Γυροσκοπική πυξίδα

Γυροσκοπική πυξίδα Anschütz

Γυροσκοπική πυξίδα, ή γυροπυξίδα, (εκ του αγγλικού όρου Gyrocompass, προφέρεται τζάιρο-κόμπας), ονομάζεται η πυξίδα της οποίας η λειτουργία βασίζεται στην κίνηση του γυροσκοπίου αντί της μαγνητικής βελόνας που φέρουν οι μαγνητικές πυξίδες.

Ιστορικό

Η κατασκευή της γυροσκοπικής πυξίδας βασίστηκε στις ιδιότητες του γυροσκοπίου που επινόησε και κατασκεύασε ο Λέων Φουκώ (1816-1869), ο οποίος το 1851 ασχολούμενος με την απόδειξη περιστροφής της Γης περί τον άξονά της χρησιμοποίησε την ιδιότητα του εκκρεμούς που διατηρούσε το επίπεδο αιώρησής του, (στο χώρο), σταθερό, με το γνωστό πείραμα που επιχείρησε στο Πάνθεον των Παρισίων.
Επειδή όμως το πείραμα εκείνο δεν θεωρήθηκε απόλυτα ικανοποιητικό, λόγω της συνύπαρξης της βαρύτητας, τον επόμενο χρόνο, το 1852 χρησιμοποιώντας το παιγνίδι "σβούρα", (spinning top), κατασκεύασε το γυροσκόπιο όπου με τη βασική ιδιότητα που παρατηρείται σ΄ αυτό, της λεγόμενης γυροσκοπικής αδράνειας, κατάφερε ν΄ αποδείξει εκ νέου την περιστροφή της Γης, χωρίς αυτή τη φορά τη συμμετοχή της βαρύτητας στο πείραμά του.
Από τότε παρήλθε σχεδόν μισός αιώνας όταν η ηλεκτρική ενέργεια κατέστησε δυνατή την περιστροφή του γυροσκοπίου και την παρακολούθησή του από τους επιστήμονες για την τεχνική εφαρμογή του σε διάφορους τομείς, σημαντικότερη των οποίων και ήταν η κατασκευή της γυροσκοπικής πυξίδας.

Για να κατασκευαστεί μια τέτοια πυξίδα θα πρέπει το χρησιμοποιούμενο μέσον να διατηρεί σταθερή κατεύθυνση ως προς το επίπεδο του ορίζοντα και η κατεύθυνση αυτή να είναι γνωστή. Επίσης ο άξονας περιστροφής του γυροσφονδύλου των γυροσκοπικών πυξίδων μετά από κάποιο χρόνο λειτουργίας διατηρεί σταθερή κατεύθυνση στο χώρο διατηρώντας σταθερή θέση προς τον Γήινο Μαγνητικό Πόλο όπου και στην πραγματικότητα καθίσταται παράλληλος με τον μεσημβρινό του τόπου που βρίσκεται.
Με βάση τα παραπάνω πρώτος ο Γερμανός φυσικός Χέρμαν Άνσουτς (Herman Anschütz - Kapfe) κατασκεύασε το 1908 την πρώτη γυροσκοπική πυξίδα. Αυτόν ακολούθησε ο Αμερικανός επιστήμονας Έλμερ Σπέρρυ (Elmer Sperry) το 1911. Και οι δύο επιστήμονες εργαζόμενοι ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο κατασκεύασαν γυροσκοπικές πυξίδες βασιζόμενοι σε διαφορετικό τρόπο στήριξης του γυροσκοπίου και σταθεροποίησης του άξονα περιστροφής στον μεσημβρινό.

Έτσι όλοι οι μέχρι σήμερα τύποι γυροσκοπικών πυξίδων που έχουν εξελιχθεί, εκτός των τύπων Sperry και Anschutz, βασίζονται στα συστήματα των δύο αυτών αρχικών τύπων με ορισμένες παραλλαγές.

Πλεονεκτήματα

Κύριο και βασικό πλεονέκτημα των γυροσκοπικών πυξίδων έναντι των μαγνητικών είναι ακριβώς ότι ο άξονας περιστροφής του γυροσκοπίου τους στρέφεται προς την κατεύθυνση του αληθή Βορρά - Νότου και παραμένει σταθερά εκεί, (μετά πάροδο λίγων ωρών από την εκκίνησή τους), χωρίς να επηρεάζεται από μαγνητική απόκλιση ή και παρεκτροπή που αντίθετα απαντώνται στις μαγνητικές πυξίδες και που προέρχονται τόσο από το γήινο μαγνητικό πεδίο, από τόπου εις τόπο, όσο και από επίδραση του πέριξ μαγνητικού πεδίου (εξ αιτίας φορτίου και διερχομένων ηλεκτροφόρων καλωδίων), με συνέπεια να θεωρούνται αμφιβόλου ακριβείας αφού δεν υφίσταται δυνατότητα έγκαιρου ελέγχου των ενδείξεών τους με παρατήρηση. Γεγονός που σημαίνει ότι όλες οι ενδείξεις των γυροσκοπικών πυξίδων είναι πάντα αληθείς και συνεπώς δεν χρήζουν διορθώσεων.

Σ΄ αυτό το βασικό πλεονέκτημα αν προστεθούν και οι δυνατότητες που παρέχουν οι γυροσκοπικές πυξίδες όπως η σύνδεσή τους με άλλα βασικά ναυτιλλιακά όργανα, που δεν παρέχουν οι μαγνητικές, όπως π.χ. με ραντάρ, με ραδιογωνιόμετρα, με τα αυτόματα συστήματα πηδαλιουχίας (αυτόματους πιλότους πλοίων), ή ακόμα και με ηλεκτρική μετάδοση των ενδείξεών τους σε διάφορους επαναλήπτες (repeaters) που μπορεί να βρίσκονται και εκτός της Γέφυρας του Πλοίου, ακόμα και στην καμπίνα του Πλοιάρχου, καθίσταται καταφανές η μεγάλη σημασία τους στην εξέλιξη της ναυσιπλοΐας και την απαραίτητη χρήση τους απ΄ όλους τους τύπους των πλοίων, τόσο των πάσης φύσεως εμπορικών, όσο και των μεγάλων πολεμικών πλοίων.

Μειονεκτήματα

Στο βασικό ερώτημα, και τι γίνεται αν σημειωθεί διακοπή ηλεκτρικής παροχής, κοινώς Μπλακ-άουτ; Η ρεαλιστική απάντηση είναι "απολύτως τίποτα", αφού το πλοίο θα διακόψει την πορεία του μέχρι την επανεκκίνηση των μηχανών του. Παρά ταύτα εικάζεται ότι οι μαγνητικές πυξίδες θα εξακολουθούν να παραμένουν κύρια όργανα ναυτιλίας - κατεύθυνσης και προσανατολισμού των πλοίων ως υποκείμενα ελάχιστα, και μόνο, σε μηχανικές βλάβες, υπό οποιεσδήποτε συνθήκες πλόων.

Αντίθετα οι γυροσκοπικές πυξίδες αποτελούν περίπλοκους ηλεκτρικούς μηχανισμούς που υπόκεινται, όπως είναι φυσικό, σε ειδική διαδικασία, κατά τύπο, συντήρησης και ποικιλία βλαβών. Για το λόγο αυτό και απαιτούν κατάλληλα και ειδικά εκπαιδευμένο προσωπικό τουλάχιστον για την παρακολούθηση της καλής λειτουργίας τους και για την επιβαλλόμενη συντήρησή τους, βάσει των τεχνικών εγχειριδίων που συνοδεύουν αυτές, για την ανίχνευση και αποκατάσταση υων πιθανότερων παρουσιαζομένων βλαβών. Ένα μέρος των παραπάνω εργασιών επιδιώκεται να γίνεται από το ανώτερο προσωπικό πλοίου, εφόσον έχει υποστεί βέβαια ανάλογη εκπάιδευση. Ενώ για βλάβες που απαιτούν ιδιαίτερες τεχνικές γνώσεις θα πρέπει να καλούνται οι κατά τόπους τεχνικοί, (sevice engineers), του πρώτου λιμένα προσέγγισης που υφίστανται.

• Σε όλες τις ελληνικές "Ναυτικές Ακαδημίες" καθώς και στη Σχολή Ναυτικών Δοκίμων υφίσταται ιδιαίτερο μάθημα διδασκαλίας επί των γυροσκοπικών πυξίδων. Επίσης σ΄ όλους τους μεγάλους λιμένες της Ελλάδας, εκτός των κυρίων αντιπροσώπων των κατασκευαστικών εταιριών υφιστανται ειδικευμένα συνεργεία αποκατάστασης βλαβών γυροσκοπικών πυξίδων.

Επίσης το μειονέκτημα που παρουσιάζουν οι γυροσκοπικές πυξίδες ως προς το χρόνο που απαιτείται από την εκκίνηση τους μέχρι να καταστούν ναυτιλιακά χρησιμοποιήσιμες, που είναι περίπου 4 - 5 ώρες, αντιπαρέρχεται, είτε με την έγκαιρη εκκίνηση τους πριν τον προβλεπόμενο χρόνο απόπλου, είτε με ειδικό τρόπο, κατά τύπο, βάση των τεχνικών εγχειριδίων που τις συνοδεύουν.

Απαιτήσεις κατασκευής

Η κατασκευή οποιουδήποτε τύπου γυροσκοπικής πυξίδας θα πρέπει να καλύπτει τις ακόλουθες βασικές απαιτήσεις:

1. Κατάλληλη στήριξη και ηλεκτρική τροφοδότηση για την κίνηση του γυροσφονδύλου, ή του ζεύγους γυροσφονδύλων (ανάλογα του τύπου κατασκευής).
2. Κατάλληλη ηλεκτρική τροφοδότηση των ηλεκτρικών εξαρτημάτων που συνδέονται με την κύρια μονάδα.
3. Κατάλληλο σύστημα αναζήτησης και σταθεροποίησης του ενός άκρου του άξονα περιστροφής ή της συνισταμένης των δύο αξόνων γυροσκοπίων (αναλογα του τύπου) στο γεωγραφικό Βορρά.
4. Κατάλληλο σύστημα με το οποίο το τμήμα 000-180 του ανεμολογίου της πυξίδας να παρακολουθεί την κατεύθυνση του άξονα του γυροσκοπίου, ή της συνισταμένης των διευθύνσεων των αξόνων περιστροφής των δύο γυροσφονδύλων (ανάλογα του τύπου), στην περίπτωση που το ανεμολόγιο δεν φέρεται προσαρμοσμένο επί της θήκης του γυροσφονδύλου. Το σύστημα αυτό γνωστό και ως "σύστημα παρακολούθησης", είναι το αποκαλούμενο και "Φόλοου απ σύστεμ" (follow up system).
5. Κατάλληλο σύστημα μετάδοσης των ενδείξεων του ανεμολογίου της κυρίας μονάδας στους διάφορους "επαναλήπτες" (repeaters).
6. Και τέλος κατάλληλο σύστημα στήριξης καθεμιάς των παραπάνω μονάδων, των επαναληπτών, εντός θήκης που να εξασφαλίζεται η συνεχής οριζοντίωσή τους κατά τους διάφορους κλυδωνισμούς του πλοίου, καθώς και για την απόσβεση τυχόντων κραδασμών.

Οι βασικές διαφορές που παρατηρούνται στους διάφορους κατασκευαστικούς τύπους των γυροσκοπικών πυξίδων με τις οποίες εφοδιάζονται τα πλοία είναι κυρίως:
α) στο τρόπο στήριξης του ή των γυροσφονδύλων. (Οι τύποι Anschutz, Plath κ.ά. φέρουν ζεύγος γυροσφονδύλων).
β) στο σύστημα αναζήτησης και σταθεροποίησης του άξονα περιστροφής του γυροσφονδύλου ή της συνισταμένης του ζεύγους των γυροσφονδύλων στον μεσημβρινό του τόπου, και
γ) στα συστήματα παρακολούθησης και μετάδοσης των ενδείξεων.

Λειτουργία γυροσφονδύλου

Για την κατασκευή και λειτουργία του γυροσφονδύλου, και του τρόπου προσανατολισμού του, δείτε ίδιο άρθρο γυροσκόπιο.

Εγκατάσταση γυροπυξίδας

Μία πλήρης βασική εγκατάσταση γυροσκοπικής πυξίδας περιλαμβάνει τα ακόλουθα κύρια μέρη:

1. Τη κυρία πυξίδα, (master-gyrocompass), που αποτελεί και το βασικό μηχανισμό.
2. Τον κινητήρα - γεννήτρια, (motor-generator), στην πραγματικότητα πρόκειται για μετατροπέα της ηλεκτρικής τάσης.
3. Τον σταθεροποιητή τάσεως.
4. Το κιβώτιο ελέγχου εκκίνησης, (control panel), και κιβώτιο ελέγχου επαναληπτών, (repeaters panel), που ουσιαστικά αποτελούν ηλεκτρικούς πίνακες.
5. Το κιβώτιο ενισχυτού όπου φέρει διακόπτες, (amplifier panel)
6. Το κιβώτιο της μονάδας ασφαλείας, που πρόκειται για "μονάδα συναγερμού", (alarm unit), και
7. Τους επαναλήπτες, (repeaters).

Κύρια πυξίδα

Η κύρια πυξίδα που ακολουθεί το κατασκευαστικό τύπο της sperry περιλαμβάνει τα ακόλουθα βασικά μέρη: Το ευαίσθητο στοιχείο (sensitive element), το 'στοιχείο παρακολούθησης (phantom element), το στοιχείο αποκατάστασης του γυροσφονδύλου στο μεσημβρινό (control element), το στοιχείο της αρχάχνης, (outer member), ή spider element), και τη θήκη της πυξίδας, (binnacle), με τη βάση στήριξης (pedestal).

Ευαίσθητο στοιχείο

Το ευαίσθητο στοιχείο (sensitive element): είναι και το σπουδαιότερο τμήμα της γυροσκοπικής πυξίδας. Αποτελείται επιμέρους από τον γυροσφόνδυλο, τη θήκη του γυροσφονδύλου, στην οποία ο στάτορας φέρεται με τριφασική περιέλιξη, τον κατακόρυφο δακτύλιο, με τους αντισταθμιστικούς βραχίονες, και το νήμα της ανάρτησης.

Ο γυροσφόνδυλος βάρους περίπου 24 χγρ. περιστρέφεται με ταχύτητα 6.000 στροφές ανά λεπτό αποτελεί μέρος του τριφασικού κινητήρα του οποίου το επαγώγιμο (στάτορ) είναι προσαρμοσμένο στο βόρειο άκρο της θήκης η οποία και τον περιβάλλει. Ο δε άξονας του γυροσφονδύλου στηρίζεται μέσα στη θήκη πάνω σε κατάλληλους σφαιροτριβείς (ρουλεμάν)έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η ελεύθερη περιστροφή του.

Τα δε καλώδια παροχής ρεύματος στη θήκη του γυροσφονδύλου ξεκινούν από τους ρευματοφόρους δακτυλίους που περιβάλλουν τον μίσχο του δακτυλίου παρακολούθησης τα οποία και καταλήγουν στο βόρειο άκρο της θήκης, στο επαγώγιμο του κινητήτα το οποίον και τροφοδοτούν. Τα κλώδια αυτά είναι μικρά και εύκαμπτα και δεν επηρεάζουν την ισορροπία της θήκης στην οποία στηρίζονται.

Η θήκη του γυροσφονδύλου, που στηρίζεται με αξονίσκους σε σφαιροτριβείς, περιβάλλεται από τον κατακόρυφο δακτύλιο. Οι δε τριβείς επιτρέπουν στη θήκη την ελεύθερη οριζόντια περιφορά της. Στο νότιο τμήμα της θήκης αυτής υπάρχει στάθμη οινοπνεύματος με την οποία και ελέγχεται η οριζοντιότητά της.

Ο κάθετος δακτύλιος περιβάλλει τη θήκη όπου και φέρει βραχίονες περιορισμού στροφής της θήκης στην ανατολική πλευρά, ενώ στη δυτική υπάρχει ειδικός αναστολέας με τον οποίο τίθεται η θήκη οριζόντια όταν αυτή τίθεται εκτός λειτουργίας. Ο κάθετος δακτύλιος φέρει επιπρόσθετα στο άνω μέρος κάθετα του επιπέδου του, (δηλαδή σταυρωτά), ένα κυρτό βραχίονα που καταλήγει εκατέρωθεν της θήκης στις άκρες του οποίου φέρονται αντισταθμιστικά βάρη, με κύριο σκοπό τη συμμετρική κατανομή, πέριξ του γυροσφονδύλου, του βάρους του όλου ευαίσθητου στοιχείου, προς αποφυγή σφαλμάτων κατά τους διατοιχισμούς του πλοίου.

Από την παραπάνω εκτεθείσα διάταξη καθίσταται εμφανές ότι όλο αυτό το σύστημα του ευαίσθητου στοιχείου (γυροσφόνδυλος, θήκη, κάθετος δακτύλιος) και συνεπώς ο άξονας του γυροσφονδύλου μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα περί κατακόρυφο άξονα, δηλαδή κατά αζιμούθ, με τη μικρότερη δυνατή τριβή. Η ελευθερία αυτή περιστροφής επιτυγχάνεται με το νήμα ανάρτησης.

Το νήμα ανάρτησης αποτελείται από μια ομάδα συρμάτων από την οποία αναρτάται ολόκληρο το σύστημα του ευαίσθητου στοιχείου και αυτό περνώντας μέσα από το μίσχο λαιμό του δακτυλίου παρακολούθησης, (επόμενο στοιχείο), στηρίζεται σ΄ αυτόν. Η λειτουργία του παρακάτω, "στοιχείου παρακολούθησης", διασφαλίζει το νήμα ανάρτησης από τον κίνδυνο συστροφής του.

Στοιχείο παρακολούθησης

Το δεύτερο σημαντικό μέρος της κυρίας γυροσκοπικής πυξίδας είναι το στοιχείο παρακολούθησης που αποτελείται από τα ακόλουθα επιμέρους τμήματα: το δακτύλιο παρακολούθησης, το μίσχο ή λαιμό, τους ρευματοφόρους δακτυλίους, τον αζιμουθιακό τροχό (ή γρανάζι) και το ανεμολόγιο της πυξίδας.

• Ο δακτύλιος παρακολούθησης περιβάλλει τον κατακόρυφο δακτύλιο (που αναφέρθηκε παραπάνω) που τοποθεταίται μεταξύ των άνω και κάτω τριβέων όπου κα στηρίζεται επί του στοιχείου της αρχάχνης μ΄ ένα τριβέα που βρίσκεται μεταξύ του αζιμουθιακού τροχού και του ανεμολογίου.