Plusieurs instruments de vol utilisent les propriétés d’un gyroscope pour leur fonctionnement. Les instruments les plus courants contenant des gyroscopes sont le coordinateur de virage, l’indicateur de cap et l’indicateur d’attitude. Pour comprendre le fonctionnement de ces instruments, il faut connaître les systèmes de puissance des instruments, les principes gyroscopiques et les principes de fonctionnement de chaque instrument.

7.2.1 Principes gyroscopiques #

Tout objet en rotation présente des propriétés gyroscopiques. Une roue ou un rotor conçu et monté pour utiliser ces propriétés est appelé gyroscope. Deux caractéristiques de conception importantes d’un gyroscope sont d’un poids élevé pour sa taille, ou une densité élevée, et une rotation à haute vitesse avec des roulements à faible friction.

Il existe deux types généraux de fixations; Le type utilisé dépend de la propriété du gyroscope utilisé. Un gyroscope librement ou universellement monté est libre de tourner dans n’importe quelle direction autour de son centre de gravité. Une telle roue aurait trois plans de liberté. La roue ou le rotor est libre de tourner dans n’importe quel plan par rapport à la base et est équilibré de sorte que, avec la roue gyroscopique au repos, elle reste dans la position dans laquelle elle est placée. Les gyroscopes restreints ou semi-rigides sont ceux montés de sorte que l’un des plans de liberté soit maintenu fixe par rapport à la base.

Il existe deux propriétés fondamentales de l’action gyroscopique : la rigidité dans l’espace et la précession.

7.2.2 Rigidité dans l’espace #

La rigidité dans l’espace fait référence au principe selon lequel un gyroscope reste dans une position fixe dans le plan dans lequel il tourne. Un exemple de rigidité dans l’espace est celui d’une roue de vélo. Au fur et à mesure que les roues du vélo augmentent la vitesse, elles deviennent de plus en plus stables dans leur plan de rotation. C’est pourquoi un vélo est très instable et très maniable à basse vitesse et très stable et moins maniable à des vitesses plus élevées.

En montant cette roue, ou gyroscope, sur un jeu de cardan, le gyroscope est capable de tourner librement dans n’importe quelle direction. Ainsi, si les anneaux de cardan sont inclinés, tordus ou autrement déplacés, le gyroscope reste dans le plan dans lequel il tourne à l’origine. [Figure 7-18]

7.2.3 Précession #

La précession est l’inclinaison ou la rotation d’un gyroscope en réponse à une force de déviation. La réaction à cette force ne se produit pas au moment où elle a été appliquée ; Il se produit plutôt à un point qui est 90° plus tard dans le sens de rotation. Ce principe permet au gyroscope de déterminer un taux de virage en détectant la quantité de pression créée par un changement de direction. La vitesse à laquelle le gyroscope est inversement proportionnel à la vitesse du rotor et proportionnelle à la force de déviation.

À l’aide de l’exemple du vélo, la précession agit sur les roues afin de permettre au vélo de tourner. Tout en roulant à vitesse normale, il n’est pas nécessaire de tourner les guidons dans la direction du virage souhaité. Un cavalier se penche simplement dans la direction dans laquelle il souhaite aller. Étant donné que les roues tournent dans le sens des aiguilles d’une montre lorsqu’elles sont vues du côté droit de la bicyclette, si un cycliste se penche vers la gauche, une force est appliquée sur le haut de la roue vers la gauche. La force agit en fait à 90° dans le sens de rotation, ce qui a pour effet d’appliquer une force à l’avant du pneu, ce qui provoque le déplacement du vélo vers la gauche. Il est nécessaire de tourner le guidon à basse vitesse en raison de l’instabilité des gyroscopes qui tournent lentement, et également d’augmenter le taux de virage.

La précession peut également créer des erreurs mineures dans certains instruments. [Figure 7-19] La précession peut entraîner le déplacement d’un gyroscope à rotation libre du plan de rotation prévu par le frottement des roulements, etc. Certains instruments peuvent nécessiter un réalignement correctif pendant le vol, comme l’indicateur de cap.

7.2.4 Sources de pouvoir #

Dans certains avions, tous les gyroscopes sont sous vide, sous pression ou à commande électrique. Dans d’autres aéronefs, les systèmes de vide ou de pression fournissent la puissance des indicateurs de cap et d’attitude, tandis que le système électrique fournit la puissance du coordinateur de virage. La plupart des aéronefs ont au moins deux sources d’énergie pour s’assurer qu’au moins une source d’informations bancaires est disponible en cas de panne d’une source d’énergie. Le système de vide ou de pression fait tourner le gyroscope en aspirant un flux d’air contre les aubes du rotor pour faire tourner le rotor à grande vitesse, un peu comme le fonctionnement d’une roue hydraulique ou d’une turbine. La quantité de vide ou de pression requise pour le fonctionnement de l’instrument varie, mais est généralement comprise entre 4,5 « Hg et 5,5 » Hg.

Une source de vide pour le gyroscope est une pompe à moteur à ailettes montée sur le boîtier accessoire du moteur. La capacité de la pompe varie selon les avions selon le nombre de gyroscopes.

Un système de vide typique se compose d’une pompe à vide entraînée par le moteur, d’une soupape de décharge, d’un filtre à air, d’une jauge et d’un tube pour compléter les connexions. La jauge est montée dans le tableau de bord de l’avion et indique la quantité de pression dans le système (le vide est mesuré en pouces de mercure inférieur à la pression ambiante).

Comme le montre la figure 7-20, de l’air est aspiré dans le système de vide par la pompe à vide entraînée par le moteur. Il passe d’abord par un filtre, ce qui empêche les corps étrangers de pénétrer dans le système de vide ou de pression. L’air passe ensuite à travers les indicateurs d’attitude et de cap, où il fait tourner les gyroscopes. Une soupape de décharge empêche la pression de vide, ou l’aspiration, de dépasser les limites prescrites. Après cela, l’air est expulsé par-dessus bord ou utilisé dans d’autres systèmes, par exemple pour gonfler les bottes de dégivrage pneumatiques.

Il est important de surveiller la pression du vide pendant le vol, car les indicateurs d’attitude et de cap peuvent ne pas fournir d’informations fiables lorsque la pression d’aspiration est faible. La jauge à vide, ou aspiration, est généralement marquée pour indiquer la plage normale. Certains aéronefs sont équipés d’un témoin lumineux qui s’allume lorsque la pression du vide tombe en dessous du niveau acceptable.

Lorsque la pression sous vide descend en dessous de la plage de fonctionnement normale, les instruments gyroscopiques peuvent devenir instables et inexacts. La vérification croisée des instruments est une bonne habitude à développer.

7.2.5 Clignotants #

Les aéronefs utilisent deux types de clignotants : indicateur de virage et de glissement et coordinateur de virage. En raison de la façon dont le gyroscope est monté, l’indicateur de virage et de glissement indique uniquement le taux de virage en degrés par seconde. Le coordinateur de virage est monté à un angle ou incliné, de sorte qu’il peut initialement afficher le taux de roulis. Lorsque le rouleau se stabilise, il indique le taux de virage. Les deux instruments indiquent la direction et la qualité des virages (coordination) et servent également de source de sauvegarde d’informations bancaires en cas d’échec d’un indicateur d’attitude. La coordination est obtenue en se référant à l’inclinomètre, qui consiste en un tube incurvé rempli de liquide avec une boule à l’intérieur. [Figure 7-21]

7.2.6 Indicateur de virage et de glissement #

Le gyroscope dans l’indicateur de virage et de glissement tourne dans le plan vertical, correspondant à l’axe longitudinal de l’avion. Un seul cardan limite les plans dans lesquels le gyroscope peut s’incliner, et un ressort essaie de le ramener au centre. En raison de la précession, une force de lacet fait basculer le gyroscope à gauche ou à droite, vu du siège pilote. L’indicateur de virage et de glissement utilise un pointeur, appelé l’aiguille de virage, pour indiquer la direction et le taux de virage. L’indicateur de virage et de glissement est incapable de « gripper » sur son axe de rotation en raison des ressorts de retenue. Lorsque des forces extrêmes sont appliquées à un gyroscope, le gyroscope est déplacé de son plan normal de rotation, rendant ses indications invalides. Certains instruments ont des limites de hauteur et de banque spécifiques qui induisent une chute du gyroscope.

7.2.7 Coordonnateur de tours #

Le cardan du coordinateur de virage est incliné ; Par conséquent, son gyroscope peut détecter à la fois le taux de roulis et le taux de virage. Étant donné que les coordinateurs de tours sont plus répandus dans les avions d’entraînement, cette discussion se concentre sur cet instrument. Lors de l’enroulement ou de la sortie d’un virage, les bancs d’avions miniatures dans la direction de l’avion sont roulés. Un taux de roulis rapide fait que l’avion miniature s’incruste plus fortement qu’un taux de roulis lent.

Le coordinateur de virage peut être utilisé pour établir et maintenir un virage standard en alignant l’aile de l’avion miniature avec l’indice de virage. La figure 7-22 montre une image d’un coordinateur de tour. Il y a deux marques de chaque côté (gauche et droite) de la face de l’instrument. La première marque est utilisée pour référencer un taux zéro de tour de niveau d’ailes. La deuxième marque à gauche et à droite de l’instrument indique un taux de virage standard. Un virage à taux standard est défini comme un taux de virage de 3° par seconde. Le coordinateur de virage n’indique que le taux et la direction du virage ; Il n’affiche pas un angle spécifique de banque.

7.2.8 Inclinomètre #

L’inclinomètre est utilisé pour représenter le lacet d’avion, qui est le mouvement d’un côté à l’autre du nez de l’avion. Pendant le vol coordonné, droit et plan, la force de gravité fait reposer la balle dans la partie la plus basse du tube, centrée entre les lignes de référence. Le vol coordonné est maintenu en maintenant la balle au centre. Si la balle n’est pas centrée, elle peut être centrée en utilisant le gouvernail.

Pour centrer la balle, appliquez une pression de gouvernail sur le côté vers lequel la balle est déviée. Utilisez la règle simple, « pas sur la balle », pour se rappeler sur quelle pédale de gouvernail appuyer. Si l’aileron et le gouvernail sont coordonnés pendant un virage, la balle reste centrée dans le tube. Si les forces aérodynamiques sont déséquilibrées, la balle s’éloigne du centre du tube. Comme le montre la figure 7-22, dans un glissement, le taux de virage est trop lent pour l’angle de la banque et la balle se déplace vers l’intérieur du virage. Dans un dérapage, le taux de virage est trop élevé pour l’angle de la banque et la balle se déplace vers l’extérieur du virage. Pour corriger ces conditions et améliorer la qualité du virage, n’oubliez pas de « marcher sur le ballon ». La variation de l’angle de la banque peut également aider à restaurer le vol coordonné à partir d’un glissement ou d’un dérapage. Pour corriger un bordereau, diminuez la banque et/ou augmentez le taux de virage. Pour corriger un dérapage, augmentez la banque et/ou réduisez le taux de virage.

7.2.9 Chaîne de lacet #

Un outil supplémentaire qui peut être ajouté à l’avion est une ficelle de lacet. Une ficelle de lacet est simplement une ficelle ou un morceau de fil attaché au centre du pare-vent. En vol coordonné, la corde reviendra directement au-dessus du pare-vent. Lorsque l’avion glisse ou dérape, la corde de lacet se déplace vers la droite ou vers la gauche en fonction de la direction de glissement ou de dérapage.

7.2.10 Vérification des instruments #

Pendant le vol, vérifiez que l’inclinomètre est plein de fluide et n’a pas de bulles d’air. La balle doit également reposer à son point le plus bas. Lors du roulage, le coordinateur de virage doit indiquer un virage dans la bonne direction tandis que la balle se déplace en face de la direction du virage.

7.2.11 Indicateur d’attitude #

L’indicateur d’attitude, avec son avion miniature et sa barre d’horizon, affiche une image de l’attitude de l’avion. La relation entre l’avion miniature et la barre d’horizon est la même que la relation entre l’avion réel et l’horizon réel. L’instrument donne une indication instantanée des moindres changements d’attitude.

Le gyroscope dans l’indicateur d’attitude est monté dans un plan horizontal et dépend de la rigidité dans l’espace pour son fonctionnement. La barre d’horizon représente le véritable horizon. Cette barre est fixée au gyroscope et reste dans un plan horizontal lorsque l’avion est incliné ou incliné autour de son axe latéral ou longitudinal, indiquant l’attitude de l’avion par rapport à l’horizon réel. [Figure 7-23]

Le gyroscope tourne dans le plan horizontal et résiste à la déviation du trajet de rotation. Étant donné que le gyroscope repose sur la rigidité dans l’espace, l’avion tourne en fait autour du gyroscope en rotation.

Un bouton de réglage est fourni avec lequel le pilote peut déplacer l’avion miniature vers le haut ou vers le bas pour aligner l’aéronef miniature avec la barre d’horizon en fonction de la ligne de vision des pilotes. Normalement, l’avion miniature est ajusté de manière à ce que les ailes chevauchent la barre d’horizon lorsque l’avion est en vol de croisière droit ou plan.

Les limites de hauteur et de banque dépendent de la marque et du modèle de l’instrument. Les limites dans le plan bancaire sont généralement de 100 à 110°, et les limites de pas sont généralement de 60 à 70°. Si l’une ou l’autre limite est dépassée, l’instrument va basculer ou se déverser et donnera des indications incorrectes jusqu’à ce qu’il soit réaligné. Un certain nombre d’indicateurs d’attitude modernes ne dégringolent pas.

Chaque pilote doit être capable d’interpréter l’échelle bancaire illustrée à la Figure 7-24. La plupart des indicateurs d’échelle bancaire sur le dessus de l’instrument se déplacent dans la même direction que celui dans lequel l’avion est réellement mis en banque. Certains autres modèles se déplacent dans la direction opposée à celle dans laquelle l’avion est réellement mis en banque. Cela peut confondre le pilote si l’indicateur est utilisé pour déterminer la direction de la banque. Cette échelle ne doit être utilisée que pour contrôler le degré de banque souhaitée. La relation entre l’avion miniature et la barre d’horizon doit être utilisée pour une indication de la direction de la banque.

L’indicateur d’attitude est fiable et l’instrument de vol le plus réaliste sur le tableau de bord. Ses indications sont des approximations très proches de l’attitude réelle de l’avion.

7.2.12 Indicateur de cap #

L’indicateur de cap est fondamentalement un instrument mécanique conçu pour faciliter l’utilisation de la boussole magnétique. Les erreurs dans la boussole magnétique sont nombreuses, ce qui rend difficile la réalisation de vols directs et de précision vers des caps, en particulier dans l’air turbulent. Un indicateur de cap, cependant, n’est pas affecté par les forces qui rendent la boussole magnétique difficile à interpréter. [Figure 7-25]

Le bouton de réglage est utilisé pour aligner l’indicateur de cap avec la boussole magnétique.

Le fonctionnement de l’indicateur de cap dépend du principe de rigidité dans l’espace. Le rotor tourne dans un plan vertical et fixé sur le rotor est une carte compas. Étant donné que le rotor reste rigide dans l’espace, les points de la carte tiennent la même position dans l’espace par rapport au plan vertical du gyroscope. L’avion tourne en fait autour du gyroscope rotatif, et non l’inverse. Comme le boîtier de l’instrument et l’avion tournent autour de l’axe vertical du gyroscope, la carte fournit des informations de cap claires et précises.

En raison de la précession causée par le frottement, l’indicateur de cap se glisse ou dérive d’un cap sur lequel il est réglé. Entre autres facteurs, la dérive dépend en grande partie de l’état de l’instrument. Si les roulements sont usés, sales ou mal lubrifiés, la dérive peut être excessive. Une autre erreur dans l’indicateur de cap est causée par le fait que le gyroscope est orienté dans l’espace et que la terre tourne dans l’espace à une vitesse de 15° en 1 heure. Ainsi, en écartant la précession causée par le frottement, l’indicateur de cap peut indiquer jusqu’à 15° d’erreur par heure de fonctionnement.

Certains indicateurs de position appelés indicateurs de situation horizontaux (HSI) reçoivent une référence nord magnétique d’un émetteur d’esclaves magnétiques et n’ont généralement pas besoin d’ajustement. L’émetteur d’esclavage magnétique est appelé magnétomètre.

7.2.13 Attitude et référentiel de titre (AHRS) #

Les écrans de vol électroniques ont remplacé les gyroscopes à rotation libre par des systèmes laser à semi-conducteurs capables de voler à n’importe quelle attitude sans dégringoler. Cette capacité est le résultat du développement du système de référence d’attitude et de cap (AHRS).

L’AHRS envoie des informations d’attitude au PFD afin de générer le pitch et les informations bancaires de l’indicateur d’attitude. L’information de cap est dérivée d’un magnétomètre qui détecte les lignes terrestres du flux magnétique. Ces informations sont ensuite traitées et envoyées au PFD pour générer l’affichage du cap. [Figure 7-26]

7.2.14 Le système de boussole à grille de flux #

Comme mentionné précédemment, les lignes de flux dans le champ magnétique terrestre ont deux caractéristiques de base : un aimant s’aligne avec elles, et un courant électrique est induit, ou généré, dans tout fil traversé par elles.

La boussole de grille de flux qui entraîne des gyroscopes esclaves utilise la caractéristique de l’induction de courant. La valve de flux est un petit anneau segmenté, comme celui de la figure 7-27, en fer doux qui accepte facilement les lignes de flux magnétique. Une bobine électrique est enroulée autour de chacune des trois jambes pour accepter le courant induit dans cet anneau par le champ magnétique terrestre. Une bobine enroulée autour de l’entretoise de fer au centre du cadre a un courant alternatif (AC) de 400 Hz qui traverse la traverse. Pendant les moments où ce courant atteint son pic, deux fois au cours de chaque cycle, il y a tellement de magnétisme produit par cette bobine que le cadre ne peut pas accepter les lignes de flux du champ terrestre.

Au fur et à mesure que le courant s’inverse entre les pics, il démagnétise la trame afin qu’il puisse accepter le flux du champ terrestre. Au fur et à mesure que ce flux traverse les enroulements des trois bobines, cela provoque le flux de courant. Ces trois bobines sont connectées de manière à ce que le courant y circulant change à mesure que le cap de l’avion change. [Figure 7-28]

Les trois bobines sont connectées à trois bobines similaires mais plus petites dans une synchronisation à l’intérieur du boîtier de l’instrument. Le synchro tourne le cadran d’un indicateur magnétique radio (RMI) ou d’un HSI.

7.2.15 Boussole d’indication à distance #

Des boussoles d’indication à distance ont été développées pour compenser les erreurs et les limites des anciens types d’indicateurs de cap. Les deux composants montés sur panneau d’un système typique sont l’indicateur de navigation picturale et la commande d’esclavage et l’unité de compensation. [Figure 7-29] L’indicateur de navigation picturale est communément appelé HSI.

L’unité de commande et de compensation d’esclavage dispose d’un bouton poussoir qui permet de sélectionner le mode « Gyro esclave » ou « Gyro libre ». Cet appareil dispose également d’un compteur d’esclaves et de deux boutons manuels d’entraînement de cap. Le compteur d’esclavage indique la différence entre le cap affiché et le cap magnétique. Une déviation droite indique une erreur dans le sens des aiguilles d’une montre de la carte de la boussole ; Une déviation gauche indique une erreur dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Chaque fois que l’avion est dans un tour et que la carte tourne, le compteur d’esclavage montre une déviation complète d’un côté ou de l’autre. Lorsque le système est en mode « Gyro libre », la carte du compas peut être ajustée en appuyant sur le bouton de commande de cap approprié.

Une unité séparée, l’émetteur d’esclavage magnétique est monté à distance, généralement dans un bout d’aile pour éliminer la possibilité d’interférences magnétiques. Il contient la vanne de flux, qui est le dispositif de détection de direction du système. Une concentration de lignes de force magnétique, après avoir été amplifiée, devient un signal relayé à l’unité d’indicateur de cap, qui est également montée à distance. Ce signal actionne un moteur de couple dans l’unité d’indicateur de cap qui traite l’unité gyroscopique jusqu’à ce qu’elle soit alignée avec le signal de l’émetteur. L’émetteur d’esclavage magnétique est connecté électriquement au HSI.

Il existe un certain nombre de conceptions de la boussole indiquant la télécommande ; Par conséquent, seules les caractéristiques de base du système sont couvertes ici. Les pilotes d’instruments doivent se familiariser avec les caractéristiques de l’équipement de leur avion.

À mesure que les tableaux de bord deviennent de plus en plus encombrés et que le temps de balayage disponible des pilotes est réduit par une charge de travail plus lourde, les fabricants d’instruments ont travaillé à la combinaison d’instruments. Un bon exemple de ceci est le RMI de la figure 7-30. La carte de la boussole est entraînée par des signaux provenant de la vanne de flux, et les deux pointeurs sont entraînés par un détecteur de direction automatique (ADF) et une gamme radio omnidirectionnelle (VHF) à très haute fréquence (VHF).

Les indicateurs de cap qui n’ont pas cette capacité automatique de recherche de North sont appelés gyroscopes « gratuits » et nécessitent un ajustement périodique. Il est important de vérifier fréquemment les indications (environ toutes les 15 minutes) et de réinitialiser l’indicateur de cap pour l’aligner avec la boussole magnétique lorsque cela est nécessaire. Ajustez l’indicateur de cap sur le cap du compas magnétique lorsque l’avion est droit et de niveau à une vitesse constante pour éviter les erreurs de boussole.

Les limites de banque et de pas de l’indicateur de cap varient avec la conception et la marque particulières de l’instrument. Sur certains indicateurs de cap trouvés dans les avions légers, les limites sont d’environ 55° de pas et de 55° de rive. Lorsque l’une ou l’autre de ces limites d’attitude est dépassée, l’instrument « culbute » ou « déverse » et ne donne plus l’indication correcte jusqu’à la réinitialisation. Après avoir renversé, il peut être réinitialisé avec le bouton de mise en cage. De nombreux instruments modernes utilisés sont conçus de manière à ne pas culbuter.

Une erreur de précession supplémentaire peut se produire en raison d’un gyroscope qui ne tourne pas assez vite pour maintenir son alignement. Lorsque le système de vide cesse de produire une aspiration adéquate pour maintenir la vitesse du gyroscope, l’indicateur de cap et l’indicateur d’attitude commencent à ralentir. Au fur et à mesure qu’ils ralentissent, ils deviennent plus susceptibles d’être déviés du plan de rotation. Certains aéronefs ont des voyants pour indiquer qu’une situation de vide s’est produite. D’autres aéronefs peuvent n’avoir qu’une jauge à vide qui indique l’aspiration.

7.2.16 Vérification des instruments #

Au fur et à mesure que le gyroscope s’enclenche, assurez-vous qu’il n’y a pas de sons anormaux. Pendant le roulage, l’instrument doit indiquer des virages dans la bonne direction et la précession ne doit pas être anormale. Au ralenti, les instruments gyroscopiques utilisant le système de vide peuvent ne pas être à la hauteur des vitesses de fonctionnement et la précession peut se produire plus rapidement qu’en vol.