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Strumenti Giroscopici

Cenni storici

La strumentazione giroscopica è necessaria perchè è in grado di controllare l'assetto dell'aeromobile rispetto all'orizzonte in modo da sottrarsi alle false illusioni che il pilota puo' provare nelle varie condizioni di volo. I primi giroscopi inventani trovavano impiego nelle navi (per smorzare il rollio riducendolo da 15° a 2°), mentre il suo primo impiego in campo aeronautico risale intorno all'anno 1929, e le sue applicazioni erano finalizzate al controllo della direzione e dell'assetto del velivolo.

Il giroscopio

Il giroscopio è un dispositivo meccanico costituito da un rotore, montato in maniera tale, da avere 3 gradi di libertà:
- Attorno all'asse di spin (spinning freedom)
- Cambiando l'inclinazione (tilting freedom)
- Cambiando la direzione (veering freedom)

Poiché l'asse di spin non da alcuna indicazione sulla variazione d'assetto, in campo aeronautico, gli strumenti giroscopici vengono suddivisi in giroscopi ad uno o a due gradi di libertà:
- Virosbandometro ad un grado di libertà
- L'orizzonte artificiale e girodirezionale a due gradi di libertà

Gli assi quindi che vengono utilizzati, sono: l'asse di input (l'asse attorno al quale si genera il momento precessionante) e l'asse di output ( quello attorno al quale il rotore gira).
Basandosi sul principio di conservazione della quantità di moto angolare, si porta il rotore ad una velocità angolare elevata per ottenere le sue caratteristiche principali:
- Rigidezza (H)
- Precessione (P)

I limiti del giroscopio:
- La deriva reale: è causata dagli attriti e sbilanciamenti del sistema reale, rispetto a quello ideale.
- La deriva apparente: si definisce deriva apparente la precessione dovuta all'azione della velocità angolare della Terra (15°/ora) sul giroscopio posto ad una certa latitudine.
- La deriva da trasporto: questo è dovuto al fatto che la Terra è una superficie sferica, di conseguenza il giroscopio tende a mantenere la direzione di partenza.

Orizzonte artificiale

L'orizzonte artificiale è uno strumento che ci indica gli assetti longitudinali (rollio) e trasversali (beccheggio) dell'aereo. E' costituito da un giroscopio che sfrutta il principio della rigidità e che si basa sul moto relativo tra una linea marcata, che rappresenta l'orizzonte, ed una sagoma fissa, che rappresenta l'aereo. Questo per quanto riguarda il beccheggio, per quanto riguarda il rollio invece, esso viene rappresentato da un moto relativo tra una ghiera graduata fissa e un indicatore mobile.

Principio di funzionamento:

- Indicazioni di rollio:
L'outer ring è fissato al velivolo, parallelamente all'asse longitudinale zz' ed è quindi in grado di indicare, in maniera diretta, l'angolo di rollio: la lettura viene effettuata su una scala appositamente graduata.

- Indicazioni di beccheggio:
Per quanto riguarda il beccheggio, qui l'outer ring, durante una salita ( o una discesa ) si muove solidalmente al velivolo ruotando attorno all'asse yy'.

Esistono principalmente due tipologie di costruzione dell'orizzonte artificiale:

- Pneumatico: c'è una pompa a vuoto che crea una depressione nella cassa dello strumento; l'aria convoglia in getti rotanti passando dal filtro e facendo arrivare il rotore ad una velocità di rotazione che si aggira intorno ai 15000 giri/min

- Elettrico: il giroscopio qui è un motore a gabbia di scoiattolo operante in corrente alternata a 115V, 400 Hz; con esso si raggiungono delle velocità di rotazione che si aggirano intorno ai 20000-23000 giri/min, cosi il sistema diventa più preciso e in più il suo funzionamento non dipende dal motore ma dall'accensione dell'impianto elettrico.

Girodirezionale

Questo strumento molto utile alla navigazione esiste ormai su tutti gli aerei da turismo dell'aviazione. Al contrario della bussola esso è più affidabile sui corti raggi, perche indica la prua senza ritardi, permettendo di fare manovre senza errori. Schematicamente si presenta in tal modo:

- Una cassa solidale al velivolo
- Un telaio esterno al quale è vincolata una scala graduata circolare (0°-359°)
- Un telaio interno mobile rispetto a quello esterno
- Un pomello di regolazione che permette di allineare il direzionale con le indicazioni della bussola

Il giroscopio aspira aria attraverso un filtro e crea una depressione di circa 10inchHg: mentre il fluido scorre all'interno della cassa dello strumento, è costretto a battere sulle palette ricavate dal rotore, che funziona come una piccola turbina. La velocità di rotazione che esso raggiunge, si aggira attorno ai 14000-15000 giri/min.
Il girodirezionale, come gli altri strumenti giroscopici, presenta degli errori dovuti ai problemi dello strumento:

- Processione reale' dovuta al fatto che il baricentro in realtà è scostato dal punto ideale di intersezione dei tre assi, per cui un disallineamento è sempre presente ( questo errore diminuisce con l'accuratezza della costruzione)

- Precessione apparente:
1. Durante uno spostamento dall'equatore al polo nord sarà utile il sistema erettore perché man mano che ci si sposta aiuta ad allineare l'asse di spin con la superficie terrestre, evitando di incappare nel famoso fenomeno di sovrapposizione di due assi chiamato gimbal lock.
2. La velocità di rotazione della Terra influisce in funzione della latitudine, per evitare questo tipo di errore, si può:

(a) Calcolare con un computer la precessione apparente e fare di volta in volta delle correzioni opportune.
(b) Mettere un piccolo peso per recuperare l'errore spostando il baricentro del giroscopio.
(c) Affidare al pilota il recupero delle indicazioni della bussola ( ogni 15 min.)

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Autore: Roman Babkin