Gyroscoop systemen

De zes belangrijkste meetinstrumenten van een vliegtuig heten de basic six, deze zijn altijd bij elkaar in de buurt te vinden in een bepaalde volgorde. Deze volgorde is bepaald in ISA. Er zijn drie instrumenten in de basic six waarvan de werking gebaseerd is op de eigenschappen van een gyroscoop. De drie gyroscopische instrumenten van de basic six zijn de Artificial Horizon, de Heading Indicator en de Turn and Bank Indicator.

• Algemeen
• Eigenschappen
• Fouten

Algemeen

Een gyroscoop kan vergeleken worden met een tol. Tollen zijn eigenlijk verticale gyroscopen. De tol as bepaalt of het een verticale of een horizontale gyroscoop is. Een gyroscoop bestaat uit een rotatiesymmetrische schijf en rond deze rotatieschijf zijn cardan ringen opgehangen. De rotatieschijf is altijd in beweging. Het kan zowel rechtsom als linksom draaien. Een gyroscoop is meestal cardanisch opgehangen. Een vol cardanisch opgehangen gyroscoop heeft drie cardan ringen. Deze gyroscoop heeft bewegingsvrijheid over alle drie de assen, dit wordt ook wel Two Degrees of Freedom (TDF) genoemd. Een gyroscoop kan ook alleen de bewegingsvrijheid hebben over twee assen, dit wordt ophanging met Single Degree of Freedom genoemd (SDF).

Eigenschappen

Er zijn twee eigenschappen die kenmerkend zijn voor een gyroscoop. Dat zijn standvastigheid en precessie. Het principe standvastigheid houdt in dat de tol as van de gyroscoop een vaste positie heeft ten opzichte van de ruimte. Dit komt tot stand doordat de draaiende massa van de gyroscoop, dat is de rotatie symmetrische schijf, een impulsmoment heeft en er een ander moment benodigd is om de positie van de schijf te wijzigen. Als de schijf cardanisch is opgehangen bewegen in plaats van de schijf de ringen. Zo compenseren ze voor de verandering die de schijf zou moeten maken, waardoor de schijf blijft staan.
De tweede eigenschap van een gyroscoop heet precessie. Deze eigenschap houdt in dat er een kracht op een punt van de gyroscoop werkt. Deze kracht wordt vervolgens 90° verplaatst met de draairichting mee. In de figuur wordt er geduwd op de bovenkant van een horizontale gyroscoop. De rotatieschijf draait rechtsom. De kracht wordt dus 90° rechtsom verplaatst en de schijf beweegt alsof er op de rechterkant gedrukt wordt. De verticale schijf draait vervolgens een kwart ronde.

Fouten

Een gyroscoop kent twee soorten fouten. Dit zijn de gimbal lock en de drift.
In een SDF of TDF ophanging staan de ringen loodrecht ten opzichte van elkaar. Doordat ze echter bewegen als de gyroscoop standvastigheid vertoont, kunnen ze parallel aan elkaar gaan staan. Zodra dat gebeurt, verlies je een vrij draaiende ring met de daarbij horende vrijheidsas. Hierdoor verlies je dus een bewegingsrichting en wordt bijvoorbeeld een TDF gyroscoop een SDF gyroscoop. Dit fenomeen heet een gimbal lock. Dit kan alleen opgeheven worden door een externe kracht uit te oefenen op de desbetreffende ring. Hierdoor krijgt de ring zijn functie terug. Tijdens vluchten met lijnvliegtuigen wordt deze stand echter nooit bereikt, omdat de vliegtuigen nooit een dergelijke positie aannemen. Een cardanisch opgehangen gyroscoop ondervindt een aantal fout aanwijzingen, deze fouten noemen we drift. Er wordt wel onderscheidt gemaakt in de verschillende soorten drift, namelijk werkelijke drift, schijnbare drift en transport wander.

Werkelijke drift

De werkelijke drift ontstaat door onderlinge wrijving van de cardanassen. Door die wrijving ontstaat er een kracht op de gyroscoop en ontstaat precessie. Waardoor de gyroscoop ontzet wordt, dit houdt in dat de gyroscoop niet meer verticaal staat.

Schijnbare drift

Schijnbare drift is een nadeel van de standvastigheid. De gyroscoop neemt een vast punt in de ruimte aan als referentie punt. Omdat de aarde draait met 15° per uur zal de gyroscoop steeds verder de ruimte in wijzen ten opzichte van de aarde.
 

Transport wander

Transport wander ontstaat als je in een Oost – Zuid richting vliegt of andersom. Transport wander heeft hetzelfde principe als schijnbare drift, het enige verschil is dat bij schijnbare drift de aarde beweegt en de gyroscoop niet. Bij transport wander beweegt daarentegen de gyroscoop over de aarde (Oost- Zuid richting). Transport wander komt niet voor op de evenaar.