Technik Bordinstrumente 2 Kreisel-Instrumente Dieter Kohl - Flight Training 1
Bordinstrumente Flug- Überwachungsinstrumente Triebwerk- Überwachungsinstrumente Barometrische Kreisel- Magnetkompass Fahrtmesser Höhenmesser Wendezeiger Künstl. Horizont Drehzahlmesser Ladedruckmesser Variometer Kurskreisel Öldruck- und Öltemperaturanzeige Zylinderkopftemperaturanzeige Abgastemperaturanzeige Dieter Kohl - Flight Training 2
Kreisel-Flug Flugüberwachungsinstrumente Themen 1. Der Kreisel Physikalische Grundlagen, Präzession, Aufhängung in Kreiselinstrumenten 2. Der Wendezeiger Arbeitsweise, 2-Minuten-Kurve, Kugellibelle, Turn Coordinator 3. Der künstliche Horizont Arbeitsweise, Fehlanzeigen, Betriebsgrenzen 4. Der Kurskreisel Arbeitsweise, Fehlanzeigen, Betriebsgrenzen, moderne Variante 5. Die Soganzeige Dieter Kohl - Flight Training 3
1. Der Kreisel Kreisel sind um ihre Achse drehbare Körper, deren Masse symmetrisch um die Rotationsachse angeordnet ist. Rotiert dieser Kreisel schnell um seine Achse, so hat der gesamte Körper aufgrund der Massenträgheit das Bestreben, in seiner Rotationsebene zu verbleiben. Die Rotationsachse liegt immer senkrecht zur Rotationsebene. Merke: Ein rotierender Kreisel ist bestrebt, seine Lage im Raum beizubehalten Dieter Kohl - Flight Training 4
1. Der Kreisel (Forts.) Rotiert ein Kreisel schnell genug, so zeigt die Achse immer in dieselbe Richtung. Das gilt auch, wenn ein vollkardanisch (kräftefrei) aufgehängter Kreisel fortbewegt wird wie z.b. im Flugzeug. Ein Kreisel verändert nur dann seine Lage, wenn äußere Kräfte auf die Rotationsachse einwirken. Ein schwerer, sich schnell bewegender Körper lässt sich durch äußere Krafteinwirkung nicht so leicht aus seiner Bewegungsrichtung ablenken wie ein leichter, sich langsam bewegender Körper. Daher sind die Kreisel in den Flugüberwachungsinstrumenten schwer und drehen sich sehr schnell. Dieter Kohl - Flight Training 5
1.1 Die Präzession des Kreisels (Wandern des Kreisels) Zwei Arten von Präzession a) Wirkliche Präzession (wirkliches Wandern) des Kreisels durch äußere Krafteinwirkung Wirkliche Präzession Die wirkliche Präzession ist eine Lageänderung der Kreisel-Rotationsachse durch äußere Krafteinwirkung auf den rotierenden Kreisel. Diese können im Flugzeug durch Kurven oder Geschwindigkeitsänderungen hervorgerufen werden. Um eine wirkliche Präzession zu bewirken, muss die Kraft versuchen, entweder die Kreiselachse zu drehen oder zu kippen. Dieter Kohl - Flight Training 6
1.1 Die Präzession des Kreisels (Wandern des Kreisels) Wirkliche Präzession Merke: Eine Kraft, die versucht, die Kreiselachse zu kippen verursacht eine Drehung der Achse! Eine Kraft, die versucht, die Kreiselachse zu drehen verursacht ein Kippen der Achse! Eine Kraft, die weder die Achse zu kippen noch zu drehen versucht, kann das Kreiselsystem zwar bewegen, ruft aber keine Präzession hervor! Das ist dann der Fall, wenn die Kreiselachse senkrecht oder parallel zu ihrer eigenen Richtung verschoben wird. Dieter Kohl - Flight Training 7
1.1 Die Präzession des Kreisels (Wandern des Kreisels) b) Scheinbare Präzession (scheinbares Wandern) des Kreisels durch - die Erdrotation oder - Transport des Kreisels von einem Ort zum anderen Die Rotationsachse eines kräftefrei (vollkardanisch) aufgehängten rotierenden Kreisels behält ihre Lage im Raum bei. Wird ein solcher Kreisel im Flugzeug parallel zur gekrümmten Erdoberfläche von einem Ort zum anderen transportiert, oder macht er an einem bestimmten Ort auf der Erde die Erdrotation mit, so scheint es für einen Beobachter auf der Erde, als verändere die Rotationsachse ihre Lage im Raum. Dieter Kohl - Flight Training 8
1.1 Die Präzession des Kreisels (Wandern des Kreisels) Entsprechend der Erddrehung verändert sich die Lage der Rotationsachse um 15 /h (360 /24h) Dieter Kohl - Flight Training 9
1.1 Die Präzession des Kreisels (Wandern des Kreisels) Die scheinbare Präzession kann man bezogen auf die Erdoberfläche aufteilen in Horizontales (waagerechtes) Auswandern des Kreisels Ł scheinbare Drift = 15 (pro Stunde) x Sinus der geographischen Breite Vertikales (senkrechtes) Auswandern des Kreisels Ł scheinbares Kippen = 15 (pro Stunde) x Cosinus der geographischen Breite Dieter Kohl - Flight Training 10
1.1 Die Präzession des Kreisels (Wandern des Kreisels) Wird ein Kreisel z.b. per Flugzeug parallel zur gekrümmten Erdoberfläche von einem Ort zum anderen transportiert, so entsteht ebenfalls der Eindruck, als sei Kreisel gekippt. Tatsächlich aber hat er seine Lage im Raum beibehalten. Dieter Kohl - Flight Training 11
1.2 Aufhängung des Kreisels in Kreiselinstrumenten a) Halbkardanisch Ein Kreisel kann sich grundsätzlich um drei Achsen bewegen (Freiheitsgrade). Diese Bewegungsmöglichkeiten lassen sich konstruktiv einschränken. Kann sich der Kreisel nur um seine Rotationsachse bewegen, so besitzt er nur einen Freiheitsgrad und kann folglich nicht präzedieren. Ein Kreisel mit zwei Freiheitsgraden kann sich um eine zweite Achse bewegen. Hier ist die Rotationsachse des Kreisels in einem Kardanrahmen gelagert, der um eine zweite, zur Kreiselachse senkrecht stehenden Achse ebenfalls rotieren kann. Dieser Kreisel kann bei äußerer Krafteinwirkung (z.b. Einleitung einer Kurve) präzedieren. Diese Art der Aufhängung nennt man halbkardanisch und findet Anwendung im Wendezeiger. Dieter Kohl - Flight Training 12
1.2 Aufhängung des Kreisels in Kreiselinstrumenten b) Vollkardanisch Wenn der Kardanrahmen in einem weiteren Kardanrahmen aufgehängt wird, dessen Rotationsachse senkrecht zur ersten (Kreisel) und senkrecht zur zweiten Rotationsachse (innerer Kardanrahmen) angeordnet ist, so besitzt der Kreisel drei Freiheitsgrade, d.h. er ist um drei Achsen drehbar. Man spricht von vollkardanischer Aufhängung. Diese findet Anwendung im künstlichen Horizont und im Kurskreisel. Merke: Die vollkardanisch aufgehängten Kreisel im künstlichen Horizont und im Kurskreisel behalten ihre Lage im Raum bei! Dieter Kohl - Flight Training 13
2. Der Wendezeiger Der Wendezeiger besteht aus einer Kombination von zwei Instrumenten Anzeigeteil mit Zeiger ( Pinsel ) für die Anzeige der Drehgeschwindigkeit des Flugzeugs im Kurvenflug Kugellibelle zur Kontrolle des Scheinlots in der Kurve Befindet sich die Kugel in der Mitte der Libelle, wird die Kurve mit der richtigen Schräglage geflogen. Der Kreisel im Wendezeiger hat eine horizontal ausgerichtete Rotationsachse, die in einem horizontalen Kardanrahmen parallel zur Querachse des Flugzeugs gelagert ist. Der Kardanrahmen ist wiederum so gelagert, dass er sich um die Längsachse des Flugzeugs drehen kann. Eine Drehung um die Hochachse ist hingegen nicht möglich. Dieter Kohl - Flight Training 14
2. Der Wendezeiger (halbkardanische Aufhängung ngungł nutzt Präzession des Kreisels) Im Kurvenflug wird der Kreisel um die Hochachse des Flugzeugs mitgeführt (gedreht). Er reagiert mit einer Präzession (kippt) um die Längsachse des Flugzeugs entgegengesetzt der Kurvenrichtung. Diese Kippbewegung wird über einen Umkehrmechanismus auf den Zeiger ( Pinsel ) übertragen, sodass die Kurvenrichtung richtig angezeigt wird. Nach Beendigung der Kurve wird das Kreiselsystem mittels einer Rückholfeder in seine Normallage zuückgeführt. Diese Feder hält das Kreiselsystem während des Horizontalflugs aufrecht und begrenzt bei extrem hohen Drehgeschwindigkeiten in steilen Kurven die Kippbewegung. So wird ein Kippen des Kreisels um mehr als 45 verhindert. Dieter Kohl - Flight Training 15
2.1 Die Zwei Minuten-Kurve Kurve Die Markierungen kennzeichnen den Ausschlag des Pinsels bei der sogenannten Standardkurve, in der das Flugzeug einen Vollkreis in zwei Minuten fliegt (Drehgeschwindigkeit 3 /sec). Die Zwei Minuten-Kurve ist die Standardkurve des Instrumentenfliegers! Da mit zunehmender Fluggeschwindigkeit der Kurvenradius im Quadrat zur Geschwindigkeit anwächst, muss ein schnelles Flugzeug die 2-Minuten-Kurve mit größerer Schräglage fliegen als eine langsame Maschine. TAS (kt) Schräglage in Grad für Standardkurve = + 7 10 Dieter Kohl - Flight Training 16
2.2 Die Kugellibelle Die Kugellibelle des Wendezeigers arbeitet völlig unabhängig vom Kreiselteil. Sie besteht aus einem kreisbogenförmig nach oben gekrümmten Glasröhrchen, das mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist und einer Stahlkugel, die sich in dem Glasröhrchen frei bewegen kann. Im Kurvenflug wirken zwei Kräfte auf die Kugel: - die Schwerkraft - die Zentrifugalkraft Wird die Kurve mir einer der Drehgeschwindigkeit des Flugzeugs entsprechenden Schräglage also koordiniert (= sauber) geflogen, so befinden sich alle Kräfte im Gleichgewicht und die Kugel bleibt in der Mitte. Wandert die Kugel in Richtung des Pinsels, so ist die Schräglage zu groß für die Kurvengeschwindigkeit. Maßnahme: Schräglage verkleinern (Querruder) oder Drehgeschwindigkeit erhöhen (Seitenruder, kick the ball ) Dieter Kohl - Flight Training 17
2.3 Der Turn Coordinator Der Wendezeiger wird zunehmend durch den Turn Coordinator ersetzt. Dieser arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der Wendezeiger, stellt aber die Situation im Kurvenflug anschaulicher dar. Der Pinsel wurde durch ein Flugzeugsymbol ersetzt, das die Drehgeschwindigkeit des Flugzeugs anzeigt. Die Kugellibelle wurde unverändert übernommen. Durch die Entwicklung des künstlichen Horizonts haben Wendezeiger und Turn Coordinator an Bedeutung verloren. Sie sind aber immer noch die zuverlässigsten Kreiselinstrumente für die Rückführung des Flugzeugs aus gefährlichen Flugzuständen (z.b. Trudeln) in die Normalfluglage beim Instrumentenflug. Dieter Kohl - Flight Training 18
3. Der künstliche Horizont (vollkardanische Aufhängung ngung, nutzt Raumstabilität des Kreisels) Der künstliche Horizont ist das einzige Instrument, das ein direktes Bild über die Fluglage des Flugzeugs vermittelt. Der Kreisel ist vollkardanisch aufgehängt (3 Freiheitsgrade) und seine Rotationsachse steht senkrecht (lotrecht) zur Erdoberfläche. Durch seine sehr hohen Drehzahlen (15000 20000 U/min) bleibt er bei jeder Bewegung des Flugzeugs starr im Raum ausgerichtet. Er ist im inneren Kardanrahmen gelagert, der wiederum drehbar im äußeren Kardanrahmen aufgehängt ist. Das Instrumentengehäuse (Flugzeug) dient als dritter Kardanrahmen und kann sich um das Kreiselsystem nach allen Richtungen frei bewegen. Horizontalbalken und Schaubild des künstlichen Horizonts sind mit dem Kreiselsystem gekoppelt, während ein Flugzeugsymbol fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Dieter Kohl - Flight Training 19
3. Der künstliche Horizont (Forts.) Horizontalbalken und Schaubild des künstlichen Horizonts sind mit dem Kreiselsystem gekoppelt, während ein Flugzeugsymbol fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Das mit Himmel (blau) und Erde (weiß oder braun/schwarz) dargestellte Schaubild behält durch den Kreisel immer seine Lage im Raum bei, die mit dem natürlichen Horizont übereinstimmt. Das Flugzeugsymbol nimmt in jeder Fluglage genau die Stellung zum Horizontbalken ein, die der wirklichen Fluglage in bezug auf den natürlichen Horizont entspricht. Es muss sich im geraden Horizontalflug genau mit dem Horizontbalken des Instruments decken. Je nach Beladung (Anstellwinkel im Reiseflug) kann das Flugzeugsymbol mit einem Verstellknopf nach oben oder unten verschoben werden. Dieter Kohl - Flight Training 20
3. Der künstliche Horizont (Forts.) Der Punkt in der Mitte stellt die Nase des Flugzeugs dar. Die Lage dieses Punktes in bezug auf den Horizontbalken zeigt uns an, ob sich das Flugzeug im Steigflug oder im Sinkflug befindet. Dieter Kohl - Flight Training 21
3.1 Der künstliche Horizont - Fehlanzeigen Das Kreiselsystem des künstlichen Horizonts unterliegt der scheinbaren Präzession durch Erdrotation und Fortbewegung des Flugzeugs von einem Ort zum anderen. Um Fehlanzeigen durch scheinbare P. auszuschließen, ist der Kreisel mit einem Pendel verbunden, das die Kreiselachse immer senkrecht zur Erdoberfläche ausrichtet (=> Schwerkraftfesselung). Fehlanzeigen können jedoch noch auftreten durch - Beschleunigungsfehler - Kurvenfehler Beschleunigungsfehler: Wird das Flugzeug (z.b. beim Start) beschleunigt, so präzediert der Kreisel so, dass der Horizontbalken nach unten bewegt wird, Ł Nase des Flugzeugs erscheint leicht über dem Horizont! Bei Verzögerungen wird der Horizontalbalken durch wirkliche Präzession nach oben bewegt, Ł Nase des Flugzeugs erscheint leicht unter dem Horizont! Kurvenfehler: Im Kurvenflug verursacht die Zentrifugalkraft ein Präzedieren des Kreisels zur Innenseite der Kurve. Daraus ergeben sich Fehlanzeigen bis zu 5 (schräg und längs), die durch den Aufrichtmechanismus nach Beendigung der Kurve wieder korrigiert wird. Das Instrument ist so kompensiert, dass der Fehler in einer Standardkurve nicht auftritt. In steileren Kurven müssen andere Instrumente (Variometer, Höhenmesser) für die Kontrolle der Längsneigung angewendet werden. Dieter Kohl - Flight Training 22
3.2 Der künstliche Horizont - Betriebsgrenzen Künstliche Horizonte, die nicht speziell für den Kunstflug ausgelegt sind, haben bestimmte Betriebsgrenzen. Sie liegen je nach Fabrikat und Hersteller bei 100 bis 110 bei Querneigungen! 60 bis 70 bei Längsneigungen! ACHTUNG: Werden die Betriebsgrenzen überschritten, so kann der Kreisel umkippen und die Anzeige unbrauchbar werden. In diesem Fall darf das Instrument erst wieder zur Fluglagenbestimmung benutzt werden, wenn im Horizontalflug der Aufrichtmechanismus den Kreisel wieder aufgerichtet hat. Dieter Kohl - Flight Training 23
4. Der Kurskreisel (vollkardanische Aufhängung ngung, nutzt Raumstabilität des Kreisels) Der Kurskreisel besteht - wie der künstliche Horizont im Wesentlichen aus einem Kreisel mit 3 Freiheitsgraden (vollkardanische Aufhängung), dessen Rotationsachse im inneren Kardanrahmen waagerecht zur Erdoberfläche gelagert ist. Mit dem äußeren Kardanrahmen ist eine Kursrose mit 360 -Einteilung verbunden, die durch einen Einstellknopf genau auf die vom Magnetkompass angezeigte Richtung eingestellt wird. Dieter Kohl - Flight Training 24
4. Der Kurskreisel (Forts.) Nach der Einstellung behält der Kurskreisel bei Kursänderungen seine Lage im Raum bei. Jede, auch die kleinste, Kursänderung kann nun auf der Kursrose abgelesen werden. Er besitzt jedoch keine nordweisende Eigenschaft wie der Magnetkompass und muss deshalb im unbeschleunigten Horizontalflug genau auf den Magnetkompass eingestellt werden. Merke: Der Kurskreisel ist kein richtungssuchender Kompass! Dieter Kohl - Flight Training 25
4.1 Der Kurskreisel Fehlanzeigen u. Betriebsgrenzen Der Kurskreisel rotiert je nach Modell mit 10000 15000 U/min fast reibungslos. Dennoch bewirkt die Restreibung und die scheinbare Präzession ein langsames Auswandern des Kreisels. Diese durch Lagerreibung (wirkliche Präzession) erzeugte wirkliche Drift zusammen mit der durch Erdrotation (scheinbare Präzession) erzeugten scheinbaren Drift wird als Gesamtdrift bezeichnet. Die hierbei entstehende Fehlanzeige wird größtenteils durch ein schwerkraftgekoppeltes Aufrichtsystem ausgeglichen. Die Restdrift jedoch, die nicht automatisch kompensiert werden kann, muss vom Flugzeugführer selbst korrigiert werden. Merke: In Abständen von 15 bis 20 Minuten muss die Anzeige des Kurskreisels im unbeschleunigten Horizontalflug mit der Anzeige des Magnetkompasses verglichen und wenn nötig nachgestellt werden! Die Betriebsgrenzen liegen bei den meisten Kurskreiseln bei 55 in Quer- und Längsneigung. Dieter Kohl - Flight Training 26
4.2 Der Kurskreisel moderne Variante Bei modernen Kurskreiseln wird statt dem im Fenster sichtbaren Kursrosenausschnitt, die gesamte 360 -Rose angezeigt. Durch die verbesserte Übersichtlichkeit ist er besser abzulesen und einfacher einzustellen. Dieter Kohl - Flight Training 27
4.3 Ausrichtung des Kreisels Künstl. Horizont Ł Rotationsachse senkrecht zur Erdoberfläche Kurskreisel Ł Rotationsachse waagerecht zur Erdoberfläche Dieter Kohl - Flight Training 28
5. Die Sog-Anzeige (Suction Indicator) Wendezeiger Künstl. Horizont Kurskreisel Die Kreisel in unseren Fluginstrumenten werden entweder elektrisch oder pneumatisch angetrieben und sind in einem luftdichten Gehäuse untergebracht (Schutz vor Feuchtigkeit und Schmutz). Der elektrische Antrieb erfolgt über einen kleinen Elektromotor, der mit ca. 4500 U/min rotiert. Pneumatische Instrumente werden durch eine am Triebwerk angebrachte Saugpumpe (suction pump) angetrieben. Nach dem Anlassen des Triebwerks dauert es etwa 3 Minuten, bis der Kreisel seine Betriebsdrehzahl von je nach Verwendung ca. 8000 20000 U/min erreicht hat. WICHTIG: Vor dem Start ist immer zu prüfen, ob die Sog-Anzeige im grünen Bereich liegt! Dieter Kohl - Flight Training 29