Avion : systèmes de boussole
La Terre est un énorme aimant, tournant dans l'espace, entouré d'un champ magnétique composé de lignes de flux invisibles. Ces lignes quittent la surface au pôle nord magnétique et rentrent au pôle sud magnétique.
Les lignes de flux magnétique ont deux caractéristiques importantes : tout aimant libre de tourner s'alignera avec elles, et un courant électrique est induit dans tout conducteur qui les traverse. La plupart des indicateurs de direction installés dans les aéronefs exploitent l'une de ces deux caractéristiques.
Compas magnétique
L'un des instruments les plus anciens et les plus simples pour indiquer la direction est le compas magnétique. C'est également l'un des instruments de base requis par le titre 14 du Code of Federal Regulations (14 CFR) partie 91 pour les vols VFR et IFR.
Un aimant est un morceau de matériau, généralement un métal contenant du fer, qui attire et retient les lignes de flux magnétique. Quelle que soit sa taille, chaque aimant a deux pôles : nord et sud. Lorsqu'un aimant est placé dans le champ d'un autre, les pôles différents s'attirent et les pôles similaires se repoussent.
Un compas magnétique d'avion, tel que celui de la figure 8-32, comporte deux petits aimants fixés à un flotteur métallique scellé à l'intérieur d'un bol de liquide compas clair semblable au kérosène. Une échelle graduée, appelée carte, est enroulée autour du flotteur et vue à travers une fenêtre en verre avec une ligne de lubber en travers. La carte est marquée de lettres représentant les directions cardinales, nord, est, sud et ouest, et un nombre pour chaque 30° entre ces lettres. Le « 0 » final est omis dans ces directions. Par exemple, 3 = 30°, 6 = 60° et 33 = 330°.
Il y a des marques de graduation longues et courtes entre les lettres et les chiffres, chaque marque longue représentant 10° et chaque marque courte représentant 5°.
L'ensemble flotteur et carte a un pivot en acier trempé en son centre qui se déplace à l'intérieur d'une coupelle spéciale en verre dur à ressort. La flottabilité du flotteur enlève la majeure partie du poids du pivot et le fluide amortit l'oscillation du flotteur et de la carte. Ce montage de type bijou et pivot permet au flotteur de tourner et de s'incliner jusqu'à un angle d'inclinaison d'environ 18°. À des angles d'inclinaison plus prononcés, les indications de la boussole sont erratiques et imprévisibles.
Le boîtier de la boussole est entièrement rempli de liquide de boussole. Pour éviter tout dommage ou fuite lorsque le fluide se dilate et se contracte avec les changements de température, l'arrière du boîtier de la boussole est scellé avec un diaphragme flexible ou avec un soufflet métallique dans certaines boussoles.
Les aimants s'alignent sur le champ magnétique terrestre et le pilote lit la direction sur l'échelle opposée à la ligne de lubber. Notez que dans la figure, le pilote regarde la boussole depuis son verso. Lorsque le pilote vole vers le nord, comme l'indique la boussole, l'est est à sa droite. Sur la carte, "33", qui représente 330° (ouest du nord), est à droite du nord. La raison de cette graduation apparente vers l'arrière est que la carte reste immobile et que le boîtier de la boussole et le pilote tournent autour d'elle. En raison de cette configuration, la boussole magnétique peut être difficile à lire.
Erreurs induites par la boussole magnétique
Le compas magnétique est l'instrument le plus simple du tableau, mais il est sujet à un certain nombre d'erreurs dont il faut tenir compte.
Variation La Terre tourne autour de son axe géographique ; les cartes et les cartes sont dessinées à l'aide de méridiens de longitude qui traversent les pôles géographiques. Les directions mesurées à partir des pôles géographiques sont appelées directions vraies. Le pôle Nord magnétique vers lequel pointe la boussole magnétique n'est pas colocalisé avec le pôle Nord géographique, mais se trouve à environ 1 300 milles de distance; les directions mesurées à partir des pôles magnétiques sont appelées directions magnétiques. En navigation aérienne, la différence entre les directions vraie et magnétique est appelée variation. Cette même différence angulaire dans l'arpentage et la navigation terrestre est appelée déclinaison.
La figure montre les lignes isogoniques qui identifient le nombre de degrés de variation dans leur zone. La ligne qui passe près de Chicago s'appelle la ligne agonique. Partout le long de cette ligne, les deux pôles sont alignés et il n'y a pas de variation. À l'est de cette ligne, le pôle nord magnétique est à l'ouest du pôle nord géographique et une correction doit être appliquée à une indication de la boussole pour obtenir une vraie direction.
En vol dans la région de Washington, DC, par exemple, la variation est de 10° ouest. Si un pilote veut voler un cap vrai du sud (180°), il faut ajouter à cela la variation, ce qui donne un cap magnétique de 190° pour voler. En vol dans la région de Los Angeles, en Californie, la variation est de 14° Est. Pour y suivre un vrai cap de 180°, le pilote devrait soustraire la variation et suivre un cap magnétique de 166°. L'erreur de variation ne change pas avec le cap de l'avion ; il en est de même partout le long de la ligne isogonique.
Déviation Les aimants d'une boussole s'alignent sur n'importe quel champ magnétique. Certaines causes des champs magnétiques dans les avions incluent le courant électrique circulant, les pièces magnétisées et les conflits avec le champ magnétique terrestre. Ces champs magnétiques des avions créent une erreur de boussole appelée déviation.
La déviation, contrairement à la variation, dépend du cap de l'avion. Contrairement à la variation, l'emplacement géographique de l'avion n'affecte pas la déviation. Bien que personne ne puisse réduire ou modifier l'erreur de variation, un technicien de maintenance aéronautique (AMT) peut fournir les moyens de minimiser l'erreur de déviation en effectuant la tâche de maintenance connue sous le nom de "balancer la boussole".
Pour faire pivoter la boussole, un AMT positionne l'avion sur une série de caps connus, généralement à une rose des vents. [Figure 8-34] Une rose des vents consiste en une série de lignes marquées tous les 30° sur une rampe d'aéroport, orientées vers le nord magnétique. Il y a une interférence magnétique minimale à la rose des vents. Le pilote ou l'AMT, s'il y est autorisé, peut faire rouler l'aéronef jusqu'à la boussole et manœuvrer l'aéronef jusqu'aux caps prescrits par l'AMT.
Au fur et à mesure que l'avion est «pivoté» ou aligné sur chaque cap de la rose des vents, l'AMT ajuste l'ensemble compensateur situé en haut ou en bas du compas. L'ensemble compensateur a deux arbres dont les extrémités ont des fentes de tournevis accessibles depuis l'avant de la boussole. Chaque arbre fait tourner un ou deux petits aimants de compensation. L'extrémité d'un arbre est marquée EW et ses aimants affectent la boussole lorsque l'avion est pointé vers l'est ou l'ouest. L'autre arbre est marqué NS et ses aimants affectent la boussole lorsque l'avion est pointé vers le nord ou le sud.
Les ajustements positionnent les aimants de compensation pour minimiser la différence entre l'indication de la boussole et le cap magnétique réel de l'avion. L'AMT enregistre toute erreur restante sur une carte de correction de boussole comme celle de la Figure 8-35 et la place dans un support près de la boussole. Seuls les AMT peuvent ajuster la boussole ou compléter la carte de correction de la boussole. Les pilotes déterminent et volent les caps au compas en utilisant les erreurs de déviation notées sur la carte. Les pilotes doivent également noter l'utilisation de tout équipement provoquant des interférences magnétiques opérationnelles telles que les radios, l'équipement de dégivrage, la chaleur pitot, le radar ou la cargaison magnétique.
Les corrections de variation et de déviation doivent être appliquées dans le bon ordre comme indiqué ci-dessous, en partant de la trajectoire réelle souhaitée.
Erreurs de pendage Le champ magnétique de la Terre est parallèle à sa surface uniquement à l'équateur magnétique, qui est le point à mi-chemin entre les pôles magnétiques nord et sud. Au fur et à mesure que vous vous éloignez de l'équateur magnétique vers les pôles magnétiques, l'angle créé par l'attraction verticale du champ magnétique terrestre par rapport à la surface de la Terre augmente progressivement. Cet angle est appelé angle d'inclinaison. L'angle d'inclinaison augmente vers le bas lorsque vous vous déplacez vers le pôle nord magnétique et augmente vers le haut lorsque vous vous déplacez vers le pôle sud magnétique.
Si l'aiguille de la boussole était montée de manière à pouvoir pivoter librement en trois dimensions, elle s'alignerait sur le champ magnétique, pointant vers le haut ou vers le bas à l'angle d'inclinaison dans la direction du nord magnétique local. Étant donné que l'angle d'inclinaison n'a aucun intérêt pour la navigation, la boussole est conçue de manière à pouvoir tourner uniquement dans le plan horizontal. Cela se fait en abaissant le centre de gravité sous le point de pivot et en rendant l'ensemble suffisamment lourd pour que la composante verticale de la force magnétique soit trop faible pour l'incliner de manière significative hors du plan horizontal. La boussole peut alors fonctionner efficacement à toutes les latitudes sans compensation spécifique du pendage. Cependant, à proximité des pôles magnétiques, la composante horizontale du champ terrestre est trop faible pour aligner la boussole ce qui rend la boussole inutilisable pour la navigation. A cause de cette contrainte, la boussole n'indique correctement que si la carte est horizontale. Une fois incliné hors du plan horizontal, il sera affecté par la composante verticale du champ terrestre, ce qui conduit aux discussions suivantes sur les erreurs de virage vers le nord et le sud.
Erreurs de virage vers le nord Le centre de gravité de l'ensemble flotteur est situé plus bas que le point pivot. Lorsque l'avion tourne, la force qui résulte du creux magnétique fait osciller l'ensemble flotteur dans la même direction que le flotteur tourne. Le résultat est une fausse indication de virage vers le nord. En raison de cette avance de la boussole ou de l'assemblage du flotteur, un virage vers le nord doit être arrêté avant d'arriver au cap souhaité. Cette erreur de boussole est amplifiée avec la proximité de l'un ou l'autre des pôles magnétiques. Une règle empirique pour corriger cette erreur d'orientation est d'arrêter le virage à 15 degrés plus la moitié de la latitude (c'est-à-dire que si l'avion est exploité dans une position proche de 40 degrés de latitude, le virage doit être arrêté à 15 + 20 = 35 degrés avant le titre souhaité).
Erreurs de virage vers le sud Lors d'un virage vers le sud, les forces sont telles que le flotteur de la boussole est en retard plutôt qu'en avance. Le résultat est une fausse indication de virage vers le sud. La boussole, ou le flotteur, doit être autorisé à passer le cap souhaité avant d'arrêter le virage. Comme pour l'erreur nord, cette erreur est amplifiée avec la proximité de l'un ou l'autre des pôles magnétiques. Pour corriger cette erreur de retard, l'aéronef doit être autorisé à passer le cap souhaité avant d'arrêter le virage. La même règle de 15 degrés plus la moitié de la latitude s'applique ici (c'est-à-dire que si l'avion est exploité dans une position proche de 30 degrés de latitude, le virage doit être arrêté 15+15+30 degrés après avoir passé le cap souhaité).
Erreur d'accélération Le creux magnétique et les forces d'inertie provoquent des erreurs du compas magnétique lors de l'accélération et de la décélération sur les caps est et ouest. En raison du montage de type pendulaire, l'extrémité arrière de la boussole est inclinée vers le haut lors de l'accélération et vers le bas lors de la décélération lors des changements de vitesse. Lors d'une accélération sur un cap est ou ouest, l'erreur apparaît comme une indication de virage vers le nord. Lors d'une décélération sur l'un ou l'autre de ces caps, la boussole indique un virage vers le sud. Un mnémonique, ou aide-mémoire, pour l'effet de l'erreur d'accélération est le mot "ANDS" (AccelerationNorth/Deceleration-South) peut vous aider à vous souvenir de l'erreur d'accélération. L'accélération provoque une indication vers le nord ; la décélération provoque une indication vers le sud.
Erreur d' oscillation L'oscillation est une combinaison de toutes les erreurs mentionnées précédemment et entraîne une fluctuation de la boussole par rapport à la direction de cap réelle de l'avion. Lorsque vous réglez l'indicateur de cap gyroscopique pour qu'il concorde avec le compas magnétique, utilisez l'indication moyenne entre les oscillations.
La boussole magnétique à carte verticale
Le compas magnétique à carte verticale élimine certaines des erreurs et confusions rencontrées avec le compas magnétique. Le cadran de cette boussole est gradué avec des lettres représentant les directions cardinales, des chiffres tous les 30° et des graduations tous les 5°. Le cadran est tourné par un ensemble d'engrenages à partir de l'aimant monté sur l'arbre, et le nez de l'avion symbolique sur le verre de l'instrument représente la ligne de lubber pour lire le cap de l'avion à partir du cadran.
Retards ou avances Lorsque vous commencez un virage à partir d'un cap vers le nord, la boussole est en retard par rapport au virage. Lors du démarrage d'un virage à partir d'un cap vers le sud, la boussole mène le virage.
Amortissement des courants de Foucault Dans le cas d'un compas magnétique à carte verticale, le flux de l'aimant permanent oscillant produit des courants de Foucault dans un disque ou une coupelle d'amortissement. Le flux magnétique produit par les courants de Foucault s'oppose au flux de l'aimant permanent et diminue les oscillations.
