Kunstig horisont
En kunstig horisont ( engelsk kunstig horisont eller gyrohorisont , også holdningsindikator ) erstatter den naturlige horisonten hvis denne ikke er synlig eller hvis den romlige posisjonen skal måles. Fremfor alt er det behov for kunstige horisonter
- i luftfart (spesielt for klatring, nedstigning og sving ),
- for stabilisering av chassis eller kjøretøy,
- i stabilisering av kameraer, skannere og målenheter,
- i overvåking og kontroll av anleggsmaskiner ,
- innen aktiv vippteknologi for jernbanevogner og spormåling,
- når du sentrerer GPS og andre radioantenner.
Mange beregninger for posisjonsbestemmelse , som tidligere krevde en kunstig horisont, blir nå erstattet av GNSS- satellittundersøkelser. Ved å gjøre dette, er imidlertid forholdet til jordens tyngdefelt og det jordbaserte høydesystemet tapt, noe som må tas i betraktning når den nøyaktige plasseringen bestemmes.
Måleprinsipper
Den instrumentelle representasjonen av horisonten kan enten være statisk eller dynamisk.
Dynamisk måling
Den absolutte høydevinkelen kan ikke bestemmes på denne måten på bevegelige bæresystemer som fly, biler, jernbanevogner og skip eller for eksempel svingende konstruksjoner som broer, kraner etc., siden det ikke er mulig å skille mellom akselerasjonen på grunn av tyngdekraften og den sentripetale akselerasjonen til den bevegelige bæreren. Ved bevegelige gjenstander er slike enheter utsatt for treghetskraften som følge av akselerasjonen (som viser seg som sentrifugalkraft med sirkelbevegelser ) og viser ikke den faktiske vertikale, men den tilsynelatende vinkelrette . Et stabilt gyroinstrument brukes derfor i luftfarten for å oppnå en referanse for den virkelige vinkelrett og horisonten.
Målesystemer er utviklet av industrien der hellingsvinkelen i forhold til horisonten også kan bestemmes nøyaktig på dynamisk bevegelige bærere. Med hellingsvinkelen menes den langsgående hellingen ( stigningsvinkelen ) og den tverrgående hellingen ( rullevinkelen ). Et slikt målesystem blir også referert til som en kunstig horisont. For kjøretøy med en utpreget foretrukket bevegelsesretning (biler, skip, ubåter, jernbanevogner), kan et eksternt hastighetssignal mates inn som støtteinformasjon for presise applikasjoner (speedometer, GPS, DGPS , radar, etc.).
Det følgende beskriver den kunstige horisonten slik den brukes i fly. Utviklingen går tilbake til Lawrence Sperry .
Flyinstrument
Den kunstige horisonten (Engl. Attitude indicator ), også horisontgyro eller offisielt Adi kalt, som flykontrollenhet som ble brukt til å bestemme flyets posisjon til overflaten. Det gir en direkte, billedlig fremstilling av posisjonen i forhold til jordoverflaten ved å vise flygholdingen rundt lengdeaksen ( rull eller bankholdning ) og rundt tverraksen ( stigningsstilling ). Alle andre instrumenter i flyet kan bare brukes indirekte for å bestemme flyholdningen . Bevegelser rundt den vertikale aksen er derimot ikke representert av den kunstige horisonten, men av en annen gyro - vendepekeren .
Instrumentet er viktig for flyging i henhold til instrumentflygereglene og også for nattesyn. Selv under flyging i henhold til visuelle flyregler kan det være nyttig eller nødvendig når den naturlige horisontreferansen blir vanskelig; for eksempel i disig vær over åpent vann. På den annen side bør ikke instrumentet få en pilot til å bevisst fortsette flyet i dårlig sikt.
Minst to uavhengig fungerende systemer kreves for instrumentflyging. Når det gjelder store trafikkmaskiner, er det til og med et tredje uavhengig nødsystem som leveres med eget nødbatteri.
Det er forskjellige måter å generere referansen som piloten får vist posisjonen til flyet i forhold til jorden. Den enkleste muligheten er beskrevet her, som også er tilgjengelig i den moderne cockpiten med elektroniske flyinstrumenter som et backupsystem: gyroen drevet av undertrykk med en vertikal akse, som mekanisk overfører bevegelsen til skalabildet med horisontlinjen.
konstruksjon
Den kunstige horisonten inneholder en såkalt horisont eller loddtopp , som holder seg stabil i sin posisjon i rommet på grunn av høy hastighet (typisk 15 000 til 20 000 omdreininger per minutt) og effekten av gyroskopet , se vri stabilisering . Den helt kardaniske (med tre frihetsgrader ) suspenderte gyro drives elektrisk eller ved hjelp av undertrykk.
Den pneumatisk drevne toppen har skrå dyser i periferien, gjennom hvilken en kraftig luftstrøm kommer. Luften tilføres via et rør som går gjennom aksene til kardanopphenget slik at det ikke genereres noe dreiemoment. Den nødvendige trykkdifferansen kan opprettholdes av en trykkpumpe på tilførselsledningen eller en sugepumpe på huset; sistnevnte løsning brukes vanligvis.
Posisjonen til gyroaksen i forhold til huset kan overføres til displayet ved hjelp av mekaniske eller elektriske kraner.
Funksjon av horisonten gyro
En raskt roterende, friksjonsfri opphengt topp holder posisjonen til aksen i rommet. På en måte dreier flyet seg rundt instrumentet. Når flyet kaster og ruller, opprettholder effekten av gyroen referansen til horisonten .
Men siden det er teknisk umulig å produsere en helt perfekt topp, har hver ekte kunstig horisont en toppdrift , noe som får skjermen til å glide over tid. Derfor må en kunstig horisont støttes .
Den kunstige horisonten skal vise posisjonen i forhold til jordens ideelle overflate. Men koordinater på jorden er ikke et treghetssystem , men jorden roterer bort fra under toppen. Dette skjer også i mindre grad når flyet beveger seg større avstand over den buede overflaten på jorden. Derfor må en kunstig horisont spores .
Problemet med støtte og sporing løses forskjellig av forskjellige produsenter. Grunnlaget for dette er et system som gjenkjenner den vinkelrette retningen . Fordi dette ikke endres jevnt under flyturen, men z. Som ved å snu flukt ved sentrifugalakselerasjonen for å glide , må systemet reagere så sakte som mulig på slike endringer. På den annen side, når flyet slås på i ikke-akselerert tilstand, bør det justeres så raskt som mulig i retning av rørledningen.
I tillegg til automatisk ereksjon, har noen gyroer også en manuell (tidligere også pneumatisk) rask ereksjon, noe som er nødvendig for mange applikasjoner.
vise
Visningsbildet tilsvarer det piloten også ville se under visuell flyging (metafor innvendig ut). Den hvite linjen som går over skjermen representerer horisonten. Himmelen er blå, jorden er brun eller svart. Det sentrale punktet representerer (omtrent) retningen til flyets lengdeakse og de horisontale linjene ved siden av representerer flyets tverrgående akse. Horisonten synker under lengdeaksen når den klatrer, mens den ligger over den når den går ned. Hvis flyet er vippet mot venstre, ser horisonten ut til å være vippet mot høyre og omvendt.
Kunstig horisont i flukt
Kunstig horisontklatring
Kunstig horisont nedover med en høyresving
Kunstig horisont nedover med venstresving
I tillegg kan den langsgående og tverrgående hellingen måles omtrent med instrumentet. Den ytre ringen brukes til å måle bankvinkelen ved hjelp av den lille hvite trekanten. Ringen har markeringer ved 10 °, 20 °, 30 °, 60 ° og 90 °. I eksemplet er skalaen festet til horisonten og referansemerket er festet til flyet; men det kan også være omvendt. De to skråstilte parene i eksemplet viser bankvinkler på 15 ° og 45 ° når de er på linje med den sentrale vertikale linjen. Den sentrale skalaen viser stigningsvinkelen i trinn på 5 °, med midtpunktet som brukes til å lese.
Ved å endre angrepsvinkelen, endres vinkelen til flyet til bevegelsesvektoren. Så angrepsvinkelen øker z. B. i langsom flytur eller med stor belastning. I riktig horisontal flyging viser den kunstige horisonten denne brattere posisjonen i luften ved å være litt under midtpunktet. For å gjøre det lettere å fly, kan piloten justere vinkelen mellom skjermens lengdeakse og flyets lengdeakse ved hjelp av en knapp.
For å vise flyets lengdeposisjon ( stigevinkel , engelsk "tonehøyde") i den formen som ofte brukes i dag, kan ikke gyroposisjonen vises direkte, men skjermen må "snus" med en mekanisme. Tidlige instrumenter hadde ikke en slik "vendemekanisme", men viste gyroposisjonen direkte. Som et resultat ble lengdeposisjonen vist nøyaktig motsatt av hva den er i dag. Flyulykken der Buddy Holly ble drept ( The Day the Music Died ) kan spores tilbake til det faktum at piloten (som ikke hadde gyldig instrumentflylisens) hadde fullført all sin instrumentflyging med "vanlige" horisonter , men en horisont av flyet i ulykken Type Sperry F3 ble installert, som indikerte tonehøyde i henhold til det "gamle" systemet, dvs. nøyaktig det motsatte.
I de tidligere østblokklandene ble det brukt en annen visningsmetafor som viste et fly sett fra utsiden foran horisonten (utenfor-i-metafor, ligner på representasjonen av svingindikatoren ). Representasjonen av bankvinkelen ( rullevinkelen ) er derfor nøyaktig motsatt av den vestlige horisonten, noe som kan føre til usikkerhet og feil reaksjoner for piloter som bytter fra ett system til et annet. Minst to krasjer av passasjerfly kan tilskrives den.
Akselerasjon og svingfeil
Visningen av den kunstige horisonten påvirkes av akselerasjonsfeilen og kurvefeilen. Disse er forårsaket av støtten. Begge feilene er basert på det samme fenomenet: Siden det ikke er mulig å skille mellom akselerasjon og tyngdekraft, skjer den automatiske rettingen alltid i henhold til den tilsynelatende loddbobben . I akselererte forhold avviker dette imidlertid fra den virkelige jorden lodd bob. På denne måten forhindrer den automatiske rettet skjermen fra å kjøre i ikke-akselerert rett frem-flyging, men forårsaker i sin tur alltid en ny skjermfeil når du akselererer. I prinsippet kan dette problemet ikke løses, selv med et ideelt gyroskop.
For å redusere det, blir gyrostøtten delvis slått av i tilfelle et sterkt avvik fra den tilsynelatende loddboben fra den nåværende gyroposisjonen, som vanligvis forekommer under akselererte forhold. Oppførselen til horisonten under akselererte forhold er forskjellig mellom modellene. Det forventes at en pilot kjenner oppførselen til "hans" horisontinstrument.
Driftsgrenser
Vanlige driftsgrenser for kunstige horisonter som ikke er spesielt designet for aerobatics, er 100 ° til 110 ° for en skråstilling og 60 ° til 70 ° for stigning eller nedstigning.
Hvis en av disse grensene overskrides, treffer kardanrammen et stopp og skjermen blir ubrukelig til gyroen er reist igjen. Det er horisonter som er fullt egnet for aerobatics, men disse er dyrere og brukes derfor bare i militære fly.
Elektronisk gyro
I dag brukes mekaniske gyroskoper nesten aldri i nye fly, bare elektroniske gyroinstrumenter brukes praktisk talt. Selv om betegnelsen gyroskopiske instrumenter fortsatt brukes delvis, inneholder de elektroniske instrumentene selvfølgelig ingen mekaniske gyroskop, men bare elektroniske akselerasjonssensorer. Gode elektroniske gyroskop krever mindre vedlikehold, er bedre enn mekaniske når det gjelder måling av nøyaktighet, og de har vanligvis også mindre begrensende driftsgrenser. I tillegg kan skjermen din integreres sømløst i et glass cockpit .
De mulige løsninger spenner fra billig piezo-sensorer , slik som de som brukes i modell helikoptere , til høy presisjon, men meget kostbart ringlaser- gyroskoper.
For å oppnå posisjonen i rommet, må tre slike sensorer ordnes vinkelrett på hverandre, og alle nåværende rotasjonshastigheter må integreres over tid. Dette krever veldig nøyaktige målinger og passende behandling av måledataene. Ytterligere akselerasjonssensorer kan supplere denne beregningen. Det finnes allerede løsninger som kombinerer alle målinger i en enkelt integrert modul.
litteratur
- Wolf von Fabeck: gyroskop . Vogel Verlag, Würzburg 1980, ISBN 3-8023-0612-0 .
- P. Bachmann: Flyinstrumenter . Motorbuch Verlag, Stuttgart 1992.
- Peter Dogan: Instrument Flight Training Manual . 1999, ISBN 0-916413-12-8 .
- Jeppesen Sanderson : Private Pilot Manual . 2001, ISBN 0-88487-238-6 .
- Wolfgang Kühr: Den private piloten . Technik II, bind 3, 1981, ISBN 3-921270-09-X .
- Rod Machados: Instrument Pilot's Survival Manual . 1998, ISBN 0-9631229-0-8 .
- US Department of Transportation, Federal Aviation Administration: Instrument Flying Handbook , FAA-H-8083-15B, 2012.
weblenker
Individuelle bevis
- ↑ ulykke, Beech Bonanza N3794N 3. februar 1959 i Mason City, Iowa, USA. Offisiell ulykkesrapport https://www.ntsb.gov/investigations/AccidentReports/Reports/CAB_2-3-1959.pdf .
- ^ Ulykke med Saab 340B i Crossair 10. januar 2000 nær Nassenwil, vest for Zürich. Offisiell ulykkesrapport http://www.sust.admin.ch/pdfs/AV-berichte//1781_d.pdf , illustrasjon av de to instrumentene på side 63 i rapporten.
- ↑ ulykke med et Boeing 737-505 Aeroflot-Nord flyselskap 13. september 2008, Perm, Russland. Offisiell ulykkesrapport (engelsk oversettelse av AAIB ) https://assets.publishing.service.gov.uk/media/54873c95e5274a42900002c1/VP-BKO_Report_en.pdf , illustrasjon av de to instrumentene på side 127 i rapporten.