Instruments de vol gyroscopiques

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 gyroscope. Deux caractéristiques de conception importantes d'un gyroscope d'instrument sont un poids élevé 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 utilisée. Un gyroscope monté librement ou universellement est libre de tourner dans n'importe quelle direction autour de son centre de gravité. On dit qu'une telle roue possède trois plans de liberté. La roue ou rotor est libre de tourner dans n'importe quel plan par rapport à la base et est équilibré de sorte que, roue gyroscopique au repos, il reste dans la position dans laquelle il est placé. Les gyroscopes à montage restreint ou semi-rigide sont ceux montés de manière à ce que l'un des plans de liberté soit 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. Au fur et à mesure que les roues du vélo augmentent de vitesse, elles deviennent plus stables dans leur plan de rotation. C'est pourquoi un vélo est instable et maniable à basse vitesse et stable et moins maniable à vitesse élevée.

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 du cardan sont inclinés, tordus ou déplacés d'une autre manière, le gyroscope reste dans le plan dans lequel il tournait à l'origine.

Précession 

La précession est l'inclinaison 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 ; il se produit plutôt à un point situé à 90° plus tard dans le sens de la rotation. Ce principe permet au gyroscope de déterminer un taux de virage 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. 

En prenant l'exemple du vélo, la précession agit sur les roues pour permettre au vélo de tourner. Lorsque vous roulez à vitesse normale, il n'est pas nécessaire de tourner le guidon dans le sens du virage souhaité. Un cycliste se penche simplement dans la direction qu'il souhaite prendre. Étant donné que les roues tournent dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'elles sont vues du côté droit du vélo, si un cycliste se penche vers la gauche, une force est appliquée sur le haut de la roue vers la gauche. La force agit en fait à 90° dans le sens de rotation, ce qui a pour effet d'appliquer une force à l'avant du pneu, provoquant un déplacement du vélo vers la gauche. Il est nécessaire de tourner le guidon à basse vitesse en raison de l'instabilité des gyroscopes tournant lentement et également d'augmenter le taux de virage. 

La précession peut également créer des erreurs mineures dans certains instruments. La précession peut entraîner le déplacement d'un gyroscope en rotation libre 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 fonctionnent sous vide, sous pression ou électriquement. Dans d'autres aéronefs, les systèmes de vide ou de pression fournissent l'alimentation des indicateurs de cap et d'attitude, tandis que le système électrique fournit l'alimentation du coordinateur de virage. La plupart des avions ont au moins deux sources d'alimentation pour garantir qu'au moins une source d'informations bancaires est disponible en cas de panne d'une source d'alimentation. Le système de vide ou de pression fait tourner le gyroscope en aspirant un flux d'air contre les aubes du rotor pour faire tourner le rotor à grande vitesse, un peu comme le fonctionnement d'une roue hydraulique ou d'une turbine. La quantité de vide ou de pression requise pour le 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 moteur 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 gyroscopes.

Un système de vide typique se compose d'une pompe à vide entraînée par moteur, d'une soupape de décharge, d'un filtre à air, d'une jauge et des tubes nécessaires pour compléter 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, l'air est aspiré dans le système de 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 de vide ou de pression. L'air se déplace ensuite à travers les indicateurs d'assiette et de cap où il fait tourner les gyroscopes. Une soupape de décharge 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 le gonflage des 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 d'informations 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 voyant d'avertissement qui s'allume lorsque la pression du vide descend en dessous du niveau acceptable. 

Lorsque la pression du vide tombe en dessous de la plage de fonctionnement normale, les instruments gyroscopiques peuvent devenir instables et imprécis. Le recoupement systématique des instruments est une bonne habitude à développer.

Clignotants 

Les aéronefs utilisent deux types d'indicateurs de virage : les indicateurs de virage et de dérapage et les coordonnateurs de virage. En raison de la façon dont le gyroscope est monté, l'indicateur de virage et de glissement affiche uniquement le taux de virage en degrés par seconde. Le coordinateur de virage est monté à un angle, ou incliné, de sorte qu'il peut initialement afficher le taux de roulis. Lorsque le roulis se stabilise, il indique le taux de virage. Les deux instruments indiquent la direction et la qualité du virage (coordination) et servent également de source de sauvegarde des informations bancaires en cas de défaillance d'un indicateur d'assiette. La coordination est obtenue en se référant à l'inclinomètre, qui consiste en un tube incurvé rempli de liquide avec une boule à l'intérieur. 

Indicateur de virage et de dérapage 

Le gyroscope de l'indicateur de virage et de dérapage tourne dans le plan vertical correspondant à l'axe longitudinal de l'avion. Un seul cardan limite les plans dans lesquels le gyroscope peut s'incliner, et un ressort fonctionne pour maintenir une position centrale. En raison de la précession, une force de lacet fait basculer le gyroscope vers la gauche ou vers la droite, vu du siège du pilote. L'indicateur de virage et de glissement utilise un pointeur, appelé aiguille de virage, pour indiquer la direction et le taux de virage. L'indicateur de virage et de glissement est incapable de "tomber" hors de son axe de rotation à cause des ressorts de retenue. Lorsque des forces extrêmes sont appliquées à un gyroscope, le gyroscope est déplacé de son plan de rotation normal, rendant ses indications invalides. Certains instruments ont des limites de hauteur et d'inclinaison spécifiques qui induisent une chute du gyroscope.  

Coordinateur de virage 

Le cardan dans le coordinateur de virage est incliné; par conséquent, son gyroscope peut détecter à la fois le taux de roulis et le taux de virage. Étant donné que les coordonnateurs de virage sont plus répandus dans les avions d'entraînement, cette discussion se concentre sur cet instrument. Lors du roulement dans ou hors d'un virage, l'avion miniature s'incline dans la direction dans laquelle l'avion est roulé. Un taux de roulis rapide fait que l'avion miniature s'incline plus fortement qu'un taux de roulis lent. 

Le coordinateur de virage peut être utilisé pour établir et maintenir un virage au taux standard en alignant l'aile de l'avion miniature avec l'indice de virage. La figure montre une image d'un coordinateur de virage. Il y a deux marques de chaque côté (gauche et droite) de la face de l'instrument. La première marque est utilisée pour référencer un taux de virage zéro des ailes. La deuxième marque sur les côtés gauche et droit de l'instrument sert à indiquer un taux de virage standard. Un virage au taux standard est défini comme un taux de virage de 3° par seconde. Le coordinateur de virage indique uniquement le taux et la direction du virage; il n'affiche pas d'angle d'inclinaison spécifique. 

Inclinomètre 

L'inclinomètre est utilisé pour représenter le lacet de l'avion, qui est le mouvement latéral du nez de l'avion. Lors d'un vol coordonné en ligne droite et en palier, la force de gravité fait reposer la balle dans la partie la plus basse du tube, centrée entre les lignes de référence. Le vol coordonné est maintenu en gardant la balle centrée. Si la boule n'est pas centrée, elle peut être centrée en utilisant le gouvernail. 

Pour centrer la balle, appliquez une pression sur le gouvernail du côté vers lequel la balle est déviée. Utilisez la règle simple, "marchez sur la balle", pour vous rappeler sur quelle pédale de gouvernail appuyer. Si aileron et gouverne de direction sont coordonnés lors d'un virage, la bille reste centrée dans le tube. Si les forces aérodynamiques sont déséquilibrées, la balle s'éloigne du centre du tube. Comme le montre la figure, dans une glissade, le taux de virage est trop lent pour l'angle d'inclinaison et la balle se déplace vers l'intérieur du virage. Dans un dérapage, le taux de virage est trop grand pour l'angle d'inclinaison et la balle se déplace vers l'extérieur du virage. Pour corriger ces conditions et améliorer la qualité du virage, n'oubliez pas de "marcher sur le ballon". La variation de l'angle d'inclinaison peut également aider à rétablir un vol coordonné après une glissade ou un dérapage. Pour corriger une glissade, diminuez l'inclinaison et/ou augmentez le taux de virage. 

Corde de lacet 

Un outil supplémentaire qui peut être ajouté à l'avion est une corde de lacet. Une ficelle de lacet est simplement une ficelle ou un morceau de fil attaché au centre du pare-vent. En vol coordonné, la ficelle remonte directement au-dessus du pare-brise. Lorsque l'avion glisse ou dérape, la corde de lacet se déplace vers la droite ou vers la gauche selon la direction du glissement ou du dérapage.

Vérification des instruments Avant le vol, assurez-vous que l'inclinomètre est rempli de liquide et qu'il ne contient pas de bulles d'air. La balle doit également reposer à son point le plus bas. Lors du roulage, le coordinateur de virage doit indiquer un virage dans la bonne direction tandis que la balle se déplace dans le sens opposé au virage.  

Indicateur d'attitude 

L'indicateur d'attitude, avec son avion miniature et sa barre d'horizon, affiche une image de l'attitude de l'avion. La relation entre l'avion miniature et la barre d'horizon est la même que la relation entre l'avion réel et l'horizon réel. L'instrument donne une indication instantanée même des plus petits changements d'attitude.  

Le gyroscope de l'indicateur d'attitude est monté dans un plan horizontal et dépend de la rigidité dans l'espace pour son fonctionnement. La barre d'horizon représente l'horizon réel. Cette barre est fixée au gyroscope et reste dans un plan horizontal lorsque l'aéronef est cabré ou incliné autour de son axe latéral ou longitudinal, indiquant l'attitude de l'aéronef par rapport à l'horizon vrai.

Le gyroscope tourne dans le plan horizontal et résiste à la déviation de la trajectoire de rotation. Étant donné que le gyroscope repose sur la rigidité dans l'espace, l'avion tourne en fait autour du gyroscope en rotation. 

Un bouton de réglage est fourni avec lequel le pilote peut déplacer l'avion miniature vers le haut ou vers le bas pour aligner l'avion miniature avec la barre d'horizon pour s'adapter à la ligne de vision du pilote. Normalement, l'avion miniature est ajusté de manière à ce que les ailes chevauchent la barre d'horizon lorsque l'avion est en vol de croisière rectiligne et horizontal. 

Les limites de hauteur et d'inclinaison dépendent de la marque et du modèle de l'instrument. Les limites dans le plan d'inclinaison sont généralement de 100° à 110°, et les limites de tangage sont généralement de 60° à 70°. Si l'une ou l'autre des limites est dépassée, l'instrument culbutera ou se renversera et donnera des indications incorrectes jusqu'à ce qu'il soit réaligné. Un certain nombre d'indicateurs d'attitude modernes ne tombent pas. 

Chaque pilote doit être capable d'interpréter l'échelle bancaire illustrée sur la figure. La plupart des indicateurs d'échelle d'inclinaison sur le dessus de l'instrument se déplacent dans la même direction que celle dans laquelle l'avion est réellement incliné. Certains autres modèles se déplacent dans la direction opposée à celle dans laquelle l'avion est réellement incliné. Cela peut dérouter le pilote si l'indicateur est utilisé pour déterminer la direction de l'inclinaison. Cette échelle ne doit être utilisée que pour contrôler le degré d'inclinaison souhaité. La relation entre l'avion miniature et la barre d'horizon doit être utilisée pour indiquer la direction de l'inclinaison. L'indicateur d'assiette est fiable et l'instrument de vol le plus réaliste du tableau de bord. Ses indications sont des approximations très proches de l'assiette réelle de l'avion.

Indicateur de cap 

L'indicateur de cap est fondamentalement un instrument mécanique conçu pour faciliter l'utilisation du compas magnétique. Les erreurs du compas magnétique sont nombreuses, rendant le vol rectiligne et les virages de précision vers les caps difficiles à accomplir, en particulier en air turbulent. Un indicateur de cap, cependant, n'est pas affecté par les forces qui rendent le compas magnétique difficile à interpréter.

Le fonctionnement de l'indicateur de cap dépend du principe de rigidité dans l'espace. Le rotor tourne dans un plan vertical et fixé au rotor est une rose des vents. Le rotor restant rigide dans l'espace, les points de la carte occupent la même position dans l'espace par rapport au plan vertical du gyroscope. L'avion tourne en fait autour du gyroscope rotatif, et non l'inverse. Comme le boîtier de l'instrument et l'avion tournent autour de l'axe vertical du gyroscope, la carte fournit des informations de cap claires et précises.

En raison de la précession causée par le frottement, l'indicateur de cap glisse ou dérive de sa position définie. Entre autres facteurs, la quantité de dérive dépend largement de l'état de l'instrument. Si les roulements sont usés, sales ou mal lubrifiés, la dérive peut être excessive. Une autre erreur dans l'indicateur de cap est causée par le fait que le gyroscope est orienté dans l'espace et que la Terre tourne dans l'espace à une vitesse de 15° en 1 heure. Ainsi, compte tenu de la précession causée par le frottement, l'indicateur de cap peut indiquer jusqu'à 15° d'erreur par heure de fonctionnement. 

Certains indicateurs de cap appelés indicateurs de situation horizontale (HSI) reçoivent une référence au nord magnétique d'un émetteur d'asservissement magnétique et ne nécessitent généralement aucun réglage. L'émetteur d'asservissement magnétique est appelé magnétomètre. 

Système de référence d'attitude et de cap (AHRS) 

Les écrans de vol électroniques ont remplacé les gyroscopes à rotation libre par des systèmes laser à semi-conducteurs capables de voler à n'importe quelle attitude sans culbuter. Cette capacité est le résultat du développement du système de référence d'attitude et de cap (AHRS).   

L'AHRS envoie des informations d'attitude au PFD afin de générer les informations de tangage et d'inclinaison de l'indicateur d'attitude. Les informations de cap proviennent d'un magnétomètre qui détecte les lignes de flux magnétique de la Terre. Ces informations sont ensuite traitées et envoyées au PFD pour générer l'affichage du cap.

Le système Flux Gate Compass 

Comme mentionné précédemment, les lignes de flux dans le champ magnétique terrestre ont deux caractéristiques fondamentales : un aimant s'aligne avec elles et un courant électrique est induit ou généré dans tout fil traversé par elles.  

Le compas flux gate qui pilote les gyroscopes asservis utilise la caractéristique d'induction de courant. La vanne de flux est un petit anneau segmenté, comme celui de la figure, en fer doux qui accepte facilement les lignes de flux magnétique. Une bobine électrique est enroulée autour de chacune des trois pattes pour accepter le courant induit dans cet anneau par le champ magnétique terrestre. Une bobine enroulée autour de l'entretoise en fer au centre du cadre est parcourue par un courant alternatif (CA) de 400 Hz. Pendant les périodes où ce courant atteint son maximum, deux fois au cours de chaque cycle, il y a tellement de magnétisme produit par cette bobine que le châssis ne peut pas accepter les lignes de flux du champ terrestre. 

Lorsque le courant s'inverse entre les pics, il démagnétise le cadre afin qu'il puisse accepter le flux du champ terrestre. Lorsque ce flux traverse les enroulements des trois bobines, il fait circuler le courant dans celles-ci. Ces trois bobines sont connectées de manière à ce que le courant qui les traverse change lorsque le cap de l'avion change.

Les trois bobines sont connectées à trois bobines similaires mais plus petites dans une synchro à l'intérieur du boîtier de l'instrument. La synchro fait tourner le cadran d'un indicateur radio magnétique (RMI) ou d'un HSI.

Boussole à distance 

Des boussoles d'indication à distance ont été développées pour compenser les erreurs et les limites de l'ancien type d'indicateurs de cap. Les deux composants montés sur panneau d'un système typique sont l'indicateur de navigation illustré et l'unité de commande et de compensation d'asservissement. L'indicateur de navigation illustré est communément appelé HSI.  

Le boîtier de commande et de compensation d'asservissement dispose d'un bouton poussoir qui permet de sélectionner soit le mode « gyroscope asservi », soit le mode « gyroscope libre ». Cet appareil dispose également d'un compteur d'asservissement et de deux boutons d'entraînement manuel du cap. Le compteur d'asservissement indique la différence entre le cap affiché et le cap magnétique. Une déviation vers la droite indique une erreur dans le sens des aiguilles d'une montre de la rose des vents ; une déviation vers la gauche indique une erreur dans le sens antihoraire. Chaque fois que l'avion est dans un virage et que la carte tourne, le compteur d'asservissement indique une déviation complète d'un côté ou de l'autre. Lorsque le système est en mode « gyroscope libre », la boussole peut être ajustée en appuyant sur le bouton de commande de cap approprié.

Une unité séparée, l'émetteur d'asservissement magnétique, est montée à distance, généralement dans un bout d'aile pour éliminer la possibilité d'interférences magnétiques. Il contient la vanne de flux, qui est le dispositif de détection de direction du système. Une concentration de lignes de force magnétique, après avoir été amplifiée, devient un signal relayé à l'unité d'indicateur de cap, qui est également montée à distance. Ce signal actionne un moteur couple dans l'unité d'indicateur de cap qui traite l'unité gyroscopique jusqu'à ce qu'elle soit alignée avec le signal de l'émetteur. L'émetteur d'asservissement magnétique est relié électriquement au HSI. 

Il existe un certain nombre de modèles de boussole indiquant à distance; par conséquent, seules les fonctionnalités de base du système sont couvertes ici. Les pilotes aux instruments doivent se familiariser avec les caractéristiques de l'équipement de leur aéronef. 

Alors que les tableaux de bord deviennent plus encombrés et que le temps de balayage disponible du pilote est réduit par une charge de travail plus lourde dans le poste de pilotage, les fabricants d'instruments ont travaillé à combiner les instruments. Un bon exemple de cela est le RMI dans la figure. La boussole est pilotée par les signaux de la vanne de flux, et les deux pointeurs sont pilotés par un radiogoniomètre automatique (ADF) et une portée radio omnidirectionnelle (VOR) à très haute fréquence (VHF).    

Les indicateurs de cap qui n'ont pas cette capacité de recherche automatique du nord sont appelés gyroscopes "libres" et nécessitent un ajustement périodique. Il est important de vérifier fréquemment les indications (environ toutes les 15 minutes) et de réinitialiser l'indicateur de cap pour l'aligner avec le compas magnétique lorsque cela est nécessaire. Réglez l'indicateur de cap sur le cap du compas magnétique lorsque l'avion est droit et horizontal à une vitesse constante pour éviter les erreurs de compas.

Les limites d'inclinaison et de tangage de l'indicateur de cap varient selon la conception et la marque particulières de l'instrument. Sur certains indicateurs de cap trouvés dans les avions légers, les limites sont d'environ 55° de tangage et 55° d'inclinaison. Lorsque l'une ou l'autre de ces limites d'attitude est dépassée, l'instrument « culbute » ou « se renverse » et ne donne plus l'indication correcte jusqu'à ce qu'il soit réinitialisé. Après avoir renversé, il peut être réinitialisé avec le bouton de mise en cage. La plupart des instruments modernes utilisés sont conçus de manière à ne pas tomber. 

Une erreur de précession supplémentaire peut se produire en raison d'un gyroscope qui ne tourne pas assez vite pour maintenir son alignement. Lorsque le système d'aspiration cesse de produire une aspiration suffisante pour maintenir la vitesse du gyroscope, l'indicateur de cap et les gyroscopes de l'indicateur d'attitude commencent à ralentir. Au fur et à mesure qu'ils ralentissent, ils deviennent plus sensibles à la déviation du plan de rotation. Certains aéronefs ont des voyants d'avertissement pour indiquer qu'une situation de vide faible s'est produite. D'autres aéronefs peuvent n'avoir qu'une jauge à vide qui indique l'aspiration. 

Vérification de l'instrument Pendant que le gyroscope s'enroule, assurez-vous qu'il n'y a pas de sons anormaux. Pendant le roulage, l'instrument doit indiquer les virages dans la bonne direction et la précession doit être normale. Aux réglages de puissance au ralenti, les instruments gyroscopiques utilisant le système de vide peuvent ne pas être à la hauteur des vitesses de fonctionnement et la précession peut se produire plus rapidement que pendant le vol.