Sztuczny horyzont - podstawowe problemy konstrukcyjne

Sztuczny horyzont jest przyrządem, wskazującym kąty przechylenia i pochylenia. Jego podstawowym elementem konstrukcyjnym jest żyroskop, który utrzymuje stałe położenie kątowe w przestrzeni inercjalnej. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy na układ żyroskopu nie działają siły zewnętrzne. Problem pojawia się, gdy uświadomimy sobie, że Ziemia nie jest układem inercjalnym oraz że niemożliwe jest zapewnienie pełnego odizolowania żyroskopu.

Gdybyśmy podróżowali z żyroskopem na pokładzie w promieniu kilkunastu kilometrów, odchylenie jego osi wirowania od pionu grawitacyjnego byłoby niewielkie. Na prawdę pokonujemy samolotem odległości tysięcy kilometrów, podróżujemy za ocean Atlantycki lub do Chin. W przypadku takich przemieszczeń, odchylenie osi żyroskopu jest znaczne. Kolejną przyczyną odchyleń jest moment żyroskopowy, powstający w wyniku działania sił tarcia w łożyskach.

Rys. 1 - Odchylenie żyroskopu od pionu [1]

Nasuwa się konieczność ciągłej korekcji osi żyroskopu, tak, aby pokrywała się z pionem grawitacyjnym. Z artykułu o chyłomierzu poprzecznym wiemy, że wahadło zawsze ustawia się zgodnie z kierunkiem działania siły grawitacyjnej. Jest tylko jeden warunek - musi to być jedyna siła na nie działająca. Podczas lotu występuje dodatkowo siła odśrodkowa przy wykonywaniu zakrętów oraz siła bezwładności w ruchu przyspieszonym.  Dlatego używa się wahadeł do wyznaczania pionu grawitacyjnego jedynie w locie ustalonym, jako element korygujący.

W nieustalonym stanie lotu, na wahadło działają dodatkowe siły, ustawiające je w pionie pozornym. W tym przypadku, element korekcyjny daje fałszywe sygnały. Aby zapobiec ustawieniu osi żyroskopu w błędnej pozycji, korekcja jest odłączana w trakcie trwania dodatkowych przyspieszeń.

Wahadło korekcyjne nie jest to masa zawieszona na nici. Najczęściej jest to wahadło w postaci elektrolitycznego czujnika pionu. Jest ono zbudowane z wklęsłego, szczelnego spodka wypełnionego elektrolitem, tak, aby w środku znajdował się pęcherzyk powietrza. Na górze spodka znajdują się cztery elektrody. W locie poziomym pęcherzyk obejmuje równomiernie wszystkie cztery elektrody. Gdy występują  dodatkowe przyspieszenia, pęcherzyk powietrza przemieszcza się. Elektrody są częścią obwodu elektrycznego, którego opór elektryczny zmienia się wraz ze zmianą położenia pęcherzyka.

Rys. 2 - Elektrolityczny czujnik pionu [1]

Zmiana oporu układu wywołuje zmianę prądów w nim płynących. To z kolei powoduje powstanie sygnałów sterujących dla silników korekcyjnych. Obracają one ramki zawieszania żyroskopu do momentu ustawienia jego osi równolegle z kierunkiem działania siły grawitacji. Jak widać, przedstawione rozwiązanie nie jest idealne. W przypadku długotrwałego krążenia, wskazania sztucznego horyzontu będą niepoprawne. 

Rys. 3 - Budowa sztucznego horyzontu [1]

Dodatkowym problemem omawianego rozwiązania jest tzw. błąd Kardana. Występuje, gdy samolot leci z pochyleniem i przechyleniem jednocześnie. W takim przypadku, sztuczny horyzont nie wskazuje kątów przechylenia i pochylania w płaszczyznach, w których są zdefiniowane. Kąt pochylenia jest mierzony w płaszczyźnie obróconej o kąt przechylenia i odwrotnie. 


Problemów jest dużo. Wszystko rozchodzi się o to, aby utrzymywać oś żyroskopu w pionie grawitacyjnym. Istnieją inne metody określania orientacji przestrzennej. O tym już niedługo.

Źródła:

1. Z. Polak, A. Rypulak, "Awionika, przyrządy i systemy pokładowe".