(7) Gyroscopic Instruments

Gyroscopic Instruments

 

Attitude Indicators

 

최초의 AI(attitude instrument)는 원래 artificial horizon이라 불렸다가 나중에는 gyro horizon이라 불렸다. 그리고 현재는 attitude indicator이라 불린다. 자세계에는 수직 회전축을 가진 작은 바퀴가 있다. 이는 그 주위를 흐르는 공기 흐름, 혹은 전기 모터에 의해 빠른 속도로 회전한다. 자이로에는 두 개의 gimbal이 설치되어 항공기기가 pitch 및 roll 도중 공간 강성을 유지하도록 만든다.

 

horizon disk가 gimbals에 부착되어 자이로와 동일한 평면에 유지된다. 그리고 항공기는 이를 중심으로 pitch/roll을 수행한다. 초기 계기에서 horizon disk는 수평선을 나타내는 bar에 불과하였다. 허나 지금은 수평선을 나타내는 선뿐만 아니라 pitch 및 bank를 나타내는 선을 가진다. 계기 다이얼과 horizon disk의 위쪽 절반은 하늘을 나타내는 파란색이며 아래쪽 절반은 지상을 나타내는 갈색이다. 계기 상단의 bank index는 bank angle을 10도, 20도, 30도, 45도, 그리고 60도로 나타낸다. [그림 5-30]

 

작은 symbolic aircraft가 계기 케이스에 장착되어 있다. 이는 수평선을 기준으로 어떻게 비행하는지를 나타낸다. 계기 케이스 하단 중앙의 knob는 symbolic aircraft를 올리거나 내린다. 이는 속도 변화에 따른 pitch trim 변화를 보상한다. symbolic aircraft의 날개폭과 날개 중앙의 점은 대략 2도의 pitch 변화를 나타낸다.

 

자세계가 제대로 작동하기 위해선 항공기가 자이로 주위를 roll/pitch 하는 동안 자이로가 수직 상태로 유지되어야 한다. 이러한 계기 내의 베어링은 최소의 마찰을 가진다. 그러나 이 작은 양의 마찰만으로도 자이로에 제한이 가해져 세차운동이 발생하고 자이로가 기울어진다. 이러한 기울어짐을 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 roll의 양이 제한되어 있었다(보통 60도 pitch, 그리고 100도 roll). 이러한 한계를 초과한 이후 자이로 하우징이 gimbals와 닿아 자이로를 넘어뜨릴 정도로 세차를 가한다. 때문에 이러한 계기 한계를 초과하는 기동 도중에는 자이로를 수직 위치에 고정시키는 caging mechanism을 가지고 있다. 최신의 계기들은 이러한 한계를 가지지 않으므로 caging mechanism을 가지지 않는다.

 

항공기 엔진이 막 시동되어 계기에 공압, 혹은 전력이 공급될 때 자이로는 아직 서지 않는다. 중력에 의해 작동하는 계기 내의 self erecting mechanism은 자이로를 수직 위치로 만드는 세차를 가한다. 이러한 erection은 5분 정도 걸릴 수 있다(그러나 보통 2분에서 3분 이내에 이루어짐).

 

자세계는 대부분의 오류들로부터 자유롭다. 그러나 erection system이 작용하는 속도에 따라 약간의 오류들이 발생한다(가속 도중에는 약간의 nose-up 지시, 그리고 감속 도중에는 약간의 nose-down 지시). 또한 180도 선회 이후에는 약간의 bank angle 및 pitch 오류가 발생할 수 있다. 그러나 이러한 오류들은 매우 작으며 직진수평비행으로 돌아온 이후 1분 이내에 자체적으로 수정된다.

 

Heading Indicators

 

자기 나침반은 매우 신뢰할 수 있는 계기이며 예비 계기로 사용된다. 그러나 나침반은 오류를 너무 많이 가지고 있기 때문에 gyroscopic heading indicator로 보완되었다.

 

heading indicator 내의 자이로는 두 개의 gimbal을 장착한다. 그러나 그 회전축은 수평으로 되어있어서 항공기의 수직축을 중심으로 회전을 감지할 수 있다. gyro heading indicators는 북쪽을 향하지 않는다(slaved gyro indicators 제외). 따라서 이러한 계기들을 자기 나침반과 비교하여 적절한 heading으로 직접 설정해야 한다. 공간 강성으로 인해 나침반의 oscillation 및 기타 오류들 없이도 현재의 heading을 유지할 수 있다.

 

오래된 directional gyros는 drum-like card를 사용한다. 이는 자기 나침반 card와 동일한 방식으로 표시된다. 자이로와 card는 계기 케이스 내에 고정되어 조종사는 이러한 card의 뒷면을 바라본다. 이로 인하여 조종사가 잘못된 방향으로 선회를 시작할 가능성을 만들어낸다(마치 자기 나침반을 사용할 때와 마찬가지로). 계기의 아래에 있는 knob를 눌러 gimbals를 체결할 수 있다. 이렇게 하면 gimbal이 고정되어 조종사는 lubber line의 숫자가 자기 나침반과 일치할 때까지 자이로와 card를 회전시킬 수 있다. knob를 잡아당기면 자이로가 고정되어 항공기는 card 주위를 자유롭게 회전할 수 있다.

 

directional gyros는 거의 대부분 압축 공기를 동력으로 한다. 여과된 공기가 노즐을 통해 케이스 내로 들어와 바퀴를 회전시키고 배출된다. 자이로가 공간에 대해 위치를 유지하는 동안 지구는 시간 당 15도의 속도로 계속 자전한다. 이로 인해 현재 표시된 heading으로부터 시간 당 15도의 편류가 발생한다. 이러한 계기를 사용할 경우 적어도 15분마다 directional gyro에 표시된 heading을 자기 나침반과 비교한 다음 heading을 자기 나침반에 일치시키는 것이 일반적이다.

 

그림 5-31의 heading indicators는 구형 horizontal card indicators 동일한 원리로 작동한다(단, 자이로가 vertical dial을 구동한다는 점 제외). 항공기의 heading은 lubber line 역할을 제공하는 symbolic aircraft 기수를 통해 표시된다. 계기 전면의 knob를 누른 다음 돌리면 자이로와 다이얼을 회전할 수 있다. knob에는 스프링이 장착되어 있으므로 이를 놓자마자 gimbal에서 분리된다. 이 계기는 약 15분마다 자기 나침반과 일치하는지 확인해야 한다.

 

Turn Indicators

 

attitude indicators와 heading indicators는 공간 강성의 원리로 작동한다. 그러나 rate instruments(예를 들어 turn-and-slip indicator)는 세차에 의해 작동한다. 세차는 자이로스코프의 특징이다. 이로 인해 작용한 힘의 운동은 작용 지점에서 발생하지 않는다. 대신 작용 지점으로부터 회전 방향의 90도 지점에서 운동이 발생한다. [그림 5-32]

 

Turn-and-slip Indicator

 

최초의 자이로스코프 계기는 turn indicator, 혹은 turn-and-bank indicator이었다. 이는 최근에 turn-and-slip indicator라고 불린다. [그림 5-33]

 

계기의 inclinometer는 검은색 유리로 된 ball이다. 이는 곡선형 유리 튜브 안에 밀봉되어 있다. 감쇄를 위하여 유리 튜브의 일부는 액체로 채워져 있다. ball은 중력, 그리고 선회에 의한 관성력의 상대적 강도를 측정한다. 항공기가 직진수평비행을 할 경우 ball에 작용하는 관성이 없다. 따라서 ball은 유리 튜브의 중앙에 위치한다. 아주 깊은 bank angle로 선회가 이루어질 경우 중력이 관성력보다 커지고 ball은 선회 안쪽으로 굴러 내려온다. 매우 얕은 bank angle로 선회가 이루어질 경우 관성력이 중력보다 커지고 ball은 선회 바깥으로 굴러 올라간다.

 

inclinometer는 bank의 양을 나타내지 않으며 slip을 나타내지도 않는다. 이는 오직 bank angle과 rate of yaw 사이의 관계를 나타낸다.

 

turn indicator는 공기, 혹은 전기 모터에 의해 회전하는 작은 자이로이다. 자이로는 하나의 gimbal에 설치된다. 자이로의 회전축은 항공기의 가로축에 평행하다. 그리고 gimbal의 회전축은 항공기의 세로축에 평행하다. [그림 5-34] 항공기가 yaw를 하거나, 혹은 수직 축을 중심으로 회전할 경우 수평면에 힘을 발생시킨다. 이때 세차로 인하여 자이로와 gimbal이 gimbal 축을 중심으로 회전하게 만든다. 이는 calibration spring에 의해 이 회전면으로 제한된다. 이는 항공기가 표준율 선회를 할 경우 계기판의 눈금(doghouse) 중 하나와 정렬될 때까지 지시침을 움직인다.

 

이러한 계기의 다이얼은 “2 MIN TURN.”이라 표시된다. 더 빠른 항공기에서 사용되는 일부 turn-and-slip indicators는 “4 MIN TURN.”이라 표시되어 있다. 두 계기 모두 지시침이 doghouse와 정렬되었을 때 표준율 선회를 나타낸다. 표준율 선회는 초당 3도의 선회이다. 2분짜리 계기에서 지시침이 doghouse에 정렬되었을 때 초당 3도의 선회를 수행한다. 그리고 360도 선회를 수행하는데 2분이 소요된다. 4분짜리 계기에서는 초당 3도의 선회를 수행하려면 지시침을 두 배 더 편향시켜야 한다.

 

Turn Coordinator

 

오래된 turn-and-slip indicators의 주된 한계는 항공기의 수직 축에 대해서만 회전을 감지한다는 것이다. 이는 정상 비행 상태에서 항공기 세로축 주위로 발생하는 회전에 대하여 지시하지 않음을 의미한다.

 

turn coordinator는 세차에 의해 작동한다. 그러나 turn indicator와는 달리 gimbal의 프레임이 항공기 세로축으로부터 약 30도 위쪽으로 각진다. [그림 5-34] 이를 통해 roll와 yaw를 모두 감지할 수 있다. 따라서 선회 도중 계기는 먼저 bank rate를 나타낸다. 그리고 이후 안정되었다면 turn rate를 나타낸다. 일부 turn coordinator gyro는 dual-powered이므로 공기나 전기로 구동될 수 있다.

 

계기 지시를 위해 지시침을 사용하지 않는 대신 symbolic aircraft의 뒷면에 놓인 gimbal이 다이얼을 움직인다. 계기의 베젤은 wings-level flight, 그리고 표준율 선회를 위한 bank angle을 나타내도록 표시된다. [그림 5-35]