Diversi strumenti di volo utilizzano le proprietà di un giroscopio per il loro funzionamento. Gli strumenti più comuni contenenti giroscopi sono il coordinatore di svolta, l’indicatore di direzione e l’indicatore di atteggiamento. Comprendere come funzionano questi strumenti richiede la conoscenza dei sistemi di alimentazione dello strumento, dei principi giroscopici e dei principi operativi di ciascuno strumento.

7.2.1 Principi giroscopici #

Qualsiasi oggetto rotante presenta proprietà giroscopiche. Una ruota o un rotore progettato e montato per utilizzare queste proprietà è chiamato giroscopio. Due importanti caratteristiche progettuali di un giroscopio dello strumento sono un grande peso per le sue dimensioni, o alta densità, e la rotazione ad alta velocità con cuscinetti a basso attrito.

Esistono due tipi generali di supporti; Il tipo utilizzato dipende da quale proprietà del giroscopio viene utilizzata. Un giroscopio montato liberamente o universalmente è libero di ruotare in qualsiasi direzione attorno al suo centro di gravità. Si dice che una tale ruota abbia tre piani di libertà. La ruota o il rotore è libero di ruotare su qualsiasi piano rispetto alla base ed è bilanciato in modo che, con la ruota giroscopica a riposo, rimanga nella posizione in cui è posizionata. I giroscopi a montaggio limitato o semirigidamente montati sono quelli montati in modo che uno dei piani di libertà sia tenuto fisso in relazione alla base.

Ci sono due proprietà fondamentali dell’azione giroscopica: la rigidità nello spazio e la precessione.

7.2.2 Rigidità nello spazio #

La rigidità nello spazio si riferisce al principio che un giroscopio rimane in una posizione fissa nel piano in cui gira. Un esempio di rigidità nello spazio è quello di una ruota di bicicletta. Man mano che le ruote della bicicletta aumentano la velocità, diventano sempre più stabili nel loro piano di rotazione. Ecco perché una bicicletta è molto instabile e molto manovrabile alle basse velocità e molto stabile e meno manovrabile a velocità più elevate.

Montando questa ruota, o giroscopio, su una serie di anelli gimbal, il giroscopio è in grado di ruotare liberamente in qualsiasi direzione. Pertanto, se gli anelli del gimbal sono inclinati, attorcigliati o altrimenti spostati, il giroscopio rimane nel piano in cui originariamente girava. [Figure 7-18]

7.2.3 Precessione #

La precessione è l’inclinazione o la rotazione di un giroscopio in risposta a una forza deviante. La reazione a questa forza non si verifica nel punto in cui è stata applicata; Piuttosto, si verifica in un punto che è 90° più tardi nel senso di rotazione. Questo principio consente al giroscopio di determinare una velocità di svolta rilevando la quantità di pressione creata da un cambiamento di direzione. La velocità con cui i precessi giroscopici è inversamente proporzionale alla velocità del rotore e proporzionale alla forza deviante.

Utilizzando l’esempio della bicicletta, la precessione agisce sulle ruote per permettere alla bicicletta di girare. Durante la guida a velocità normale, non è necessario ruotare il manubrio nella direzione della svolta desiderata. Un cavaliere si appoggia semplicemente nella direzione in cui desidera andare. Poiché le ruote ruotano in senso orario se viste dal lato destro della bicicletta, se un ciclista si appoggia a sinistra, viene applicata una forza sulla parte superiore della ruota a sinistra. La forza agisce effettivamente di 90° nella direzione di rotazione, che ha l’effetto di applicare una forza sulla parte anteriore del pneumatico, facendo sì che la bicicletta si muova a sinistra. È necessario ruotare il manubrio a basse velocità a causa dell’instabilità dei giroscopi a rotazione lenta e anche aumentare la velocità di svolta.

La precessione può anche creare alcuni errori minori in alcuni strumenti. [Figure 7-19] La precessione può causare lo spostamento di un giroscopio a rotazione libera dal piano di rotazione previsto attraverso l’attrito del cuscinetto, ecc. Alcuni strumenti possono richiedere il riallineamento correttivo durante il volo, come l’indicatore di rotta.

7.2.4 Fonti di energia #

In alcuni aerei, tutti i giroscopi sono a vuoto, pressione o azionati elettricamente. In altri aeromobili, i sistemi di vuoto o di pressione forniscono la potenza per gli indicatori di direzione e assetto, mentre il sistema elettrico fornisce la potenza per il coordinatore di svolta. La maggior parte degli aerei ha almeno due fonti di potenza per garantire che almeno una fonte di informazioni bancarie sia disponibile se una fonte di alimentazione si guasta. Il sistema di vuoto o pressione fa girare il giroscopio aspirando un flusso d’aria contro le alette del rotore per far girare il rotore ad alta velocità, proprio come il funzionamento di una ruota idraulica o di una turbina. La quantità di vuoto o pressione richiesta per il funzionamento dello strumento varia, ma di solito è compresa tra 4,5 “Hg e 5,5” Hg.

Una fonte di vuoto per il giroscopio è una pompa a motore a palette montata sulla custodia accessoria del motore. La capacità della pompa varia in diversi aeroplani, a seconda del numero di giroscopi.

Un tipico sistema di vuoto è costituito da una pompa per vuoto azionata dal motore, una valvola di sfiato, un filtro dell’aria, un manometro e un tubo necessario per completare i collegamenti. Il manometro è montato sul cruscotto degli aeromobili e indica la quantità di pressione nel sistema (il vuoto è misurato in pollici di mercurio inferiore alla pressione ambiente).

Come mostrato nella Figura 7-20, l’aria viene aspirata nel sistema di vuoto dalla pompa a vuoto azionata dal motore. Prima passa attraverso un filtro, che impedisce all’ingresso di corpi estranei nel sistema di vuoto o pressione. L’aria si muove quindi attraverso gli indicatori di atteggiamento e di intestazione, dove fa girare i giroscopi. Una valvola di sfiato impedisce che la pressione di vuoto, o l’aspirazione, superino i limiti prescritti. Successivamente, l’aria viene espulsa fuori bordo o utilizzata in altri sistemi, ad esempio per gonfiare gli stivali di sbrinamento pneumatici.

È importante monitorare la pressione del vuoto durante il volo, perché gli indicatori di atteggiamento e di rotta potrebbero non fornire informazioni affidabili quando la pressione di aspirazione è bassa. L’indicatore di vuoto, o di aspirazione, è generalmente contrassegnato per indicare l’intervallo normale. Alcuni velivoli sono dotati di una spia che si illumina quando la pressione del vuoto scende al di sotto del livello accettabile.

Quando la pressione di vuoto scende al di sotto del normale range di funzionamento, gli strumenti giroscopici possono diventare instabili e imprecisi. Il controllo incrociato degli strumenti di routine è una buona abitudine da sviluppare.

7.2.5 Indicatori di direzione #

Gli aerei utilizzano due tipi di indicatori di direzione: indicatore di svolta e coordinatore di svolta. A causa del modo in cui viene montato il giroscopio, l’indicatore di rotazione e scorrimento mostra solo la velocità di rotazione in gradi al secondo. Il coordinatore di svolta è montato ad angolo, o inclinato, in modo che inizialmente possa mostrare la frequenza di rollio. Quando il rollio si stabilizza, indica la velocità di svolta. Entrambi gli strumenti indicano la direzione e la qualità del turno (coordinamento) e fungono anche da fonte di riserva di informazioni bancarie nel caso in cui un indicatore di atteggiamento fallisca. Il coordinamento si ottiene facendo riferimento all’inclinometro, che consiste in un tubo curvo riempito di liquido con una palla all’interno. [Figure 7-21]

7.2.6 Indicatore di rotazione e scorrimento #

Il giroscopio nell’indicatore di rotazione e scivolamento ruota sul piano verticale, corrispondente all’asse longitudinale dell’aeromobile. Un singolo gimbal limita i piani in cui il giroscopio può inclinarsi e una molla cerca di riportarla al centro. A causa della precessione, una forza di imbardata fa inclinare il giroscopio a sinistra oa destra, visto dal sedile del pilota. L’indicatore di rotazione e slittamento utilizza un puntatore, chiamato ago di svolta, per mostrare la direzione e la velocità di svolta. L’indicatore di rotazione e slittamento non è in grado di “inciampare” fuori dal suo asse di rotazione a causa delle molle di contenimento. Quando si applicano forze estreme a un giroscopio, il giroscopio viene spostato dal suo normale piano di rotazione, rendendo non valide le sue indicazioni. Alcuni strumenti hanno limiti di tono e banca specifici che inducono una caduta del giroscopio.

7.2.7 Coordinatore di turno #

Il gimbal nel coordinatore di turno è inclinato; Pertanto, il suo giroscopio può rilevare sia il tasso di rollio che il tasso di turno. Poiché i coordinatori di turno sono più prevalenti negli aerei da addestramento, questa discussione si concentra su quello strumento. Quando si rotola dentro o fuori una svolta, l’aereo in miniatura si estende nella direzione in cui viene rotolato l’aereo. Un tasso di rollio rapido fa sì che l’aeromobile in miniatura si incastri in modo più radicale di un tasso di rollio lento.

Il coordinatore del turno può essere utilizzato per stabilire e mantenere una svolta a velocità standard allineando l’ala del velivolo in miniatura con l’indice di svolta. La Figura 7-22 mostra l’immagine di un coordinatore di turno. Ci sono due segni su ciascun lato (sinistra e destra) della faccia dello strumento. Il primo segno viene utilizzato per fare riferimento a un tasso di turno zero di livello ali. Il secondo segno sul lato sinistro e destro dello strumento serve a indicare una velocità di svolta standard. Un giro di velocità standard è definito come una velocità di rotazione di 3° al secondo. Il coordinatore di svolta indica solo la velocità e la direzione di svolta; Non mostra un angolo specifico del banco.

7.2.8 Inclinometro #

L’inclinometro viene utilizzato per rappresentare l’imbardata dell’aereo, che è il movimento laterale del muso dell’aereo. Durante il volo coordinato, dritto e livellato, la forza di gravità fa riposare la palla nella parte più bassa del tubo, centrata tra le linee di riferimento. Il volo coordinato viene mantenuto mantenendo la palla centrata. Se la palla non è centrata, può essere centrata usando il timone.

Per centrare la palla, applicare la pressione del timone sul lato su cui viene deviata la palla. Usa la semplice regola, “Step on the Ball”, per ricordare quale pedale del timone premere. Se l’alettone e il timone sono coordinati durante una svolta, la palla rimane centrata nel tubo. Se le forze aerodinamiche sono sbilanciate, la palla si allontana dal centro del tubo. Come mostrato nella Figura 7-22, in uno slittamento, il tasso di svolta è troppo lento per l’angolo di sponda e la palla si sposta all’interno della curva. In uno slittamento, il tasso di svolta è troppo grande per l’angolo di sponda e la palla si sposta all’esterno della curva. Per correggere queste condizioni, e migliorare la qualità del turno, ricorda di “calpestare la palla”. Variare l’angolo di sponda può anche aiutare a ripristinare il volo coordinato da uno slittamento o uno slittamento. Per correggere uno slittamento, diminuire la banca e/o aumentare il tasso di turno. Per correggere uno slittamento, aumentare la banca e/o diminuire il tasso di turno.

7.2.9 Corda di imbardata #

Uno strumento aggiuntivo che può essere aggiunto all’aereo è una corda di imbardata. Una corda di imbardata è semplicemente una corda o un pezzo di filo attaccato al centro del parabrezza. Quando è in volo coordinato, la corda torna dritto sopra la parte superiore del paravento. Quando l’aereo scivola o scivola, la corda di imbardata si sposta a destra o a sinistra a seconda della direzione di scivolamento o slittamento.

7.2.10 Controllo dello strumento #

Durante il preflight, verificare che l’inclinometro sia pieno di liquido e non abbia bolle d’aria. La palla dovrebbe anche riposare nel punto più basso. Durante il rullaggio, il coordinatore di svolta dovrebbe indicare una svolta nella direzione corretta mentre la palla si muove di fronte alla direzione della svolta.

7.2.11 Indicatore di atteggiamento #

L’indicatore di assetto, con il suo velivolo in miniatura e la barra dell’orizzonte, mostra un’immagine dell’atteggiamento dell’aereo. La relazione tra l’aereo in miniatura e la barra dell’orizzonte è la stessa del rapporto tra l’aereo reale e l’orizzonte reale. Lo strumento fornisce un’indicazione istantanea anche dei più piccoli cambiamenti di atteggiamento.

Il giroscopio nell’indicatore di assetto è montato su un piano orizzontale e dipende dalla rigidità nello spazio per il suo funzionamento. La barra dell’orizzonte rappresenta il vero orizzonte. Questa barra è fissata al giroscopio e rimane su un piano orizzontale poiché l’aereo viene lanciato o bloccato attorno al suo asse laterale o longitudinale, indicando l’atteggiamento del velivolo rispetto al vero orizzonte. [Figure 7-23]

Il giroscopio gira sul piano orizzontale e resiste alla deflessione del percorso di rotazione. Poiché il giroscopio si basa sulla rigidità nello spazio, l’aereo ruota effettivamente attorno al giroscopio rotante.

Viene fornita una manopola di regolazione con cui il pilota può spostare l’aereo in miniatura verso l’alto o verso il basso per allineare l’aereo in miniatura con la barra dell’orizzonte per adattarsi alla linea di visione dei piloti. Normalmente, l’aereo in miniatura viene regolato in modo che le ali si sovrappongano alla barra dell’orizzonte quando l’aereo è in volo di crociera dritto e livellato.

I limiti di tono e banca dipendono dalla marca e dal modello dello strumento. I limiti sul piano bancario sono generalmente da 100° a 110° e i limiti di passo sono generalmente da 60° a 70°. In caso di superamento di uno dei limiti, lo strumento cade o fuoriuscirà e darà indicazioni errate fino al riallineamento. Un certo numero di moderni indicatori di atteggiamento non cadono.

Ogni pilota dovrebbe essere in grado di interpretare la scala bancaria illustrata nella Figura 7-24. La maggior parte degli indicatori di scala bancaria sulla parte superiore dello strumento si spostano nella stessa direzione da quella in cui l’aereo è effettivamente incastrato. Alcuni altri modelli si muovono nella direzione opposta rispetto a quella in cui l’aereo è effettivamente incastrato. Ciò può confondere il pilota se l’indicatore viene utilizzato per determinare la direzione del banco. Questa scala dovrebbe essere utilizzata solo per controllare il grado di banco desiderato. La relazione tra l’aeromobile in miniatura e la barra dell’orizzonte dovrebbe essere utilizzata per un’indicazione della direzione del banco.

L’indicatore di assetto è affidabile e lo strumento di volo più realistico sul cruscotto. Le sue indicazioni sono approssimazioni molto ravvicinate dell’assetto effettivo dell’aereo.

7.2.12 Indicatore di rotta #

L’indicatore di rotta è fondamentalmente uno strumento meccanico progettato per facilitare l’uso della bussola magnetica. Gli errori nella bussola magnetica sono numerosi, rendendo difficile da realizzare il volo rettilineo e le curve di precisione verso le intestazioni, in particolare nell’aria turbolenta. Un indicatore di rotta, tuttavia, non è influenzato dalle forze che rendono difficile interpretare la bussola magnetica. [Figure 7-25]

La manopola di regolazione viene utilizzata per allineare l’indicatore di direzione con la bussola magnetica.

Il funzionamento dell’indicatore di direzione dipende dal principio di rigidità nello spazio. Il rotore gira su un piano verticale e fissato al rotore è una bussola. Poiché il rotore rimane rigido nello spazio, i punti sulla carta mantengono la stessa posizione nello spazio rispetto al piano verticale del giroscopio. L’aereo ruota effettivamente attorno al giroscopio rotante, non viceversa. Mentre la custodia dello strumento e l’aereo ruotano attorno all’asse verticale del giroscopio, la carta fornisce informazioni chiare e accurate sulla direzione.

A causa della precessione causata dall’attrito, l’indicatore di direzione si insinua o si sposta da un’intestazione a cui è impostato. Tra gli altri fattori, la quantità di deriva dipende in gran parte dalle condizioni dello strumento. Se i cuscinetti sono usurati, sporchi o lubrificati in modo errato, la deriva potrebbe essere eccessiva. Un altro errore nell’indicatore di rotta è causato dal fatto che il giroscopio è orientato nello spazio e la terra ruota nello spazio a una velocità di 15° in 1 ora. Pertanto, scartando la precessione causata dall’attrito, l’indicatore di rotta può indicare un errore di 15° per ogni ora di funzionamento.

Alcuni indicatori di direzione indicati come indicatori di situazione orizzontali (HSI) ricevono un riferimento magnetico nord da un trasmettitore magnetico e generalmente non necessitano di regolazione. Il trasmettitore di schiavitù magnetica è chiamato magnetometro.

7.2.13 Sistema di riferimento di atteggiamento e intestazione (AHRS) #

I display di volo elettronici hanno sostituito i giroscopi a rotazione libera con sistemi laser a stato solido in grado di volare a qualsiasi atteggiamento senza rotoli. Questa capacità è il risultato dello sviluppo del sistema di riferimento Attitude and Heading (AHRS).

L’AHRS invia informazioni sull’atteggiamento al PFD per generare le informazioni sul tono e sulla banca dell’indicatore di atteggiamento. Le informazioni di intestazione sono derivate da un magnetometro che rileva le linee terrestri del flusso magnetico. Queste informazioni vengono quindi elaborate e inviate al PFD per generare la visualizzazione dell’intestazione. [Figure 7-26]

7.2.14 Il sistema bussola Flux Gate #

Come accennato in precedenza, le linee di flusso nel campo magnetico terrestre hanno due caratteristiche di base: un magnete si allinea con esse e una corrente elettrica viene indotta, o generata, in qualsiasi filo da esse attraversato.

La bussola del gate di flusso che guida i giroscopi slave utilizza la caratteristica dell’induzione di corrente. La valvola di flusso è un piccolo anello segmentato, come quello in Figura 7-27, realizzato in ferro morbido che accetta prontamente linee di flusso magnetico. Una bobina elettrica viene avvolta attorno a ciascuna delle tre gambe per accettare la corrente indotta in questo anello dal campo magnetico terrestre. Una bobina avvolta attorno al distanziatore di ferro al centro del telaio ha una corrente alternata (AC) di 400 Hz che scorre attraverso di esso. Durante i periodi in cui questa corrente raggiunge il suo picco, due volte durante ogni ciclo, c’è così tanto magnetismo prodotto da questa bobina che il telaio non può accettare le linee di flusso dal campo terrestre.

Quando la corrente si inverte tra i picchi, smagnetizza il telaio in modo da poter accettare il flusso dal campo terrestre. Quando questo flusso taglia gli avvolgimenti nelle tre bobine, provoca il flusso di corrente al loro interno. Queste tre bobine sono collegate in modo tale che la corrente che scorre in esse cambia al variare della direzione dell’aereo. [Figure 7-28]

Le tre bobine sono collegate a tre bobine simili ma più piccole in una sincronizzazione all’interno della custodia dello strumento. La sincronizzazione ruota il quadrante di un indicatore radio magnetico (RMI) o di un HSI.

7.2.15 Bussola indicante a distanza #

Le bussole indicanti remote sono state sviluppate per compensare gli errori e le limitazioni del vecchio tipo di indicatori di rotta. I due componenti montati su pannello di un sistema tipico sono l’indicatore di navigazione pittorico e l’unità di controllo e compensatore di slaving. [Figure 7-29] L’indicatore di navigazione pittorica è comunemente indicato come HSI.

L’unità di controllo e compensatore di slaving ha un pulsante che fornisce un mezzo per selezionare la modalità “Gyro slavo” o “Gyro libero”. Questa unità ha anche un contatore di slaving e due pulsanti di trasmissione manuale. Il misuratore di slaving indica la differenza tra l’intestazione visualizzata e l’intestazione magnetica. Una deflessione destra indica un errore in senso orario della bussola; Una deflessione sinistra indica un errore in senso antiorario. Ogni volta che l’aereo è in curva e la carta ruota, il misuratore di slaving mostra una deflessione completa da un lato o dall’altro. Quando il sistema si trova in modalità “Gyro libero”, la scheda bussola può essere regolata premendo l’apposito pulsante dell’azionamento dell’intestazione.

Un’unità separata, il trasmettitore magnetico per slaving è montato a distanza, di solito in una punta alare per eliminare la possibilità di interferenza magnetica. Contiene la valvola di flusso, che è il dispositivo di rilevamento della direzione del sistema. Una concentrazione di linee di forza magnetica, dopo essere stata amplificata, diventa un segnale trasmesso all’unità indicatore di direzione, anch’essa montata a distanza. Questo segnale aziona un motore di coppia nell’unità indicatore di testa che elabora l’unità giroscopico fino a quando non è allineato con il segnale del trasmettitore. Il trasmettitore magnetico per slaving è collegato elettricamente all’HSI.

Ci sono un certo numero di disegni del telecomando che indica bussola; Pertanto, qui vengono trattate solo le caratteristiche di base del sistema. I piloti di strumenti devono acquisire familiarità con le caratteristiche dell’attrezzatura nel loro aereo.

Man mano che i cruscotti diventano più affollati e il tempo di scansione disponibile dei piloti viene ridotto da un carico di lavoro più pesante, i produttori di strumenti hanno lavorato per combinare gli strumenti. Un buon esempio di ciò è l’RMI nella Figura 7-30. La scheda della bussola è azionata da segnali dalla valvola di flusso e i due puntatori sono azionati da un cercatore di direzione automatico (ADF) e da una gamma radio omnidirezionale omnidirezionale ad altissima frequenza (VHF) (VOR).

Gli indicatori di direzione che non hanno questa capacità automatica di NorthSeeking sono chiamati giroscopi “liberi” e richiedono una regolazione periodica. È importante controllare frequentemente le indicazioni (circa ogni 15 minuti) e ripristinare l’indicatore di rotta per allinearlo alla bussola magnetica quando necessario. Regolare l’indicatore di direzione sulla direzione della bussola magnetica quando l’aereo è dritto e livellare a velocità costante per evitare errori di bussola.

I limiti di inclinazione e passo dell’indicatore di rotta variano con il particolare disegno e marca dello strumento. Su alcuni indicatori di rotta che si trovano in velivoli leggeri, i limiti sono di circa 55° di passo e 55° di sponda. Quando uno di questi limiti di atteggiamento viene superato, lo strumento “rotola” o “rove” e non fornisce più l’indicazione corretta fino al ripristino. Dopo lo spilling, potrebbe essere ripristinato con la manopola di gabbia. Molti degli strumenti moderni utilizzati sono progettati in modo tale da non cadere.

Un ulteriore errore di precessione può verificarsi a causa del fatto che un giroscopio non gira abbastanza velocemente da mantenere il suo allineamento. Quando il sistema di vuoto smette di produrre un’adeguata aspirazione per mantenere la velocità giroscopica, l’indicatore di rotta e il giroscopio di atteggiamento iniziano a rallentare. Mentre rallentano, diventano più suscettibili alla deflessione dal piano di rotazione. Alcuni aerei hanno spie per indicare che si è verificata una situazione di basso vuoto. Altri velivoli possono avere solo un misuratore di vuoto che indica l’aspirazione.

7.2.16 Controllo dello strumento #

Mentre il giroscopio si alza, assicurati che non ci siano suoni anormali. Durante il rullaggio, lo strumento dovrebbe indicare i giri nella direzione corretta e la precessione non dovrebbe essere anormale. Alle impostazioni di alimentazione inattive, gli strumenti giroscopici che utilizzano il sistema di vuoto potrebbero non essere all’altezza delle velocità di funzionamento e la precessione potrebbe verificarsi più rapidamente rispetto al volo.