Gyroscopic Instruments
Attitude Indicators
최초의 AI(attitude instrument)는 artificial horizon이라 불렸으며 이후에는 gyro horizon이라 불렸다. 이제 attitude instrument는 attitude indicator라 불린다. 자세계에는 수직 회전축을 가진 작은 바퀴가 있는데 이는 공기 흐름이나 전기 모터에 의해 빠른 속도로 회전한다. 자이로에는 double gimbal이 설치되며 이 덕분에 자이로가 공간 강성을 유지하는 동안 항공기가 자이로를 중심으로 pitch/roll을 수행할 수 있다.
horizon disk는 gimbals에 부착되서 자이로와 동일한 평면을 유지하며 항공기는 이를 중심으로 pitch/roll을 수행한다. 최초의 계기에서 horizon disk는 수평선을 나타내는 막대에 불과하였으나 지금은 수평선을 나타내는 선뿐만 아니라 pitch marks와 bank-angle lines도 가진다. 계기 다이얼 및 horizon disk의 위쪽 절반은 파란색(하늘을 나타냄)이며 아래쪽 절반은 갈색(지상을 나타냄)이다. 계기 상단의 bank index는 bank angle을 10도, 20도, 30도, 45도, 그리고 60도로 나타낸다. [그림 5-30]
작은 symbolic aircraft가 계기 케이스에 장착되어 있으며 이는 수평선에 대해 비행하는 것처럼 보이게 된다. 계기 케이스 하단 중앙의 knob로 symbolic aircraft를 올리거나 내리면 속도 변화에 따른 pitch trim 변화를 보상할 수 있다. symbolic aircraft의 날개폭과 날개 중앙의 점은 대략 2도의 pitch 변화를 나타낸다.
자세계가 제대로 작동하기 위해선 항공기가 자이로를 중심으로 roll/pitch 하는 동안 자이로가 수직 상태를 유지해야 한다. 이러한 계기의 베어링들은 가장 작은 마찰을 가지지만 그 작은 양의 마찰만으로도 자이로에 제한이 가해져서 세차가 발생하며 결국 자이로가 기울어진다. 이렇게 자이로가 기울어지는 것을 최소화하기 위해 계기 케이스 내부의 erection mechanism은 자이로가 수직 위치에서 기울어질 때마다 힘을 가한다. 이러한 힘은 회전 바퀴가 수직 위치로 돌아오도록 작용한다.
오래된 artificial horizon은 pitch나 roll이 제한되어 있었다(보통 60도 pitch 및 100도 roll). 이러한 한계가 초과되면 자이로 하우징이 gimbals와 닿아 자이로를 tumble시킬 정도로 세차를 가한다. 때문에 이러한 계기들은 자이로를 수직 위치에 고정시키는 caging mechanism을 가지고 있다. 최신 계기들은 이러한 한계를 가지지 않으므로 caging mechanism이 없다.
항공기 엔진이 막 시동된 후 계기에 공압이나 전력이 공급될 때에는 자이로가 수직 위치로 서지 않는다. 중력에 의해 작동하는 계기 내 self erecting mechanism이 자이로가 수직 위치로 서도록 세차를 가한다. 이 과정은 최대 5분까지 걸릴 수 있다(허나 보통 2 ~ 3분 내에 완료됨).
자세계는 대부분의 오차들로부터 자유롭긴 하지만 erection system이 작용하는 속도에 따라 약간의 오차들이 발생할 수 있다(급가속 도중에는 약간의 nose-up 지시가, 그리고 급감속 도중에는 약간의 nose-down 지시가 발생할 수 있음). 또한 180도 선회 이후 약간의 bank angle 오차와 pitch 오차가 발생할 수 있다. 허나 이러한 오차들은 매우 작으며 직진수평비행으로 돌아온 후 1분 이내에 자체적으로 수정된다.
Heading Indicators
magnetic compass는 매우 신뢰할 수 있는 계기이며 예비 계기로 사용된다. 허나 나침반은 너무 많은 오류를 가지고 있어서 gyroscopic heading indicator로 보완되었다.
heading indicator의 자이로도 attitude indicator와 마찬가지로 double gimbal을 갖추고 있으나 그 회전축이 수평으로 설치되어 있어서 항공기 수직축을 중심으로 발생하는 회전을 감지할 수 있다. gyro heading indicators는 자북으로 향하지 않으므로 이 계기를 자기 나침반과 비교해서 적절한 heading을 직접 설정해야 한다(단, slaved gyro indicators제외). 공간 강성 덕분에 나침반의 oscillation 오차와 그 외 오차들 없이 heading을 유지할 수 있다.
구형 directional gyros는 drum-like card를 사용하는데 이는 magnetic compass card와 동일한 방식으로 표시된다. gyro와 card는 계기 케이스 내에 고정되어 있으며 조종사는 이러한 card의 뒷면을 바라본다. 이는 자기 나침반을 사용할 때와 마찬가지로 조종사가 잘못된 방향으로 선회할 가능성을 만들어낸다. 계기의 아래에 있는 knob를 눌러서 gimbals를 체결할 수 있다. 이렇게 하면 gimbal이 고정되며 조종사는 lubber line의 숫자가 자기 나침반과 일치할 때까지 gyro와 card를 회전시킬 수 있다. knob를 잡아당기면 자이로가 고정되어서 항공기가 card를 중심으로 자유롭게 회전할 수 있다.
directional gyros는 거의 대부분 공압으로 작동한다(공기가 비워진 계기 케이스 내에 여과 공기가 들어와 자이로 바퀴를 회전시킨 후 배출됨). 자이로가 우주를 기준으로 위치를 유지하는 동안 지구는 시간 당 15도의 속도로 계속 자전하며 이로 인해 계기에 표시된 heading에 시간 당 15도의 apparent drift가 발생한다. 이러한 계기를 사용하는 경우에는 적어도 15분마다 directional gyro에 표시된 heading을 자기 나침반과 비교한 다음 heading을 자기 나침반에 일치시켜야 한다.
그림 5-31의 heading indicators는 구형 horizontal card indicators와 동일한 원리로 작동하지만 여기서는 자이로가 vertical dial을 구동한다. 항공기의 heading은 symbolic aircraft의 기수를 통해 표시된다. 계기 전면의 knob를 누른 다음 이를 돌리면 자이로와 다이얼을 회전시킬 수 있다. knob에 장착된 스프링 때문에 knob를 놓자마자 gimbal이 분리된다. 약 15분마다 이 계기와 자기 나침반이 일치하는지 확인해야 한다.
Turn Indicators
attitude indicators와 heading indicators는 공간 강성의 원리로 작동하지만 rate instruments(예를 들어 turn-and-slip indicator)는 세차의 원리로 작동한다. 세차란 적용된 힘이 작용 지점이 아닌 작용 지점으로부터 90도(회전 방향) 지점에서 움직임을 발생시키는 자이로 특성이다. [그림 5-32]
Turn-and-slip Indicator
최초의 자이로 계기는 needle과 ball로 구성된 선회 지시계로 이는 turn-and-bank indicator라 불렸다. 최근에는 이 계기를 turn-and-slip indicator라 부른다. [그림 5-33]
inclinometer는 곡선형 유리 튜브 안에 밀봉된 검은색 유리 ball이다. 감쇄를 위해 유리 튜브의 일부는 액체로 채워져 있다. 이 ball은 중력, 그리고 선회에 의한 관성력의 상대적 강도를 측정한다. 항공기가 직진수평비행을 할 때에는 ball에 작용하는 관성이 없으므로 ball이 유리 튜브의 중앙에 위치한다. 선회율에 비해 너무 많은 bank angle이 사용되면 중력이 관성력보다 커져서 ball이 선회 안쪽으로 굴러 내려온다. 선회율에 비해 너무 적은 bank angle이 사용되면 관성력이 중력보다 커져서 ball이 선회 바깥으로 굴러 올라간다.
inclinometer는 bank의 양을 나타내지 않으며 slip도 나타내지 않는다. inclinometer는 오직 bank angle과 rate of yaw 사이의 관계를 나타낸다.
turn indicator는 공기나 전기 모터에 의해 회전하는 작은 자이로이다. 자이로는 single gimbal에 설치된다. gyro의 회전축은 항공기의 가로축에 평행하고 gimbal의 회전축은 항공기의 세로축에 평행하다. [그림 5-34] 항공기가 yaw를 하거나 수직축을 중심으로 회전하면 자이로 바퀴에 힘이 발생하는데 이때 세차로 인하여 gyro와 gimbal이 gimbal 축을 중심으로 회전한다. 이러한 회전은 calibration spring에 의해 제어된다. 덕분에 항공기가 표준율 선회를 할 때 gyro와 gimbal은 다이얼의 doghouse-shaped marks와 지시침이 정렬될 정도로 회전한다.
이러한 계기의 다이얼에는 “2 MIN TURN.”이 표시된다. 더 빠른 항공기에서 사용되는 일부 turn-and-slip indicators는 “4 MIN TURN.”이 표시되어 있다. 두 계기 모두 지시침이 doghouse와 정렬되었을 때 표준율 선회를 나타낸다. 표준율 선회란 초당 3도의 선회이다. 2분짜리 계기에서 지시침이 doghouse에 정렬되면 초당 3도의 선회가 이루어지며 360도 선회를 수행하는데 2분이 소요된다. 4분짜리 계기에서 초당 3도의 선회를 수행하려면 지시침을 두 배 더 편향시켜야 한다.
Turn Coordinator
turn-and-slip indicators의 가장 큰 한계는 항공기 수직축에 대한 회전만을 감지한다는 것이다. turn-and-slip indicators는 세로축에 대한 회전(항공기가 선회를 시작하기 전에 발생하는 움직임)은 표시하지 않는다.
turn coordinator 또한 세차에 의해 작동한다. 허나 이는 turn indicator와 달리 gimbal의 프레임이 항공기 세로축으로부터 위쪽으로 약 30도 각을 이룬다. [그림 5-34] 이를 통해 turn coordinator는 roll과 yaw를 모두 감지할 수 있다. 따라서 turn coordinator는 선회 도중 먼저 bank rate(bank가 가해지는 속도)를 나타내며 이후 선회가 안정되면 turn rate를 나타낸다. 일부 turn coordinator gyro는 dual-powered로 작동해서 공기나 전기 중 어느 하나로 구동될 수 있다.
turn coordinator는 turn-and-slip indicator와 달리 지시침을 사용하지 않으며 대신 gimbal이 다이얼(symbolic aircraft의 뒷면)을 움직인다. 계기의 베젤은 수평 비행 상태와 표준율 선회 상태를 나타내도록 표시된다. [그림 5-35]
turn coordinator의 inclinometer를 coordination ball이라 부르며 이는 bank angle과 yaw rate 사이의 관계를 표시한다. 선회 도중 ball이 중앙에 있으면 삼타일치가 유지된다. ball이 선회 바깥쪽으로 굴러가면 항공기는 skid를 수행하고 ball이 선회 안쪽으로 굴러가면 항공기는 slip을 수행한다. turn coordinator는 pitch를 감지하지 않는다. 이를 나타내기 위해 일부 계기들의 다이얼에는 “NO PITCH INFORMATION”라 적혀있다.
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