Verschillende vlieginstrumenten gebruiken de eigenschappen van een gyroscoop voor hun werking. De meest voorkomende instrumenten met gyroscopen zijn de turncoördinator, de kopindicator en de attitude-indicator. Om te begrijpen hoe deze instrumenten werken, zijn kennis van de instrumentenstroomsystemen, gyroscopische principes en de werkingsprincipes van elk instrument nodig om te begrijpen.

7.2.1 Gyroscopische principes #

Elk draaiend object vertoont gyroscopische eigenschappen. Een wiel of rotor die is ontworpen en gemonteerd om deze eigenschappen te gebruiken, wordt een gyroscoop genoemd. Twee belangrijke ontwerpkenmerken van een instrumentgyro zijn groot gewicht voor zijn grootte, of hoge dichtheid, en rotatie bij hoge snelheid met lage wrijvingslagers.

Er zijn twee algemene soorten bevestigingen; Het gebruikte type hangt af van welke eigenschap van de gyro wordt gebruikt. Een vrij of universeel gemonteerde gyroscoop is vrij om in elke richting rond het zwaartepunt te draaien. Zo’n wiel zou drie vrijheidsvlakken hebben. Het wiel of de rotor is vrij om in elk vlak ten opzichte van de basis te draaien en is zo gebalanceerd dat het, met het gyrowiel in rust, in de positie blijft waarin het is geplaatst. Beperkte of halfstijve gemonteerde gyroscopen zijn die gemonteerd zodat een van de vrijheidsvlakken in relatie tot de basis wordt vastgehouden.

Er zijn twee fundamentele eigenschappen van gyroscopische werking: stijfheid in ruimte en precessie.

7.2.2 Stijfheid in de ruimte #

Stijfheid in de ruimte verwijst naar het principe dat een gyroscoop in een vaste positie blijft in het vlak waarin hij draait. Een voorbeeld van stijfheid in de ruimte is die van een fietswiel. Naarmate de fietswielen de snelheid verhogen, worden ze steeds stabieler in hun rotatievlak. Daarom is een fiets erg onstabiel en zeer wendbaar bij lage snelheden en zeer stabiel en minder manoeuvreerbaar bij hogere snelheden.

Door dit wiel, of gyroscoop, op een set gimbalringen te monteren, kan de gyro vrij in elke richting draaien. Dus, als de gimbalringen worden gekanteld, gedraaid of anderszins worden verplaatst, blijft de gyro in het vlak waarin het oorspronkelijk draaide. [Figure 7-18]

7.2.3 Precessie #

Precessie is het kantelen of draaien van een gyro als reactie op een afbuigkracht. De reactie op deze kracht vindt niet plaats op het punt waarop het werd uitgeoefend; het komt eerder voor op een punt dat 90° later in de rotatierichting is. Dit principe stelt de gyro in staat om een draaisnelheid te bepalen door de hoeveelheid druk te detecteren die wordt gecreëerd door een verandering van richting. De snelheid waarmee de gyro preceds is omgekeerd evenredig met de snelheid van de rotor en evenredig met de afbuigkracht.

Met behulp van het voorbeeld van de fiets werkt precessie op de wielen om de fiets te laten draaien. Tijdens het rijden met normale snelheid is het niet nodig om de stuurstangen in de richting van de gewenste bocht te draaien. Een ruiter leunt gewoon in de richting die hij of zij wil gaan. Aangezien de wielen met de klok mee draaien vanaf de rechterkant van de fiets, wordt, als een berijder naar links leunt, een kracht uitgeoefend op de bovenkant van het wiel naar links. De kracht werkt in feite 90° in de rotatierichting, wat het effect heeft van het uitoefenen van een kracht op de voorkant van de band, waardoor de fiets naar links beweegt. Het stuur is nodig om het stuur bij lage snelheden te draaien vanwege de instabiliteit van de langzaam draaiende gyros, en ook om de draaisnelheid te verhogen.

Precessie kan ook enkele kleine fouten in sommige instrumenten veroorzaken. [Figure 7-19] Precessie kan ertoe leiden dat een vrij draaiende gyro van het beoogde rotatievlak wordt verplaatst door wrijving, enz. Bepaalde instrumenten kunnen corrigerende herschikking tijdens de vlucht, zoals de koersindicator, vereisen.

7.2.4 Machtsbronnen #

In sommige vliegtuigen zijn alle gyros vacuüm, druk of elektrisch bediend. In andere vliegtuigen leveren vacuüm- of druksystemen de stroom voor de koers- en attitudeindicatoren, terwijl het elektrische systeem de stroom levert voor de beurtcoördinator. De meeste vliegtuigen hebben ten minste twee stroombronnen om ervoor te zorgen dat ten minste één bron van bankinformatie beschikbaar is als één stroombron uitvalt. Het vacuüm- of druksysteem draait de gyro door een luchtstroom tegen de rotorschoepen te trekken om de rotor met hoge snelheid te laten draaien, net als de werking van een waterrad of turbine. De hoeveelheid vacuüm of druk die nodig is voor de werking van het instrument varieert, maar ligt meestal tussen 4,5 “Hg en 5,5” Hg.

Een bron van vacuüm voor de gyros is een motoraangedreven pomp van het schoepstype die op de accessoirebehuizing van de motor is gemonteerd. De pompcapaciteit varieert in verschillende vliegtuigen, afhankelijk van het aantal gyros.

Een typisch vacuümsysteem bestaat uit een door de motor aangedreven vacuümpomp, ontlastklep, luchtfilter, meter en slangen die nodig zijn om de verbindingen te voltooien. De meter is gemonteerd in het instrumentenpaneel van het vliegtuig en geeft de hoeveelheid druk in het systeem aan (vacuüm wordt gemeten in inches kwik minder dan de omgevingsdruk).

Zoals weergegeven in figuur 7-20, wordt lucht door de door de motor aangedreven vacuümpomp in het vacuümsysteem gezogen. Het gaat eerst door een filter, dat voorkomt dat er vreemde stoffen in het vacuüm- of druksysteem terechtkomen. De lucht beweegt dan door de attitude- en kopindicatoren, waar het ervoor zorgt dat de gyros draaien. Een ontlastklep voorkomt dat de vacuümdruk of zuigkracht de voorgeschreven limieten overschrijdt. Daarna wordt de lucht overboord verdreven of gebruikt in andere systemen, zoals voor het opblazen van pneumatische ontdooilaarzen.

Het is belangrijk om de vacuümdruk tijdens de vlucht te controleren, omdat de indicatoren voor attitude en koers mogelijk geen betrouwbare informatie geven wanneer de zuigdruk laag is. De vacuüm- of zuigmeter is over het algemeen gemarkeerd om het normale bereik aan te geven. Sommige vliegtuigen zijn uitgerust met een waarschuwingslampje dat gaat branden wanneer de vacuümdruk onder het acceptabele niveau daalt.

Wanneer de vacuümdruk onder het normale werkbereik zakt, kunnen de gyroscopische instrumenten onstabiel en onnauwkeurig worden. Het routinematig controleren van de instrumenten is een goede gewoonte om te ontwikkelen.

7.2.5 Knipperlichten #

Vliegtuigen gebruiken twee soorten richtingaanwijzers: turn-and-slip indicator en turn coördinator. Vanwege de manier waarop de gyro is gemonteerd, toont de turn-and-slip-indicator alleen de draaisnelheid in graden per seconde. De beurtcoördinator is onder een hoek gemonteerd of gekanteld, zodat hij in eerste instantie de rolsnelheid kan tonen. Wanneer de rol stabiliseert, geeft dit de snelheid van de draai aan. Beide instrumenten geven draairichting en kwaliteit (coördinatie) aan en dienen ook als back-upbron van bankinformatie in het geval dat een attitude-indicator faalt. Coördinatie wordt bereikt door te verwijzen naar de inclinometer, die bestaat uit een met vloeistof gevulde gebogen buis met een bal erin. [Figure 7-21]

7.2.6 Turn-and-slip indicator #

De gyro in de turn-and-slip indicator roteert in het verticale vlak, wat overeenkomt met de lengteas van de vliegtuigen. Een enkele gimbal beperkt de vlakken waarin de gyro kan kantelen, en een veer probeert hem terug te brengen naar het midden. Vanwege de precessie zorgt een gierkracht ervoor dat de gyro naar links of rechts kantelt, gezien vanaf de pilootstoel. De turn-and-slip indicator gebruikt een aanwijzer, de Turn Needle genaamd, om de richting en de snelheid van de bocht aan te geven. De turn-and-slip indicator is niet in staat om zijn rotatie-as te “tubbelen” vanwege de borgveren. Wanneer extreme krachten worden uitgeoefend op een gyro, wordt de gyro verplaatst van zijn normale rotatievlak, waardoor de indicaties ongeldig worden. Bepaalde instrumenten hebben specifieke pitch- en banklimieten die een tuimelen van de gyro veroorzaken.

7.2.7 Draaicoördinator #

De gimbal in de turncoördinator is gekanteld; Daarom kan de gyro zowel de rolsnelheid als de snelheid van de draaisnelheid detecteren. Aangezien beurtcoördinatoren vaker voorkomen in trainingsvliegtuigen, concentreert deze discussie zich op dat instrument. Bij het in- of uitrollen van een bocht, banken de miniatuurvliegtuigen in de richting waarin het vliegtuig wordt gerold. Een snelle rolsnelheid zorgt ervoor dat het miniatuurvliegtuig steiler wordt dan een langzame rolsnelheid.

De turncoördinator kan worden gebruikt om een standaardsnelheid te bepalen en te behouden door de vleugel van het miniatuurvliegtuig uit te lijnen met de Turn Index. Figuur 7-22 toont een afbeelding van een beurtcoördinator. Er zijn twee markeringen aan elke kant (links en rechts) van het gezicht van het instrument. Het eerste merkteken wordt gebruikt om te verwijzen naar een vleugelsniveau nulsnelheid van de draaisnelheid. Het tweede merkteken aan de linker- en rechterkant van het instrument dient om een standaard draaisnelheid aan te geven. Een standaardsnelheidsbeurt wordt gedefinieerd als een draaisnelheid van 3° per seconde. De beurtcoördinator geeft alleen de snelheid en richting van de beurt aan; Het geeft geen specifieke hoek van de bank weer.

7.2.8 Inclinometer #

De hellingmeter wordt gebruikt om vliegtuiggierigheid weer te geven, wat de zij-aan-zij beweging van de neus van de vliegtuigen is. Tijdens een gecoördineerde, rechte en vlakke vlucht, zorgt de zwaartekracht ervoor dat de bal in het onderste deel van de buis rust, gecentreerd tussen de referentielijnen. Gecoördineerde vlucht wordt gehandhaafd door de bal gecentreerd te houden. Als de bal niet gecentreerd is, kan deze worden gecentreerd met behulp van het roer.

Om de bal te centreren, oefent u de roerdruk uit op de zijde waarnaar de bal wordt afgebogen. Gebruik de eenvoudige regel, “stap op de bal”, om te onthouden welk roerpedaal moet worden ingedrukt. Als aileron en roer tijdens een bocht worden gecoördineerd, blijft de bal gecentreerd in de buis. Als aerodynamische krachten uit balans zijn, beweegt de bal weg van het midden van de buis. Zoals weergegeven in figuur 7-22, in een slip, is de draaisnelheid te langzaam voor de hoek van de oever, en de bal beweegt naar de binnenkant van de bocht. In een slip is de snelheid van de bocht te groot voor de hoek van de oever, en de bal beweegt naar de buitenkant van de bocht. Om deze omstandigheden te corrigeren en de kwaliteit van de beurt te verbeteren, vergeet niet om “op de bal te stappen”. Het variëren van de hoek van de oever kan ook helpen om de gecoördineerde vlucht te herstellen vanaf een slip of slip. Om een slip te corrigeren, verlaagt u de bank en/of verhoogt u de draaisnelheid. Om te corrigeren voor een slip, verhoogt u de bank en/of verlaagt u de draaisnelheid.

7.2.9 Yaw string #

Een extra hulpmiddel dat aan het vliegtuig kan worden toegevoegd, is een gierstring. Een gierstring is gewoon een touwtje of stuk garen dat aan het midden van het voorruit is bevestigd. In gecoördineerde vlucht gaat de snaar recht terug over de bovenkant van het voorruit. Wanneer het vliegtuig wegglijdt of slippen, beweegt de gierstring naar rechts of links, afhankelijk van de richting van slip of slip.

7.2.10 Instrumentcontrole #

Controleer tijdens de preflight of de inclinometer vol zit met vloeistof en geen luchtbellen bevat. De bal moet ook op het laagste punt rusten. Tijdens het taxiën moet de afslagcoördinator een bocht in de juiste richting aangeven, terwijl de bal tegenover de bocht draait.

7.2.11 Attitude-indicator #

De attitude-indicator, met zijn miniatuurvliegtuig en de horizonbalk, geeft een beeld van de houding van het vliegtuig. De relatie van het miniatuurvliegtuig tot de Horizon Bar is hetzelfde als de relatie van het echte vliegtuig tot de werkelijke horizon. Het instrument geeft een onmiddellijke indicatie van zelfs de kleinste veranderingen in houding.

De gyro in de attitude-indicator is gemonteerd in een horizontaal vlak en is afhankelijk van stijfheid in de ruimte voor zijn werking. De horizonbalk vertegenwoordigt de ware horizon. Deze balk is aan de gyro gefixeerd en blijft in een horizontaal vlak terwijl het vliegtuig wordt geworpen of gebogen over zijn laterale of longitudinale as, wat de houding van het vliegtuig ten opzichte van de werkelijke horizon aangeeft. [Figure 7-23]

De gyro draait in het horizontale vlak en is bestand tegen doorbuiging van het rotatiepad. Omdat de gyro afhankelijk is van stijfheid in de ruimte, roteert het vliegtuig eigenlijk rond de draaiende gyro.

Er is een instelknop voorzien waarmee de piloot het miniatuurvliegtuig naar boven of naar beneden kan bewegen om het miniatuurvliegtuig uit te lijnen met de horizonbalk om aan de pilotenlijn te passen. Normaal gesproken wordt het miniatuurvliegtuig zo aangepast dat de vleugels de horizonbalk overlappen wanneer het vliegtuig in straight-and-level cruisevluchten is.

De pitch- en banklimieten zijn afhankelijk van het merk en het model van het instrument. Grenzen in het bankvlak zijn meestal van 100 ° tot 110 ° en de pitch limieten zijn meestal van 60 ° tot 70 °. Als een van beide limieten wordt overschreden, zal het instrument tuimelen of morsen en zal het onjuiste indicaties geven totdat het opnieuw wordt uitgelijnd. Een aantal moderne attitude-indicatoren tuimelen niet.

Elke pilot zou de bankschaal moeten kunnen interpreteren die in figuur 7-24 wordt geïllustreerd. De meeste indicatoren voor bankschaal bovenop het instrument bewegen in dezelfde richting als het vliegtuig daadwerkelijk is gestort. Sommige andere modellen bewegen in de tegenovergestelde richting van die waarin het vliegtuig daadwerkelijk is gestort. Dit kan de pilot in verwarring brengen als de indicator wordt gebruikt om de richting van de bank te bepalen. Deze schaal mag alleen worden gebruikt om de mate van gewenste bank te controleren. De relatie van het miniatuurvliegtuig tot de horizonbalk moet worden gebruikt voor een indicatie van de richting van de bank.

De attitude-indicator is betrouwbaar en het meest realistische vlieginstrument op het instrumentenpaneel. De indicaties zijn zeer nauwkeurige benaderingen van de werkelijke houding van het vliegtuig.

7.2.12 Kopindicator #

De kopindicator is in wezen een mechanisch instrument dat is ontworpen om het gebruik van het magnetische kompas te vergemakkelijken. Fouten in het magnetische kompas zijn talrijk, waardoor rechte vlucht- en precisiebochten naar koppen moeilijk te bereiken zijn, vooral in turbulente lucht. Een kopindicator wordt echter niet beïnvloed door de krachten die het magnetisch kompas moeilijk te interpreteren maken. [Figure 7-25]

De instelknop wordt gebruikt om de koersindicator uit te lijnen met het magnetische kompas.

De werking van de kopindicator hangt af van het principe van stijfheid in de ruimte. De rotor draait in een verticaal vlak en bevestigd aan de rotor is een kompaskaart. Omdat de rotor stijf blijft in de ruimte, houden de punten op de kaart dezelfde positie in de ruimte ten opzichte van het verticale vlak van de gyro. Het vliegtuig draait eigenlijk rond de roterende gyro, niet andersom. Omdat de instrumentbehuizing en het vliegtuig rond de verticale as van de gyro draaien, geeft de kaart duidelijke en nauwkeurige kopinformatie.

Vanwege precessie veroorzaakt door wrijving, kruipt of drijft de koersindicator van een kop waarnaar het is ingesteld. De hoeveelheid drift hangt onder andere grotendeels af van de toestand van het instrument. Als de lagers versleten, vuil of onjuist gesmeerd zijn, kan de drift overmatig zijn. Een andere fout in de kopindicator wordt veroorzaakt door het feit dat de gyro in de ruimte is georiënteerd en de aarde in 1 uur in de ruimte draait met een snelheid van 15°. Dus, door precessie veroorzaakt door wrijving te verdisconteren, kan de koersindicator per elk uur van de werking maar liefst 15° fout aangeven.

Sommige koersindicatoren die worden aangeduid als Horizontale situatie-indicatoren (HSI) ontvangen een magnetische noordreferentie van een magnetische slavenzender en hoeven over het algemeen niet te worden aangepast. De magnetische slavenzender wordt een magnetometer genoemd.

7.2.13 Attitude- en koersreferentiesysteem (AHRS) #

Elektronische vluchtdisplays hebben vrij draaiende gyros vervangen door solid-state lasersystemen die in elke houding kunnen vliegen zonder te tuimelen. Dit vermogen is het resultaat van de ontwikkeling van het Attitude and Heading Reference System (AHRS).

De AHRS stuurt houdingsinformatie naar de PFD om de pitch- en bankinformatie van de attitude-indicator te genereren. De kopinformatie is afgeleid van een magnetometer die de aardlijnen van magnetische flux detecteert. Deze informatie wordt vervolgens verwerkt en verzonden naar de PFD om de kopdisplay te genereren. [Figure 7-26]

7.2.14 Het Flux Gate Compass-systeem #

Zoals eerder vermeld, hebben de fluxlijnen in het magnetische veld van de aarde twee basiskenmerken: een magneet uitgelijnd en een elektrische stroom wordt geïnduceerd of gegenereerd in elke draad die door hen wordt gekruist.

Het Flux Gate-kompas dat slavengyros aandrijft, gebruikt het kenmerk van de huidige inductie. De fluxklep is een kleine, gesegmenteerde ring, zoals die in figuur 7-27, gemaakt van zacht ijzer die gemakkelijk lijnen van magnetische flux accepteert. Een elektrische spoel wordt rond elk van de drie poten gewikkeld om de stroom te accepteren die in deze ring wordt geïnduceerd door het magnetische veld van de aarde. Een spoel die rond de ijzeren afstandhouder in het midden van het frame is gewikkeld, heeft 400 Hz wisselstroom (AC) die er doorheen stroomt. Tijdens de tijden dat deze stroom zijn hoogtepunt bereikt, tweemaal tijdens elke cyclus, wordt er zoveel magnetisme geproduceerd door deze spoel dat het frame de fluxlijnen van het aardveld niet kan accepteren.

Terwijl de stroom tussen de pieken omkeert, demagnetiseert het het frame zodat het de flux van het aardse veld kan accepteren. Terwijl deze flux over de wikkelingen in de drie spoelen snijdt, zorgt het ervoor dat er stroom in stroomt. Deze drie spoelen zijn zo verbonden dat de stroom die erin stroomt verandert naarmate de koers van het vliegtuig verandert. [Figure 7-28]

De drie spoelen zijn verbonden met drie vergelijkbare maar kleinere spoelen in een synchro in de instrumentenkast. De synchro draait de draaiknop van een radiomagnetische indicator (RMI) of een HSI.

7.2.15 Remote aanduiding Kompas #

Er werden kompassen op afstand ontwikkeld om de fouten en beperkingen van het oudere type koersindicatoren te compenseren. De twee op paneel gemonteerde componenten van een typisch systeem zijn de picturale navigatie-indicator en de slavenbesturings- en compensatoreenheid. [Figure 7-29] De picturale navigatie-indicator wordt gewoonlijk een HSI genoemd.

De slavenbesturings- en compensatoreenheid heeft een drukknop die een middel biedt om ofwel de “slaved gyro” of “vrije gyro”-modus te selecteren. Dit apparaat heeft ook een slavenmeter en twee handmatige knoppen voor de kopaandrijving. De slavenmeter geeft het verschil aan tussen de weergegeven kop en de magnetische kop. Een rechter doorbuiging duidt op een fout met de klok mee van de kompaskaart; Een linker doorbuiging duidt op een fout tegen de klok in. Telkens wanneer het vliegtuig in een bocht is en de kaart draait, vertoont de slavenmeter een volledige afbuiging naar de ene of de andere kant. Wanneer het systeem in de “vrije gyro”-modus staat, kan de kompaskaart worden aangepast door de juiste kop-aandrijfknop in te drukken.

Een aparte eenheid, de magnetische slavenzender wordt op afstand gemonteerd, meestal in een vleugeltip om de mogelijkheid van magnetische interferentie te elimineren. Het bevat de Flux-klep, de richtingsgevoelige inrichting van het systeem. Een concentratie van lijnen van magnetische kracht wordt, na te zijn versterkt, een signaal dat wordt doorgegeven aan de kopindicatoreenheid, die ook op afstand is gemonteerd. Dit signaal bedient een koppelmotor in de kopindicatoreenheid die de gyro-eenheid verwerkt totdat deze is uitgelijnd met het zendersignaal. De magnetische slavenzender is elektrisch verbonden met de HSI.

Er zijn een aantal ontwerpen van het op afstand aangegeven kompas; Daarom worden hier alleen de basiskenmerken van het systeem behandeld. Instrumentpiloten moeten vertrouwd raken met de kenmerken van de apparatuur in hun vliegtuig.

Naarmate instrumentenpanelen steeds drukker worden en de beschikbare piloten de scantijd worden verkort door een zwaardere werkdruk, hebben instrumentfabrikanten gewerkt aan het combineren van instrumenten. Een goed voorbeeld hiervan is de RMI in figuur 7-30. De kompaskaart wordt aangedreven door signalen van de fluxklep en de twee pointers worden aangedreven door een automatische richtingzoeker (ADF) en een zeer hoge frequentie (VHF) omni-directionele radiobereik (VOR).

Koersindicatoren die deze automatische North Seeking-capaciteit niet hebben, worden “vrije” gyros genoemd en vereisen periodieke aanpassing. Het is belangrijk om de indicaties regelmatig te controleren (ongeveer elke 15 minuten) en de kopindicator opnieuw in te stellen om deze indien nodig uit te lijnen met het magnetische kompas. Stel de koersindicator in op de koers van het magnetische kompas wanneer het vliegtuig recht en waterpas staat met een constante snelheid om kompasfouten te voorkomen.

De bank- en pitch-limieten van de koersindicator variëren met het specifieke ontwerp en merk van het instrument. Op sommige koersindicatoren die in lichte vliegtuigen worden gevonden, zijn de limieten ongeveer 55° pitch en 55° bank. Wanneer een van deze attitudelimieten wordt overschreden, “tuimeldt” of “spijst” het instrument en geeft het niet langer de juiste indicatie tot reset. Na het morsen kan het worden gereset met de kooiknop. Veel van de moderne gebruikte instrumenten zijn zo ontworpen dat ze niet tuimelen.

Een extra precessiefout kan optreden als gevolg van een gyro die niet snel genoeg draait om de uitlijning ervan te behouden. Wanneer het vacuümsysteem stopt met het produceren van voldoende zuigkracht om de gyrosnelheid te behouden, beginnen de koersindicator en de gyros van de houding te vertragen. Naarmate ze vertragen, worden ze vatbaarder voor afbuiging van het rotatievlak. Sommige vliegtuigen hebben waarschuwingslichten om aan te geven dat er een laag vacuümsituatie is opgetreden. Andere vliegtuigen hebben mogelijk alleen een vacuümmeter die de zuigkracht aangeeft.

7.2.16 Instrumentcontrole #

Zorg ervoor dat er geen abnormale geluiden zijn terwijl de gyro opspoelt. Tijdens het taxiën moet het instrument bochten in de juiste richting aangeven, en precessie mag niet abnormaal zijn. Bij inactieve stroominstellingen kunnen de gyroscopische instrumenten die het vacuümsysteem gebruiken, mogelijk niet werken aan de werksnelheden en kan precessie sneller optreden dan tijdens de vlucht.