Cuales son Instrumentos de vuelo giroscópicos del avión - Gyroscopic Flight Instruments 

Varios instrumentos de vuelo utilizan las propiedades de un giroscopio para su funcionamiento. Los instrumentos más comunes que contienen giroscopios son el coordinador de viraje, el indicador de rumbo y el indicador de actitud. Para entender el funcionamiento de estos instrumentos es necesario conocer los sistemas de alimentación de los instrumentos, los principios giroscópicos y los principios de funcionamiento de cada instrumento.

Principios giroscópicos (Gyroscopic Principles)

Cualquier objeto que gira presenta propiedades giroscópicas. Una rueda o rotor diseñado y montado para utilizar estas propiedades se llama giroscopio. Dos características importantes del diseño de un giroscopio instrumental son un gran peso para su tamaño, o alta densidad, y la rotación a alta velocidad con cojinetes de baja fricción. 

Existen dos tipos generales de montaje; el tipo utilizado depende de la propiedad del giroscopio que se utilice. Un giroscopio de montaje libre o universal es libre de girar en cualquier dirección alrededor de su centro de gravedad. Se dice que una rueda de este tipo tiene tres planos de libertad. 

 La rueda o rotor es libre de girar en cualquier plano con respecto a la base y está equilibrada de manera que, con la rueda giroscópica en reposo, permanece en la posición en la que está colocada. Los giroscopios de montaje restringido o semirrígido son los que se montan de manera que uno de los planos de libertad se mantiene fijo en relación con la base. 

Hay dos propiedades fundamentales de la acción giroscópica: la rigidez en el espacio y la precesión.

Rigidez en el espacio (Rigidity in Space)

Precesión (Precession)

La precesión es la inclinación o el giro de un giroscopio en respuesta a una fuerza deflectora. La reacción a esta fuerza no se produce en el punto en el que se aplicó, sino en un punto que está 90° más adelante en la dirección de giro. Este principio permite al giroscopio determinar la velocidad de giro detectando la cantidad de presión creada por un cambio de dirección. La velocidad de precesión del giroscopio es inversamente proporcional a la velocidad del rotor y proporcional a la fuerza de desviación.

Utilizando el ejemplo de la bicicleta, la precesión actúa sobre las ruedas para permitir que la bicicleta gire. Cuando se circula a velocidad normal, no es necesario girar el manillar en la dirección del giro deseado. Basta con que el ciclista se incline en la dirección que desee. Dado que las ruedas giran en el sentido de las agujas del reloj cuando se ven desde el lado derecho de la bicicleta, si un ciclista se inclina hacia la izquierda, se aplica una fuerza a la parte superior de la rueda hacia la izquierda. 

La fuerza actúa en realidad a 90° en la dirección de rotación, lo que tiene el efecto de aplicar una fuerza a la parte delantera del neumático, haciendo que la bicicleta se mueva hacia la izquierda. Es necesario girar el manillar a bajas velocidades debido a la inestabilidad de los giros lentos y también para aumentar la velocidad de giro.

Fuentes de energía (Sources of Power)

En algunas aeronaves, todos los giroscopios funcionan con vacío, presión o electricidad. En otras aeronaves, los sistemas de vacío o presión proporcionan la energía para los indicadores de rumbo y actitud, mientras que el sistema eléctrico proporciona la energía para el coordinador de giro. La mayoría de las aeronaves tienen al menos dos fuentes de energía para asegurar que al menos una fuente de información de banco esté disponible si una fuente de energía falla. 

El sistema de vacío o presión hace girar el giroscopio atrayendo una corriente de aire contra los álabes del rotor para hacerlo girar a gran velocidad, de forma muy parecida al funcionamiento de una noria o una turbina. La cantidad de vacío o presión necesaria para el funcionamiento del instrumento varía, pero suele estar entre 4,5 "Hg y 5,5 "Hg.

Una fuente de vacío para los giroscopios es una bomba accionada por motor de paletas que se monta en la caja de accesorios del motor. La capacidad de la bomba varía en los distintos aviones, dependiendo del número de autogiros.

El aire se introduce en el sistema de vacío mediante la bomba de vacío accionada por el motor. En primer lugar, pasa por un filtro que impide la entrada de materias extrañas en el sistema de vacío o de presión. A continuación, el aire pasa por los indicadores de actitud y rumbo, donde hace girar los giroscopios. 

Una válvula de alivio impide que la presión de vacío, o succión, supere los límites prescritos. Después, el aire se expulsa por la borda o se utiliza en otros sistemas, como para inflar las botas neumáticas de deshielo.

Es importante controlar la presión de vacío durante el vuelo, porque los indicadores de actitud y rumbo pueden no proporcionar información fiable cuando la presión de succión es baja. El manómetro de vacío, o succión, suele estar marcado para indicar el rango normal. Algunos aviones están equipados con una luz de advertencia que se ilumina cuando la presión de vacío cae por debajo del nivel aceptable.

Cuando la presión de vacío cae por debajo del rango de funcionamiento normal, los instrumentos giroscópicos pueden volverse inestables e inexactos. Es conveniente adquirir el hábito de comprobar los instrumentos de forma rutinaria.

Indicadores de giro (Turn Indicators)

Los aviones utilizan dos tipos de indicadores de giro: indicadores de giro y deslizamiento y coordinadores de giro. Debido a la forma en que está montado el giroscopio, el indicador de giro y deslizamiento sólo muestra la velocidad de giro en grados por segundo. El coordinador de giro está montado en ángulo, o inclinado, por lo que puede mostrar inicialmente la velocidad de giro. 

Cuando el balanceo se estabiliza, indica la velocidad de giro. Ambos instrumentos indican la dirección y la calidad del giro (coordinación), y también sirven como fuente de reserva de información sobre el banco en caso de que falle un indicador de actitud. La coordinación se consigue mediante el inclinómetro, que consiste en un tubo curvo lleno de líquido con una bola en su interior.

Indicador de giro y deslizamiento (Turn-and-Slip Indicator)

El giroscopio del indicador de giro y deslizamiento gira en el plano vertical correspondiente al eje longitudinal de la aeronave. Un único cardán limita los planos en los que el giroscopio puede inclinarse, y un muelle trabaja para mantener una posición central. Debido a la precesión, una fuerza de guiñada hace que el giroscopio se incline a la izquierda o a la derecha, visto desde el asiento del piloto.

El indicador de giro y deslizamiento utiliza un puntero, llamado aguja de giro, para mostrar la dirección y la velocidad de giro. El indicador de giro y deslizamiento es incapaz de "salirse" de su eje de rotación debido a los muelles de sujeción. Cuando se aplican fuerzas extremas a un giroscopio, éste se desplaza de su plano normal de rotación, lo que invalida sus indicaciones. Algunos instrumentos tienen límites específicos de cabeceo y de inclinación que inducen a un giro del giroscopio.

Coordinador de giro (Turn Coordinator)

El cardán del coordinador de giro está inclinado; por lo tanto, su giroscopio puede detectar tanto la velocidad de balanceo como la velocidad de giro. Dado que los coordinadores de giro son más frecuentes en los aviones de entrenamiento, esta discusión se concentra en ese instrumento. Al entrar o salir de un giro, la aeronave en miniatura se inclina en la dirección en la que rueda. Una velocidad de giro rápida hace que la aeronave en miniatura se incline más que una velocidad de giro lenta. 

El coordinador de viraje puede utilizarse para establecer y mantener un viraje a velocidad estándar alineando el ala del avión en miniatura con el índice de viraje. Hay dos marcas en cada lado (izquierda y derecha) de la cara del instrumento. La primera marca se utiliza para referenciar un índice de giro a nivel del ala. 

La segunda marca en el lado izquierdo y derecho del instrumento sirve para indicar una tasa de giro estándar. Un giro estándar se define como una velocidad de giro de 3° por segundo. El coordinador de giro indica sólo la velocidad y la dirección de giro; no muestra un ángulo de inclinación específico.

Inclinómetro (Inclinometer)

El inclinómetro se utiliza para representar la guiñada del avión, que es el movimiento de lado a lado de la nariz del avión. Durante el vuelo coordinado, recto y nivelado, la fuerza de la gravedad hace que la bola descanse en la parte más baja del tubo, centrada entre las líneas de referencia. El vuelo coordinado se mantiene manteniendo la bola centrada. Si la bola no está centrada, se puede centrar utilizando el timón. 

Para centrar la pelota, aplique la presión del timón en el lado hacia el que se desvía la pelota. Utilice la sencilla regla de "pisar la bola" para recordar qué pedal del timón debe pisar. Si el alerón y el timón están coordinados durante un giro, la pelota permanece centrada en el tubo. Si las fuerzas aerodinámicas están desequilibradas, la pelota se aleja del centro del tubo. en un resbalón, la velocidad de giro es demasiado lenta para el ángulo de inclinación, y la pelota se mueve hacia el interior del giro. 

Cuerda de guiñada (Yaw String)

Una herramienta adicional que se puede añadir a la aeronave es una cuerda de guiñada. Una cuerda de guiñada es simplemente una cuerda o un trozo de hilo atado al centro de la pantalla de viento. En vuelo coordinado, la cuerda se desplaza hacia atrás sobre la parte superior del parabrisas. Cuando la aeronave se desliza o derrapa, la cuerda de guiñada se mueve a la derecha o a la izquierda dependiendo de la dirección de deslizamiento o derrape. 

En un derrape, la velocidad de giro es demasiado grande para el ángulo de inclinación, y la pelota se desplaza hacia el exterior del giro. Para corregir estas condiciones y mejorar la calidad del giro, recuerde "pisar la pelota". Variar el ángulo de inclinación también puede ayudar a restablecer el vuelo coordinado después de un resbalón o un derrape. Para corregir un deslizamiento, disminuya la inclinación y/o aumente la velocidad de giro. Para corregir un derrape, aumente la inclinación y/o disminuya la velocidad de giro.

Comprobación del instrumento (Instrument Check)

Durante el prevuelo, asegúrese de que el inclinómetro está lleno de líquido y no tiene burbujas de aire. La bola también debe estar apoyada en su punto más bajo. Durante el rodaje, el coordinador de giros debe indicar un giro en la dirección correcta mientras la bola se mueve en dirección opuesta al giro.

Indicador de actitud (Attitude Indicator)

El indicador de actitud, con su avión en miniatura y la barra del horizonte, muestra una imagen de la actitud del avión. La relación de la aeronave en miniatura con la barra del horizonte es la misma que la relación de la aeronave real con el horizonte real. El instrumento proporciona una indicación instantánea incluso de los más pequeños cambios de actitud.

El giroscopio del indicador de actitud está montado en un plano horizontal y depende de la rigidez en el espacio para su funcionamiento. La barra del horizonte representa el horizonte verdadero. Esta barra está fijada al giroscopio y permanece en un plano horizontal cuando la aeronave se inclina o se inclina sobre su eje lateral o longitudinal, indicando la actitud de la aeronave en relación con el horizonte verdadero.    

El giroscopio gira en el plano horizontal y resiste la desviación de la trayectoria de rotación. Como el giroscopio se basa en la rigidez en el espacio, la aeronave gira realmente alrededor del giroscopio que gira.

Se proporciona un mando de ajuste con el que el piloto puede mover la aeronave en miniatura hacia arriba o hacia abajo para alinear la aeronave en miniatura con la barra del horizonte para adaptarse a la línea de visión del piloto. Normalmente, la aeronave en miniatura se ajusta de manera que las alas se superpongan a la barra del horizonte cuando la aeronave está en vuelo de crucero recto y nivelado. 

Los límites de cabeceo y banqueo dependen de la marca y el modelo del instrumento. Los límites en el plano de banqueo suelen ser de 100° a 110°, y los límites de cabeceo suelen ser de 60° a 70°. Si se sobrepasa cualquiera de los límites, el instrumento dará un vuelco o se desplomará y dará indicaciones incorrectas hasta que se vuelva a alinear. Algunos indicadores de actitud modernos no dan vueltas.

Todo piloto debería ser capaz de interpretar la escala de inclinación ilustrada en. La mayoría de los indicadores de la escala de inclinación en la parte superior del instrumento se mueven en la misma dirección en la que la aeronave está realmente inclinada. Algunos otros modelos se mueven en la dirección opuesta a la que la aeronave está realmente inclinada. 

 Esto puede confundir al piloto si el indicador se utiliza para determinar la dirección de inclinación. Esta escala debe utilizarse únicamente para controlar el grado de inclinación deseado. La relación de la aeronave en miniatura con la barra del horizonte debe usarse para una indicación de la dirección de inclinación. 

El indicador de actitud es fiable y el instrumento de vuelo más realista del panel de instrumentos. Sus indicaciones son aproximaciones muy cercanas a la actitud real de la aeronave.

Indicador de rumbo (Heading Indicator)

El indicador de rumbo es fundamentalmente un instrumento mecánico diseñado para facilitar el uso de la brújula magnética. Los errores de la brújula magnética son numerosos, lo que hace que el vuelo recto y los giros de precisión a los rumbos sean difíciles de realizar, especialmente en aire turbulento. Un indicador de rumbo, sin embargo, no se ve afectado por las fuerzas que dificultan la interpretación de la brújula magnética.

El funcionamiento del indicador de rumbo depende del principio de rigidez en el espacio. El rotor gira en un plano vertical y se fija al rotor una tarjeta de brújula. Como el rotor permanece rígido en el espacio, los puntos de la tarjeta mantienen la misma posición en el espacio respecto al plano vertical del giroscopio. 

En realidad, la aeronave gira alrededor del giróscopo giratorio, y no al revés. Como la caja del instrumento y la aeronave giran alrededor del eje vertical del giroscopio, la tarjeta proporciona información clara y precisa sobre el rumbo. 

Debido a la precesión causada por la fricción, el indicador de rumbo se desplaza de su posición. Entre otros factores, la cantidad de deriva depende en gran medida del estado del instrumento. Si los rodamientos están desgastados, sucios o mal lubricados, la deriva puede ser excesiva. 

Otro error en el indicador de rumbo está causado por el hecho de que el giroscopio está orientado en el espacio, y la Tierra gira en el espacio a una velocidad de 15° en 1 hora. Así, descontando la precesión causada por la fricción, el indicador de rumbo puede indicar hasta 15° de error por cada hora de funcionamiento.

Algunos indicadores de rumbo, denominados indicadores de situación horizontal (HSI), reciben una referencia de norte magnético de un transmisor de esclavitud magnética y, por lo general, no necesitan ningún ajuste. El transmisor magnético se llama magnetómetro.

Sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS) - Attitude and Heading Reference System

Los visualizadores electrónicos de vuelo han sustituido los giroscopios de giro libre por sistemas láser de estado sólido que son capaces de volar en cualquier actitud sin dar tumbos. Esta capacidad es el resultado del desarrollo del Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo (AHRS).

El AHRS envía información de actitud al PFD para generar la información de cabeceo y de inclinación del indicador de actitud. La información de rumbo se obtiene de un magnetómetro que detecta las líneas de flujo magnético de la tierra. Esta información se procesa y se envía al PFD para generar la visualización del rumbo.

El sistema de brújula de flujo (The Flux Gate Compass System)

Como ya se ha mencionado, las líneas de flujo del campo magnético terrestre tienen dos características básicas: un imán se alinea con ellas y se induce, o genera, una corriente eléctrica en cualquier cable atravesado por ellas.

El compás de puerta de flujo que acciona los giroscopios esclavizados utiliza la característica de la inducción de corriente. La válvula de flujo es un pequeño anillo segmentado, hecho de hierro blando que acepta fácilmente las líneas de flujo magnético. Una bobina eléctrica se enrolla alrededor de cada una de las tres patas para aceptar la corriente inducida en este anillo por el campo magnético de la Tierra. 

Una bobina enrollada alrededor del espaciador de hierro en el centro del marco tiene una corriente alterna (AC) de 400 Hz que fluye a través de ella. Durante los momentos en que esta corriente alcanza su pico, dos veces durante cada ciclo, hay tanto magnetismo producido por esta bobina que el marco no puede aceptar las líneas de flujo del campo terrestre.

Cuando la corriente se invierte entre los picos, desmagnetiza la estructura para que pueda aceptar el flujo del campo terrestre. Cuando este flujo atraviesa los devanados de las tres bobinas, hace que fluya la corriente en ellas. Estas tres bobinas están conectadas de tal manera que la corriente que fluye en ellas cambia según el rumbo del avión.

Las tres bobinas están conectadas a tres bobinas similares pero más pequeñas en un sincro dentro de la caja del instrumento. El sincro hace girar el dial de un indicador magnético de radio (RMI) o un HSI.

Brújula de indicación remota (Remote Indicating Compass)

Los compases de indicación remota se desarrollaron para compensar los errores y las limitaciones de los antiguos indicadores de rumbo. Los dos componentes montados en el panel de un sistema típico son el indicador de navegación pictórico y la unidad de control y compensación. El indicador de navegación pictórico se conoce comúnmente como HSI.

La unidad de control y compensador de esclavitud tiene un botón que proporciona un medio para seleccionar el modo "giroscopio esclavizado" o "giroscopio libre". Esta unidad también tiene un medidor de esclavitud y dos botones de dirección manual. El medidor de esclavitud indica la diferencia entre el rumbo mostrado y el rumbo magnético. 

Una desviación a la derecha indica un error de la tarjeta de la brújula en el sentido de las agujas del reloj; una desviación a la izquierda indica un error en el sentido contrario. Siempre que la aeronave está en un giro y la tarjeta gira, el medidor de esclavitud muestra una desviación completa hacia un lado u otro. Cuando el sistema está en modo "giroscopio libre", la tarjeta de la brújula puede ajustarse pulsando el botón de dirección correspondiente.

Una unidad separada, el transmisor magnético de esclavitud, se monta a distancia, normalmente en un extremo del ala para eliminar la posibilidad de interferencias magnéticas. Contiene la válvula de flujo, que es el dispositivo de detección de dirección del sistema. 

Una concentración de líneas de fuerza magnética, tras ser amplificada, se convierte en una señal que se transmite a la unidad indicadora de rumbo, que también está montada a distancia. Esta señal acciona un motor de par en la unidad indicadora de rumbo que procesa la unidad giroscópica hasta que se alinea con la señal del transmisor. El transmisor magnético está conectado eléctricamente al HSI.

Hay varios diseños de brújula de indicación remota; por lo tanto, aquí sólo se cubren las características básicas del sistema. Los pilotos de instrumentos deben familiarizarse con las características del equipo de su avión.

A medida que los paneles de instrumentos se llenan más y el tiempo de exploración disponible del piloto se reduce por una mayor carga de trabajo en la cabina de vuelo, los fabricantes de instrumentos han trabajado para combinar los instrumentos. La tarjeta de la brújula es manejada por señales de la válvula de flujo, y los dos punteros son manejados por un radiogoniómetro automático (ADF) y un radiogoniómetro omnidireccional de muy alta frecuencia (VHF).

Los indicadores de rumbo que no tienen esta capacidad de búsqueda automática del norte se denominan giroscopios "libres" y requieren un ajuste periódico. Es importante comprobar las indicaciones con frecuencia (aproximadamente cada 15 minutos) y reajustar el indicador de rumbo para alinearlo con el compás magnético cuando sea necesario. Ajuste el indicador de rumbo al rumbo del compás magnético cuando la aeronave esté recta y nivelada a una velocidad constante para evitar errores de compás.

Los límites de inclinación y cabeceo del indicador de rumbo varían según el diseño y la marca del instrumento. En algunos indicadores de rumbo que se encuentran en las aeronaves ligeras, los límites son aproximadamente 55° de cabeceo y 55° de inclinación. Cuando se excede cualquiera de estos límites de actitud, el instrumento "da vueltas" o "se derrama" y deja de dar la indicación correcta hasta que se reajusta. Después de derramarse, puede ser reajustado con la perilla de la jaula. Muchos de los instrumentos modernos utilizados están diseñados de tal manera que no dan vueltas.

Puede producirse un error de precesión adicional debido a que el giroscopio no gira lo suficientemente rápido para mantener su alineación. Cuando el sistema de vacío deja de producir una succión adecuada para mantener la velocidad del giroscopio, el indicador de rumbo y los giroscopios indicadores de actitud comienzan a disminuir su velocidad. 

A medida que se ralentizan, son más susceptibles de desviarse del plano de rotación. Algunas aeronaves tienen luces de advertencia para indicar que se ha producido una situación de bajo vacío. Otras aeronaves pueden tener sólo un vacuómetro que indica la succión.

Comprobación del instrumento (Instrument Check)

Mientras el giroscopio se pone en marcha, asegúrese de que no hay sonidos anormales. Durante el rodaje, el instrumento debería indicar giros en la dirección correcta y la precesión debería ser normal. En los ajustes de potencia de ralentí, los instrumentos giroscópicos que utilizan el sistema de vacío podrían no estar a la altura de las velocidades de funcionamiento y la precesión podría producirse más rápidamente que durante el vuelo.

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Fuente: La información (texto e imágenes) utilizado para este artículo está basado en el manual de la FAA (Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge - FAA-H-8083-25B) y manuales de instrucción de centros académicos aeronáuticos.