いくつかの飛行計器は、ジャイロスコープの特性を操作に利用しています。 最も一般的なジャイロスコープを含む楽器は、ターン コーディネーター、ヘディング インジケータ、および姿勢インジケータです。 これらの機器がどのように動作するかを理解するには、機器の電源システム、ジャイロの原理、および各機器の動作原理に関する知識が必要です。
7.2.1 ジャイロスコープの原理 #
回転物体は、ジャイロスコープ特性を示します。 これらの特性を利用するために設計および取り付けられたホイールまたはローターは、ジャイロスコープと呼ばれます。 計器ジャイロの 2 つの重要な設計特性は、そのサイズが大きいか、高密度であり、低フリクション ベアリングで高速で回転することです。
マウントには 2 つの一般的なタイプがあります。 使用されるタイプは、Gyro のどのプロパティを使用するかによって異なります。 自由または普遍的に取り付けられたジャイロスコープは、その重心を中心に任意の方向に自由に回転できます。 このような車輪には 3 つの自由面があると言われています。 ホイールまたはローターは、ベースに対して任意の平面内で自由に回転し、バランスが取れており、ジャイロ ホイールを静止状態にして、それが配置された位置に留まるようにします。 自由平面の 1 つがベースに対して固定された状態に保持されるように、制限付きまたは半剛性に取り付けられたジャイロスコープが取り付けられています。
ジャイロ アクションには、空間の剛性と歳差運動の 2 つの基本的な特性があります。
7.2.2 宇宙の剛性 #
空間の剛性とは、ジャイロスコープが回転している平面内の固定位置に留まるという原理を指します。 宇宙の剛性の例は、自転車の車輪です。 自転車の車輪の速度が上がると、回転面での安定性が高まります。 これが、自転車が非常に不安定で、低速では非常に操縦性が高く、高速では非常に安定しており、速度が低下する場合は操作性が低いのはこのためです。
このホイールまたはジャイロスコープをジンバル リングのセットに取り付けることで、ジャイロは任意の方向に自由に回転できます。 したがって、ジンバル リングが傾いたり、ねじれたり、移動したりすると、ジャイロは最初に回転していた平面に残ります。 [Figure 7-18]
7.2.3 歳差運動 #
歳差運動とは、偏向力に応じてジャイロを傾けたり回転させたりすることです。 この力に対する反応は、それが適用された時点では発生しません。 むしろ、それは回転方向の 90° 後の点で発生します。 この原則により、ジャイロは方向の変化によって生じる圧力の量を感知して回転率を決定することができます。 ジャイロの前進速度は、ローターの速度に反比例し、偏向力に比例します。
自転車の例を使用すると、歳差運動が車輪に作用し、自転車が回転することができます。 通常の速度で走行中、ハンドルバーを目的のターンの方向に回す必要はありません。 ライダーは、自分が行きたい方向に傾くだけです。 自転車の右側から見て車輪が時計回りに回転しているため、ライダーが左に傾くと、ホイールの上部に力が加えられます。 力は実際に回転方向に 90 度作用し、タイヤの前面に力を加え、自転車を左に動かします。 ゆっくりと回転するジャイロの不安定性のため、ハンドルバーを低速で回す必要があります。また、回転率を上げる必要もあります。
また、歳差運動によって、いくつかの楽器で小さなエラーが発生する可能性があります。 [Figure 7-19] 歳差運動により、自由に回転するジャイロが、ベアリングの摩擦などを介して、意図した回転面から変位することがあります。特定の計器は、飛行中、ヘディング インジケータなど、飛行中に修正の再調整が必要になる場合があります。
7.2.4 電源のソース #
一部の航空機では、すべてのジャイロが真空、圧力、または電動で動作します。 他の航空機では、真空または圧力システムがヘディングと姿勢のインジケータに電力を提供し、電気システムがターン コーディネーターに電力を提供します。 ほとんどの航空機は、1 つの電源が故障した場合に、少なくとも 1 つの銀行情報源が利用できるようにするために、少なくとも 2 つの電源を備えています。 真空または圧力システムは、水車やタービンの操作と同じように、ローター ベーンに対して空気の流れを引き、ローターを高速で回転させることによってジャイロを回転させます。 機器の操作に必要な真空または圧力の量はさまざまですが、通常は 4.5 ～ 5.5 hg です。
ジャイロスの真空の原因の 1 つは、エンジンのアクセサリ ケースに取り付けられたベーン型のエンジン駆動ポンプです。 ポンプの容量は、ジャイロの数に応じて、航空機によって異なります。
典型的な真空システムは、エンジン駆動の真空ポンプ、リリーフバルブ、エアフィルター、ゲージ、および接続を完了するために必要なチューブで構成されています。 ゲージは航空機のインストルメント パネルに取り付けられ、システム内の圧力の量を示します (真空は周囲圧力よりも小さい水銀のインチで測定されます)。
図 7-20 に示すように、空気はエンジン駆動の真空ポンプによって真空システムに引き込まれます。 最初にフィルターを通過します。これにより、異物が真空または圧力システムに入るのを防ぎます。 空気は、ジャイロを回転させる姿勢および方向インジケータを通過します。 リリーフ バルブは、真空圧力または吸引が規定の制限を超えないようにします。 その後、空気は船外に排出されるか、空気圧除草ブーツを膨らませるためなど、他のシステムで使用されます。
飛行中の真空圧力を監視することが重要です。これは、姿勢および見出しインジケータが、吸引圧力が低い場合に信頼できる情報を提供しない場合があるためです。 真空、つまり吸引ゲージは、通常、正常範囲を示すようにマークされています。 一部の航空機には、真空圧力が許容レベルを下回ったときに点灯する警告灯が装備されています。
真空圧力が通常の動作範囲を下回ると、ジャイロ装置が不安定になり、不正確になることがあります。 楽器を定期的にクロスチェックすることは、開発するのに適した習慣です。
7.2.5 方向指示器 #
航空機は、ターン アンド スリップ インジケーターとターン コーディネーターの 2 種類のターン インジケーターを使用します。 ジャイロの取り付け方法のため、ターン アンド スリップ インジケータは、毎秒の回転速度のみを表示します。 ターン コーディネーターは、角度を付けて、または傾斜して取り付けられているため、最初はロール レートを表示できます。 ロールが安定すると、回転率を示します。 どちらの手段も、ターンの方向と品質 (調整) を示し、姿勢インジケータが失敗した場合の銀行情報のバックアップ ソースとしても機能します。 調整は、液体で満たされた湾曲したチューブとボールが内部にある傾斜計を参照することによって実現されます。 [Figure 7-21]
7.2.6 ターンアンドスリップ インジケータ #
ターン アンド スリップ インジケータのジャイロは、航空機の縦軸に対応する垂直面で回転します。 ジンバルが 1 つあるだけで、ジャイロが傾ける飛行機が制限され、スプリングがそれを中心に戻そうとします。 歳差運動により、パイロット シートから見てジャイロが左右に傾くようになります。 ターン アンド スリップ インジケータは、ターン ニードルと呼ばれるポインタを使用して、方向と回転率を示します。 ターンアンドスリップ インジケータは、拘束スプリングが原因で、回転軸から「タンブリング」できません。 ジャイロに極端な力を加えると、ジャイロは通常の回転面からずれ、表示が無効になります。 特定の計器には、ジャイロのタンブルを引き起こす特定のピッチとバンク制限があります。
7.2.7 ターンコーディネーター #
ターン コーディネーターのジンバルは傾いています。 したがって、そのジャイロは、ロールの速度と回転率の両方を感知できます。 ターン コーディネーターは航空機の訓練でより一般的であるため、この議論はその計器に集中します。 ターンに出入りするとき、小型航空機は機体が転がる方向にバンクします。 ロール レートが急速に進むと、小型航空機はロー ロール レートよりも急に急降下します。
ターン コーディネーターを使用して、小型航空機の翼をターン インデックスに合わせることにより、標準レート ターンを確立して維持することができます。 図 7-22 は、ターン コーディネーターの写真を示しています。 楽器の面の両側 (左右) に 2 つのマークがあります。 最初のマークは、ウィングス レベル ゼロ レートを参照するために使用されます。 楽器の左右にある 2 番目のマークは、標準回転率を示すのに役立ちます。 標準レート ターンは、1 秒あたり 3° のターン レートとして定義されます。 ターン コーディネーターは、回転の速度と方向のみを示します。 銀行の特定の角度は表示されません。
7.2.8 傾斜計 #
傾斜計は、航空機の機首の左右の動きである航空機のヨーを表すために使用されます。 調整された直線と水平な飛行中、重力により、ボールは基準線の中央にあるチューブの最下部に静止します。 ボールを中心に保つことで、調整された飛行が維持されます。 ボールが中央にない場合は、ラダーを使用して中心を置くことができます。
ボールを中心にするには、ボールが偏向している側にラダー圧力を加えます。 簡単なルールである「ボールを踏む」を使用して、どのラダー ペダルを押すかを覚えておいてください。 ターン中にエルロンとラダーがコーディネートされている場合、ボールはチューブの中心に留まります。 空力がアンバランスである場合、ボールはチューブの中心から離れて移動します。 図 7-22 に示すように、スリップでは、バンクの角度に対してターン速度が遅すぎて、ボールがターンの内側に移動します。 スキッドでは、バンクの角度に対してターン率が大きすぎて、ボールがターンの外側に移動します。 これらの条件を修正し、ターンの品質を向上させるには、「ボールを踏む」ことを忘れないでください。 バンクの角度を変えると、スリップやスキッドからの調整飛行を元に戻すことができます。 スリップを修正するには、バンクを下げるか、ターン率を上げます。 スキッドを修正するには、バンクを増やすか、回転率を下げます。
7.2.9 ヨー文字列 #
航空機に追加できるツールの 1 つは、ヨー ストリングです。 ヨー ストリングは、ウィンド スクリーンの中心に取り付けられた、単にひもまたは糸の破片です。 協調飛行中は、ストリングがウィンド スクリーンの上をまっすぐ上に戻ります。 航空機が滑ったり滑ったりしているときは、スリップまたはスキッドの方向に応じて、ヨーストリングが左右に移動します。
7.2.10 機器のチェック #
プリフライト中、傾斜計が液体でいっぱいで、気泡がないことを確認してください。 ボールも最低点で休んでいる必要があります。 タキシングするとき、ターンコーディネーターは、ボールがターンの方向と反対に動くとき、正しい方向にターンを指示する必要があります。
7.2.11 姿勢指標 #
ミニチュア航空機と地平線バーを備えた姿勢インジケータには、航空機の姿勢の写真が表示されます。 小型航空機と地平線バーとの関係は、実際の航空機と実際の地平線との関係と同じです。 この装置は、姿勢のわずかな変化さえも瞬時に示します。
姿勢インジケータのジャイロは水平面に取り付けられ、その動作のために空間の剛性に依存します。 地平線バーは真の地平線を表します。 このバーはジャイロに固定されており、航空機がその横軸または縦軸の周りにピッチングまたはバンキングされているときに水平面内にとどまり、真の地平線に対する航空機の姿勢を示します。 [Figure 7-23]
ジャイロは水平面で回転し、回転経路のたわみに抵抗します。 ジャイロは宇宙での剛性に依存しているため、航空機は実際に回転するジャイロの周りを回転します。
パイロットの視線に合わせて、パイロットが小型航空機を上下に動かして、地平線バーと位置合わせするための調整ノブが提供されています。 通常、小型航空機は、航空機が直進飛行中の場合、翼が地平線バーと重なるように調整されます。
ピッチとバンクの制限は、機器のメーカーとモデルによって異なります。 バンキング プレーンの限界は、通常 100 度から 110 度で、ピッチ制限は通常 60 度から 70 度です。 いずれかの制限を超えると、機器が転倒またはこぼれ、再調整されるまで正しく表示されません。 多くの現代的な姿勢の指標は転倒しません。
すべてのパイロットは、図 7-24 に示す銀行の規模を解釈できるはずです。 計器の上部にあるほとんどの銀行スケール インジケータは、航空機が実際にバンクされている方向と同じ方向に移動します。 他のいくつかのモデルは、航空機が実際にバンクされているモデルとは逆の方向に動いています。 インジケータが銀行の方向を決定するために使用されている場合、これはパイロットを混乱させる可能性があります。 このスケールは、目的の銀行の程度を制御するためだけに使用する必要があります。 ミニチュア航空機と地平線バーとの関係は、銀行の方向を示すために使用する必要があります。
姿勢インジケータは信頼性が高く、インストルメント パネルで最もリアルな飛行計器です。 その兆候は、航空機の実際の姿勢に非常に近いものです。
7.2.12 ヘディング インジケータ #
ヘディング インジケータは基本的に、磁気コンパスの使用を容易にするように設計された機械装置です。 磁気コンパスのエラーは数多く発生し、特に乱気流では、直線飛行と精度の転換が困難になります。 ただし、ヘディング インジケータは、磁気コンパスの解釈を困難にする力の影響を受けません。 [Figure 7-25]
調整ノブは、ヘディング インジケータを磁気コンパスに合わせるために使用されます。
ヘディング インジケータの操作は、空間の剛性の原理に依存します。 ローターは垂直面で回転し、ローターに固定されているのはコンパス カードです。 ローターは空間内で剛性のままであるため、カード上のポイントはジャイロの垂直面に対して同じ位置で同じ位置に保持されます。 航空機は実際には回転ジャイロの周りを回転しますが、その逆ではありません。 計器ケースと航空機がジャイロの垂直軸を中心に回転するため、カードは明確で正確な見出し情報を提供します。
摩擦による歳差運動により、ヘディング インジケータが設定されたヘディングからクリープまたはドリフトします。 他の要因の中でも、ドリフトの量は機器の状態に大きく依存します。 ベアリングが摩耗、汚れ、または不適切に潤滑されている場合、ドリフトが過度になる可能性があります。 ヘディング インジケータのもう 1 つのエラーは、ジャイロが空間に向けられ、地球が 1 時間で 15° の速度で宇宙を回転するという事実によって引き起こされます。 したがって、摩擦による歳差運動を割り引くと、見出しインジケータは、操作時間ごとに 15° の誤差を示している場合があります。
水平シチュエーション インジケータ (HSI) と呼ばれる一部のヘディング インジケータは、磁気スレーブ送信機から磁気北基準を受け取り、通常は調整を必要としません。 磁気スレーブ送信機は磁力計と呼ばれます。
7.2.13 姿勢および見出し参照システム (AHRS) #
電子フライト ディスプレイは、自由紡績のジャイロを、タンブリングすることなくどんな姿勢でも飛行できる固体レーザー システムに置き換えました。 この機能は、姿勢および見出しリファレンス システム (AHR) の開発の結果です。
AHR は、姿勢インジケータのピッチ情報とバンク情報を生成するために、態度情報を PFD に送信します。 見出し情報は、磁束の地球線を感知する磁力計から導き出されます。 次に、この情報が処理されて PFD に送信され、見出し表示が生成されます。 [Figure 7-26]
7.2.14 フラックス ゲート コンパス システム #
前述のように、地球の磁場の磁束線には 2 つの基本的な特性があります。磁石がそれらと整列し、それらが交差するワイヤで電流が誘導または生成されます。
スレーブ ジャイロスを駆動するフラックス ゲート コンパスは、電流誘導の特性を利用します。 フラックス バルブは、図 7-27 のように細分化されたリングで、磁束の線を容易に受け入れる軟鉄でできています。 電気コイルが 3 本の脚のそれぞれに巻かれて、地球の磁場によってこのリングに誘導された電流を受け入れる。 フレームの中央にある鉄のスペーサーに巻かれたコイルには、400 Hz の交流 (AC) が流れています。 この電流がピークに達したとき、各サイクルで 2 回、フレームが地球からの磁束線を受け入れることができないほど多くの磁性が発生します。
ピーク間で電流が逆になると、フレームが消磁され、地球からのフラックスを受け入れることができます。 この磁束が 3 つのコイルの巻線を横切るので、電流が流れます。 これらの 3 つのコイルは、航空機の方向が変化するにつれて流れる電流が変化するように接続されています。 [Figure 7-28]
3 つのコイルは、計器ケース内のシンクロで 3 つの類似の小さいコイルに接続されています。 Synchro は、無線磁気インジケータ (RMI) または HSI のダイヤルを回転させます。
7.2.15 リモート表示コンパス #
古いタイプのヘディング インジケータのエラーと制限を補うために、リモート表示コンパスが開発されました。 典型的なシステムの 2 つのパネルに取り付けられたコンポーネントは、画像ナビゲーション インジケータとスレーブ制御および補償ユニットです。 [Figure 7-29] 絵のナビゲーション インジケーターは、一般に HSI と呼ばれます。
スレーブ制御および補償器ユニットには、「スレーブ ジャイロ」または「フリー ジャイロ」モードを選択する手段を提供する押しボタンがあります。 このユニットには、スレーブ メーターと 2 つの手動ヘディング ドライブ ボタンもあります。 スレーブ メーターは、表示された見出しと磁気見出しの違いを示します。 右側の偏向は、コンパス カードの時計回りの誤差を示します。 左の偏向は、反時計回りの誤差を示します。 機体がターンで回転し、カードが回転するときはいつでも、奴隷メーターはどちらかの側に完全にたわみを示します。 システムが「フリー ジャイロ」モードの場合、適切なヘディング ドライブ ボタンを押してコンパス カードを調整できます。
別のユニットである磁気スレーブ送信機は、磁気干渉の可能性を排除するために、通常は翼端に取り付けます。 これには、システムの方向感知装置であるフラックス バルブが含まれています。 磁力線の濃度は、増幅された後で、遠隔で取り付けられたヘディング インジケータ ユニットに中継される信号になります。 この信号は、送信機信号に合わせてジャイロ ユニットを処理するヘディング インジケータ ユニットでトルク モーターを操作します。 磁気スレーブ送信機は、HSI に電気的に接続されています。
リモコン表示コンパスには多数のデザインがあります。 したがって、ここではシステムの基本機能のみを説明します。 計測器のパイロットは、航空機内の機器の特性に精通している必要があります。
インストルメント パネルがより混雑し、パイロットのスキャン時間がより重くなり、フライト デッキの作業負荷が大幅に短縮されるにつれて、計器メーカーは計器の組み合わせに取り組んできました。 これの良い例の 1 つは、図 7-30 の RMI です。 コンパス カードはフラックス バルブからの信号によって駆動され、2 つのポインタは自動方向ファインダー (ADF) と非常に高周波 (VHF) 無指向性無線レンジ (VOR) によって駆動されます。
この自動ノースシーク機能を持たない見出しインジケータは「フリー」ジャイロと呼ばれ、定期的な調整が必要です。 表示を頻繁に確認し (約 15 分ごとに)、ヘディング インジケータをリセットして、必要に応じて磁気コンパスに整列させることが重要です。 コンパス エラーを避けるために、航空機が直線で一定の速度で水平な場合は、ヘディング インジケータを磁気コンパスのヘッダーに調整します。
ヘディング インジケータのバンクとピッチの制限は、特定のデザインとインストゥルメントのメーカーによって異なります。 軽飛行機に見られるいくつかの見出し指標では、限界は約 55° ピッチ、55° のバンクです。 これらの姿勢の制限のいずれかを超えると、計測器は「タンブル」または「こぼれ」、リセットされるまで正しい表示を与えなくなります。 こぼれた後、ケーギングノブでリセットされる場合があります。 使用される最新の楽器の多くは、転倒しないように設計されています。
ジャイロがその位置合わせを維持するのに十分な速さで回転していないために、追加の歳差運動エラーが発生する可能性があります。 真空システムがジャイロの速度を維持するのに十分な吸引力を生成しなくなると、ヘディング インジケータと姿勢インジケータ ジャイロが減速し始めます。 速度が遅くなると、回転面からのたわみが起こりやすくなります。 一部の航空機には、真空状態が低いことを示す警告灯が付いています。 他の航空機には、吸引を示す真空計しかない場合があります。
7.2.16 機器のチェック #
ジャイロがスプールするので、異常な音が出ないようにしてください。 タキシング中、機器は正しい方向に曲がったことを示し、歳差運動が異常でないようにしてください。 アイドル電力設定では、真空システムを使用するジャイロスコープ装置が動作速度に達していない可能性があり、飛行中よりも歳差運動が速く発生する可能性があります。
