罗经的磁罗经

罗经的磁罗经

利用自由支持的磁针在地磁作用下稳定指北的特性而制成的罗经。磁罗经由中国的司南、指南针逐步发展而成。 　司南为天然磁石制成的勺形物，投转于光滑的地盘上,停止时勺柄指南。地盘四周刻有八卦和天干地支名称，用于表示方位(图1)。已知关于司南的最早记述见于公元前 3世纪战国末期的《韩非子·有度》。宋朝初期出现了人工磁化的指南针，有水浮、丝悬、针顶等方法，近代磁罗经和地磁测量仪器仍沿用这些基本结构。北宋沈括在《梦溪笔谈》（1063年）中描述了用磁石磨针锋制作指南针的方法，并记载了磁差的存在。
指南针是初级阶段的磁罗经，是中国古代四大发明之一。唐宋时期中国海外贸易非常发达，大型商船远航到波斯湾、红海等地，造船和航海技术均居世界前列。指南针应用于航海的最早记载见于北宋朱彧的《萍州可谈》（1119年），书中说：“舟师识地理,夜则观星,昼则观日，阴晦观指南针。”用于航海的指南针又称罗盘。明代铜制的水罗盘用八干、十二支、四维卦位名称标出二十四个方位（图2）。通常认为罗盘是由中国传入阿拉伯，再传入欧洲，但有争论。 　相传14世纪初南意大利阿玛尔菲人F.乔亚首先把纸罗经卡(即方向刻度盘)和磁针连接在一起转动。这是磁罗经发展过程中的一次飞跃。从此船舶变向就不必再用手转动罗盘了。16世纪意大利人卡尔登制成平衡环，使磁罗经在船舶摇晃中也能保持水平。18世纪初英国人E.哈利制成第一张世界等磁差曲线图。
铁船出现后，磁罗经产生了自差。在此之前，关于自差现象的记述已见于明末清初方以智的《物理小识》，书中说到铁对磁针的干扰和海船不用铁钉的原因：“海咸烂铁，且妨磁也。”19世纪上半叶英国人M.弗林德斯和G.B.艾里先后提出消除自差的方法，法国泊松对自差的数学理论作出了贡献。19世纪70年代英国物理学家W.汤姆森制成稳定性好的干罗经安装于有类似现代自差校正器的罗经柜中，曾被英海军作为标准装备。20世纪初性能更稳定、轴针摩擦更小的液体罗经制成，现在已为大部分船舶所使用。 陀螺罗经按照对陀螺施加作用力矩的方式可分为机械摆式和电磁控制式两类。
①机械摆式陀螺罗经：按产生摆性力矩的方式可分为两种。一种是用弹性支承的单转子上重式水银器罗经，或称液体连通器式罗经（图6），如斯佩里型陀螺罗经；另一种是将陀螺仪重心置于支承中心之下,称为下重式罗经（图7），如安许茨型用液浮支承的双转子下重式罗经。　这两种方式产生的摆性力矩方向相反，它们的动量矩矢量的方向也相反。液体连通器式罗经的动量矩矢量指南，下重式罗经的动量矩矢量指北。在摆性力矩的作用下，机械摆式罗经的主轴北端会绕子午面作等幅摆动，其轨迹为一球面上的椭圆。加装阻尼器的机械摆式罗经，主轴北端则以阻尼摆动形式趋于子午面并相对于子午面稳定，从而提供真北基准。
液体连通器式罗经的灵敏部分由陀螺马达和托架组成,采用钢丝悬吊,利用水银器的负摆效应产生控制力矩。下重式罗经的灵敏部分系一密封陀螺球，球内装有两个参数相同的陀螺马达、灯形支架和阻尼器等构件(图8)。两个陀螺马达垂直地支承在灯形支架上,用曲柄连杆和弹簧互相连接，并分别与陀螺球主轴南北线成45°夹角。借助这种装置，两个陀螺马达只能同时绕其垂直轴作相反方向、相同角度的转动，但转角很小。因此，它们合成动量矩矢量始终与陀螺球主轴南北线一致，类似单转子作用，用两个陀螺马达可以有效地消减摇摆误差。 　②电磁控制式陀螺罗经：在两自由度平衡陀螺仪的结构上设置一套由电磁摆和力矩器组成的电磁控制装置，通过电信号给陀螺施加控制力矩的陀螺罗经(图9),简称电控式罗经。因电信号易于控制，故可按需要改变控制力矩的大小而实现罗经快速稳定。阿马-布朗型罗经为典型电磁控制式罗经。中国造CLP-1型罗经是民用船舶使用的电磁控制式陀螺罗经（见彩图）。　机械摆式罗经和电控式罗经中的陀螺装置最常见的为滚珠陀螺和液浮陀螺。液浮陀螺出现以后，又发展出挠性陀螺。它的支承系统不用传统的陀螺框架轴承而用挠性接头。挠性陀螺具有结构简单，体积小,重量轻,寿命长，可靠性高等优点，已在船舶上应用。挠性陀螺罗经就其原理来说仍然属于电控式罗经。 陀螺罗经存在纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差和基线误差等。采用垂直轴阻尼法的陀螺罗经都有纬度误差，这是一种原理误差。速度误差同罗经结构参数无关，而同船舶的航速、航向和所在地纬度有关。纬度误差和速度误差都是有规律的，可用查表法、移动基线或刻度盘法、力矩补偿法等予以修正。船舶机动航行时因惯性力对陀螺罗经的影响而引起的冲击误差，可用切断阻尼器并使罗经的等幅摆动周期等于84.4分钟或切断电磁摆的方法予以消除。陀螺罗经均有消减因船舶摇摆引起摇摆误差的装置，所以这种误差一般可不予考虑。由于主罗经或分罗经的基线安装不善而造成的基线误差是一种固定误差，测定后可转动主罗经或分罗经底座使基线与船首尾线平行来校正。在平静海面上，船舶恒速恒向航行时，修正后的陀螺罗经的误差应不大于1°。

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