Einige Fluginstrumente nutzen die Eigenschaften eines Gyroskops für ihren Betrieb. Die gebräuchlichsten Instrumente, die Kreisel enthalten, sind der Wendekoordinator, der Kursanzeiger und der Fluglagenanzeiger. Um zu verstehen, wie diese Instrumente funktionieren, muss man die Energiesysteme der Instrumente, die gyroskopischen Prinzipien und die Funktionsprinzipien der einzelnen Instrumente kennen.
Gyroskopische Prinzipien
Jedes sich drehende Objekt weist gyroskopische Eigenschaften auf. Ein Rad oder ein Rotor, der so konstruiert und montiert ist, dass er diese Eigenschaften nutzt, wird als Kreisel bezeichnet. Zwei wichtige Konstruktionsmerkmale eines Instrumentenkreisels sind ein hohes Gewicht im Verhältnis zu seiner Größe oder eine hohe Dichte und die Rotation bei hoher Geschwindigkeit mit reibungsarmen Lagern.
Es gibt zwei allgemeine Arten von Aufhängungen; welche Art verwendet wird, hängt davon ab, welche Eigenschaft des Kreisels genutzt werden soll. Ein frei oder universell gelagerter Kreisel kann sich in jede Richtung um seinen Schwerpunkt drehen. Von einem solchen Rad sagt man, dass es drei Freiheitsebenen hat. Das Rad oder der Rotor kann sich in jeder beliebigen Ebene in Bezug auf die Basis drehen und ist so ausgewuchtet, dass es bei ruhendem Kreiselrad in der Position bleibt, in der es angebracht ist. Eingeschränkte oder halbstarr montierte Kreisel sind solche, die so montiert sind, dass eine der Freiheitsebenen in Bezug auf die Basis fixiert ist.
Es gibt zwei grundlegende Eigenschaften der Kreiselwirkung: Raumsteifigkeit und Präzession.
Raumsteifigkeit
Raumsteifigkeit bezieht sich auf den Grundsatz, dass ein Kreisel in der Ebene, in der er sich dreht, in einer festen Position bleibt. Ein Beispiel für Starrheit im Raum ist das eines Fahrradrades. Mit zunehmender Geschwindigkeit werden die Räder in ihrer Rotationsebene immer stabiler. Deshalb ist ein Fahrrad bei niedrigen Geschwindigkeiten instabil und manövrierfähig und bei höheren Geschwindigkeiten stabil und weniger manövrierfähig.
Durch die Montage dieses Rades oder Gyroskops auf einem Satz kardanischer Ringe kann sich der Kreisel frei in jede Richtung drehen. Wenn also die Kardanringe gekippt, verdreht oder anderweitig bewegt werden, bleibt der Kreisel in der Ebene, in der er sich ursprünglich gedreht hat.
Rezessionsbewegung
Rezessionsbewegung ist das Kippen oder Drehen eines Kreisels als Reaktion auf eine ablenkende Kraft. Die Reaktion auf diese Kraft erfolgt nicht an dem Punkt, an dem sie aufgebracht wurde, sondern an einem Punkt, der um 90° in der Drehrichtung versetzt ist. Dieses Prinzip ermöglicht es dem Kreisel, die Drehrate zu bestimmen, indem er den Druck misst, der durch eine Richtungsänderung entsteht. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Kreisel dreht, ist umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit des Rotors und proportional zur Ablenkungskraft.
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Am Beispiel des Fahrrads: Die Präzession wirkt auf die Räder, damit sich das Fahrrad drehen kann. Während der Fahrt mit normaler Geschwindigkeit ist es nicht notwendig, den Lenker in die Richtung der gewünschten Kurve zu drehen. Der Fahrer lehnt sich einfach in die Richtung, in die er oder sie fahren möchte. Da sich die Räder von der rechten Seite des Fahrrads aus gesehen im Uhrzeigersinn drehen, wird, wenn sich der Fahrer nach links lehnt, eine Kraft auf die linke Oberseite des Rads ausgeübt. Diese Kraft wirkt um 90° in der Drehrichtung, wodurch eine Kraft auf die Vorderseite des Reifens ausgeübt wird und das Fahrrad nach links bewegt wird. Wegen der Instabilität der langsam drehenden Kreisel muss der Lenker bei niedrigen Geschwindigkeiten gedreht werden, um die Drehgeschwindigkeit zu erhöhen.
Die Präzession kann bei einigen Instrumenten auch kleinere Fehler verursachen. Die Präzession kann dazu führen, dass ein frei drehender Kreisel durch Lagerreibung usw. aus seiner vorgesehenen Rotationsebene verschoben wird. Bestimmte Instrumente, wie z.B. der Kursanzeiger, müssen während des Fluges neu ausgerichtet werden.
Energiequellen
In einigen Flugzeugen werden alle Kreisel durch Vakuum, Druck oder elektrisch betrieben. In anderen Flugzeugen liefern Vakuum- oder Drucksysteme die Energie für die Kurs- und Fluglageanzeiger, während das elektrische System die Energie für den Wendekoordinator liefert. Die meisten Flugzeuge verfügen über mindestens zwei Energiequellen, um sicherzustellen, dass bei Ausfall einer Energiequelle mindestens eine Quelle für Neigungsinformationen verfügbar ist. Das Vakuum- oder Drucksystem treibt den Kreisel an, indem es einen Luftstrom gegen die Rotorschaufeln zieht, um den Rotor mit hoher Geschwindigkeit zu drehen, ähnlich wie bei einem Wasserrad oder einer Turbine. Die Höhe des für den Betrieb des Instruments erforderlichen Vakuums oder Drucks variiert, liegt aber in der Regel zwischen 4,5 „Hg und 5,5 „Hg.
Eine Quelle des Vakuums für die Kreisel ist eine motorgetriebene Flügelzellenpumpe, die auf dem Zubehörgehäuse des Motors montiert ist. Die Pumpenkapazität variiert in den verschiedenen Flugzeugen je nach Anzahl der Kreisel.
Ein typisches Vakuumsystem besteht aus einer motorbetriebenen Vakuumpumpe, einem Überdruckventil, einem Luftfilter, einem Messgerät und den erforderlichen Schläuchen, um die Anschlüsse herzustellen. Das Manometer ist im Instrumentenbrett des Flugzeugs angebracht und zeigt den Druck im System an (das Vakuum wird in Zoll Quecksilber unter dem Umgebungsdruck gemessen).
Wie in Abbildung 8-20 dargestellt, wird die Luft von der motorbetriebenen Vakuumpumpe in das Vakuumsystem gesaugt. Sie durchläuft zunächst einen Filter, der verhindert, dass Fremdkörper in das Vakuum- oder Drucksystem gelangen. Die Luft strömt dann durch die Lage- und Kursanzeiger, wo sie die Kreisel zum Drehen bringt. Ein Überdruckventil verhindert, dass der Vakuumdruck bzw. der Sog die vorgeschriebenen Grenzen überschreitet. Danach wird die Luft über Bord ausgestoßen oder in anderen Systemen verwendet, z. B. zum Aufblasen pneumatischer Enteisungsstiefel.
Es ist wichtig, den Unterdruck während des Fluges zu überwachen, da die Fluglage- und Steuerkursanzeigen bei niedrigem Unterdruck möglicherweise keine zuverlässigen Informationen liefern. Das Vakuum- oder Ansaugmanometer ist in der Regel so markiert, dass es den normalen Bereich anzeigt. Einige Flugzeuge sind mit einer Warnleuchte ausgestattet, die aufleuchtet, wenn der Unterdruck unter den zulässigen Wert fällt.
Wenn der Unterdruck unter den normalen Betriebsbereich fällt, können die Kreiselinstrumente instabil und ungenau werden. Es ist eine gute Angewohnheit, die Instrumente routinemäßig zu überprüfen.
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