Verschillende vlieginstrumenten maken voor hun werking gebruik van de eigenschappen van een gyroscoop. De meest voorkomende instrumenten met gyroscopen zijn de bochtaanwijzer, de koersaanwijzer en de standaanwijzer. Om te begrijpen hoe deze instrumenten werken is kennis nodig van de aandrijfsystemen van de instrumenten, de gyroscopische principes, en de werkingsprincipes van elk instrument.
Gyroscopische principes
Elk draaiend voorwerp vertoont gyroscopische eigenschappen. Een wiel of rotor ontworpen en gemonteerd om deze eigenschappen te benutten wordt een gyroscoop genoemd. Twee belangrijke ontwerpkenmerken van een gyroscoop zijn een groot gewicht voor zijn grootte, of hoge dichtheid, en rotatie bij hoge snelheid met lage wrijvingslagers.
Er zijn twee algemene typen montages; het gebruikte type hangt af van welke eigenschap van de gyroscoop wordt benut. Een vrij of universeel gemonteerde gyroscoop is vrij om in elke richting om zijn zwaartepunt te draaien. Van een dergelijk wiel wordt gezegd dat het drie vrijheidsvlakken heeft. Het wiel of de rotor is vrij om te draaien in elk vlak ten opzichte van de basis en is zodanig uitgebalanceerd dat het, met het gyroscoopwiel in rust, in de stand blijft waarin het is geplaatst. Beperkt of halfstijf gemonteerde gyroscopen zijn gyroscopen die zo zijn gemonteerd dat een van de vrijheidsvlakken ten opzichte van de basis wordt gefixeerd.
Er zijn twee fundamentele eigenschappen van gyroscopische werking: starheid in de ruimte en precessie.
Rigiditeit in de ruimte
Rigiditeit in de ruimte verwijst naar het principe dat een gyroscoop in een vaste positie blijft in het vlak waarin hij ronddraait. Een voorbeeld van stijfheid in de ruimte is dat van een fietswiel. Naarmate de fietswielen sneller gaan, worden ze stabieler in hun draaivlak. Daarom is een fiets onstabiel en wendbaar bij lage snelheden en stabiel en minder wendbaar bij hogere snelheden.
Door dit wiel, of gyroscoop, op een stel gimbal-ringen te monteren, kan de gyro in elke richting vrij ronddraaien. Dus als de gimbal ringen worden gekanteld, gedraaid, of anderszins verplaatst, de gyro blijft in het vlak waarin het oorspronkelijk draaide.
Precessie
Precessie is het kantelen of draaien van een gyro in reactie op een afbuigende kracht. De reactie op deze kracht doet zich niet voor op het punt waarop de kracht werd uitgeoefend, maar op een punt dat 90° later ligt in de draairichting. Dit principe stelt de gyro in staat een draaisnelheid te bepalen door de hoeveelheid druk te voelen die ontstaat door een verandering van richting. De snelheid waarmee de gyro voorsorteert is omgekeerd evenredig met de snelheid van de rotor en evenredig met de afbuigende kracht.
Flight Literacy Recommends
Rod Machado’s How to Fly an Airplane Handbook – Leer de basisbeginselen van het vliegen met elk vliegtuig. Maak vliegtraining makkelijker, goedkoper en leuker. Beheers alle checkride manoeuvres. Leer de “stick and rudder” filosofie van het vliegen. Voorkomen dat een vliegtuig per ongeluk afslaat of spint. Een vliegtuig snel en plezierig laten landen.
Gebaseerd op het voorbeeld van de fiets, werkt precessie op de wielen om de fiets te laten draaien. Wanneer men op normale snelheid rijdt, is het niet nodig het stuur in de richting van de gewenste bocht te draaien. De fietser leunt gewoon in de richting die hij of zij wenst te gaan. Aangezien de wielen rechtsom draaien wanneer men ze van de rechterkant van de fiets bekijkt, wordt, wanneer de fietser naar links leunt, een kracht uitgeoefend op de bovenkant van het wiel aan de linkerkant. De kracht werkt in feite 90° in de draairichting, wat tot gevolg heeft dat een kracht wordt uitgeoefend op de voorkant van de band, waardoor de fiets naar links beweegt. Het is nodig het stuur bij lage snelheden te draaien vanwege de instabiliteit van de langzaam draaiende gyroscopen en ook om de draaisnelheid te verhogen.
Precessie kan ook enkele kleine fouten in sommige instrumenten veroorzaken. Precessie kan ertoe leiden dat een vrij draaiende gyro door lagerwrijving e.d. uit zijn bedoelde rotatievlak wordt gebracht. Bepaalde instrumenten, zoals de koersaanwijzer, moeten tijdens de vlucht mogelijk correct worden uitgelijnd.
Energiebronnen
In sommige vliegtuigen worden alle gyroscopen vacuüm, onder druk of elektrisch aangedreven. In andere vliegtuigen leveren vacuüm- of druksystemen de stroom voor de koers- en standaanwijzers, terwijl het elektrische systeem de stroom levert voor de bochtcoördinator. De meeste vliegtuigen hebben ten minste twee krachtbronnen om ervoor te zorgen dat ten minste één bron van koersinformatie beschikbaar is als één krachtbron uitvalt. Het vacuüm- of druksysteem laat de gyro draaien door een luchtstroom tegen de rotorschoepen te trekken om de rotor met hoge snelheid te laten draaien, ongeveer zoals de werking van een waterrad of turbine. De hoeveelheid vacuüm of druk die nodig is voor de werking van het instrument varieert, maar ligt gewoonlijk tussen 4,5 “Hg en 5,5 “Hg.
Een bron van vacuüm voor de gyroscopen is een door een vane-type motor aangedreven pomp die is gemonteerd op de accessoirekast van de motor. De pompcapaciteit varieert in verschillende vliegtuigen, afhankelijk van het aantal gyroscopen.
Een typisch vacuümsysteem bestaat uit een door de motor aangedreven vacuümpomp, ontlastklep, luchtfilter, manometer, en leidingen 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 inch kwik minder dan de omgevingsdruk).
Zoals te zien in figuur 8-20, wordt lucht in het vacuümsysteem gezogen door de door de motor aangedreven vacuümpomp. De lucht gaat eerst door een filter, dat voorkomt dat vreemde stoffen in het vacuüm- of druksysteem terechtkomen. De lucht stroomt vervolgens door de stand- en koersaanwijzers, waar hij de gyroscopen doet draaien. Een ontlastklep voorkomt dat de vacuümdruk, of zuigkracht, de voorgeschreven limieten overschrijdt. Daarna wordt de lucht overboord gezet of gebruikt in andere systemen, zoals voor het oppompen van pneumatische ontdooischoenen.
Het is belangrijk om de vacuümdruk tijdens de vlucht te controleren, omdat de stand- en koersindicatoren mogelijk geen betrouwbare informatie geven wanneer de zuigdruk laag is. De vacuümmeter of zuigkrachtmeter is doorgaans gemarkeerd om het normale bereik aan te geven. Sommige vliegtuigen zijn uitgerust met een waarschuwingslampje dat gaat branden wanneer de vacuümdruk onder het aanvaardbare niveau daalt.
Wanneer de vacuümdruk onder het normale werkingsbereik daalt, kunnen de gyroscopische instrumenten onstabiel en onnauwkeurig worden. Het routinematig controleren van de instrumenten is een goede gewoonte om te ontwikkelen.
Flight Literacy Recommends
Rod Machado’s Private Pilot Handbook -Flight Literacy beveelt de producten van Rod Machado aan omdat hij iets droogs en eentonigs transformeert met zijn karakteristieke humor, waardoor je betrokken blijft en de informatie langer vasthoudt. (zie alle producten van Rod Machado).