Varios instrumentos de vuelo utilizan las propiedades de un giroscopio para su funcionamiento. Los instrumentos más comunes que contienen giroscopios son el coordinador de turnos, el indicador de rumbo y el indicador de actitud. Para comprender cómo operan estos instrumentos se requiere el conocimiento de los sistemas de potencia del instrumento, los principios giroscópicos y los principios operativos de cada instrumento.

7.2.1 Principios giroscópicos #

Cualquier objeto giratorio exhibe propiedades giroscópicas. Una rueda o rotor diseñado y montado para utilizar estas propiedades se llama giroscopio. Dos características de diseño importantes de un giroscopio de instrumento son de gran peso por su tamaño, o alta densidad, y rotación a alta velocidad con rodamientos de baja fricción.

Hay dos tipos generales de montajes; El tipo utilizado depende de qué propiedad del giroscopio se utilice. Un giroscopio de montaje libre o universal es libre para girar en cualquier dirección alrededor de su centro de gravedad. Se dice que tal rueda tiene tres planos de libertad. La rueda o rotor es libre de girar en cualquier plano respecto a la base y está equilibrado de modo que, con la rueda giroscópica en reposo, quede en la posición en la que se encuentra. Los giroscopios restringidos o semirrígidamente montados son los montados de manera que uno de los planos de libertad se mantiene fijo en relación con la base.

Hay dos propiedades fundamentales de la acción giroscópica: la rigidez en el espacio y la precesión.

7.2.2 Rigidez en el espacio #

La rigidez en el espacio se refiere al principio de que un giroscopio permanece en una posición fija en el plano en el que está girando. Un ejemplo de rigidez en el espacio es el de una rueda de bicicleta. A medida que las ruedas de la bicicleta aumentan la velocidad, se vuelven cada vez más estables en su plano de rotación. Por eso una bicicleta es muy inestable y muy maniobrable a bajas velocidades y muy estable y menos maniobrable a velocidades más altas.

Al montar esta rueda, o giroscopio, en un juego de anillos de cardán, el giroscopio puede girar libremente en cualquier dirección. Por lo tanto, si los anillos de cardán se inclinan, se retuercen o se mueven de otra manera, el giroscopio permanece en el plano en el que estaba girando originalmente. [Figure 7-18]

7.2.3 Precesión #

La precesión es la inclinación o giro de un giroscopio en respuesta a una fuerza desviada. La reacción a esta fuerza no ocurre en el punto en el que se aplicó; Más bien, ocurre en un punto que es 90° más tarde en la dirección de rotación. Este principio permite que el giroscopio determine una tasa de giro al detectar la cantidad de presión creada por un cambio de dirección. La velocidad a la que precede el giroscopio es inversamente proporcional a la velocidad del rotor y proporcional a la fuerza desviada.

Usando el ejemplo de la bicicleta, la precesión actúa sobre las ruedas para permitir que la bicicleta gire. Mientras se conduce a una velocidad normal, no es necesario girar las barras en la dirección del giro deseado. Un jinete simplemente se inclina en la dirección que desea ir. Dado que las ruedas están girando en sentido horario cuando se ven desde el lado derecho de la bicicleta, si un ciclista se inclina hacia la izquierda, se aplica una fuerza en la parte superior de la rueda a la izquierda. En realidad, la fuerza actúa 90° en la dirección de rotación, lo que tiene el efecto de aplicar una fuerza al frente del neumático, haciendo que la bicicleta se mueva hacia la izquierda. Es necesario girar el manillar a bajas velocidades debido a la inestabilidad de los giroscopios que se giran lentamente, y también de aumentar la velocidad de giro.

La precesión también puede crear algunos errores menores en algunos instrumentos. [Figure 7-19] La precesión puede hacer que un giroscopio giratorio libre se desplace de su plano de rotación deseado a través de la fricción de los cojinetes, etc. Ciertos instrumentos pueden requerir un realineamiento correctivo durante el vuelo, como el indicador de rumbo.

7.2.4 Fuentes de poder #

En algunos aviones, todos los giroscopios son de vacío, presión o eléctricamente. En otras aeronaves, los sistemas de vacío o de presión proporcionan la potencia para los indicadores de rumbo y actitud, mientras que el sistema eléctrico proporciona la potencia para el coordinador de giro. La mayoría de las aeronaves tienen al menos dos fuentes de energía para garantizar que haya al menos una fuente de información bancaria disponible si falla una fuente de energía. El sistema de vacío o de presión hace girar el giroscopio mediante una corriente de aire contra las paletas del rotor para hacer girar el rotor a alta velocidad, al igual que el funcionamiento de una rueda hidráulica o turbina. La cantidad de vacío o presión requerida para el funcionamiento del instrumento varía, pero suele estar entre 4,5 «Hg y 5,5» Hg.

Una fuente de vacío para los giroscopios es una bomba accionada por motor de tipo paleta que se monta en la caja accesoria del motor. La capacidad de la bomba varía en diferentes aviones, dependiendo del número de giroscopios.

Un sistema de vacío típico consiste en una bomba de vacío accionada por motor, válvula de alivio, filtro de aire, calibre y tubo necesarios para completar las conexiones. El indicador se monta en el panel de instrumentos de la aeronave e indica la cantidad de presión en el sistema (el vacío se mide en pulgadas de mercurio inferior a la presión ambiental).

Como se muestra en la Figura 7-20, la bomba de vacío impulsada por el motor entra aire en el sistema de vacío. Primero pasa por un filtro, que evita que la materia extraña entre en el sistema de vacío o de presión. Luego, el aire se mueve a través de los indicadores de actitud y rumbo, donde hace que los giroscopios giren. Una válvula de alivio evita que la presión de vacío o la succión superen los límites prescritos. Después de eso, el aire se expulsa por la borda o se usa en otros sistemas, como para inflar las botas de deshielo neumáticas.

Es importante monitorear la presión de vacío durante el vuelo, ya que los indicadores de actitud y de rumbo pueden no proporcionar información confiable cuando la presión de succión es baja. El calibre de vacío, o succión, generalmente se marca para indicar el rango normal. Algunas aeronaves están equipadas con una luz de advertencia que se ilumina cuando la presión de vacío cae por debajo del nivel aceptable.

Cuando la presión de vacío cae por debajo del rango de funcionamiento normal, los instrumentos giroscópicos pueden volverse inestables e inexactos. La verificación cruzada de los instrumentos de forma rutinaria es un buen hábito para desarrollar.

7.2.5 Indicadores de giro #

Las aeronaves usan dos tipos de indicadores de giro: indicador de giro y deslizamiento y coordinador de giro. Debido a la forma en que se monta el giroscopio, el indicador de giro y deslizamiento muestra solo la velocidad de giro en grados por segundo. El coordinador de giro se monta en ángulo o inclinado, por lo que inicialmente puede mostrar la velocidad de balanceo. Cuando el rollo se estabiliza, indica la velocidad de giro. Ambos instrumentos indican dirección y calidad de giro (coordinación), y también sirven como fuente de respaldo de información bancaria en caso de que falle un indicador de actitud. La coordinación se logra haciendo referencia al inclinómetro, que consiste en un tubo curvo lleno de líquido con una bola en el interior. [Figure 7-21]

7.2.6 Indicador de giro y deslizamiento #

El giroscopio en el indicador de giro y deslizamiento gira en el plano vertical, correspondiente al eje longitudinal de las aeronaves. Un solo cardán limita los planos en los que el giroscopio puede inclinarse y un resorte intenta devolverlo al centro. Debido a la precesión, una fuerza de guiñada hace que el giroscopio se incline hacia la izquierda o hacia la derecha, visto desde el asiento del piloto. El indicador de giro y deslizamiento utiliza un puntero, llamado aguja de giro, para mostrar la dirección y la velocidad de giro. El indicador de giro y deslizamiento es incapaz de «girar» su eje de rotación debido a los resortes de sujeción. Cuando se aplican fuerzas extremas a un giroscopio, el giroscopio se desplaza de su plano de rotación normal, lo que hace que sus indicaciones sean inválidas. Ciertos instrumentos tienen límites de tono y bancario específicos que inducen una caída del giroscopio.

7.2.7 Coordinador de turnos #

El cardán en el coordinador de turno está inclinado; Por lo tanto, su giroscopio puede detectar tanto la tasa de balanceo como la tasa de giro. Dado que los coordinadores de turnos son más frecuentes en los aviones de entrenamiento, esta discusión se concentra en ese instrumento. Al entrar o salir de un giro, los aviones en miniatura se inclinan en la dirección de la aeronave. Una velocidad de balanceo rápido hace que el avión en miniatura se desplace más abruptamente que una velocidad de balance lento.

El coordinador de turnos se puede utilizar para establecer y mantener un giro estándar alineando el ala de la aeronave en miniatura con el índice de giro. La figura 7-22 muestra una imagen de un coordinador de turnos. Hay dos marcas en cada lado (izquierdo y derecho) de la cara del instrumento. La primera marca se usa para hacer referencia a una velocidad de giro cero de nivel de alas. La segunda marca en el lado izquierdo y derecho del instrumento sirve para indicar una tasa de giro estándar. Un giro de velocidad estándar se define como una tasa de giro de 3° por segundo. El Coordinador de Turno indica solo la velocidad y la dirección de turno; No muestra un ángulo específico de banco.

7.2.8 Inclinómetro #

El inclinómetro se utiliza para representar el guiñado de la aeronave, que es el movimiento de lado a lado de la nariz de la aeronave. Durante el vuelo coordinado, recto y nivelado, la fuerza de la gravedad hace que la bola descanse en la parte más baja del tubo, centrada entre las líneas de referencia. El vuelo coordinado se mantiene manteniendo la pelota centrada. Si la pelota no está centrada, se puede centrar usando el timón.

Para centrar la pelota, aplique la presión del timón en el lado al que se desvía la bola. Usa la regla simple, «paso en la pelota», para recordar qué pedal de timón presionar. Si el alerón y el timón se coordinan durante un giro, la bola permanece centrada en el tubo. Si las fuerzas aerodinámicas están desequilibradas, la bola se aleja del centro del tubo. Como se muestra en la Figura 7-22, en un deslizamiento, la tasa de giro es demasiado lenta para el ángulo de la orilla y la pelota se mueve hacia el interior del turno. En un derrape, la tasa de giro es demasiado grande para el ángulo de la orilla y la pelota se mueve hacia el exterior del turno. Para corregir estas condiciones, y mejorar la calidad del turno, recuerda «pisar el balón». Variar el ángulo del banco también puede ayudar a restaurar el vuelo coordinado desde un resbalón o patinaje. Para corregir un deslizamiento, disminuya el banco y/o aumente la tasa de giro. Para corregir un patín, aumente el banco y/o disminuya la tasa de giro.

7.2.9 Cadena de guiñada #

Una herramienta adicional que se puede agregar a la aeronave es una cuerda de guiñada. Una cuerda de guiñada es simplemente una cuerda o un trozo de hilo unido al centro del parabrisas. Cuando está en vuelo coordinado, la cuerda se remonta directamente sobre la parte superior de la pantalla de viento. Cuando la aeronave se desliza o patina, la cuerda de guiñada se mueve hacia la derecha o hacia la izquierda, dependiendo de la dirección del deslizamiento o del deslizamiento.

7.2.10 Comprobación de instrumentos #

Durante el vuelo previo, verifique que el inclinómetro esté lleno de líquido y no tenga burbujas de aire. La pelota también debe estar descansando en su punto más bajo. Al rodar, el coordinador de turno debe indicar un giro en la dirección correcta mientras la pelota se mueve enfrente de la dirección de la vuelta.

7.2.11 Indicador de actitud #

El indicador de actitud, con su avión en miniatura y barra de horizonte, muestra una imagen de la actitud de la aeronave. La relación de la aeronave en miniatura con la barra del horizonte es la misma que la relación del avión real con el horizonte real. El instrumento da una indicación instantánea de incluso los más pequeños cambios de actitud.

El giroscopio en el indicador de actitud se monta en un plano horizontal y depende de la rigidez en el espacio para su funcionamiento. La barra del horizonte representa el horizonte verdadero. Esta barra se fija al giroscopio y permanece en un plano horizontal ya que la aeronave se inclina o se inclina alrededor de su eje lateral o longitudinal, lo que indica la actitud de la aeronave en relación con el verdadero horizonte. [Figure 7-23]

El giroscopio gira en el plano horizontal y resiste la desviación de la trayectoria de rotación. Dado que el giroscopio se basa en la rigidez en el espacio, el avión en realidad gira alrededor del giroscopio giratorio.

Se proporciona una perilla de ajuste con la que el piloto puede mover la aeronave en miniatura hacia arriba o hacia abajo para alinear el avión en miniatura con la barra de horizonte para adaptarse a la línea de visión de los pilotos. Normalmente, la aeronave en miniatura se ajusta para que las alas se superpongan a la barra del horizonte cuando la aeronave esté en vuelo de crucero recto y nivelado.

Los límites de tono y banca dependen de la marca y modelo del instrumento. Los límites en el plano bancario suelen ser de 100° a 110°, y los límites de tono suelen ser de 60° a 70°. Si se excede cualquiera de los límites, el instrumento se volcará o se derramará y dará indicaciones incorrectas hasta que se realinee. Una serie de indicadores de actitud modernos no caen.

Cada piloto debería poder interpretar la escala bancaria ilustrada en la Figura 7-24. La mayoría de los indicadores de escala bancaria en la parte superior del instrumento se mueven en la misma dirección desde la que realmente se deposita la aeronave. Algunos otros modelos se mueven en la dirección opuesta a la de la que se deposita el avión. Esto puede confundir al piloto si se utiliza el indicador para determinar la dirección del banco. Esta escala debe usarse solo para controlar el grado de banco deseado. La relación de la aeronave en miniatura con la barra del horizonte debe utilizarse para indicar la dirección de la orilla.

El indicador de actitud es confiable y el instrumento de vuelo más realista en el panel de instrumentos. Sus indicaciones son aproximaciones muy estrechas de la actitud real de la aeronave.

7.2.12 Indicador de rumbo #

El indicador de rumbo es fundamentalmente un instrumento mecánico diseñado para facilitar el uso de la brújula magnética. Los errores en la brújula magnética son numerosos, lo que hace que el vuelo recto y la precisión se conviertan en encabezados difíciles de lograr, particularmente en el aire turbulento. Sin embargo, un indicador de rumbo no se ve afectado por las fuerzas que hacen que la brújula magnética sea difícil de interpretar. [Figure 7-25]

La perilla de ajuste se utiliza para alinear el indicador de encabezado con la brújula magnética.

El funcionamiento del indicador de rumbo depende del principio de rigidez en el espacio. El rotor gira en un plano vertical y fijado al rotor es una tarjeta de brújula. Dado que el rotor permanece rígido en el espacio, los puntos de la tarjeta mantienen la misma posición en el espacio en relación con el plano vertical del giroscopio. El avión en realidad gira alrededor del giroscopio giratorio, no al revés. A medida que la caja del instrumento y la aeronave giran alrededor del eje vertical del giroscopio, la tarjeta proporciona información de encabezado clara y precisa.

Debido a la precesión causada por la fricción, el indicador de rumbo se arrastra o se desplaza desde un rumbo al que se establece. Entre otros factores, la cantidad de deriva depende en gran medida de la condición del instrumento. Si los cojinetes están desgastados, sucios o mal lubricados, la deriva puede ser excesiva. Otro error en el indicador de rumbo es causado por el hecho de que el giroscopio está orientado en el espacio y la tierra gira en el espacio a una velocidad de 15° en 1 hora. Por lo tanto, descontando la precesión causada por la fricción, el indicador de rumbo puede indicar hasta 15° de error por cada hora de operación.

Algunos indicadores de encabezado denominados indicadores de situación horizontal (HSI) reciben una referencia norte magnética de un transmisor de esclavitud magnético y, en general, no necesitan ajustes. El transmisor de esclavización magnética se llama magnetómetro.

7.2.13 Sistema de Referencia de Actitud y Título (AHRS) #

Las pantallas de vuelo electrónicas han reemplazado a los giroscopios de giro libre con sistemas láser de estado sólido que son capaces de volar en cualquier actitud sin volcar. Esta capacidad es el resultado del desarrollo del Sistema de Referencia de Actitud y Título (AHRS).

El AHRS envía información de actitud al PFD para generar el tono y la información bancaria del indicador de actitud. La información de encabezado se deriva de un magnetómetro que detecta las líneas terrestres de flujo magnético. Luego, esta información se procesa y se envía al PFD para generar la pantalla de encabezado. [Figure 7-26]

7.2.14 El sistema de brújula de compás de flujo #

Como se mencionó anteriormente, las líneas de flujo en el campo magnético de la Tierra tienen dos características básicas: un imán se alinea con ellas, y se induce o genera una corriente eléctrica en cualquier cable cruzado por ellos.

La brújula de compuerta de flujo que impulsa los giroscopios esclavizados utiliza la característica de la inducción de corriente. La válvula de flujo es un anillo pequeño y segmentado, como el de la figura 7-27, de hierro blando que acepta fácilmente líneas de flujo magnético. Se enrolla una bobina eléctrica alrededor de cada una de las tres patas para aceptar la corriente inducida en este anillo por el campo magnético de la Tierra. Una bobina enrollada alrededor del espaciador de hierro en el centro del marco tiene una corriente alterna de 400 Hz (CA) que fluye a través de él. Durante los tiempos en que esta corriente alcanza su punto máximo, dos veces durante cada ciclo, se produce tanto magnetismo por esta bobina que el marco no puede aceptar las líneas de flujo del campo de la Tierra.

A medida que la corriente se invierte entre los picos, desmagnetiza el marco para que pueda aceptar el flujo del campo de la Tierra. A medida que este flujo atraviesa los devanados en las tres bobinas, hace que fluya corriente en ellas. Estas tres bobinas están conectadas de tal manera que la corriente que fluye en ellas cambia a medida que cambia el rumbo de la aeronave. [Figure 7-28]

Las tres bobinas están conectadas a tres bobinas similares pero más pequeñas en un sincronizador dentro de la caja del instrumento. El synchro gira el dial de un indicador de radio magnético (RMI) o de un HSI.

7.2.15 Brújula indicadora remota #

Se desarrollaron brújulas de indicación remota para compensar los errores y limitaciones del tipo más antiguo de indicadores de encabezado. Los dos componentes montados en panel de un sistema típico son el indicador de navegación pictórico y la unidad de control y compensador de esclavitud. [Figure 7-29] El indicador de navegación pictórica se conoce comúnmente como un HSI.

La unidad de control y compensador de esclavitud tiene un botón que proporciona un medio para seleccionar el modo «Gyro esclavizado» o «Gyro libre». Esta unidad también tiene un medidor de esclavitud y dos botones manuales de encabezado. El medidor de esclavitud indica la diferencia entre el encabezado mostrado y el encabezado magnético. Una desviación derecha indica un error en el sentido de las agujas del reloj de la tarjeta de la brújula; Una desviación izquierda indica un error en sentido contrario a las agujas del reloj. Cada vez que la aeronave está en un giro y la tarjeta gira, el medidor de esclavitud muestra una desviación completa hacia un lado u otro. Cuando el sistema está en el modo «Gyro libre», la tarjeta de brújula puede ajustarse presionando el botón de encabezado apropiado.

Una unidad separada, el transmisor de esclavitud magnética se monta de forma remota, generalmente en una punta de ala para eliminar la posibilidad de interferencia magnética. Contiene la válvula de flujo, que es el dispositivo sensor de dirección del sistema. Una concentración de líneas de fuerza magnética, después de ser amplificada, se convierte en una señal transmitida a la unidad de indicador de rumbo, que también se monta de forma remota. Esta señal opera un motor de torsión en la unidad indicadora de rumbo que procesa la unidad de giroscopio hasta que está alineada con la señal del transmisor. El transmisor de esclavización magnética está conectado eléctricamente al HSI.

Hay una serie de diseños de la brújula indicadora remota; Por lo tanto, aquí solo se cubren las características básicas del sistema. Los pilotos de instrumentos deben familiarizarse con las características del equipo en su aeronave.

A medida que los paneles de instrumentos se vuelven más concurridos y el tiempo de escaneado disponible de los pilotos se reduce mediante una carga de trabajo más pesada en la cubierta de vuelo, los fabricantes de instrumentos han trabajado para combinar instrumentos. Un buen ejemplo de esto es el RMI en la Figura 7-30. La tarjeta de la brújula es impulsada por señales de la válvula de flujo, y los dos punteros son accionados por un buscador de dirección automático (ADF) y un rango de radio omnidireccional de muy alta frecuencia (VHF) omnidireccional (VOR).

Los indicadores de rumbo que no tienen esta capacidad automática de búsqueda del norte se denominan giroscopios «libres» y requieren ajustes periódicos. Es importante verificar las indicaciones con frecuencia (aproximadamente cada 15 minutos) y reiniciar el indicador de encabezado para alinearlo con la brújula magnética cuando sea necesario. Ajuste el indicador de rumbo al rumbo magnético de la brújula cuando la aeronave esté recta y nivelada a una velocidad constante para evitar errores de brújula.

Los límites de banco y pitch del indicador de rumbo varían con el diseño y la marca particulares del instrumento. En algunos indicadores de rumbo encontrados en aeronaves ligeras, los límites son aproximadamente 55° de cabeceo y 55° de banco. Cuando se excede cualquiera de estos límites de actitud, el instrumento «gira» o «derrama» y ya no da la indicación correcta hasta que se reinicie. Después de derramar, puede restablecerse con la perilla de jaula. Muchos de los instrumentos modernos utilizados están diseñados de tal manera que no caen.

Puede ocurrir un error de precesión adicional debido a que un giroscopio no gira lo suficientemente rápido como para mantener su alineación. Cuando el sistema de vacío deja de producir una succión adecuada para mantener la velocidad del giroscopio, el indicador de rumbo y los giroscopios del indicador de actitud comienzan a disminuir la velocidad. A medida que disminuyen la velocidad, se vuelven más susceptibles a la deflexión del plano de rotación. Algunas aeronaves tienen luces de advertencia para indicar que se ha producido una situación de bajo vacío. Otras aeronaves pueden tener sólo un indicador de vacío que indica la succión.

7.2.16 Comprobación de instrumentos #

A medida que sube el giroscopio, asegúrese de que no haya sonidos anormales. Durante el rodaje, el instrumento debe indicar giros en la dirección correcta y la precesión no debe ser anormal. En los ajustes de potencia de ralentí, es posible que los instrumentos giroscópicos que usan el sistema de vacío no estén a la altura de las velocidades de funcionamiento y la precesión podría ocurrir más rápidamente que durante el vuelo.