История развития гироскопического ориентирования.

Разработка и применение в геодезии и маркшейдерском деле гироскопического метода ориентирования были бы невозможны без создания гироскопических приборов, отвечающих требованиям геодезического и маркшейдерского производства. Суть этих требований обычно сводится к точности и времени однократного определения азимута, надежности и удобству прибора в эксплуатации. Современный гирокомпас представляет собой сложный прибор, и для его создания потребовались многие десятилетия упорной работы. Поэтому небезынтересно бросить взгляд назад и, хотя бы коротко, проследить этот путь, тем более что многие сведения, связанные с отдельными этапами развития гирокомпаса, помогут нам в дальнейшем понять принцип работы современных приборов гироскопического ориентирования.

Первые попытки создания подобных приборов были направлены на разработку гироскопического компаса, удовлетворяющего требованиям маркшейдерского производства, где проблемы ориентирования подземных съемок стояли наиболее остро, при этом основное внимание уделялось достижению заданной точности прибора. Ограничение по времени определения азимута в первые годы создания этих приборов не накладывалось.

Прототип современного гирокомпаса создан в Германии (запатентован в 1908 г.) и в США (Э. Сперри, патент 1911 г.). Правда, это были гирокомпасы для кораблей. Но многие идеи и конструктивные решения, примененные в них, использовались на первых порах и в наземных приборах гироскопического ориентирования.

Конструктором первого наземного гирокомпаса является немецкий ученый-механик Максимилиан Шулер – сотрудник фирмы «Аншютц». В 1919-1921 годах эта фирма изготовила гирокомпас, масса которого составила 350 кг, а время измерения одного азимута – 6 ч. В 1924-1925 годах в Германии разрабатывается более совершенная модель прибора, известная под названием «гирокомпас Шулера – Лемана» [3].

В этом гирокомпасе (рис.1), предназначенном для маркшейдерских ориентировок, была применена плавающая система подвески чувствительного элемента (ЧЭ). На опорной плите установлена подковообразная обойма 2, к которой при-креплен сосуд 5 с ртутью (на рис.2 изображены только задняя половина и верхнее сечение обоймы). В этом сосуде плавает полый шар, к которому при помощи двух обойм 7 подвешен кожух с гиромотором. Плавающая система центрируется по-средством шпильки 6. Одна фаза тока подводится через эту же шпильку, вторая – через сосуд с ртутью, а третья – через кон-тактный штифт 9. Все три фазы передаются от обойм 7 к кожуху гироскопа через скользящие контактные щетки. Большая метацентрическая высота плавающей системы обеспечивает очень точное горизонтальное положение оси гиромотора и небольшой период азимутальных колебаний. Для отсчета показаний на кожухе укреплено зеркало 3. Для исключения коллимационной ошибки, возникающей от неправильной юстировки зеркала на оси фигуры, кожух вместе с гироскопом поворачивался вокруг оси фигуры точно на 180 град. Весь прибор был заключен в воздухонепроницаемую камеру. Имеющееся в этой камере окно 4, которое также поворачивалось на 180°, позволяло производить отсчет показаний на зеркале.

Однако результат испытания как первой, так и второй модели не дали положительных результатов, что послужило причиной временного прекращения исследований в этой области. Возобновили работы в тридцатые годы ХХ в., но направление исследований изменилось коренным образом. Теперь они были направлены на разработку артиллерийских приборов – гиробуссолей.

О необходимости создания маркшейдерского гирокомпаса говорил русский ученый Д.В. Фрост в 1913 г. на Всероссийском маркшейдерском съезде. Однако к практическому осуществлению его предложения в нашей стране смогли приступить лишь в 30-х годах ХХ в. В связи с созданием новых типов навигационных приборов – гироскопических компасов (гирокомпасов) – возникла острая необходимость подготовки высококвалифицированных специалистов как в области теории, так и в вопросах проектирования и производства таких приборов. Однако таких специалистов в те годы в вузах страны не готовили. Поэтому в 1934 г. рядом приборострои-тельных предприятий и организаций в ВСНХ было внесено предложение о подготовке в Ленинградском институте точной механики и оптики (ЛИТМО) инженеров по специальности «Навигационные приборы». Летом 1936 г. было принято решение об организации в ЛИТМО на факультете точной механики двух новых кафедр: кафедры навигационных приборов и кафедры счетно-решающих приборов. На этих кафедрах с 1936/37 учебного года началась подготовка инженеров по этим специальностям. В разработке профиля кафедры навигационных приборов принимали участие видные ученые и специалисты промышленности, в том числе академик А.Н. Крылов, профессора Я.И. Кудревич, К.С. Ухов и многие другие. Профилирующими для кафедры были такие дисциплины, как «Гироскопические приборы», «Приборы скорости и пройденного пути», «Измерители глубины и высоты», «Прокладочные и астрономические инструменты». В 1940 г. кафедра уже выпустила первую группу инженеров по навигационным приборам. Впоследствии сотрудники кафедры принимали активное участие в создании маркшейдерских гирокомпасов.

В 1932-1935 годах в Центральном научно-исследовательском маркшейдерском бюро, позднее реорганизованном во Всесоюзный научно-исследовательский маркшейдерский институт (ВНИМИ), проводились поисковые исследования по маркшейдерской гироскогироскопии. Этими работами руководил проф. И.М. Бахурин. В 1934 г. он писал: «Усилия техники должны быть направлены к созданию более портативных конструкций и увеличению точности отсчитывания по жироскоп-компасу. <…> Промышленности и технике нашего Союза совершенно необходимо разрешить поставленную задачу, так как разрешение этой задачи увеличит точность маркшейдерских планов и даст значительную экономию при производстве маркшейдерских работ». Эти строки позволяют судить, насколько далеко предвидел И.М. Бахурин значение гироскопического ориентирования в практике маркшейдерских съемок. В 1936-1937 годах были созданы два макетных образца маркшейдерского гирокомпаса. Конструкция одного из них была предложена В.Г. Бекком, другого – М.Л. Рудаковым. Однако результаты испытаний макетов этих приборов не увенчались успехом.

В 1937 г. фирмой «Аншютц» была изготовлена первая модель артиллерийской буссоли [1]. В 1942-1943 годах фирмой «Крайзельгерэте» была создана другая модель – гиробуссоль «Ландкомпас». Обе эти модели не получили практического применения главным образом из-за низкой точности (ошибки в азимутах составляли около 10') и малой надежности в работе.

Таким образом, предпринятые в предвоенные годы попытки создать гироскопический компас, пригодный для маркшейдерско-геодезических целей, окончились неудачей. Объяснялось это главным образом недостаточным уровнем гироскопического приборостроения в те годы.

В первые 10 послевоенных лет усилия ученых и конструкторов вновь были сосредоточены на создании маркшейдерских гирокомпасов. Причем, как и раньше, эти исследования велись лишь в нашей стране и ФРГ. У нас эти работы были сосредоточены во ВНИМИ, в них участвовали и специалисты ЛИТМО. Возглавляли и руководили иссле-дованиями Б.И. Никифоров и В.Н. Лавров. Оба являлись выпускниками Ленинградского горного института по специальности «Маркшейдерское дело». Научным руководителем работы был заведующий лабораторией навигационных приборов ЛИТМО проф. П.А. Ильин. В ФРГ аналогичные изыскания проводились в Кляустальской горной академии под руководством проф. О. Релленсмана (Rellensmann).

В 1950 г. ВНИМИ закончил разработку и испытал в производственных условиях маркшейдерский гирокомпас М-1. Примерно к этому времени в ФРГ был создан образец подобного прибора – указатель меридиана MW1 (Meridian Weiser). В основу конструкции обоих приборов были положены однотипные навигационные судовые гирокомпасы «Курс» и «Аншютц». Поэтому гирокомпасы М-1 и MW1 имели между собой много общего, хотя работы проводились независимо друг от друга. Созданием этих первых действующих образцов маркшейдерских гирокомпасов по существу было открыто новое направление в гироскопическом приборостроении, а производственное применение гирокомпаса М-1 в маркшейдерском деле явилось началом практического использования в геодезии и марк-шейдерском деле метода гироскопического ориентирования.

С помощью М-1 было выполнено более 50 ориентировок. Силами специальных бригад ВНИМИ и «Союзмаркштреста» началось гироскопическое ориентирование шахт в Донбассе, Кривом Роге и Кузбассе. Это имело важное значение для завоевания доверия и признания нового способа. За создание маркшейдерского гирокомпаса М-1 коллектив сотрудников ВНИМИ и ЛИТМО получили Государственную премию СССР.

Совершенствуя гирокомпас М-1, ВНИМИ в 1952-1954 годах создал и испытал несколько новых моделей, две из которых (М-3 и МУГ-2) нашли производственное применение. В 1952-1957 годах с помощью гирокомпасов было выполнено более 500 ориентировок, в процессе проведения которых выявлены ошибки от 5' до 1° в ориентировках некоторых шахт, произведенных ранее геометрическим способом. В ФРГ к этому времени также было изготовлено несколько усовершенствованных моделей меридианоуказателя. Практиче-ское применение получила модель MW2B.

Первые производственные работы подтвердили достаточную точность (1-2') и перспективность применения гирокомпасов в маркшейдерском деле. Вместе с тем они вскрыли крупные недостатки приборов, сконструированных на базе гироузлов от судовых гирокомпасов, в первую очередь, это громоздкость и большая потребляемая мощность. Например, масса комплекта гирокомпаса М-3 – около 500 кг, а комплекта меридианоуказателя MW2BB – 650 кг.

На этом закончился первый этап создания гироскопических приборов. Последующие работы СССР и ФРГ по созданию маркшейдерских гирокомпасов велись в разных направлениях.

Разработки ВНИМИ были направлены на создание малогабаритных и взрывобезопасных жидкостных гирокомпасов, пригодпригодных для работы в шахтах, опасных по газу и пыли. В 1956 г. был создан маркшейдерский гирокомпас совершенно нового типа МГ (малый горный) с массой основного прибора всего лишь 10 кг. Чувствительный элемент гирокомпаса МГ имел цилиндрическую форму и центрировался на шпиле. Он был погружен в жидкость, через которую к нему подводился электрический ток. Эта модель явилась основой для создания более совершенных гирокомпасов. В 1957 г. ВНИМИ завершил разработку первой модели прибора во взрывобезопасном исполнении – маркшейдерский гирокомпас МВ1 (затем – МВ2). По такой же схеме был разработан и переносной взрывобезопасный маркшейдерский гирокомпас МВ2М с полупроводниковым преобразователем.

В Кляустальской горной академии в то же самое время начались работы по созданию гирокомпасов с торсионным подвесом ЧЭ. Этот тип гирокомпасов оказался перспективным, так как обеспечивал более высокие точность и производительность определения гироскопических азимутов при меньших массе, габаритах и потреблении энергии. В 1957 г. была завершена разработка первой модели маркшейдерского гирокомпаса с торсионным подвесом MW4. В 1958 г. фирмой «Феннель» выпущен торсионный гиротеодолит КТ-1 (Kreiseltheodolit), а в дальнейшем усовершенствованные модели КТ-2, MW10, MW7, MW50, MW77 и гиронасадки TK-4, TK-5 [1].

В нашей стране первый торсионный гирокомпас МТ1 был создан в 1963 г., что способствовало достижению более высокой точности определения гироазимутов. В 1967 г. завершились работы над малогабаритным гирокомпасом МВТ2, представляющим собой первый образец взрывобезопасного маркшейдерского гирокомпаса с торсионным подвесом чувствительного элемента. Прибор прошел государственные испытания и был рекомендован для серийного производства. Впоследствии он выпускался более двух десятков лет и стал самым массовым маркшейдерским гирокомпасом.

Продолжая совершенствование переносных гирокомпасов с торсионным подвесом, ученые создали гирокомпас МВТ4 (1970 г.) и гиробуссоль МВБ4 (1975 г.), в которых впервые в отечественных приборах гироскопического ориентирования все необходимые для работы блоки (гироблок, измерительный блок и блок питания) были объединены в одном приборе. В качестве измерительного блока в гирокомпасе МВТ4, как и во всех предшествующих приборах, использован серийный теодолит с автоколлимационной трубой, в гиробуссоли МВБ4 – специальное оптико-механическое отсчетно-визирное устройство, состоящее из многогранной зеркальной призмы на чувствительном элементе и двухканальной зрительной трубы, имеющей общий окуляр и сетку нитей. Автоколлимационный канал трубы используется для наблюдений свободных и прецессионных колебаний, визирный – для примыкания к стороне.

Положительный опыт разработки и практического применения первых маркшейдерских гирокомпасов в СССР и ФРГ привлек к этим исследованиям внимание широкого круга специалистов геодезического производства. В 1959 г. на базе маркшейдерского гирокомпаса МГ в нашей стране создается первый образец надежно действующего наземного артиллерийского гирокомпаса, получившего шифр АГ, и налаживается его серийное производство. В этом же году на основе маркшейдерского гирокомпаса МВ1 разработана первая модель геодезического гирокомпаса – гиротеодолит ГТ-1. В отличие от маркшейдерских гирокомпасов, гиротеодолит ГТ-1 и гирокомпас АГ позволяли определять азимуты в широком диапазоне температур окружающего воздуха с точностью соответственно 0,5 и 1′. Выпуск малой серии гиротеодолитов ГТ-1, их всесторонние исследования и испытания в сложных полевых условиях позволили отработать основы принятой сейчас методики гироскопического ориентирования. Были более полно обоснованы тактико-технические требования к конструкции гиротеодолитов, предназначенных для инженерно-геодезического производства. На основе этих требований, в частности, велось конструирование гиротеодолита ГТ-2, а также гиротеодолитов в Венгрии.

Разработка гиротеодолитов в Венгрии и организация их серийного производства на Венгерском оптико-механическом комбинате (МОМ) в г. Будапеште были выполнены при поддержке и помощи наших специалистов. В 1962 г. здесь в короткий срок была создана одна из лучших для того времени моделей – гиротеодолит Gi-B1 и с 1963 г. организовано серийное производство этого прибора. В 1965 г. были разработаны новые модели: гиронасадки Gi-C1, Gi-C2 и гирокомпас Gi-B2, в конструкции которых учтены многие предложения наших специалистов, сделанные ими на основании результатов всесторонних испытаний опытных образцов этих приборов, а также производственного применения гиротеодолита Gi-B1. На базе гиротеодолита Gi-B2 в 1973 г. был сконструирован гиротеодолит Gi-B21, имеющий автоматическую фиксацию и высвечивающий на световом табло результаты измерений, а в 1978 г. – гиротеодолит Gi-B2М.

Из других стран, освоивших выпуск гиротеодолитов, следует выделить ГДР, где в 1963 г. Народным предприятием точной механики совместно с Фрайбергской горной академией был сконструирован маркшейдерский гирокомпас, названный гироскопическим указателем меридиана МRК1. В дальнейшем предприятие выпустило усовершенствованную модель – указатель меридиана МRК2.

Разработка гиротеодолитов в ведущих капиталистических странах во многом базировалась на опыте в этой области ФРГ. Фирма «Аншютц» создала артиллерийский гирокомпас, модель которого «Girolit II» нашла применение в армиях некоторых западно-европей¬ских стран. Фирма «Бодензееверк» сконструировала в 1973 г. быстродействующий маятниковый меридианоуказатель МК-10 (Meridiankreisel). Направление на север определяется по электрическому сигналу, вырабатываемому датчиком моментов и пропорциональному отклонению оси гироскопа от плоскости меридиана. Фирма «Тельдикс» 1974 г. сконструировала автоматический гирокомпас NSK (North Suchen Kreisel), названный искателем севера. В качестве датчика направления плоскости меридиана здесь использован двухстепенный гироскоп в газостатическом подвесе. Вертикализация прибора осуществляется автоматически с помощью маятникового датчика.

В 1958-1960 годах отделения фирмы «Лир-Сиглер» в США и ФРГ сконструировали гиротеодолит, названный искателем севера (North seeking gyroscope). Одна из его моделей известна под шифром Lear LМК 604. В последующие годы фирма «Лир-Сиглер» продолжала работать над совершенствованием гироориентатора типа «Эйбл» в соответствии с требованиями полевой артиллерии армии США. Первый образец такого прибора («Able Miniatur») был изгоизготовлен в середине 60-х годов, однако он не удовлетворял требованиям войск. Разработка второго поколения таких приборов была завершена в 1969 г. созданием легкого геодезического гиротеодолита, получившего название «Алинэ». Испытания этого гиротеодолита закончились в 1972 г., а с 1977 г. началось серийное производство. Точность прибора ±25'';. Разрабатываются гиротеодолиты с точностью ±5''; и прибор, объединяющий искатель меридиана и лазерный дальномер.

В середине 60-х годов английской фирмой «Инглиш элек-трик авиэйшн» разработан гирокомпас PIM, принятый на вооружение в английской армии. Затем был разработан «Mini PIM». В качестве датчика направления меридиана используется двухстепенной высокоскоростной гироскоп. В Швейцарии фирмой «Wild» с середины 60-х годов изготавливалась гироскопическая насадки GAK1 и гиробуссоли ARK1 и ARC2.

Канадская фирма «Джимо» («Gymo») в 1975 г. модифици-ровала венгерский гиротеодолит Gi-B1, автоматизировав снятие информации. При этом был использован временной способ опре-деления положения прецессионных колебаний чувствительного элемента.

В конце 80-х годов ХХ в. ВНИМИ выполнены разработки маркшейдерских гирокомпасов «Меридиан-1» и МВЦ4, базирующиеся на синхронном гистерезисном гиромоторе (ГМ) с перевозбуждением, который является наиболее экономичным по энергопотреблению из всех, ранее применявшихся. На торцевых поверхностях гиромотора расположены оптические зеркальные поверхности, изготовленные по специальной технологии. Такой ГМ позволяет наблюдать прецессионное движение чувствительного элемента гирокомпаса по этой поверхности, что дает возможность исключить приборную поправку гирокомпаса. При этом существенно повышается производительность работ по гироскопическому ориентированию.

Гирокомпас «Меридиан-1» является прибором, в котором объединены гироблок, угломерная часть, поворотное устройство и подставка. Гироблок включает маятниковый ЧЭ с системами торсионного подвеса и ленточного токоподвода, арретирования и магнитного экранирования. Во взрывобезопасном корпусе гироблока установлен блок питания, включающий электронный преобразователь и аккумуляторную батарею. Поворотное устройство позволяет осуществлять разворот гирокомпаса вокруг вертикальной оси с помощью ручного привода. Угломерная часть гирокомпаса состоит из зрительной трубы, блока призм, поворотного зеркала и отсчетного устройства. Автоколлимационный канал угломерной части дает возможность наблюдать прецессионное движение ЧЭ по зеркальной торцевой поверхности ротора. Ви-зирный канал, включающий зрительную трубу, блок призм и поворотное зеркало, обеспечивает привязку на пункты исходной и ориентируемой сторон в пределах ±20° от плоскости горизонта.

Маркшейдерский гирокомпас МВЦ4 является первым отечественным цифровым взрывобезопасным гирокомпасом, в котором автоматизирован процесс определения гироскопического азимута ориентируемой стороны. Гирокомпас состоит из основного прибора и блока питания. Основной прибор устанавливается на стандартном теодолитном штативе и состоит из гироблока и измерительного блока. Гироблок включает маятниковый ЧЭ на безмоментном торсионном подвесе специальной конструкции. Подвод питания к гиромотору ГСМ-0.8 осуществляется через торсионный подвес. Корпус гироблока является взрывобезопасным. Измерительный блок включает зрительную трубу для визирования на пункт ориентируемой стороны, цифровую угломерную часть, цифровой оптоэлектронный датчик угла, вычислительное устройство и цифровое табло.

Вычисление гироскопического азимута в гирокомпасе производится автоматически по сигналам от цифрового датчика угла в течение одного периода прецессионных колебаний. Результат вычисления гироскопического азимута стороны выводится на цифровое табло. К сожалению, нужно отметить, что гирокомпасы МВЦ4 и «Меридиан-1» не выпускались даже небольшими сериями.

Пути дальнейшего совершенствования и развития маркшейдерских гирокомпасов заключаются в создании высокоточных цифровых гирокомпасов, не требующих регулярного определения приборной поправки, с одной стороны, и разработке гироприборов технической точности, небольших размеров, отличающихся простотой изготовления и эксплуатации, с другой.

В разработке цифровых гирокомпасов намечается использовать современную элементную базу: синхронный гистерезисный гиромотор с торцевой зеркальной поверхностью; микропроцессор для обработки измерительной информации; цифровой угломер и др. Гирокомпас не должен уступать по точности существующим, обладать малой продолжительностью измерительного процесса и отличаться простотой в обслужи-вании.

Создание приборов технической точности со средней квадратической погрешностью определения азимута стороны 2-3' связано, прежде всего, с расширением области применения гироскопического ориентирования. В сложных горно-геологических условиях резкое проявление горного давления не позволяет обеспечить неподвижность и длительную сохранность пунктов опорных и съемочных сетей. В этих случаях перед выполнением детальной съемки производится гироскопическое ориентирование любой сохранившейся стороны теодолитного хода или стороны, опирающейся на два любых сохранившихся пункта теодолитной съемки. Гироприборы технической точности могут также применяться при ориентировании подэтажных выработок. С помощью этого прибора с высокой точностью была осуществлена сбойка Евротоннеля между Англией и Францией длиной 50 км.

В настоящее время наиболее совершенные модели гироскопических приборов для ориентирования подземных сетей выпускают в Германии и Японии. Гиротеодолит GYROMAT-2000 немецкой фирмы DMT является полностью автоматизированным прибором, обладающим превосходными характеристиками.

В Японии фирма «SOKKIA» выпускает гиронасадку GP1-2A, которая определяет гироскопический азимут с погрешностью ±20². Масса гироприставки, которая устанавливается сверху на электронный теодолит, составляет 3,8 кг.

В нашей стране во ВНИМИ закончена разработка гироприставки МГП. Средняя квадратическая погрешность определения гироазимута составляет 1¢, продолжительность пуска на широте 60° – 10 мин. Приставка может быть использована совместно с любым стандартным теодолитом. Масса комплекта МГП – всего 8 кг.

Общее число различных моделей гиротеодолитов и наземных гирокомпасов, разработанных к середине 80-х годов прошлого века в различных странах мира, превысило полусотню. Научные работы в этой области активно продолжались до начала 90-х годов.

С началом внедрения спутниковых методов определения координат на земной поверхности (GPS) для гироскопической науки наступили «черные дни». Военные во всем мире быстро оценили преимущества спутниковых методов и переключили свои исследования в этом направлении. Это повлекло остановку производства гироскопических приборов для военных целей, что сказалось и на гражданских разработках. Многие гироскопиче-ские приборы были предназначены для топографических работ на поверхности, поэтому на них быстро упал спрос. Заводы прекратили их выпуск.

Но в маркшейдерских работах в подземных горных выработках гироскопический способ ориентирования остается единственным надежным средством, обеспечивающим необходимую точность и надежность опорных и съемочных сетей. Поэтому разработки новых маркшейдерских гироскопических приборов несомненно будут развиваться и в будущем на основе новых достижений в области физики и электроники.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воронков Н.Н. Гироскопическое ориентирование / Н.Н.Воронков, В.В.Кутырев, Н.М.Ашимов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1980. 296 с.
2. Голованов В.А. Применение гирокомпаса МВГ1 в маркшейдерских работах: Учебное пособие / Санкт-Петербургский горный институт. СПб, 1997. 30 с.
3. Граммель Р. Гироскоп, его теория и применения. М.: Изд-во иностранной литературы, 1952. Т.2. 312 с.
4. Гудков В.М. Математическая обработка маркшейдерско-геодезических измерений: Учеб. для вузов / В.М.Гудков, А.В.Хлебников. М.: Недра, 1990. 335 с.
5. Охрана недр и геолого-маркшейдерский контроль: Инструкция по производству маркшейдерских работ (РД07-603-03). Серия 07. Вып.15 / ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России». М., 2003. 120 с.