无论哪一种船型,有一种设备被称为船舶的“眼睛”,它就是“船用罗经”。
作为精密导航设备,船用罗经能自动、连续地提供航向信号,并通过分配单元将信号传递到船舶需要航向信号的各个部位,从而满足船舶导航的要求。
船用罗经分为两大类,
一是磁罗经,
一是陀螺罗经,
而陀螺罗经一般又分为传统电控陀螺罗经(一般称为“电罗经”)和新型光纤陀螺罗经(一般称为“光纤罗经”)。
磁罗经即指南针,也称作罗盘,是我国四大发明之一。
磁罗经是最原始,最可靠的助航仪器,它不需要任何其他附加设备和条件,就可以指示方向。
但是磁罗经所指的不是地球的真北,需要经过修正才能换算成真方向。
电罗经又叫陀螺罗经,它是高速旋转的陀螺在转动时根据定轴性和进动性原理,达到指向的目的。
它的主要部件是陀螺球,陀螺球是靠电提供能量的,所以叫它电罗经。
电罗经除了自身误差外,不受其他外界因素影响,船上的操舵罗经就是使用电罗经
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1878年,美国科学家霍布金以电机作为推动方式,实现了陀螺高速旋转,为精确导航提供了可能。
在陀螺指向理论基础上,1906年,德国探险家、发明家安休茨(Hermann Anschutz-Kaempfe)为了去北极探险,
充分利用陀螺仪惯性特性并结合地球自转矢量和重力矢量,发明了世界第一台航海陀螺方向仪,开辟了陀螺仪在运动物体上指示方位的道路。
1907年(一说1908年),安休茨又在陀螺仪上增加了摆性,成为实用型陀螺罗经(电罗经)。
经过一百多年不断发展,安休茨型电罗经成为一个主流系列产品。
在安休茨之后,美国人斯伯利(Elmer Ambrose Sperry)在1909年(一说1911年)发明了单个转子的陀螺罗经,斯伯利型电罗经也发展成为一个主流系列产品。
不同于安休茨与斯伯利的机械摆式电罗经,1916年,英国人布朗(Sidney George Brown)发明了电磁控制式电罗经,后来,美国阿玛工程公司(Arma Engineering Corporation)对布朗型电罗经进行改进,成为第三个主流系列电罗经——阿玛-勃朗型电罗经。
一直到现在,
Anschutz(两个陀螺马达+液体支撑)、
Sperry(一个陀螺马达+液体支撑)、
Arma-Brown(一个陀螺马达+无液体支撑)
三个系列的电罗经仍然维持传统电罗经领域三分天下的地位。
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电罗经彻底解决了磁罗经精度不高、容易受磁干扰的问题,
还可以通过仪器将轴指示的方向读取后传送给其他装置、设备和系统,提高了船舶的自动化水平。
由于安装方便,电罗经迅速取代了磁罗经地位,
当然,磁罗经也没有淘汰,作为电罗经忠实的“替补”,仍然是船舶上常用的导航仪器。
目前,船舶导航一般都是使用陀螺罗经,把磁罗经作为第二手段。
国际海上人命安全公约(SOLAS)规定,500总吨以上的船舶必须配备陀螺罗经。很多3000总吨以上的船舶为保障航行安全一般都配备两套陀螺罗经。
中国船舶工业的陀螺罗经起步较晚,
上海航海仪器厂经过五年攻关,成功仿制苏联“航向-3”型电罗经,在1965年2月经过批准定型,成为我国首型电罗经——“航海-Ⅰ”型电罗经。
仿制电罗经成功后,上海航海仪器厂联合南京工学院在1974年12月自主研制成功电磁控制式陀螺罗经,从而补全中国自主陀螺罗经版图。
尽管电罗经也有启动时间长(1个小时以上)、机械转动部件易磨损、维护成本高(一般2年左右就需要定期更换陀螺球)以及高速、高动态或高纬度航行时适用性差(航向误差变大,甚至发散)等缺点,甚至体积大、功耗大、噪声大,但电罗经在船舶导航领域的主导地位一直没有受到冲击,直至光纤陀螺罗经(光纤罗经)的诞生。
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“磁”从远古走来,使船舶导航告别了原始;
“机”通过物理学家的升华,借助陀螺将船舶导航指向到了现代;
“电”为陀螺高速旋转加持成就了电罗经的光辉岁月。
随着科技的进一步发展,借助物理学的发现,
“光”为船舶导航插上了新的翅膀。
1913年,法国科学家萨格奈克(George Sagnac)在发明了可以旋转的环形干涉仪以后首先发现,同一个光源发出的一束光分为两束,沿着同一个环路在正反两个方向行进,当环圈转动时,顺着环圈的光束会比逆着环圈的晚到出发点,这个时间差除以光速得到了环圈的角速度,这就是著名的“萨格奈克效应”。
“萨格奈克效应”可以测量物体转动角速度这一特性使陀螺指向理论焕发了新的生命,划时代的产物——光纤陀螺成为导航领域的新宠。
1976年,美国犹他大学V.Vali和R.W.Shorthill提出了光纤陀螺的设想并进行了演示试验。
1978年,美国麦道公司研制出世界第一个实用型光纤陀螺。
经过不断的技术完善,到二十世纪八十年代末、九十年代初,美国率先实现了光纤陀螺实用产品化,并引领了光纤陀螺在民用航空、航海、勘探方面的应用推广。
在美国之后,日本、法国、德国、英国相继在光纤陀螺领域有了比较大的发展,
其中美国、欧洲在中高精度光纤陀螺,日本在低精度光纤陀螺方面有了研发和商业应用方面的优势。
中国的部分高校、科研院所在新世纪开始进入光纤陀螺的研究,并在航空、航天、陆用方面取得进展。
由于需要长时间保持高精度的姿态信息,船用光纤罗经成为光纤陀螺工程应用的一个难题。
美国、德国、日本最早开始船用光纤陀螺的研究,并由美国、法国率先研制出实用型光纤陀螺罗经,后逐步推广到商业应用。
国外船用光纤罗经产品很快进入中国,国内主要惯性导航科研单位也迈步进入船用光纤罗经的自主研发进程。
2013年8月,中国船舶工业系统工程研究院研发的“SAM001型船用卫星/光纤组合罗经”在中国远洋运输总公司“永盛”轮上实现装船。
2017年12月,中船航海科技有限责任公司研制的MFG-Ⅰ型光纤罗经在世界首艘智能船“大智号”上实现装船。
船用光纤罗经中的光纤陀螺是全固态陀螺,体积小,重量轻,没有转动部件,功耗小,噪声也小,可以实现30分钟以内的快速启动。
此外,由于免维护,光纤罗经非常适合高速、高动态或高纬度航行,体积、功耗、噪声小的等优点。
当前,电罗经经过一百年的发展,产业化水平高,价格便宜,民船市场占有率仍达到98%以上。
依托完整的光纤陀螺及其系统的研制生产能力,已研制成功低成本光纤罗经(MFG-III型船用光纤罗经)其售价将和电罗经相当,
Three-axis fiber gyro compass
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