บทความโดย : Capt. Nemo - กัปตัน นีโม

ระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อย (INERTIAL NAVIGATION SYSTEM)

ระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยถูกพัฒนาขึ้นในปลายทศวรรษที่ ๑๙๕๐ เพื่อใช้กับเรือดำน้ำ ทำให้เรือดำน้ำสามารถทราบตำบลที่ได้โดยไม่ต้องโผล่ขึ้นมาเหนือน้ำ และต่อมาระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยได้ถูกนำมาใช้กับเรือ และอากาศยาน โดยระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยติดตามการเคลื่อนที่ของเรือโดยไม่ต้องอาศัยแหล่งอ้างอิงจากภายนอก (เช่นสัญญาณวิทยุหรือดาวต่างๆ) ด้วยการวัดอัตราเร่งของเรือและนำมาคำนวณเป็นการเคลื่อนที่ของเรือ ดังนั้นระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยจึงอาจเรียกได้ว่าเป็นระบบเดินเรือรายงานที่สามารถตรวจจับการเคลื่อนที่ของเรือได้อย่างแม่นยำด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนนั่นเอง

ที่มาของระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยเริ่มต้นมาจากการประดิษฐ์ไยโร (GYROSCOPE) โดย ผู้ที่คิดประดิษฐ์ไยโรเป็นคนแรกคือนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ JEAN BERNARD LEON FOUCAULT เมื่อปี ค.ศ.๑๘๕๒ (พ.ศ.๒๓๙๕ – ตรงกับสมัยรัชกาลที่ ๔) โดยสร้างเป็นลูกข่างที่มีแกนหมุนอยู่ในวงแหวนที่หมุนได้โดยอิสระ เพื่อใช้เป็นแกนอ้างอิงในการศึกษาการหมุนของโลก เนื่องจากลูกข่างไยโร (หรือมวลที่หมุนรอบแกนด้วยความเร็วสูง) มีคุณสมบัติในการรักษาแนวแกนหมุนให้คงที่เมื่อไม่มีแรงกระทำจาก ภายนอก อย่างไรก็ดี FOUCAULT ไม่ประสบความสำเร็จนักในการใช้ไยโรเพื่อวัดการหมุนของโลกเนื่องจากปัญหาแรงเสียดทานในแกนหมุนและวงแหวน เขาจึงได้หันไปใช้การแกว่งของลูกตุ้มยาวเพื่อวัดการหมุนของโลกแทน

ในปี ค.ศ.๑๘๙๐ (พ.ศ.๒๔๓๓ – ตรงกับสมัยรัชกาลที่ ๕) G.M. HOPKINS ได้คิดประดิษฐ์ไยโรที่หมุนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า และอีกเพียงสิบกว่าปีต่อมา นักประดิษฐ์ชาวเยอรมันและอเมริกันก็ได้ประดิษฐ์เข็มทิศไยโรขึ้นในเวลาไล่เลี่ยกัน ในปี ค.ศ.๑๙๐๓ (พ.ศ.๒๔๔๖) HERMAN ANSCHUTZ ชาวเยอรมันได้ประดิษฐ์เข็มทิศไยโร (หรือไยโรที่มีแกนหมุนชี้ไปยังทิศเหนือตลอดเวลา) ขึ้นเพื่อแก้ปัญหาผลกระทบจากอำนาจแม่เหล็กเรือต่อเข็มทิศแม่เหล็ก เข็มทิศไยโรมีความ ซับซ้อนมากกว่าไยโรธรรมดาเนื่องจากไยโรธรรมดาจะรักษาแกนหมุนให้คงที่โดยไม่ขึ้นกับการหมุนของโลก ทำให้แกนหมุนของไยโรชี้ผิดไปจากทิศเหนือจริงเมื่อโลกหมุน เข็มทิศไยโรอาศัยแรงปรากฏที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลกในการรักษาแกนหมุนให้ตรงกับทิศเหนือจริงตลอดเวลา ขนาดของแรงปรากฏนี้จะลดลงเมื่อเข้าใกล้แกนหมุนของโลก ดังนั้นเข็มทิศไยโรจึงไม่สามารถใช้การได้ที่ละติจูดที่สูง (ใกล้ขั้วโลก) เนื่องจากขนาดของแรงปรากฏจากการหมุนของโลกไม่ เพียงพอ ในปี ค.ศ.๑๙๐๘ เอลเมอร์ เสปอร์รี่ (ELMER SPERRY) ชาวอเมริกันก็ได้ประดิษฐ์เข็มทิศไยโรขึ้นเช่นกันโดยใช้หลักการเดียวกัน และเสปอร์รี่ได้สร้างเครื่องถือท้ายเรืออัตโนมัติ (AUTOPILOT) ขึ้นในปี ค.ศ.๑๙๑๑ โดยอาศัยเข็มทิศไยโรในการควบคุมทิศทาง เรียกว่าเครื่อง METAL MIKE

ระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยอาศัยไยโรในการรักษาแกนอ้างอิงในการวัดอัตราเร่งให้คงที่ โดยระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยประกอบด้วยเครื่องวัดอัตราเร่ง (ACCELEROMETER) สองตัวสำหรับวัดอัตราเร่งของเรือตามแนวเหนือ – ใต้ และตะวันออก – ตะวันตก และไยโรสำหรับรักษาแนวของเครื่องวัดอัตราเร่งให้คงที่และขนานกับพื้นโลกตลอดเวลาโดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้าหมุนฐานของเครื่องวัดอัตราเร่งให้ตรงกับแกนหมุนของไยโรสามแกน โดยเครื่องวัดอัตราเร่งสามารถวัดค่าอัตราเร่งได้จากแรงที่กระทำต่อมวลตามกฎ F = MA ของนิวตัน จากนั้นระบบจะคำนวณการ เคลื่อนที่ของเรือจากผลรวมของอัตราเร่งจากทั้งสองแกน อย่างไรก็ดีแรงเสียดทานและความไม่สมบูรณ์เล็กน้อยอื่นๆ ของระบบไยโรทำให้ระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยค่อยๆ สะสมค่าความ คลาดเคลื่อนทีละน้อย ตำบลที่ที่ได้จึงจำเป็นต้องถูกตรวจสอบกับระบบหาที่เรือด้วยวิทยุหรือ ดาวเทียมเป็นระยะๆ

เนื่องจากแรงเสียดทานของไยโรเป็นสาเหตุสำคัญของการสะสมค่าความคลาดเคลื่อนในระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อย จึงได้มีความพยายามที่จะแก้ปัญหาแรงเสียดทางนี้ด้วยการพัฒนาไยโรแบบ ESG หรือ ELECTROSTATIC GYRO ขึ้น (บางตำราก็ว่า ESG ย่อมาจาก ELECTRICALLY STABILIZED GYRO) โดยไยโรแบบ ESG ลดแรงเสียดทางด้วยใช้แรงจากสนามไฟฟ้าในการ รองรับ “ลูกข่าง” หรือมวลที่หมุนด้วยความเร็วสูงภายในแท่นสุญญากาศ ไยโรแบบ ESG ช่วยลดค่าความคลาดเคลื่อนสะสมในระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยได้ในระดับหนึ่ง แต่ยังไม่สามารถกำจัด ค่าความคลาดเคลื่อนสะสมนี้ได้ทั้งหมด และตำบลที่ที่ได้จึงยังจำเป็นต้องถูกเปรียบเทียบตรวจสอบกับระบบหาที่เรืออื่นอยู่

ระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยแบบใหม่ใช้เลเซอร์ไยโร (LASER GYRO หรือ RING LASER GYRO) แทนไยโรที่ใช้มวลหมุนด้วยความเร็วสูงแบบเดิม เลเซอร์ไยโรใช้เส้นทางเดินของแสงเลเซอร์เป็น วงแหวนรอบแกนในการวัดการหมุนรอบแกนนั้น โดยเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์จะสร้างลำแสงเลเซอร์ที่มี เฟสตรงกันสองลำในทิศทางตรงกันข้ามกันตามเส้นทางเดินรอบแกน เมื่อมีการหมุนรอบแกน เส้นทางเดินของลำแสงที่เคลื่อนที่ไปตามการหมุนจะทำให้ลำแสงหนึ่งมีทิศทางเดียวกับการหมุน และลำแสงอีกลำมีทิศทางตรงกันข้ามกับการหมุน และเกิดความแตกต่างระหว่างเฟสของลำแสงสองลำขึ้น ซึ่งขนาดของความแตกต่างระหว่างเฟสนี้จะขึ้นอยู่กับความเร็วของการหมุน เนื่องจากเลเซอร์ไยโรไม่ได้อาศัยมวลที่หมุนด้วยความเร็วสูงในการรักษาแกนอ้างอิง จึงไม่มีปัญหาค่าความคลาดเคลื่อนสะสมเนื่องจากแรงเสียดทานแบบไยโรลูกข่าง

:: หน้าที่ 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 ::