Plusieurs instruments de vol utilisent les propriétés d’un gyroscope pour leur fonctionnement. Les instruments les plus courants contenant des gyroscopes sont le coordinateur de virage, l’indicateur de cap et l’indicateur d’attitude. Pour comprendre le fonctionnement de ces instruments, il faut connaître les systèmes d’alimentation des instruments, les principes gyroscopiques et les principes de fonctionnement de chaque instrument.
Principes gyroscopiques
Tout objet en rotation présente des propriétés gyroscopiques. Une roue ou un rotor conçu et monté pour utiliser ces propriétés est appelé un gyroscope. Deux caractéristiques importantes de conception d’un gyroscope d’instrument sont un grand poids pour sa taille, ou une densité élevée, et une rotation à grande vitesse avec des roulements à faible frottement.
Il existe deux types généraux de montages ; le type utilisé dépend de la propriété du gyroscope qui est utilisée. Un gyroscope monté librement ou universellement est libre de tourner dans n’importe quelle direction autour de son centre de gravité. On dit d’une telle roue qu’elle a trois plans de liberté. La roue ou le rotor est libre de tourner dans n’importe quel plan par rapport à la base et est équilibrée de telle sorte que, la roue du gyroscope étant au repos, elle reste dans la position dans laquelle elle est placée. Les gyroscopes à montage restreint ou semi-rigide sont ceux montés de telle sorte qu’un des plans de liberté est maintenu fixe par rapport à la base.
Il existe deux propriétés fondamentales de l’action gyroscopique : la rigidité dans l’espace et la précession.
Rigidité dans l’espace
La rigidité dans l’espace fait référence au principe selon lequel un gyroscope reste dans une position fixe dans le plan dans lequel il tourne. Un exemple de rigidité dans l’espace est celui d’une roue de bicyclette. Lorsque les roues de bicyclette augmentent leur vitesse, elles deviennent plus stables dans leur plan de rotation. C’est pourquoi une bicyclette est instable et manœuvrable à basse vitesse et stable et moins manœuvrable à des vitesses plus élevées.
En montant cette roue, ou gyroscope, sur un ensemble d’anneaux de cardan, le gyroscope est capable de tourner librement dans n’importe quelle direction. Ainsi, si les anneaux de cardan sont inclinés, tordus ou autrement déplacés, le gyroscope reste dans le plan dans lequel il tournait initialement.
Précession
La récession est le basculement ou la rotation d’un gyroscope en réponse à une force de déviation. La réaction à cette force ne se produit pas au point où elle a été appliquée, mais plutôt à un point qui est 90° plus tard dans la direction de la rotation. Ce principe permet au gyroscope de déterminer une vitesse de rotation en détectant la quantité de pression créée par un changement de direction. La vitesse à laquelle le gyroscope précède est inversement proportionnelle à la vitesse du rotor et proportionnelle à la force de déviation.
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En reprenant l’exemple de la bicyclette, la précession agit sur les roues afin de permettre à la bicyclette de tourner. En roulant à vitesse normale, il n’est pas nécessaire de tourner le guidon dans le sens du virage souhaité. Le cycliste se penche simplement dans la direction où il souhaite aller. Étant donné que les roues tournent dans le sens des aiguilles d’une montre lorsqu’elles sont vues du côté droit de la bicyclette, si un cycliste se penche vers la gauche, une force est appliquée au sommet de la roue vers la gauche. Cette force agit en fait à 90° dans le sens de la rotation, ce qui a pour effet d’appliquer une force sur l’avant du pneu, faisant ainsi dévier la bicyclette vers la gauche. Il est nécessaire de tourner le guidon à basse vitesse en raison de l’instabilité des gyroscopes qui tournent lentement et aussi pour augmenter la vitesse de rotation.
La précession peut également créer quelques erreurs mineures dans certains instruments. La précession peut faire qu’un gyroscope tournant librement soit déplacé de son plan de rotation prévu par le frottement des roulements, etc. Certains instruments peuvent nécessiter un réalignement correctif pendant le vol, comme l’indicateur de cap.
Sources d’énergie
Dans certains aéronefs, tous les gyroscopes sont actionnés par le vide, la pression ou l’électricité. Dans d’autres avions, les systèmes à vide ou à pression fournissent l’énergie pour les indicateurs de cap et d’attitude, tandis que le système électrique fournit l’énergie pour le coordinateur de virage. La plupart des aéronefs disposent d’au moins deux sources d’alimentation afin de garantir la disponibilité d’au moins une source d’informations bancaires en cas de défaillance d’une source d’alimentation. Le système à vide ou à pression fait tourner le gyroscope en attirant un courant d’air contre les aubes du rotor pour faire tourner le rotor à grande vitesse, un peu comme le fonctionnement d’une roue à eau ou d’une turbine. La quantité de vide ou de pression nécessaire au fonctionnement de l’instrument varie, mais se situe généralement entre 4,5 « Hg et 5,5 « Hg.
Une source de vide pour les gyroscopes est une pompe entraînée par le moteur de type à palettes qui est montée sur le boîtier d’accessoires du moteur. La capacité de la pompe varie selon les avions, en fonction du nombre de gyros.
Un système de vide typique comprend une pompe à vide entraînée par le moteur, une soupape de décharge, un filtre à air, un manomètre et les tubes nécessaires pour effectuer les connexions. La jauge est montée dans le tableau de bord de l’avion et indique la quantité de pression dans le système (le vide est mesuré en pouces de mercure de moins que la pression ambiante).
Comme le montre la figure 8-20, l’air est aspiré dans le système à vide par la pompe à vide entraînée par le moteur. Il passe d’abord par un filtre, qui empêche les corps étrangers de pénétrer dans le système à vide ou à pression. L’air passe ensuite par les indicateurs d’attitude et de cap où il fait tourner les gyroscopes. Une soupape de sécurité empêche la pression du vide, ou l’aspiration, de dépasser les limites prescrites. Après cela, l’air est expulsé par-dessus bord ou utilisé dans d’autres systèmes, comme pour gonfler les bottes de dégivrage pneumatiques.
Il est important de surveiller la pression de dépression pendant le vol, car les indicateurs d’attitude et de cap peuvent ne pas fournir de renseignements fiables lorsque la pression d’aspiration est faible. La jauge de vide, ou d’aspiration, est généralement marquée pour indiquer la plage normale. Certains aéronefs sont équipés d’un témoin lumineux qui s’allume lorsque la pression de dépression tombe en dessous du niveau acceptable.
Lorsque la pression de dépression tombe en dessous de la plage de fonctionnement normale, les instruments gyroscopiques peuvent devenir instables et imprécis. La contre-vérification des instruments de façon routinière est une bonne habitude à développer.
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