Instrumentos de voo giroscópicos

Vários instrumentos de voo utilizam as propriedades de um giroscópio para sua operação. Os instrumentos mais comuns que contêm giroscópios são o coordenador de curva, o indicador de rumo e o indicador de atitude. Para entender como esses instrumentos operam, é necessário conhecer os sistemas de potência dos instrumentos, os princípios giroscópicos e os princípios operacionais de cada instrumento.

Princípios giroscópicos 

Qualquer objeto giratório exibe propriedades giroscópicas. Uma roda ou rotor projetado e montado para utilizar essas propriedades é chamado de giroscópio. Duas características importantes do projeto de um giroscópio de instrumento são o grande peso para seu tamanho, ou alta densidade, e rotação em alta velocidade com rolamentos de baixo atrito.  

Existem dois tipos gerais de montagens; o tipo usado depende de qual propriedade do giroscópio é utilizada. Um giroscópio montado livremente ou universalmente é livre para girar em qualquer direção em torno de seu centro de gravidade. Diz-se que tal roda tem três planos de liberdade. A roda ou rotor é livre para girar em qualquer plano em relação à base e é balanceada para que, com a roda do giroscópio em repouso, permaneça na posição em que está colocada. Os giroscópios de montagem restrita ou semirrígida são aqueles montados de modo que um dos planos de liberdade seja mantido fixo em relação à base.

Existem duas propriedades fundamentais da ação giroscópica: rigidez no espaço e precessão.

Rigidez no Espaço 

A rigidez no espaço refere-se ao princípio de que um giroscópio permanece em uma posição fixa no plano em que está girando. Um exemplo de rigidez no espaço é o de uma roda de bicicleta. À medida que as rodas da bicicleta aumentam a velocidade, elas se tornam mais estáveis ​​em seu plano de rotação. É por isso que uma bicicleta é instável e manobrável em baixas velocidades e estável e menos manobrável em velocidades mais altas.

Ao montar esta roda, ou giroscópio, em um conjunto de anéis de cardan, o giroscópio é capaz de girar livremente em qualquer direção. Assim, se os anéis do cardan forem inclinados, torcidos ou movidos de outra forma, o giroscópio permanece no plano em que estava originalmente girando.

Precessão 

Precessão é a inclinação ou giro de um giroscópio em resposta a uma força defletiva. A reação a essa força não ocorre no ponto em que foi aplicada; em vez disso, ocorre em um ponto que está 90° mais adiante na direção de rotação. Este princípio permite que o giroscópio determine uma taxa de giro detectando a quantidade de pressão criada por uma mudança de direção. A taxa de precessão do giroscópio é inversamente proporcional à velocidade do rotor e proporcional à força defletiva. 

Usando o exemplo da bicicleta, a precessão atua nas rodas para permitir que a bicicleta gire. Durante a condução em velocidade normal, não é necessário girar o guidão na direção da curva desejada. Um cavaleiro simplesmente se inclina na direção que deseja ir. Como as rodas estão girando no sentido horário quando vistas do lado direito da bicicleta, se um ciclista se inclina para a esquerda, uma força é aplicada na parte superior da roda para a esquerda. A força realmente age 90° na direção de rotação, o que tem o efeito de aplicar uma força na frente do pneu, fazendo com que a bicicleta se mova para a esquerda. Há necessidade de girar o guidão em baixas velocidades por causa da instabilidade dos giroscópios de giro lento e também para aumentar a taxa de giro. 

A precessão também pode criar alguns pequenos erros em alguns instrumentos. A precessão pode fazer com que um giroscópio girando livremente se desloque de seu plano de rotação pretendido devido ao atrito do rolamento, etc. Certos instrumentos podem exigir realinhamento corretivo durante o vôo, como o indicador de rumo.  

Fontes de Poder 

Em algumas aeronaves, todos os giroscópios são operados a vácuo, pressão ou eletricamente. Em outras aeronaves, os sistemas de vácuo ou pressão fornecem energia para os indicadores de direção e atitude, enquanto o sistema elétrico fornece energia para o coordenador de curva. A maioria das aeronaves tem pelo menos duas fontes de energia para garantir que pelo menos uma fonte de informações bancárias esteja disponível se uma fonte de energia falhar. O sistema de vácuo ou pressão gira o giroscópio puxando uma corrente de ar contra as palhetas do rotor para girar o rotor em alta velocidade, bem como a operação de uma roda d'água ou turbina. A quantidade de vácuo ou pressão necessária para a operação do instrumento varia, mas geralmente está entre 4,5 "Hg e 5,5" Hg.  

Uma fonte de vácuo para os giroscópios é uma bomba acionada por motor tipo palheta que é montada na caixa de acessórios do motor. A capacidade da bomba varia em diferentes aeronaves, dependendo do número de giroscópios.

Um sistema de vácuo típico consiste em uma bomba de vácuo acionada pelo motor, válvula de alívio, filtro de ar, medidor e tubulação necessária para completar as conexões. O medidor é montado no painel de instrumentos da aeronave e indica a quantidade de pressão no sistema (o vácuo é medido em polegadas de mercúrio menor que a pressão ambiente). 

Conforme mostrado na Figura, o ar é puxado para o sistema de vácuo pela bomba de vácuo acionada pelo motor. Primeiro, ele passa por um filtro, que impede que materiais estranhos entrem no sistema de vácuo ou pressão. O ar então se move através dos indicadores de atitude e direção, onde faz com que os giroscópios girem. Uma válvula de alívio evita que a pressão de vácuo, ou sucção, exceda os limites prescritos. Depois disso, o ar é expelido para o mar ou usado em outros sistemas, como para inflar as botas pneumáticas de degelo.   

É importante monitorar a pressão de vácuo durante o voo, pois os indicadores de atitude e rumo podem não fornecer informações confiáveis ​​quando a pressão de sucção estiver baixa. O medidor de vácuo, ou sucção, geralmente é marcado para indicar a faixa normal. Algumas aeronaves são equipadas com uma luz de advertência que acende quando a pressão de vácuo cai abaixo do nível aceitável. 

Quando a pressão de vácuo cai abaixo da faixa operacional normal, os instrumentos giroscópicos podem se tornar instáveis ​​e imprecisos. A verificação cruzada dos instrumentos rotineiramente é um bom hábito a ser desenvolvido.

Indicadores de curva 

As aeronaves usam dois tipos de indicadores de direção: indicadores de giro e derrapagem e coordenadores de giro. Devido à maneira como o giroscópio é montado, o indicador de giro e deslizamento mostra apenas a taxa de giro em graus por segundo. O coordenador de curva é montado em ângulo, ou inclinado, para que possa mostrar inicialmente a taxa de rolagem. Quando a rolagem se estabiliza, indica a taxa de giro. Ambos os instrumentos indicam direção e qualidade de giro (coordenação), e também servem como fonte de backup de informações bancárias no caso de falha de um indicador de atitude. A coordenação é obtida por referência ao inclinômetro, que consiste em um tubo curvo cheio de líquido com uma bola dentro. 

Indicador de giro e deslizamento 

O giroscópio no indicador de giro e derrapagem gira no plano vertical correspondente ao eixo longitudinal da aeronave. Um único gimbal limita os planos em que o giroscópio pode se inclinar e uma mola funciona para manter uma posição central. Por causa da precessão, uma força de guinada faz com que o giroscópio se incline para a esquerda ou para a direita, visto do assento do piloto. O indicador de giro e deslizamento usa um ponteiro, chamado de agulha de giro, para mostrar a direção e a taxa de giro. O indicador de giro e deslizamento é incapaz de “cair” para fora de seu eixo de rotação por causa das molas de restrição. Quando forças extremas são aplicadas a um giroscópio, o giroscópio é deslocado de seu plano normal de rotação, tornando suas indicações inválidas. Certos instrumentos têm limites específicos de afinação e inclinação que induzem uma queda do giroscópio.  

Coordenador de Turno 

O gimbal no coordenador de giro está inclinado; portanto, seu giroscópio pode detectar tanto a taxa de rolagem quanto a taxa de giro. Como os coordenadores de turno são mais prevalentes em aeronaves de treinamento, esta discussão se concentra nesse instrumento. Ao entrar ou sair de uma curva, a aeronave em miniatura inclina-se na direção em que a aeronave é rolada. Uma taxa de rolagem rápida faz com que a aeronave em miniatura incline mais abruptamente do que uma taxa de rolagem lenta. 

O coordenador de curva pode ser usado para estabelecer e manter uma curva de taxa padrão, alinhando a asa da aeronave em miniatura com o índice de curva. A figura mostra uma foto de um coordenador de turno. Existem duas marcas em cada lado (esquerdo e direito) da face do instrumento. A primeira marca é usada para referenciar uma taxa de giro do nível zero das asas. A segunda marca no lado esquerdo e direito do instrumento serve para indicar uma taxa de giro padrão. Uma curva de taxa padrão é definida como uma taxa de curva de 3° por segundo. O coordenador de curva indica apenas a razão e direção da curva; ele não exibe um ângulo específico de inclinação. 

Inclinômetro 

O inclinômetro é usado para representar a guinada da aeronave, que é o movimento lateral do nariz da aeronave. Durante o vôo coordenado, reto e nivelado, a força da gravidade faz com que a bola repouse na parte mais baixa do tubo, centrada entre as linhas de referência. O vôo coordenado é mantido mantendo a bola centrada. Se a bola não estiver centralizada, ela pode ser centralizada usando o leme. 

Para centralizar a bola, aplique pressão do leme no lado para o qual a bola é desviada. Use a regra simples, “pise na bola”, para lembrar qual pedal de leme pressionar. Se o aileron e o leme estiverem coordenados durante uma curva, a bola permanece centrada no tubo. Se as forças aerodinâmicas estiverem desequilibradas, a bola se afasta do centro do tubo. Conforme mostrado na Figura, em um deslizamento, a taxa de giro é muito lenta para o ângulo de inclinação e a bola se move para o interior da curva. Em uma derrapagem, a taxa de giro é muito grande para o ângulo de inclinação e a bola se move para fora da curva. Para corrigir essas condições e melhorar a qualidade da curva, lembre-se de “pisar na bola”. Variar o ângulo de inclinação também pode ajudar a restaurar o voo coordenado de um deslizamento ou derrapagem. Para corrigir um deslize, diminua a inclinação e/ou aumente a taxa de giro. 

Corda de guinada 

Uma ferramenta adicional que pode ser adicionada à aeronave é uma corda de guinada. Uma corda de guinada é simplesmente uma corda ou pedaço de fio preso ao centro da tela de vento. Quando em voo coordenado, a corda é puxada para trás por cima do pára-brisas. Quando a aeronave está escorregando ou derrapando, a corda de guinada se move para a direita ou para a esquerda, dependendo da direção do escorregamento ou derrapagem.

Verificação do Instrumento Durante o pré-voo, certifique-se de que o inclinômetro esteja cheio de fluido e sem bolhas de ar. A bola também deve estar em seu ponto mais baixo. Ao taxiar, o coordenador de curva deve indicar uma curva na direção correta enquanto a bola se move na direção oposta à da curva.  

Indicador de atitude 

O indicador de atitude, com sua aeronave em miniatura e barra de horizonte, exibe uma imagem da atitude da aeronave. A relação da aeronave em miniatura com a barra do horizonte é a mesma que a relação da aeronave real com o horizonte real. O instrumento fornece uma indicação instantânea até mesmo das menores mudanças de atitude.  

O giroscópio no indicador de atitude é montado em um plano horizontal e depende da rigidez do espaço para sua operação. A barra do horizonte representa o verdadeiro horizonte. Esta barra é fixada ao giroscópio e permanece em um plano horizontal conforme a aeronave é inclinada ou inclinada em torno de seu eixo lateral ou longitudinal, indicando a atitude da aeronave em relação ao horizonte verdadeiro.

O giroscópio gira no plano horizontal e resiste à deflexão do caminho de rotação. Como o giroscópio depende da rigidez no espaço, a aeronave gira em torno do giroscópio. 

Um botão de ajuste é fornecido com o qual o piloto pode mover a aeronave em miniatura para cima ou para baixo para alinhar a aeronave em miniatura com a barra do horizonte para se adequar à linha de visão do piloto. Normalmente, a aeronave em miniatura é ajustada de forma que as asas se sobreponham à barra do horizonte quando a aeronave está em vôo de cruzeiro reto e nivelado. 

Os limites de afinação e inclinação dependem da marca e modelo do instrumento. Os limites no plano de inclinação são geralmente de 100° a 110°, e os limites de inclinação são geralmente de 60° a 70°. Se um dos limites for excedido, o instrumento cairá ou derramará e dará indicações incorretas até que seja realinhado. Vários indicadores de atitude modernos não caem. 

Todo piloto deve ser capaz de interpretar a escala bancária ilustrada na Figura. A maioria dos indicadores de escala de inclinação na parte superior do instrumento se move na mesma direção em que a aeronave está realmente inclinada. Alguns outros modelos se movem na direção oposta daquela em que a aeronave está realmente inclinada. Isso pode confundir o piloto se o indicador for usado para determinar a direção do banco. Esta escala deve ser utilizada apenas para controlar o grau de inclinação desejado. A relação da aeronave em miniatura com a barra do horizonte deve ser usada para uma indicação da direção do banco. O indicador de atitude é confiável e o instrumento de voo mais realista do painel de instrumentos. Suas indicações são aproximações muito próximas da atitude real da aeronave.

Indicador de rumo 

O indicador de rumo é fundamentalmente um instrumento mecânico projetado para facilitar o uso da bússola magnética. Os erros na bússola magnética são numerosos, tornando o vôo reto e as curvas de precisão para os rumos difíceis de realizar, particularmente em ar turbulento. Um indicador de rumo, no entanto, não é afetado pelas forças que dificultam a interpretação da bússola magnética.

A operação do indicador de rumo depende do princípio de rigidez no espaço. O rotor gira em um plano vertical e fixado ao rotor está uma bússola. Como o rotor permanece rígido no espaço, os pontos no cartão mantêm a mesma posição no espaço em relação ao plano vertical do giroscópio. A aeronave realmente gira em torno do giroscópio giratório, e não o contrário. À medida que a caixa do instrumento e a aeronave giram em torno do eixo vertical do giroscópio, o cartão fornece informações de rumo claras e precisas.

Por causa da precessão causada pelo atrito, o indicador de rumo se arrasta ou se desvia de sua posição definida. Entre outros fatores, a quantidade de desvio depende em grande parte da condição do instrumento. Se os rolamentos estiverem gastos, sujos ou lubrificados incorretamente, o desvio pode ser excessivo. Outro erro no indicador de rumo é causado pelo fato de que o giroscópio está orientado no espaço e a Terra gira no espaço a uma taxa de 15° em 1 hora. Assim, descontando a precessão causada pelo atrito, o indicador de rumo pode indicar até 15° de erro por cada hora de operação. 

Alguns indicadores de rumo referidos como indicadores de situação horizontal (HSI) recebem uma referência de norte magnético de um transmissor de escravização magnética e geralmente não precisam de ajuste. O transmissor escravo magnético é chamado de magnetômetro. 

Sistema de Referência de Atitude e Direção (AHRS) 

Os monitores eletrônicos de voo substituíram os giroscópios de giro livre por sistemas de laser de estado sólido que são capazes de voar em qualquer atitude sem cair. Essa capacidade é resultado do desenvolvimento do Sistema de Referência de Atitude e Rumo (AHRS).   

O AHRS envia informações de atitude ao PFD para gerar as informações de inclinação e inclinação do indicador de atitude. As informações de rumo são derivadas de um magnetômetro que detecta as linhas de fluxo magnético da Terra. Essas informações são então processadas e enviadas ao PFD para gerar a exibição de rumo.

O sistema de bússola de portão de fluxo 

Como mencionado anteriormente, as linhas de fluxo no campo magnético da Terra têm duas características básicas: um ímã se alinha com elas e uma corrente elétrica é induzida, ou gerada, em qualquer fio atravessado por elas.  

A bússola de fluxo que aciona os giroscópios escravizados usa a característica de indução de corrente. A válvula de fluxo é um pequeno anel segmentado, como o da Figura, feito de ferro macio que aceita prontamente linhas de fluxo magnético. Uma bobina elétrica é enrolada em cada uma das três pernas para aceitar a corrente induzida neste anel pelo campo magnético da Terra. Uma bobina enrolada em torno do espaçador de ferro no centro da estrutura tem corrente alternada (AC) de 400 Hz fluindo através dela. Nos momentos em que essa corrente atinge seu pico, duas vezes em cada ciclo, há tanto magnetismo produzido por essa bobina que o quadro não consegue aceitar as linhas de fluxo do campo da Terra. 

À medida que a corrente inverte entre os picos, ela desmagnetiza o quadro para que ele possa aceitar o fluxo do campo da Terra. À medida que esse fluxo corta os enrolamentos nas três bobinas, faz com que a corrente flua neles. Essas três bobinas são conectadas de tal forma que a corrente que flui nelas muda conforme o rumo da aeronave muda.

As três bobinas são conectadas a três bobinas semelhantes, porém menores, em um sincronismo dentro da caixa do instrumento. O sincronizador gira o mostrador de um indicador magnético de rádio (RMI) ou um HSI.

Bússola de Indicação Remota 

As bússolas de indicação remota foram desenvolvidas para compensar os erros e limitações do tipo mais antigo de indicadores de rumo. Os dois componentes montados em painel de um sistema típico são o indicador de navegação pictórico e o controle escravo e a unidade compensadora. O indicador de navegação pictórico é comumente referido como um HSI.  

A unidade de controle e compensador escravo possui um botão de pressão que fornece um meio de selecionar o modo “giroscópio escravo” ou “giroscópio livre”. Esta unidade também possui um medidor de escravo e dois botões de direção manual. O medidor escravo indica a diferença entre o rumo exibido e o rumo magnético. Uma deflexão à direita indica um erro no sentido horário da bússola; uma deflexão à esquerda indica um erro no sentido anti-horário. Sempre que a aeronave está em uma curva e o cartão gira, o medidor escravo mostra uma deflexão total para um lado ou para o outro. Quando o sistema está no modo “giro livre”, o cartão da bússola pode ser ajustado pressionando o botão de direção de direção apropriado.

Uma unidade separada, o transmissor de escravização magnética, é montada remotamente, geralmente em uma ponta de asa para eliminar a possibilidade de interferência magnética. Ele contém a válvula de fluxo, que é o dispositivo de detecção de direção do sistema. Uma concentração de linhas de força magnética, depois de amplificada, torna-se um sinal retransmitido para a unidade indicadora de rumo, que também é montada remotamente. Este sinal opera um motor de torque na unidade indicadora de rumo que processa a unidade giroscópica até que esteja alinhada com o sinal do transmissor. O transmissor escravo magnético é conectado eletricamente ao HSI. 

Existem vários modelos de bússola de indicação remota; portanto, apenas os recursos básicos do sistema são abordados aqui. Os pilotos de instrumentos devem se familiarizar com as características dos equipamentos de suas aeronaves. 

À medida que os painéis de instrumentos ficam mais lotados e o tempo de varredura disponível do piloto é reduzido por uma carga de trabalho mais pesada na cabine de comando, os fabricantes de instrumentos têm trabalhado para combinar instrumentos. Um bom exemplo disso é o RMI na Figura. O cartão da bússola é acionado por sinais da válvula de fluxo e os dois ponteiros são acionados por um localizador automático de direção (ADF) e um alcance de rádio omnidirecional (VOR) de frequência muito alta (VHF).    

Os indicadores de rumo que não possuem esse recurso automático de busca do norte são chamados de giroscópios “livres” e requerem ajustes periódicos. É importante verificar as indicações com frequência (aproximadamente a cada 15 minutos) e redefinir o indicador de rumo para alinhá-lo com a bússola magnética quando necessário. Ajuste o indicador de rumo para o rumo da bússola magnética quando a aeronave estiver reta e nivelada a uma velocidade constante para evitar erros de bússola.

Os limites de inclinação e inclinação do indicador de rumo variam de acordo com o design e a marca do instrumento. Em alguns indicadores de rumo encontrados em aeronaves leves, os limites são de aproximadamente 55° de inclinação e 55° de inclinação lateral. Quando um desses limites de atitude é excedido, o instrumento “cai” ou “derrame” e não dá mais a indicação correta até o reset. Após derramar, pode ser reiniciado com o botão de enjaulamento. Muitos dos instrumentos modernos usados ​​são projetados de tal maneira que não caem. 

Um erro de precessão adicional pode ocorrer devido a um giroscópio não girar rápido o suficiente para manter seu alinhamento. Quando o sistema de vácuo para de produzir sucção adequada para manter a velocidade do giroscópio, o indicador de rumo e os giroscópios do indicador de atitude começam a desacelerar. À medida que diminuem, tornam-se mais suscetíveis à deflexão do plano de rotação. Algumas aeronaves possuem luzes de advertência para indicar que ocorreu uma situação de baixo vácuo. Outras aeronaves podem ter apenas um medidor de vácuo que indica a sucção. 

Verificação do instrumento À medida que o giroscópio avança, certifique-se de que não haja sons anormais. Durante o taxiamento, o instrumento deve indicar curvas na direção correta e a precessão deve ser normal. Em configurações de potência ociosas, os instrumentos giroscópicos que usam o sistema de vácuo podem não atingir as velocidades de operação e a precessão pode ocorrer mais rapidamente do que durante o vôo.