Monet lentolaitteet hyödyntävät gyroskoopin ominaisuuksia toiminnassaan. Yleisimpiä gyroskooppeja sisältäviä mittareita ovat käännöskoordinaattori, suuntamittari ja asentomittari. Näiden mittareiden toiminnan ymmärtäminen edellyttää mittareiden voimanlähteiden, gyroskooppisten periaatteiden ja kunkin mittarin toimintaperiaatteiden tuntemusta.
Gyroskooppiset periaatteet
Jokaisella pyörivällä esineellä on gyroskooppisia ominaisuuksia. Pyörää tai roottoria, joka on suunniteltu ja asennettu hyödyntämään näitä ominaisuuksia, kutsutaan gyroskoopiksi. Instrumenttihyrrän kaksi tärkeää rakenneominaisuutta ovat suuri paino kokoonsa nähden eli suuri tiheys ja pyöriminen suurella nopeudella pienikitkaisilla laakereilla.
Kiinnitystyyppejä on yleisesti ottaen kahta tyyppiä; käytettävä tyyppi riippuu siitä, mitä hyrrän ominaisuutta hyödynnetään. Vapaasti tai universaalisti asennettu gyroskooppi voi vapaasti pyöriä mihin suuntaan tahansa painopisteensä ympäri. Tällaisella pyörällä sanotaan olevan kolme vapaustasoa. Pyörä tai roottori voi vapaasti pyöriä missä tahansa tasossa alustaan nähden, ja se on tasapainotettu siten, että kun gyrospyörä on levossa, se pysyy siinä asennossa, johon se on asetettu. Rajoitetusti tai puolijäykästi asennetut gyroskoopit ovat gyroskooppeja, jotka on asennettu siten, että yksi vapaustasoista pidetään kiinteänä alustaan nähden.
Gyroskoopin toiminnalla on kaksi perustavaa laatua olevaa ominaisuutta: jäykkyys avaruudessa ja prekessio.
Avaruusjäykkyys
Avaruusjäykkyydellä tarkoitetaan periaatetta, jonka mukaan gyroskooppi pysyy kiinteässä asennossa tasossa, jossa se pyörii. Esimerkki jäykkyydestä avaruudessa on polkupyörän pyörä. Kun polkupyörän pyörän nopeus kasvaa, se muuttuu vakaammaksi pyörimistasossaan. Tämän vuoksi polkupyörä on epävakaa ja ketterä pienillä nopeuksilla ja vakaa ja vähemmän ketterä suuremmilla nopeuksilla.
Asennettaessa tämä pyörä eli gyroskooppi kardaanirenkaiden varaan, gyroskooppi pystyy pyörimään vapaasti mihin suuntaan tahansa. Näin ollen, jos kardaanirenkaita kallistetaan, kierretään tai muutoin liikutetaan, hyrrä pysyy siinä tasossa, jossa se alun perin pyörii.
Precessio
Precessio on hyrrän kallistuminen tai kääntyminen poikkeuttavan voiman vaikutuksesta. Reaktio tähän voimaan ei tapahdu siinä pisteessä, johon voima kohdistettiin, vaan se tapahtuu 90° pyörimissuunnassa myöhemmässä pisteessä. Tämän periaatteen ansiosta hyrrä voi määrittää kääntymisnopeuden aistimalla suunnanmuutoksen aiheuttaman paineen määrän. Nopeus, jolla hyrrä etenee, on kääntäen verrannollinen roottorin nopeuteen ja verrannollinen poikkeutusvoimaan.
Flight Literacy Recommendends
Rod Machadon Kuinka lentää lentokonetta -käsikirja – Opi minkä tahansa lentokoneen lentämisen perusasiat. Tee lentokoulutuksesta helpompaa, edullisempaa ja miellyttävämpää. Hallitse kaikki tarkastuslentokokeen manööverit. Opi lentämisen ”keppi ja peräsin” -filosofia. Estä lentokoneen sakkaaminen tai pyöriminen vahingossa. Laskeudu lentokoneella nopeasti ja nautinnollisesti.
Polkupyörän esimerkkiä käyttäen prekessio vaikuttaa pyöriin, jotta polkupyörä voi kääntyä. Normaalinopeudella ajettaessa ei ole tarpeen kääntää ohjaustankoa halutun käännöksen suuntaan. Pyöräilijä vain nojaa siihen suuntaan, johon hän haluaa mennä. Koska pyörät pyörivät pyörän oikealta puolelta katsottuna myötäpäivään, jos ajaja nojaa vasemmalle, pyörän yläosaan kohdistuu vasemmalle suuntautuva voima. Voima vaikuttaa itse asiassa 90° pyörimissuuntaan nähden, jolloin renkaan etuosaan kohdistuu voima, joka saa polkupyörän liikkumaan vasemmalle. Ohjaustankoa on tarpeen kääntää pienillä nopeuksilla hitaasti kääntyvien gyroskooppien epävakauden vuoksi ja myös kääntymisnopeuden lisäämiseksi.
Precessio voi myös aiheuttaa pieniä virheitä joissakin mittareissa. Prekessio voi aiheuttaa vapaasti pyörivän gyroskoopin siirtymisen aiotusta pyörimistasosta laakerikitkan tms. vuoksi. Tietyt instrumentit saattavat vaatia korjaavaa uudelleensuuntausta lennon aikana, kuten suuntamittari.
Voimanlähteet
Joissain lentokoneissa kaikki gyroskoopit ovat tyhjiö-, paine- tai sähkökäyttöisiä. Toisissa lentokoneissa tyhjiö- tai painejärjestelmät tuottavat tehon suunta- ja asentomittareille, kun taas sähköjärjestelmä tuottaa tehon kääntökoordinaattorille. Useimmissa ilma-aluksissa on vähintään kaksi virtalähdettä, jotta voidaan varmistaa, että vähintään yksi kallistustietojen lähde on käytettävissä, jos yksi virtalähde pettää. Tyhjiö- tai painejärjestelmä pyörittää gyroskooppia vetämällä ilmavirran roottorin siipiä vasten, jolloin roottori pyörii suurella nopeudella, aivan kuten vesipyörän tai turbiinin toiminta. Laitteen toimintaan tarvittava alipaineen tai paineen määrä vaihtelee, mutta se on yleensä 4,5 ”Hg:n ja 5,5 ”Hg:n välillä.
Yksi alipainelähteeksi gyroskoopille on moottorin lisävarustekoteloon asennettu siipipyörätyyppinen moottorikäyttöinen pumppu. Pumpun kapasiteetti vaihtelee eri lentokoneissa riippuen gyroskooppien lukumäärästä.
Tyypillinen alipainejärjestelmä koostuu moottorikäyttöisestä alipainepumpusta, varoventtiilistä, ilmansuodattimesta, mittarista ja liitäntöjen suorittamiseen tarvittavista letkuista. Mittari on asennettu lentokoneen kojetauluun, ja se ilmaisee järjestelmässä olevan paineen määrän (tyhjiö mitataan elohopeatuumina, joka on tuumaa elohopeaa pienempi kuin ympäristön paine).
Kuten kuvassa 8-20 on esitetty, moottorikäyttöinen tyhjiöpumppu imee ilmaa tyhjiöjärjestelmään. Se kulkee ensin suodattimen läpi, joka estää vieraiden aineiden pääsyn tyhjiö- tai painejärjestelmään. Tämän jälkeen ilma liikkuu asento- ja suuntamittareiden läpi, jossa se saa gyroskoopit pyörimään. Varoventtiili estää tyhjiöpaineen tai imun ylittämästä määrättyjä rajoja. Tämän jälkeen ilma poistuu yli laidan tai sitä käytetään muissa järjestelmissä, kuten pneumaattisten jäänpoistosaappaiden täyttämiseen.
On tärkeää seurata alipaineita lennon aikana, koska asento- ja suuntamittarit eivät välttämättä anna luotettavaa tietoa, kun imupaine on alhainen. Tyhjiö- eli imupainemittari on yleensä merkitty osoittamaan normaalia aluetta. Joissakin lentokoneissa on varoitusvalo, joka syttyy, kun alipaine laskee alle hyväksyttävän tason.
Kun alipaine laskee alle normaalin toiminta-alueen, gyroskooppiset mittarit voivat muuttua epävakaiksi ja epätarkoiksi. Mittareiden tarkistaminen rutiininomaisesti on hyvä tapa kehittää.
Flight Literacy suosittelee
Rod Machadon yksityislentäjän käsikirja -Flight Literacy suosittelee Rod Machadon tuotteita, koska hän ottaa tavallisesti kuivan ja tylsän asian ja muuntaa sen hänelle ominaisella huumorilla, mikä auttaa pitämään sinut sitoutuneena ja säilyttämään tiedon pidempään. (katso kaikki Rod Machadon tuotteet).