Vários instrumentos de voo utilizam as propriedades de um giroscópio para sua operação. Os instrumentos mais comuns que contêm giroscópios são o coordenador de turno, o indicador de rumo e o indicador de atitude. Para entender como esses instrumentos operam, é necessário o conhecimento dos sistemas de potência do instrumento, dos princípios giroscópicos e dos princípios operacionais de cada instrumento.

7.2.1 Princípios giroscópicos #

Qualquer objeto giratório exibe propriedades giroscópicas. Uma roda ou rotor projetado e montado para utilizar essas propriedades é chamado de giroscópio. Duas características importantes de design de um giroscópio de instrumento são um grande peso para seu tamanho, ou alta densidade, e rotação em alta velocidade com rolamentos de baixa fricção.

Existem dois tipos gerais de montagem; O tipo usado depende de qual propriedade do giroscópio é utilizada. Um giroscópio montado livremente ou universalmente é livre para girar em qualquer direção em torno de seu centro de gravidade. Diz-se que essa roda possui três planos de liberdade. A roda ou rotor é livre para girar em qualquer plano em relação à base e é balanceada de modo que, com a roda giroscópio em repouso, ela permaneça na posição em que é colocada. Os giroscópios restritos ou semi-rígidos são os montados para que um dos planos de liberdade seja fixado em relação à base.

Existem duas propriedades fundamentais da ação giroscópica: a rigidez no espaço e a precessão.

7.2.2 Rigidez no espaço #

A rigidez no espaço refere-se ao princípio de que um giroscópio permanece em uma posição fixa no plano em que está girando. Um exemplo de rigidez no espaço é o de uma roda de bicicleta. À medida que as rodas de bicicleta aumentam a velocidade, elas se tornam cada vez mais estáveis em seu plano de rotação. É por isso que uma bicicleta é muito instável e muito manobrável em baixas velocidades e muito estável e menos manobrável em velocidades mais altas.

Ao montar esta roda, ou giroscópio, em um conjunto de anéis de gimbal, o giroscópio é capaz de girar livremente em qualquer direção. Assim, se os anéis de gimbal forem inclinados, torcidos ou movidos de outra forma, o giroscópio permanece no plano em que originalmente estava girando. [Figure 7-18]

7.2.3 Precessão #

A precessão é a inclinação ou giro de um giroscópio em resposta a uma força defletiva. A reação a essa força não ocorre no ponto em que foi aplicada; Em vez disso, ocorre em um ponto que é 90° mais tarde na direção de rotação. Este princípio permite que o giroscópio determine uma taxa de giro, detectando a quantidade de pressão criada por uma mudança de direção. A taxa na qual o giroscópio precessa é inversamente proporcional à velocidade do rotor e proporcional à força defletiva.

Usando o exemplo da bicicleta, a precessão atua nas rodas para permitir que a bicicleta gire. Durante a condução em velocidade normal, não é necessário girar o guidão na direção da curva desejada. Um piloto simplesmente se inclina na direção que deseja seguir. Como as rodas estão girando no sentido horário quando vistas do lado direito da bicicleta, se um ciclista se inclinar para a esquerda, uma força é aplicada no topo da roda à esquerda. A força realmente atua 90° na direção de rotação, o que tem o efeito de aplicar uma força na frente do pneu, fazendo com que a bicicleta se mova para a esquerda. É necessário girar o guidão em baixas velocidades devido à instabilidade dos giroscópios que giram lentamente e também aumentar a taxa de giro.

A precessão também pode criar alguns pequenos erros em alguns instrumentos. [Figure 7-19] A precessão pode fazer com que um giroscópio giratório seja deslocado do plano de rotação pretendido por meio do atrito do rolamento, etc. Certos instrumentos podem exigir realinhamento corretivo durante o vôo, como o indicador de rumo.

7.2.4 Fontes de poder #

Em algumas aeronaves, todos os giroscópios são a vácuo, pressão ou eletricamente operados. Em outras aeronaves, os sistemas de vácuo ou pressão fornecem a energia para os indicadores de rumo e atitude, enquanto o sistema elétrico fornece a energia para o coordenador de turnos. A maioria das aeronaves tem pelo menos duas fontes de energia para garantir que pelo menos uma fonte de informação bancária esteja disponível se uma fonte de energia falhar. O sistema de vácuo ou pressão gira o giroscópio puxando uma corrente de ar contra as palhetas do rotor para girar o rotor em alta velocidade, assim como a operação de uma roda d’água ou turbina. A quantidade de vácuo ou pressão necessária para a operação do instrumento varia, mas geralmente é entre 4,5 “Hg e 5,5″Hg.

Uma fonte de vácuo para o Gyros é uma bomba acionada por palhetas que é montada na caixa do acessório do motor. A capacidade da bomba varia em diferentes aviões, dependendo do número de giroscópios.

Um sistema de vácuo típico consiste em uma bomba de vácuo acionada pelo motor, válvula de alívio, filtro de ar, manômetro e tubos necessários para completar as conexões. O medidor é montado no painel de instrumentos das aeronaves e indica a quantidade de pressão no sistema (o vácuo é medido em polegadas de mercúrio menor que a pressão ambiente).

Conforme mostrado na Figura 7-20, o ar é puxado para o sistema de vácuo pela bomba de vácuo acionada pelo motor. Ele primeiro passa por um filtro, que impede que materiais estranhos entrem no vácuo ou no sistema de pressão. O ar então se move pelos indicadores de atitude e rumo, onde faz com que os giroscópios girem. Uma válvula de alívio evita que a pressão de vácuo, ou sucção, exceda os limites prescritos. Depois disso, o ar é expelido ao mar ou usado em outros sistemas, como para inflar botas pneumáticas.

É importante monitorar a pressão do vácuo durante o vôo, pois os indicadores de atitude e rumo podem não fornecer informações confiáveis quando a pressão de sucção está baixa. O medidor de vácuo ou sucção geralmente é marcado para indicar a faixa normal. Algumas aeronaves estão equipadas com uma luz de advertência que acende quando a pressão do vácuo cai abaixo do nível aceitável.

Quando a pressão de vácuo cai abaixo da faixa de operação normal, os instrumentos giroscópicos podem ficar instáveis e imprecisos. A verificação cruzada dos instrumentos rotineiramente é um bom hábito de se desenvolver.

7.2.5 Indicadores de volta #

As aeronaves usam dois tipos de indicadores de volta: indicador de volta e deslizamento e coordenador de volta. Devido à forma como o giroscópio é montado, o indicador de giro e deslizamento mostra apenas a taxa de giro em graus por segundo. O coordenador de turnos é montado em um ângulo, ou inclinado, para que possa mostrar inicialmente a taxa de rolagem. Quando o rolo se estabiliza, indica a taxa de giro. Ambos os instrumentos indicam a direção e a qualidade da curva (coordenação) e também servem como uma fonte de backup das informações bancárias, caso um indicador de atitude falhe. A coordenação é alcançada referindo-se ao inclinômetro, que consiste em um tubo curvo cheio de líquido com uma bola dentro. [Figure 7-21]

7.2.6 Indicador de giro e deslizamento #

O giroscópio no indicador de giro e deslizamento gira no plano vertical, correspondendo ao eixo longitudinal da aeronave. Um único gimbal limita os aviões nos quais o giroscópio pode se inclinar e uma mola tenta devolvê-lo ao centro. Por causa da precessão, uma força de guinada faz com que o giroscópio se incline para a esquerda ou para a direita, conforme visto do assento do piloto. O indicador de giro e deslizamento usa um ponteiro, chamado de agulha de giro, para mostrar a direção e a taxa de curvas. O indicador de giro e deslizamento é incapaz de “encascarar” seu eixo rotacional por causa das molas de retenção. Quando forças extremas são aplicadas a um giroscópio, o giroscópio é deslocado de seu plano de rotação normal, tornando suas indicações inválidas. Certos instrumentos têm limites específicos e limites bancários que induzem um tombo do giroscópio.

7.2.7 Coordenador de turnos #

O gimbal do coordenador da volta é inclinado; Portanto, seu giroscópio pode sentir tanto a taxa de rolagem quanto a taxa de turno. Como os coordenadores de turnos são mais prevalentes em aeronaves de treinamento, essa discussão se concentra nesse instrumento. Ao entrar ou sair de uma curva, as miniaturas dos aviões estão na direção em que a aeronave é rolada. Uma taxa de rolagem rápida faz com que as aeronaves em miniatura tombem de forma mais acentuada do que uma taxa de rolagem lenta.

O coordenador de turnos pode ser usado para estabelecer e manter uma curva de taxa padrão, alinhando a asa da aeronave em miniatura com o índice de curvas. A Figura 7-22 mostra uma imagem de um coordenador de turnos. Há duas marcas em cada lado (esquerda e direita) da face do instrumento. A primeira marca é usada para fazer referência a uma taxa de giro de nível zero do Wings. A segunda marca do lado esquerdo e direito do instrumento serve para indicar uma taxa de turno padrão. Um turno de taxa padrão é definido como uma taxa de giro de 3° por segundo. O coordenador de turno indica apenas a taxa e a direção do turno; Ele não exibe um ângulo específico de banco.

7.2.8 Inclinômetro #

O inclinômetro é usado para representar a guinada, que é o movimento lateral do nariz da aeronave. Durante o vôo coordenado e reto, a força da gravidade faz com que a bola repouse na parte mais baixa do tubo, centralizada entre as linhas de referência. O vôo coordenado é mantido mantendo a bola centralizada. Se a bola não estiver centralizada, ela pode ser centralizada usando o leme.

Para centralizar a bola, aplique a pressão do leme para o qual a bola é desviada. Use a regra simples, “Passe na bola”, para lembrar qual pedal do leme deve ser pressionado. Se o aileron e o leme forem coordenados durante uma curva, a bola permanece centralizada no tubo. Se as forças aerodinâmicas estiverem desequilibradas, a bola se afasta do centro do tubo. Conforme mostrado na Figura 7-22, em um deslizamento, a taxa de giro é muito lenta para o ângulo de banco, e a bola se move para dentro da curva. Em uma derrapagem, a taxa de giro é muito grande para o ângulo de banco, e a bola se move para o lado de fora da curva. Para corrigir essas condições e melhorar a qualidade do turno, lembre-se de “pisar na bola”. Variar o ângulo do banco também pode ajudar a restaurar o vôo coordenado de um deslizamento ou derrapagem. Para corrigir um deslizamento, diminua o banco e/ou aumente a taxa de turno. Para corrigir uma derrapagem, aumente o banco e/ou diminua a taxa de giro.

7.2.9 Cadeia de guinada #

Uma ferramenta adicional que pode ser adicionada à aeronave é uma corda de guinada. Uma corda de guinada é simplesmente uma corda ou um pedaço de fio preso ao centro da tela de vento. Quando em vôo coordenado, a corda recua diretamente para o topo da tela de vento. Quando a aeronave está escorregando ou derrapando, a corda de guinada se move para a direita ou para a esquerda, dependendo da direção do deslizamento ou do derrapagem.

7.2.10 Verificação do instrumento #

Durante o pré-voo, verifique se o inclinômetro está cheio de fluido e não possui bolhas de ar. A bola também deve estar em seu ponto mais baixo. Ao taxiar, o coordenador do turno deve indicar uma curva na direção correta enquanto a bola se move oposto à direção da curva.

7.2.11 Indicador de atitude #

O indicador de atitude, com sua miniatura de aeronaves e barra de horizonte, exibe uma imagem da atitude da aeronave. A relação das aeronaves em miniatura com a barra do horizonte é a mesma da relação das aeronaves reais com o horizonte real. O instrumento fornece uma indicação instantânea das menores mudanças de atitude.

O giroscópio no indicador de atitude é montado em um plano horizontal e depende da rigidez no espaço para sua operação. A barra do horizonte representa o verdadeiro horizonte. Esta barra é fixada no giroscópio e permanece em um plano horizontal à medida que a aeronave é lançada ou inclinada em torno de seu eixo lateral ou longitudinal, indicando a atitude da aeronave em relação ao verdadeiro horizonte. [Figure 7-23]

O giroscópio gira no plano horizontal e resiste à deflexão do caminho rotacional. Como o giroscópio depende da rigidez no espaço, a aeronave realmente gira em torno do giro giratório.

É fornecido um botão de ajuste com o qual o piloto pode mover a aeronave em miniatura para cima ou para baixo para alinhar a aeronave em miniatura com a barra do horizonte para se adequar à linha de visão do piloto. Normalmente, a aeronave em miniatura é ajustada para que as asas se sobreponham à barra do horizonte quando a aeronave estiver em um voo de cruzeiro direto e nivelado.

Os limites do tom e do banco dependem da marca e do modelo do instrumento. Os limites no plano bancário geralmente são de 100° a 110°, e os limites de inclinação são geralmente de 60° a 70°. Se um limite for excedido, o instrumento cairá ou derramará e fornecerá indicações incorretas até realinhar. Vários indicadores de atitude modernos não caem.

Todo piloto deve ser capaz de interpretar a escala bancária ilustrada na Figura 7-24. A maioria dos indicadores de escala bancária na parte superior do instrumento se move na mesma direção daquele em que a aeronave está realmente inclinada. Alguns outros modelos se movem na direção oposta àquela em que a aeronave está realmente inclinada. Isso pode confundir o piloto se o indicador for usado para determinar a direção do banco. Essa escala deve ser usada apenas para controlar o grau de banco desejado. A relação das aeronaves em miniatura com a barra do horizonte deve ser usada para indicar a direção do banco.

O indicador de atitude é confiável e o instrumento de vôo mais realista no painel de instrumentos. Suas indicações são aproximações muito próximas da atitude real da aeronave.

7.2.12 Indicador de rumo #

O indicador de rumo é fundamentalmente um instrumento mecânico projetado para facilitar o uso da bússola magnética. Os erros na bússola magnética são numerosos, dificultando o voo direto e a precisão em direção a títulos difíceis de realizar, principalmente no ar turbulento. Um indicador de rumo, no entanto, não é afetado pelas forças que tornam a bússola magnética difícil de interpretar. [Figure 7-25]

O botão de ajuste é usado para alinhar o indicador de rumo com a bússola magnética.

A operação do indicador de rumo depende do princípio da rigidez no espaço. O rotor gira em um plano vertical e fixado ao rotor é um cartão de bússola. Como o rotor permanece rígido no espaço, os pontos do cartão mantêm a mesma posição no espaço em relação ao plano vertical do giroscópio. Na verdade, a aeronave gira em torno do giroscópio rotativo, e não o contrário. À medida que a caixa do instrumento e a aeronave giram em torno do eixo vertical do giroscópio, o cartão fornece informações claras e precisas.

Devido à precessão causada pelo atrito, o indicador de rumo se arrasta ou deriva de um título para o qual é definido. Entre outros fatores, a quantidade de deriva depende em grande parte da condição do instrumento. Se os rolamentos estiverem desgastados, sujos ou lubrificados incorretamente, o desvio pode ser excessivo. Outro erro no indicador de rumo é causado pelo fato de que o giroscópio está orientado no espaço e a Terra gira no espaço a uma taxa de 15° em 1 hora. Assim, descontando a precessão causada por atrito, o indicador de rumo pode indicar um erro de 15° por cada hora de operação.

Alguns indicadores de rumo chamados de indicadores de situação horizontal (HSI) recebem uma referência norte magnética de um transmissor de escravidão magnético e geralmente não precisam de ajustes. O transmissor de escravidão magnético é chamado de magnetômetro.

7.2.13 Sistema de Referência de Atitude e Título (AHRS) #

Os monitores eletrônicos de vôo substituíram os giroscópios de giro livre por sistemas de laser de estado sólido que são capazes de voar em qualquer atitude sem cair. Essa capacidade é o resultado do desenvolvimento do Sistema de Referência de Atitude e de Título (AHRS).

A AHRS envia informações de atitude ao PFD para gerar o pitch e as informações bancárias do indicador de atitude. As informações do título são derivadas de um magnetômetro que detecta as linhas de fluxo magnético da Terra. Essas informações são então processadas e enviadas ao PFD para gerar a exibição do título. [Figure 7-26]

7.2.14 O sistema de bússola do portão de fluxo #

Como mencionado anteriormente, as linhas de fluxo no campo magnético da Terra têm duas características básicas: um ímã se alinha com elas e uma corrente elétrica é induzida ou gerada em qualquer fio cruzado por eles.

A bússola do portão de fluxo que aciona giroscópios escravos usa a característica de indução de corrente. A válvula de fluxo é um pequeno anel segmentado, como o da Figura 7-27, feito de ferro macio que aceita facilmente linhas de fluxo magnético. Uma bobina elétrica é enrolada em cada uma das três pernas para aceitar a corrente induzida neste anel pelo campo magnético da Terra. Uma bobina enrolada ao redor do espaçador de ferro no centro da estrutura tem uma corrente alternada (AC) de 400 Hz (corrente alternada). Durante os tempos em que essa corrente atinge seu pico, duas vezes em cada ciclo, há tanto magnetismo produzido por essa bobina que o quadro não pode aceitar as linhas de fluxo do campo da Terra.

À medida que a corrente se inverte entre os picos, ela desmagnetiza o quadro para que possa aceitar o fluxo do campo da Terra. À medida que esse fluxo corta os enrolamentos nas três bobinas, faz com que a corrente flua nelas. Essas três bobinas são conectadas de tal forma que a corrente que flui nelas muda à medida que o rumo da aeronave muda. [Figure 7-28]

As três bobinas são conectadas a três bobinas semelhantes, mas menores, em uma sincronização dentro da caixa do instrumento. O Synchro gira o mostrador de um indicador de rádio magnético (RMI) ou de um HSI.

7.2.15 Bússola de indicação remota #

As bússolas de indicação remota foram desenvolvidas para compensar os erros e limitações dos indicadores de rumo mais antigos. Os dois componentes montados em painel de um sistema típico são o indicador de navegação pictórica e o controle de escravidão e a unidade compensadora. [Figure 7-29] O indicador de navegação pictórica é comumente referido como um HSI.

A unidade de controle de escravidão e compensador possui um botão que fornece um meio de selecionar o modo “Girossexuado” ou “Giros-livres”. Esta unidade também possui um medidor de escravos e dois botões manuais de direção. O medidor de escravos indica a diferença entre o título exibido e o título magnético. Uma deflexão direita indica um erro no sentido horário do cartão Compass; Uma deflexão esquerda indica um erro no sentido anti-horário. Sempre que a aeronave estiver em uma volta e a carta girar, o medidor de escravatura mostra uma deflexão total para um lado ou para o outro. Quando o sistema está no modo “free giroscópio”, o cartão da bússola pode ser ajustado pressionando o botão de direção apropriado.

Uma unidade separada, o transmissor de escravatura magnética é montado remotamente, geralmente em uma ponta de asa para eliminar a possibilidade de interferência magnética. Ele contém a válvula de fluxo, que é o dispositivo de detecção de direção do sistema. Uma concentração de linhas de força magnética, após ser amplificada, torna-se um sinal retransmitido para a unidade indicadora de rumo, que também é montada remotamente. Este sinal opera um motor de torque na unidade indicadora de rumo que processa a unidade giroscópio até que ela esteja alinhada com o sinal do transmissor. O transmissor de escravatura magnética está conectado eletricamente ao HSI.

Há uma série de desenhos da bússola que indica o controle remoto; Portanto, apenas os recursos básicos do sistema são abordados aqui. Os pilotos de instrumentos devem se familiarizar com as características do equipamento em suas aeronaves.

À medida que os painéis de instrumentos se tornam mais lotados e os pilotos disponíveis, o tempo de varredura é reduzido por uma carga de trabalho mais pesada, os fabricantes de instrumentos têm trabalhado para combinar instrumentos. Um bom exemplo disso é o RMI na Figura 7-30. A placa da bússola é acionada por sinais da válvula de fluxo, e os dois ponteiros são acionados por um localizador de direção automática (ADF) e uma faixa de rádio omnidirecional de frequência muito alta (VHF) (VOR).

Os indicadores de rumo que não possuem essa capacidade automática de busca no Norte são chamados de giroscópios “gratuitos” e exigem ajustes periódicos. É importante verificar as indicações com frequência (aproximadamente a cada 15 minutos) e redefinir o indicador de rumo para alinhá-lo com a bússola magnética quando necessário. Ajuste o indicador de rumo ao título da bússola magnética quando a aeronave estiver reta e nivelada a uma velocidade constante para evitar erros de bússola.

Os limites de banco e de passo do indicador de rumo variam de acordo com o design e a marca do instrumento. Em alguns indicadores de rumo encontrados em aeronaves leves, os limites são aproximadamente 55° de passo e 55° de banco. Quando qualquer um desses limites de atitude é excedido, o instrumento “tumbles” ou “derrame” e não fornece mais a indicação correta até o reset. Após o derramamento, ele pode ser reiniciado com o botão de gaiola. Muitos dos instrumentos modernos usados são projetados de forma que não caiam.

Um erro de precessão adicional pode ocorrer devido a um giroscópio não girar rápido o suficiente para manter seu alinhamento. Quando o sistema de vácuo para de produzir sucção adequada para manter a velocidade do giroscópio, o indicador de rumo e o indicador de atitude giroscópios começam a desacelerar. À medida que retardam, tornam-se mais suscetíveis à deflexão do plano de rotação. Algumas aeronaves possuem luzes de advertência para indicar que ocorreu uma situação de baixo vácuo. Outras aeronaves podem ter apenas um medidor de vácuo que indica a sucção.

7.2.16 Verificação do instrumento #

À medida que o giroscópio se acumula, certifique-se de que não há sons anormais. Enquanto taxia, o instrumento deve indicar as voltas na direção correta, e a precessão não deve ser anormal. Nas configurações de marcha lenta, os instrumentos giroscópicos que usam o sistema de vácuo podem não estar à altura das velocidades de operação e a precessão pode ocorrer mais rapidamente do que durante o vôo.