой давление и скорость движения идеальной жидкости. Это уравнение позволило прийти к выводу, что скоростной напор потока, соответствующий скорости судна, равен гидродинамическому давлению в его некоторой критической точке. Таким образом, для измерения скорости надо измерять гидродинамическое давление в этой точке.

Теоретические работы в области гидродинамики и математики Д. Бернулли, Ж. Л. Лагранжа, О. Л. Коши (1789—1857) и других явились хорошей основой для создания пригодных для практического применения гидродинамических лагов и их последующего совершенствования.

Первые конструкции гидродинамических лагов были громоздки и ненадежны. На их показания большое влияние оказывали качка судна, крен, его осадка и т. д. Чтобы уменьшить их влияние, во второй половине XIX в. вместо одной трубки стали применять две, одна из которых измеряла статическое давление, а другая — полное. Это позволило значительно снизить ошибки от изменения осадки судна, поскольку на разности давлений в этом случае она не сказывалась. Для уменьшения габаритов пытались в трубках вместо части воды использовать ртуть, равную ей по массе (лаг Бертона, 1850), однако это приводило к заметной потере чувствительности лага на малых скоростях.

В 1853 г. французский ученый Друане, основываясь на теории сжимания жидкой струи, запатентовал оригинальную конструкцию лага, названного им скоромером. В качестве чувствительного элемента он использовал трубку, изобретенную итальянским ученым Дж. Вентури. Она представляла собой сужение на трубопроводе, где скорость протекающей через нее жидкости возрастала, а давление соответственно уменьшалось. Трубка 2 в изобретении Друане длиной от 30 до 35 сантиметров устанавливалась параллельно борту судна. В месте соединения конусов было сделано небольшое отверстие, куда вставлялась трубочка 7, соединенная другим концом с манометром. Как только судно начинало набирать ход, в конусообразную трубку попадал поток воды, который приводил к всасыванию ее малую трубку. С увеличением скорости пропорционально возрастали показания манометра.

В течение 1853—1855 гг. Друане испытывал лаг на различных судах и получил неплохие результаты. Прибор был запатентован во Франции, Англии и ряде других стран. Однако многочисленные лестные отзывы, сулившие большое будущее прибору, вскоре сменились разочарованными. Оказалось, что прибор, хотя и превосходит все старые лаги по точности, не обладает необходимой надежностью — малейшая трещина в трубке или даже легкое повреждение выводили прибор из строя. Лаги с трубкой Пито были надежнее. Первым гидродинамическим лагом, использованным на русских кораблях, был лаг Никольсона. В 1914 г. он был установлен на крейсере “Рюрик”. Лаг состоял из двух медных вертикальных трубок 4 и 9, установленных внутри корабля вертикально. Трубка 9 была соединена с коленчатой трубкой 7, заделанной заподлицо с днищем судна, и измеряла статическое давление, т. е. уровень воды в ней всегда соответствовал уровню забортой воды. Трубка 4 с помощью гибкого шланга 5 соединялась с небольшой трубкой 6, проходящей сквозь днище корабля и выступающей в воду за пределы корпуса примерно на 15 сантиметров. Снизу эта трубка была закрыта, а сбоку, на стороне, обращенной к носу, имела круглое отверстие. Если корабль стоял, то уровень воды в трубках 4 и 9 был одинаков и соответствовал уровню забортной воды. Когда корабль начинал движение, уровень воды в трубке 4 повышался пропорционально скорости. В трубке 4 имелся поплавок 3, от которого в ходовую рубку шла цепочка 2, где она через зубчатое колесо была связана со счетчиком 7.

К другому концу цепочки 2, опущенному в трубку 9, был прикреплен в качестве противовеса груз 8. Лаг сразу указывал не только пройденное кораблем расстояние, но и его текущую скорость, действовал автоматически и не требовал большого ухода.

Несмотря на эти преимущества, гидродинамические лаги из-за сложности изготовления и высокой стоимости внедрялись медленно. Лишь с внедрением в их конструкцию манометрических устройств, измеряющих разность давлений, они получили признание и широкое распространение.

Рассмотрим принцип действия современного гидродинамического лага. От двух приемных трубок 7 и 2 вода поступает в сильфонный аппарат 3, разделенный мембраной 4. В нижнюю полость сильфонного аппарата поступает полное давление Р _rf обусловленное движением судна и его осадкой, т. е. динамическим Р_д и статическим Р_стдавлениями: P_n=Pд + Рст

В верхнюю полость поступает только статическое давление, равное осадке судна. С мембраной сильфонного аппарата соединен шток 5. Если судно не движется, давление в обеих полостях сильфонного аппарата одинаково и равно статическому. В этом случае положение штока соответствует нулевому значению скорости судна. Очевидно, что изменение осадки судна не приводит к изменению положения штока, поскольку давление изменяется как в верхней, так и нижней полостях одновременно.

Когда судно набирает скорость, динамическое давление возрастает и эластичная мембрана поднимается вверх, одновременно перемещая шток 5. Соединенная со штоком стрелка займет определенное положение относительно шкалы 6, которое будет соответствовать скорости судна. Однако такое “прямое” измерение скорости неприемлемо прежде всего из-за остаточных непрогнозируемых деформаций мембраны, а также вследствие необходимости передачи информации о скорости в штурманскую и ходовую рубки и другим потребителям. Поэтому в современных гидродинамических лагах используют компенсационный принцип измерения скорости. Преобразование гидродинамического давления в скорость осуществляется в центральном приборе лага, состоящем из взаимосвязанных узлов и блоков, основными из которых являются: сильфонный аппарат, узел скорости, узел пройденного расстояния, регуляторы и корректоры.

Узел скорости преобразует перемещение штока сильфонного аппарата в электрический сигнал, пропорциональный скорости судна. Специальное масштабное устройство преобразует, в свою очередь, этот сигнал в значение скорости в узлах. Из центрального прибора значение скорости передается на выносные указатели-репитеры, которые устанавливают на ходовом мостике, в штурманской рубке, в гиропосту и других необходимых местах. В узле пройденного расстояния электрический сигнал, пропорциональный скорости, преобразуется в показания пройденного расстояния в милях и кабельтовых, которое используется судоводителем для прокладки места судна на морской навигационной карте. Регуляторы и корректоры служат для регулировки и ввода в счетную схему постоянных поправок скорости.

Преобразование гидродинамического давления в значения скорости и пройденного расстояния показано на рисунке. Полное и статическое давление от приемной трубки / через крановый распределитель 2 поступает в сильфонный аппарат 3. Разность давлений в камерах этого аппарата вызывает перемещение штока 4, который поворачивает рычаг 5. При этом замыкается один из контактов 6, приводя во вращение двигатель скорости 19. Двигатель скорости вращает коноид 12, связанный с ним указатель скорости // и сельсин-датчик 20, передающий значение скорости в виде электрического сигнала на репитеры скорости и пройденного расстояния 21. От двигателя 19 также вращается ходовой винт 16 каретки 17 интегратора. Коноид 72 в продольном сечении конусообразен, а в поперечном его радиус изменяется с углом поворота в соответствии с квадратичной зависимостью динамического давления от скорости. В коноид 72 упирается щуп 70, который при повороте коноида изменяет угол наклона каретки 8 вокруг оси 7, что, в свою очередь, изменяет направление и силу действия пружины 9 на рычаг 5, возвращая его в начальное положение. При этом размыкаются контакты 6 и останавливается двигатель 19. Давление Р уравновешивается натяжением пружины 9 через шток 4 и рычаг 5, а угол поворота коноида 72 и указателя скорости 77 соответствует скорости судна. Пройденное судном расстояние вырабатывается интегратором. На его каретке 17 расположен ролик 75, фрикционно связанный с конусом 14, равномерно вращаемым двигателем 13. При изменении скорости двигатель 79 вращает ходовой винт 76, вызывая перемещение каретки 17 вместе с роликом 75 вдоль образующей конуса 14. От положения ролика зависят радиус конуса в том месте, где ролик его касается, и, следовательно, частота вращения ролика. Таким образом, число оборотов ролика за некоторое время пропорционально интегралу от скорости судна за это же время, т. е. пройденному расстоянию. Вращение ролика 75 через систему шестереночных передач обеспечивает работу счетчика пройденного расстояния 18.

С 50-х гг. в некоторых лагах вместо двух трубок стали применять одну с двумя каналами. Двухканальные трубки имеют некоторое преимущество, в частности отпадает необходимость в установке специального клинкета для приема статического давления, поверхностная насадка трубки может быть обработана значительно тщательнее, чем днище судна, что улучшает условия приема статического давления. Однако в изготовлении она сложнее. Внешний вид приборов гидродинамического лага МГЛ-25, применяемого на отечественных судах, показан на рисунке. В комплект лага входят центральный прибор 4 с сильфонным аппаратом 10, станция питания 1, репитеры З_у приемная двухканальная трубка с клинкетным устройством. На передней панели центрального прибора 4 расположены: шкала скорости 5, счетчик пройденного расстояния 6, шкала часового регулятора #, окно 7 для наблюдения за работой сигнального диска электродвигателя пройденного расстояния, сигнальная лампа о подаче электропитания //, сигнальная лампа о неисправности 9. Информация о скорости и пройденном расстоянии через разветвительную коробку 2 поступает на репитеры.

В некоторых конструкциях лагов компенсационное усилие создается не натяжением пружины, а электромагнитными силами или давлением столба ртути.

В последние годы некоторые механические узлы лагов стали заменять на электронные. Так, в лаге SAL—24Е шведской фирмы “Юнгнер Марин” узел пройденного расстояния вместе с электродвигателем, конусом и механическим счетчиком оборотов полностью заменен на электронную схему.

Несмотря на простоту принципа измерения скорости, гидродинамические лаги имеют ряд существенных недостатков. Прежде всего для работы лага необходимо обеспечить подачу в центральный прибор полного и статического давлений воды. С этой целью в корпусе судна прокладывают специальные трубопроводы со сложной системой кранов. Эта система требует практически непрерывного обслуживания, так как по трубам поступает и воздух, находящийся в морской воде, причем его содержание резко возрастает при качке судна и вол нении моря. Воздух препятствует нормальному поступлению воды в сильфонный аппарат, и его следует периодически удалять из трубопроводов. Наличие минеральных солей в морской воде приводит к “засолению” трубопроводов. Работы по их очистке довольно трудоемки и требуют временных затрат. Наконец, гидродинамические лаги на малых скоростях (до 3—4 узлов) работают со значительными погрешностями, а измерять скорость заднего хода они не могут принципиально. Поэтому поиски путей создания более совершенных лагов продолжались и привели в последние десятилетия к созданию электромагнитных или индукционных лагов, которые вытесняют с кораблей и судов лаги гидродинамические.

Более ста пятидесяти лет назад, в 1839 г., сын английского кузнеца и ученик переплетчика, ставший великим ученым XIX в., Майкл Фарадей (1791 —1867) открыл закон электромагнитной индукции, на котором основана вся современная электротехника. Согласно этому закону в проводящем контуре, движущемся в постоянном магнитном поле или находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущая сила (ЭДС) электромагнитной индукции. Численно она равна, а по знаку противоположна скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

Морская вода из-за содержания в ней большого количества минеральных солей электропроводна. Это натолкнуло ученых на мысль использовать этот природный проводник для измерения скорости судна. В самом деле, если с судном жестко связать источник магнитного поля, то поле при пересечении воды-проводника вызовет в ней ЭДС. Чем больше скорость судна, тем больше ЭДС, остается только ее измерить.

Таким образом, если первичный преобразователь скорости, содержащий электромагнит / и измерительные электроды 2, жестко связать с движущимся судном, то, измерив тем или иным способом напряжение, возникающее на измерительных электродах за счет вызванной в воде ЭДС, можно определить скорость перемещения создаваемого электромагнитами магнитного поля относительно воды, т. е. определить значение относительной скорости.

Индукционный лаг может быть представлен в виде эквивалентной схемы. Сопротивление R является входным сопротивлением измерительной схемы индукционного лага, а сопротивление R_{ — внутренним сопротивлением приемного устройства, которое зависит от расстояния между электродами лага, площади их поверхности, удельного сопротивления морской воды, а также от омического сопротивления двойного электрического слоя, возникающего при поляризации электродов. Поляризация происходит за счет образования в прилегающих к ним тонких слоях воды электрических зарядов, обусловленных действием электростатических сил. При этом в области между электродами возникает ЭДС поляризации, нарастающая пропорционально количеству протекающего через электроды электричества и снижающая до нуля измеряемое напряжение.

Для устранения ЭДС поляризации в индукционных лагах электромагнитное поле создается переменным током. Указанная ЭДС вследствие сравнительно медленного протекания электрохимических процессов на электродах становится пренебрежимо мала. Поляризация электродов происходит и в этом случае в течение каждого полупериода тока, но в отличие от поляризации постоянным током не нарастает со временем и вызывает лишь сдвиг полезного сигнала по фазе. Для уменьшения этого эффекта измерительные электроды изготавливают, как правило, из серебра или платины.

На рисунке приведена схема чувствительного элемента индукционного лага — индукционного первичного преобразователя скорости (ИППС). Внутри обтекаемого корпуса /, выполненного из немагнитных материалов, например эпоксидной смолы, установлен электромагнит с сердечником 2, набранным из пластин трансформаторной стали, с обмоткой 3. Электропитание к обмотке электромагнита и к электродам 4 поступает по экранированным проводам 5. Индуцированная в воде ЭДС снимается с электродов 4 и по проводам 6 поступает в виде электрического сигнала в схему лага для дальнейшей обработки.

Все ИППС индукционных лагов подразделяются на “выстреливаемые” за пограничный слой судна (слой, непосредственно примыкающий к корпусу судна и ввиду вязкости жидкости увлекаемый им при движении) и устанавливаемые заподлицо с его днищем. Толщина пограничного слоя различна для каждого типа судна, поэтому длина выстрела ИППС колеблется от 40 см до 2 м.

Выстреливаемые ИППС обеспечивают измерение скорости судна за пределами пограничного слоя, что повышает их точность, однако на мелководье и во льдах их использование затруднено из-за возможной поломки. Поэтому на ряде судов используют ИППС, устанавливаемые заподлицо с днищем, или оба типа ИППС.

Надежность и простота эксплуатации сделали индукционный лаг основным измерителем относительной скорости — от прогулочных катеров до океанских лайнеров.

В основу индукционного лага ИЭЛ-2М положена электронная схема, выполненная с преимущественным использованием полупроводниковых элементов и интегральных микросхем, каждые из которых имеют законченное конструктивное исполнение. Выработанный ИППС сигнал поступает в прибор 29, предназначенный для предварительного усиления и согласования выходного сопротивления датчика ИППС с входным сопротивлением измерительной схемы прибора 6. Питание вычислительной схемы и ИППС обеспечивает прибор J. Прибор 6 — основной прибор лага. С него осуществляются контроль за работой схемы лага, ввод корректуры, поиск неисправностей, регулировка масштаба и т. д.

ПРОБЛЕМЫ АБСОЛЮТНОЙ СКОРОСТИ

Все лаги, которые мы рассмотрели в предыдущих параграфах, измеряют скорость относительно водной среды. Но водные массы морей и океанов под влиянием течений различной природы находятся в постоянном движении. Эти течения увлекают за собой судно от намеченного пути, а относительный лаг этого переноса не учитывает. Переносная скорость судов за счет течения и ветрового дрейфа может достигать 3—5 узлов, что существенно сказывается на точности счисления.

Кроме собственного течения морской воды на точность относительных лагов значительное влияние оказывает гидродинамическое поле самого судна, образуемое в результате увлечения корпусом примыкающего к нему объема воды. Величина этого объема зависит от водоизмещения судна, а также от размеров, формы и чистоты его корпуса. У супертанкеров толщина этого слоя может достигать сотни метров. Учесть влияние движения этой среды на показания лага в полной мере пока не удается.

Мореплаватели нуждались в абсолютном лаге, т. е. приборе, который позволял бы измерять скорость относительно Земли, к которой “привязаны” все морские карты.

Первые попытки создания абсолютного лага были предприняты давно. В частности, еще в прошлом столетии умельцы предлагали измерять скорость с помощью катящегося по дну колеса, буксируемого судном. По числу его оборотов предлагалось рассчитывать абсолютную скорость и пройденное расстояние. Совершенно очевидно, что такая попытка положительных результатов дать не могла.

Было много и других более серьезных предложений, в частности по использованию для измерения скорости магнитного поля Земли, по интегрированию измеряемых ускорений судна и др. Однако наилучших результатов удалось достигнуть лишь с помощью акустических устройств, использующих так называемый эффект Доплера.

В 40-х гг. XIX столетия австрийский физик и астроном Христиан Доплер (1803—1853), наблюдая за звездами, обнаружил, что при относительном перемещении звезды по небосводу изменяется ее цвет. Поскольку световые волны являются частью частотного спектра, Доплер решил, что изменение цвета происходит из-за изменения частоты принимаемых на Земле световых волн. Используя результаты своих наблюдений, он в 1842 г. теоретически обосновал принцип акустики и оптики, заключающийся в том, что частота колебаний, воспринимаемых наблюдателем, зависит от скорости и направления его движения относительно источника колебаний. Развивая теорию Доплера, французский физик Арман Физо в 1848 г. впервые указал на возможность измерения по сдвигу частот световых волн, излучаемых звездами, скорости их перемещения.

В 1900 г. русский астроном А. А. Белопольский (1854—1934) проверил в лабораторных условиях эти выводы и экспериментально доказал их справедливость. Дальнейшее развитие теория доплеров-ского сдвига частот получила в работах А. Эйнштейна, Г. Айвса, В. А. Михельсона, И. Штарка и др.

Начало применения эффекта Доплера в морском флоте относится к первой четверти XX в., когда с его помощью стали определять ориентировочно направление движения кораблей. Делалось это с помощью гидрофонов и шумопеленгаторов путем прослушивания “на слух” шумов судовых машин. По их тональности судили о том, движется корабль навстречу наблюдателю или удаляется от него. Однако уже в 1932 г. в США Константином Шиловским были запатентованы метод и устройство для определения и измерения скорости судна посредством направленного излучения ультразвуковых волн. Метод был опубликован в июне 1932 г. и сразу же привлек к себе внимание специалистов, занимающихся навигационным оборудованием летательных аппаратов. Вскоре в США были созданы первые радиодоплеровские лаги измерения скорости относительно Земли, работающие в сантиметровом диапазоне радиоволн. Успех превзошел все ожидания. В последующие годы была создана такая же аппаратура и для гражданских самолетов и вертолетов.

Начались поиски путей создания доплеровских лагов и для морских объектов. Проблема здесь состояла в том, что надо было использовать не радиоволны, а ультразвуковые колебания, которые, во-первых, интенсивно затухают в морской воде, а во-вторых, из-за неоднородностей среды имеют непостоянную скорость распространения. Кроме того, выделить доплеровский сдвиг частот, несущий в себе основную информацию, на малых скоростях сложнее, чем на больших, особенно на качающемся судне.

Первые патенты на гидроакустические лаги для судов были заявлены в конце 30-х гг. в Германии. Запатентованные схемы содержали в себе большинство основных технических решений, реализованных в современных гидроакустических лагах.

Предложенный принцип измерения абсолютной скорости состоял в следующем. В днище судна располагаются излучатель и приемник акустических колебаний. Излучатель формирует узкий луч сигнала, направленный под углом а к горизонту. При движении судна его передатчик движется с некоторой скоростью навстречу отражающей поверхности — морскому дну, в результате чего излученная волна “сжимается”, т. е. частота излученных колебаний возрастает и тем больше, чем больше скорость судна. Отразившись от дна, сигнал вернется к приемнику.

За время распространения излучения до дна и обратно судно сместится и займет новое положение, так что прием отраженного излучения будет производиться под новым углом а 1. Поскольку скорость судна намного меньше скорости звука в воде, можно принять а = а i.

Следовательно, нетрудно определить, что частота принятого сигнала будет отличаться от частоты излученного сигнала на величину, называемую доплеровским сдвигом частот,  fд = 2v cos a / c

где v — скорость судна; с — скорость звука в воде. Измеряя fд, можно при определенных условиях с достаточно высокой точностью определить абсолютную скорость.

В начале 40-х гг. американская компания “Сабмарин Сигнал” разработала гидроакустический лаг для кораблей ВМС США. Однако вторая мировая война помешала дальнейшим работам над этим измерителем скорости.

В конце 40—50-х гг. работы над гидроакустическим лагом вновь были широко развернуты в США, Японии и ФРГ. Новыми побудительными мотивами для расширения работ в этой области морского приборостроения явились следующие обстоятельства. Во-первых, к этому времени уже были достигнуты достаточно большие успехи в создании радиодоплеровских лагов для самолетов и вертолетов и накопленный опыт позволял перейти к созданию аналогичных гидроакустических систем такого типа. А во-вторых, в связи с развитием крупнотоннажного судостроения существенно возросли требования к точности навигации. Сходящие со стапелей танкеры дедвейтом сто и более тысяч тонн имели большую инерцию и потому нуждались в высокой точности определения скорости, особенно при плавании вблизи берега, в узкостях, каналах и акваториях порта. Небольшая ошибка в измерении скорости таких судов в неблагоприятных условиях плавания могла привести к аварийной ситуации. Супертанкеры водоизмещением 200 тысяч тонн и более при входе в порты во избежании аварий должны снижать скорость до 0,2—0,25 узла, а при швартовке — до 0,1 узла. При этом скорость должна измеряться с точностью до 0,01 узла. Существенно повысилась и стоимость ходового часа, что потребовало уменьшения ходового времени за счет повышения точности счисления.

Созданию гидроакустического лага предшествовал ряд исследований и экспериментальных работ, выполненных лабораториями США и ФРГ. В результате этих исследований удалось установить, что случайные изменения скорости распространения акустической энергии не влияют на точность измерения доплеровского сдвига частоты. Чтобы учесть скорость звука, достаточно измерить ее в районе расположения излучателя и приемника. Было также показано, что рельеф дна на величину доплеровского сдвига частоты не влияет, а сказывается лишь на интенсивности отраженного сигнала. Особенно важными были результаты исследований по оценке влияния качки на измерение скорости. Оказалось, что это влияние можно скомпенсировать, если применить многолучевую акустическую антенну с конфигурацией лучей по типу “Янус” (по имени древнего мифического бога с двумя лицами, одно из которых всегда обращено в прошлое, а другое — в будущее). Такая конфигурация предполагает Х-образную ориентацию лучей, при которой используются излучатели и приемники с направлением лучей вперед по ходу судна и под таким же углом назад.

Уже в конце 40-х гг. были испытаны первые опытные образцы гидроакустических лагов, созданных фирмой “Атлас Верке” (ФРГ), подтвердившие в реальных условиях возможности высокоточного измерения скорости относительно грунта. В 1955 г. фирмой “Рей-тон” под руководством Е. Е. Торнера были испытаны созданные ею образцы лагов для кораблей США. В 1962 г. этой же фирмой было освоено производство доплеровских лагов для глубоководных и спасательных аппаратов. Одновременно были развернуты работы над абсолютными лагами для коммерческих судов. В 1967 г. на супертанкере “Ессо Австрия” был испытан гидроакустический лаг MRQ фирмы “Маркардт” (США), который не только измерял скорость относительно грунта, но и обеспечивал безопасную швартовку. В этот же период были созданы гидроакустические лаги для подводных лодок США. Из-за несовершенства конструкции первые лаги были рассчитаны на работу при глубинах всего 60 метров.

Обобщенная функциональная схема абсолютного лага, использующего эффект Доплера, приведена на рисунке (рисунки на данных страницах не приводятся. Их вы можете скачать отдельно - "Кубрик").

Гидроакустическая антенна ГА и приемопередающее устройство ППУ обеспечивают излучение и прием отраженных от грунта акустических сигналов, распространяющихся по лучам 1—4. Отраженные от дна и принятые антенной сигналы /п_Р1, ..., /п_Р4 с выхода ППУ поступают в устройство выделения доплеровских частот УВДЧ, где определяются разности частот излучаемых и принятых колебаний по каждому лучу.
В вычислительном устройстве ВУ доплеровские частоты /_Д1, ..., /_д4 преобразуются в информацию о составляющих скорости v_x, v_yB судовой системе координат, которые представляются на индикаторе И. Работой лага в целом управляет синхронизатор С.Отечественный гидроакустический лаг “Онега” включает в себя четырех- и двух-лучевые антенны, счетно-решающий прибор, пульт управления и индикации. Дополнительная двухлучевая антенна служит для обеспечения безопасности швартовки. Центральным прибором лага является пульт управления и индикации. Вся информация о скорости судна — перемещение носа, кормы, поступательное движение — отображается на специальных табло. Когда судно находится в непосредственной близости к причалу, капитан отдает команды по управлению судном, находясь, как правило, на одном из крыльев мостика. В этих условиях оперативно пользоваться информацией с центрального пульта управления довольно трудно. Чтобы облегчить эту задачу, на крыльях мостика устанавливают выносной индикатор скорости. На его передней панели представлена лишь необходимая при швартовке информация: скорость и направление перемещения носа и кормы судна (табло 1 и 3) и поступательная скорость вперед — назад (табло 2).

Теоретические и экспериментальные исследования в области автономных технических средств навигации с целью их совершенствования привели к созданию новой разновидности измерителей абсолютной скорости — гидроакустическим корреляционным -лагам.

В конце 50-х гг. почти одновременно американцами Ф. Р. Дикеем и П. Цильсером были предложены методы определения вектора скорости по величине коэффициента корреляции двух случайных сигналов. В 1961 г. их соотечественник Р. Дж. Миллер предложил основанную на этом методе навигационную систему измерения скорости для самолетов и космических аппаратов.

Первый промышленный образец корреляционного лага был создан фирмой “Дженерал Электрик” (США) для самолетов. В 1961 г. он успешно прошел летные испытания. Одновременно проводились исследования и по созданию таких лагов для кораблей и судов. Первые сообщения о практических результатах в этой области относятся к 1970 г.

Принцип действия гидроакустических корреляционных лагов основан на методе акустической корреляции, заключающемся в измерении временного сдвига между акустическими сигналами, излучаемыми с движущегося судна в сторону дна и принимаемыми после отражения антеннами, разнесенными вдоль диаметральной плоскости судна. Характеристики направленности антенн в таких лагах ориентированы вертикально вниз. После излучения сигнала обе антенны переключаются на прием. Поскольку антенны одинаковы, сигнал, поступающий на заднюю антенну, будет идентичен сигналу передней антенны, но сдвинут относительно него по времени на величи ну Г, зависящую от скорости судна. Величина Т определяется равенством T=S/2v, где S — расстояние между преобразователями; v — скорость судна. Измерение сдвига по времени Т осуществляется в схеме лага путем введения задержки в тракт сигнала, принятого передней антенной, и слежением за максимальным значением функции взаимной корреляции обоих сигналов.

Созданный в 1973 г. шведской фирмой “Юнгнер Инструмент” гидроакустический корреляционный лаг SAL-ACCOR позволяет измерять абсолютную скорость на глубинах до 200 метров, после чего переключается на режим работы по сигналам объемной реверберации от слоев воды, расположенных на глубине 12—60 метров под килем.

Дальнейшее совершенствование гидроакустических лагов осуществляется в следующих направлениях:

увеличение диапазона глубин, на которых лаг может измерять абсолютную скорость (современные лаги в режиме измерения скорости относительно грунта работают на глубинах до 300—600 метров в зависимости от используемой несущей частоты);

повышение надежности схем приборов и их устойчивости к внешним воздействиям;

снижение стоимости аппаратуры за счет широкого внедрения микропроцессоров и микроэлектроники, в частности больших и сверхбольших интегральных схем;

комплексирование с другими техническими средствами навигации, что позволяет в целом повысить безопасность плавания и уровень автоматизации судовождения.

В настоящее время гидроакустические лаги используют на крупных кораблях и судах, где требуется высокая точность информации о скорости; судах геологоразведки и нефтедобывающей промышленности, где необходимо удерживать с высокой точностью судно относительно заданной точки; глубоководных аппаратах различного назначения и т. п.

В недалеком будущем, когда эти системы станут более дешевыми и компактными, они, несомненно, найдут широкое применение и на средних и малых судах торгового флота.

Доплеровский и корреляционный методы измерения абсолютной скорости не являются единственными. Существуют и другие физические явления и принципы, позволяющие получить информацию о скорости судна относительно грунта, однако вследствие технических сложностей реализации они либо используются весьма ограниченно, либо представляют интерес в чисто теоретическом плане.

Изучение различных возможных принципов получения информации об абсолютной скорости позволяет систематизировать эти сведения и предоставить их в виде достаточно полной схемы классификации потенциальных и существующих измерителей абсолютной скорости.