Принцип действия системы, измеряющей угловую скорость цели, состоит в следующем. Представим себе, что стрелок, совместив центр сетки прицела с целью, будет удерживать прицел все время в таком положении. Это значит, что центр сетки прицела и весь прицел будут поворачиваться с определенной угловой скоростью, равной угловой скорости цели. Если при этом связать с прицелом какое-либо устройство, способное измерять угловую скорость (например, тахометр), то задача будет решена.
Однако такое решение задачи возможно лишь в том случае, если стрелковая установка подвижна и поворачивается относительно самолета, на котором она находится.
Если же прицел и оружие неподвижны, а на самолетах-истребителях они устанавливаются только неподвижно, то слежение за целью может производиться лишь путем непрерывного разворота самолета. При этом для измерения угловой скорости поворота самолета, которая будет равна угловой скорости цели, нужно иметь какое-нибудь тело, неподвижное относительно самолета. Таким телом может служить только гироскоп.
Гироскопом называется быстро вращающееся симметричное тело — массивный круглый диск, ось которого может поворачиваться в пространстве (рис. 20). Ось, на которой вращается диск, называется главной осью гироскопа. Гироскоп обладает замечательными свойствами. Если он приведен во вращение, то его главная ось, во-первых, стремится сохранить неизменным свое первоначальное положение в пространстве и, во-вторых, под действием внешней силы она перемещается в плоскости, перпендикулярной к плоскости, в которой лежит действующая сила. Подобное перемещение главной оси гироскопа под действием внешней силы называют прецессией, а скорость углового перемещения главной оси — угловой скоростью прецессии. Оба эти свойства гироскопа используются в стрелковом авиационном прицеле.
Как же строится с помощью гироскопа необходимый угол упреждения? Предположим, что с осью гироскопа связан визир. Пусть летчик, заметив цель, будет совмещать с ней линию визирования, для этого ему придется действовать рулями и разворачивать самолет. Так как летчик следит за целью через визир, связанный с неподвижной в пространстве осью гироскопа, а слежение осуществляет разворотом самолета, ось самолета будет отклонена от оси гироскопа на какой-то угол и будет двигаться впереди цели в направлении ее полета.
Если летчик сумеет в течение некоторого времени удержать цель на линии визирования, то угловая скорость цели и угловая скорость оси гироскопа сравняются. Чтобы это положение сохранялось, летчик должен выдерживать определенную угловую скорость разворота самолета. Какую? Понятно, что эта скорость должна быть равна угловой скорости движения визирной линии, а значит, и угловой скорости цели.
При изменении угловой скорости цели летчик должен изменить угловую скорость разворота оси самолета. В случае уменьшения угловой скорости цели угол между осью самолета и осью гироскопа, с которой связан визир, уменьшится, а в случае увеличения угловой скорости цели увеличится. Это значит, что при точном слежении за целью ось гироскопа будет составлять с осью самолета угол, пропорциональный угловой скорости цели и, следовательно, углу упреждения, а так как оружие на истребителе неподвижно, то его стволы будут направлены в упрежденную точку. Таким образом, основная задача воздушной стрельбы оказывается в принципе решенной.
Но почему «в принципе»? Это объясняется тем, что построенный таким образом угол упреждения будет равен необходимому углу упреждения лишь для какой-то одной, вполне определенной дальности. Для всех других дальностей его нужно увеличить или уменьшить в соответствии с временем полета снаряда на эту дальность. Для этого необходимо иметь устройство, которое увеличивало или уменьшало бы угол между продольной осью самолета и осью гироскопа в зависимости от дальности стрельбы. При наличии такого устройства летчик, удерживая визирный луч на цели, мог бы непрерывно вести огонь, независимо от изменения дальности между своим самолетом и целью. Однако, применяя гироскоп для создания прицела-автомата, нет нужды создавать отдельное устройство для введения поправок на дальность.
Мы уже говорили о свойстве гироскопа прецессировать под действием внешней силы, т. е. отклоняться в направлении, перпендикулярном к действию этой силы. Используя это свойство, можно сразу построить относительный угол упреждения, соответствующий определенному расстоянию до цели. Для этого необходимо, чтобы гироскоп прецессировал вслед за осью самолета, на котором он установлен, с угловой скоростью, равной угловой скорости разворота самолета, но так, чтобы ось гироскопа отставала от оси самолета на угол, равный относительному углу упреждения. В современных автоматических прицелах эта задача решается с помощью электромагнитной системы, создающей внешнюю силу, которая заставляет гироскоп прецессировать так, как это требуется.
Принципиальное устройство гироскопа, который применяют в автоматическом прицеле истребителя, приведено на рис. 21. На одном конце главной оси гироскопа имеется небольшое зеркало, на другом — легкая алюминиевая чашечка. Вся эта система укреплена на карданном подвесе и вращается через зубчатую передачу электромоторчиком с большим числом оборотов. Вращение алюминиевой чашечки гироскопа происходит в магнитном поле, создаваемом четырехполюсным электромагнитом. Возникающие в чашечке вихревые токи взаимодействуют с магнитными потоками каждого из четырех электромагнитов, в результате чего возникают силы, которые в определенных условиях отклоняют чашечку гироскопа от первоначального положения.
Прицел на самолете-истребителе устанавливается так, что ось электромагнита совпадает с осью самолета, поэтому во время прямолинейного полета расстояния от оси чашечки до точек на ее поверхности, находящихся в данный момент в зазоре полюсов электромагнита, равны. Электрический ток, протекающий по катушкам электромагнита, создает магнитный поток, одинаковый на всех четырех полюсах электромагнита. Вследствие этого все четыре тормозные силы равны по величине. Но так как они попарно противоположны одна другой, то действия на чашечку не оказывают. Правда, мотору, вращающему гироскоп, все-таки приходится преодолевать их тормозящее действие, поскольку эти силы приложены не в одной точке.
Если летчик, начавший слежение за целью, развернет самолет на некоторый угол, между осью самолета и главной осью гироскопа, сохраняющего при вращении положение своей главной оси в пространстве неизменным, возникнет некоторый угол. Без магнитной системы этот угол при вращении гироскопа сохранялся бы неизменным довольно долго. Но вследствие действия тормозной системы чашечка гироскопа при развороте самолета окажется смещенной по отношению к полюсам электромагнита, повернувшимся вместе с самолетом. Расстояния от оси чашечки до точек, проходящих над полюсами, изменятся. Тормозные силы будут различны по величине. Равнодействующая сила, получающаяся от сложения четырех тормозных сил, явится той внешней силой, которая вызовет прецессию гироскопа, направленную к оси самолета, и чем быстрее станет разворачиваться самолет, тем больше будет величина внешней силы и тем скорее ось гироскопа будет стремиться совместиться с осью самолета.
Как же использовать всю эту систему для измерения угловой скорости цели? На оси гироскопа, как уже говорилось, кроме чашечки, имеется небольшое зеркало. Оно отражает подсвеченное лампочкой изображение прицельной сетки, нанесенное на стеклянную пластинку. Через систему линз и зеркал изображение сетки попадает на отражатель — прозрачное стекло, помещенное на верхней крышке прицела (рис. 22). Таким образом, летчик, глядя в отражатель, видит одновременно и цель, и отраженное изображение сетки.
Вполне понятно, что во время слежения за целью изображение сетки не будет находиться на одном месте: отраженное зеркалом, которое меняет свой наклон при отклонении оси гироскопа, оно будет перемещаться в поле зрения летчика в соответствии с прецессией гироскопа.
Представим себе, что летчик разворачивает свой самолет таким образом, чтобы центр сетки лег на цель. В первый момент разворота сетка вместе с гироскопом отстанет от оси самолета, затем под действием возникшей внешней силы гироскоп начнет прецессировать и перемещаться в сторону оси самолета. Смещение чашечки относительно оси самолета будет уменьшаться, уменьшится и величина внешней силы, а значит, и угловая скорость движения оси гироскопа. Сетка как бы начнет догонять цель. Летчик может так подобрать угловую скорость разворота самолета, что сетка окажется наложенной на цель и, оставаясь в этом положении, будет перемещаться затем вместе с целью. Это будет означать, что угловые скорости гироскопа и оси самолета сравнялись и угловая скорость прецессии гироскопа стала равной угловой скорости цели.
Таким образом, при подобном устройстве прицела, если ведется точное слежение за целью, каждой угловой скорости разворота самолета будет соответствовать определенный угол между осью самолета и осью гироскопа.
До сих пор мы исходили из того, что магнитное поле, в котором вращается чашечка гироскопа, постоянно. Но ведь его можно менять, регулируя силу тока в обмотках электромагнитов. В этом случае будет изменяться и величина внешней силы, вызывающей прецессию гироскопа. Подбирая величину силы магнитного поля, можно добиться того, что каждой угловой скорости разворота истребителя, т. е. угловой скорости цели, будет соответствовать определенный угол между осью самолета и осью гироскопа, равный углу упреждения при определенной дальности стрельбы. Практически изменение силы тока в катушках электромагнитов производится с помощью реостата.
Итак, мы знаем теперь, как решается самая трудная часть задачи определения угла упреждения. Теперь познакомимся с учетом времени полета снаряда до цели. Получать каждый раз эту величину сложно, да и нет необходимости. Гораздо проще измерять дальность до цели и уже по ней судить о времени полета снаряда до цели. Поэтому вторым основным устройством современного прицела, автоматически строящего угол упреждения, является дальномерное устройство.