amsterdam, december 2009 · projectverslag. belangrijke bijlagen zijn: morfologisch overzicht (vi)...

Amsterdam, december 2009

Hogeschool van Amsterdam -Basic Mix- Domein Techniek, Aviation

Inhoudsopgave Samenvatting ..................................................................................................................... 1 Summary ........................................................................................................................... 2 Inleiding ............................................................................................................................. 3

1. Definitie Basic Six ........................................................................................................... 4 1.1. Air data instrumenten .............................................................................................. 4

1.1.1. Theorie drukinstrumenten ................................................................................ 4 1.1.2. Altimeter ........................................................................................................... 8 1.1.3. Vertical speed indicator ...................................................................................11 1.1.4. Airspeed indicator ...........................................................................................13

1.2. Gyroscopische instrumenten ..................................................................................15 1.2.1. Theorie gyroscoop ..........................................................................................15 1.2.2. Artificial Horizon ..............................................................................................19 1.2.3. Turn & Bank Indicator ......................................................................................22 1.2.4. Heading indicator ............................................................................................23

1.3. Eisen en wetgeving ................................................................................................25 1.3.1. Wettelijke Eisen ...............................................................................................25 1.3.2. Eisen Opdrachtgever .......................................................................................26

1.4. Functieonderzoek ...................................................................................................27 1.5. Conclusie ...............................................................................................................27

2. Ontwerpfase ..................................................................................................................28 2.1. Uitleg morfologisch overzicht ..................................................................................28

2.1.1. Meten ..............................................................................................................28 2.1.2. Transporteren..................................................................................................28 2.1.3. Omzetten ........................................................................................................29 2.1.4. Corrigeren .......................................................................................................29 2.1.5. Versterken .......................................................................................................29 2.1.6. Transporteren..................................................................................................30 2.1.7. Omzetten ........................................................................................................30 2.1.8. Weergeven ......................................................................................................31

2.2. Systemen ...............................................................................................................31 2.3. Voor- en Nadelen ...................................................................................................32

2.3.1. Mechanisch systeem .......................................................................................32 2.3.2. Conventioneel systeem ...................................................................................32 2.3.3. Digitaal systeem ..............................................................................................32

2.4. Conclusie ...............................................................................................................33 3. Uitvoering ontwerp ........................................................................................................34

3.1. Constructie van de componenten in het gekozen systeem .....................................34 3.1.1. Smartprobe .....................................................................................................34 3.1.2. SSE en Digital Air Data Computer ...................................................................34 3.1.3. Arinc 629 .........................................................................................................34 3.1.4. Videomonitorkaart ...........................................................................................35 3.1.5. LCD-scherm ....................................................................................................35

3.2. Presentatie van de cockpit .....................................................................................35 3.2.1. De inrichting van de cockpit .............................................................................35 3.2.2. Layout van de Basic Six ..................................................................................36

3.3. Onderhoud .............................................................................................................38 3.3.1. Aircraft Maintenance Manuals .........................................................................38 3.3.2. Onderhoud basic-six instrumenten ..................................................................39 3.3.3. Regelmatige checks ........................................................................................39

3.4. Kosten en baten .....................................................................................................39 3.4.1. Kosten .............................................................................................................39 3.4.2. Baten ..............................................................................................................41

3.5. Controle eisen ........................................................................................................42



3.5.1. Wetten.............................................................................................................42 3.5.2. Eisen opdrachtgever .......................................................................................42

3.6. Conclusie ...............................................................................................................42 3.7. Aanbeveling ...........................................................................................................43 Bronnenlijst .......................................................................................................................44 Bijlagenlijst ........................................................................................................................46

Pagina 1



Samenvatting Er is een opdracht gegeven door de Hogeschool van Amsterdam om een uniforme cockpit voor Boeing te ontwerpen. Dit houdt in dat deze cockpit in elk soort Boeing kan worden inge-bouwd, waarvoor eerst wel omscholing van piloten voor nodig is, maar daarna niet meer. In deze cockpit komen verschillende soorten instrumenten: air data en gyroscopische instru-menten. Deze worden de „Basic Six‟ genoemd. Om erachter te komen hoe de air data instrumenten werken, is de theorie achter de lucht-druk uitgezocht, zoals welke verschillende soorten druk op een vliegtuig werken en met wat voor instrumenten de druk gemeten kan worden. Verder is het handig om enkele natuurkun-dige formules te kennen en om te weten hoe de meetinstrumenten de druk berekenen. Als de druk bekend is, kunnen de hoogte, de snelheid en de stijgen daalsnelheid berekend worden. De gyroscopische instrumenten werken met, zoals het woord al zegt, een gyroscoop. Bij een gyroscoop draait het om standvastigheid en precessie. Er zijn twee soorten aandrijvingen voor de gyroscoop: pneumatische en elektrische. Een gyroscoop bevindt zich in de attitude indicator, de turn & bank indicator en de heading indicator. Het eisenpakket bestaat uit de wettelijke eisen en de eisen van de opdrachtgever. Een paar van de wettelijke eisen zijn: de aanwezigheid van instrumenten en de afleesbaarheid, de positie en de betrouwbaarheid daarvan. De voornaamste eis van de opdrachtgever is dat het een uniforme cockpit wordt. In het functieonderzoek komt ter sprake welke stappen genomen moeten worden, voordat de gegevens in de cockpit worden weergegeven. Hierin is beschreven hoe de gegevens geme-ten, omgezet en weergeven worden. Met deze gegevens is een morfologisch overzicht ge-maakt. In een morfologisch overzicht zijn een aantal lijnen getekend van mogelijke systemen. Hieruit is het systeem gekozen, dat het beste aansluit op de eisen van de opdrachtgever. Dit is het digitale systeem geworden. Die heeft weliswaar de hoogste in de kosten, maar het weegt het minste, is zeer duurzaam, nauwkeurig en betrouwbaar en verder is dit systeem het goed-koopste in het onderhoud. Nu het systeem is gekozen, is het klaar om in de cockpit geïnstalleerd te worden. De inrich-ting van de cockpit speelt hierbij een belangrijke rol, want de Basic Six kan niet overal in de cockpit geplaatst worden. Wanneer het systeem geïnstalleerd is, zal het regelmatig onderhouden moeten worden. Doordat dit systeem uniform is, is het systeem gemakkelijk te onderhouden. De kosten van dit systeem liggen vele malen hoger dan het oude systeem, maar dit zal alle-maal terugverdiend worden door de besparingen ten opzichte van het oude systeem. Er is berekend dat dit systeem na ongeveer 3,6 jaar is terugverdiend en dan wordt er winst mee gemaakt. De eisen en wetten zijn gecontroleerd en de cockpit voldoet hieraan, dus nu kan het worden toegepast.

Pagina 2



Summary An assignment has been given by the High School of Amsterdam to design an uniform cock-pit for Boeing. That means that this cockpit can be installed in any airplane of Boeing. For each pilot is retraining required, for one time. In this uniform cockpit there are different in-struments: the air data instruments and gyroscopic instruments. They are called the „Basic Six‟. To find out how the air data instruments work, it is very important to know something about the air pressure, such as what kind of pressure works on the airplane and what instruments do you need to measure pressure. Further it makes easier to know some physicist formula to understand how the measure instruments can calculate the pressure. By knowing the pres-sure it is possible to calculate the altitude, the speed and the climb & descent speed. The gyroscopic instruments work with a gyroscope. The gyroscope is based on rigidity and precession. Rigidity means that the gyroscope always keeps on pointing to one direction. The precession of the gyroscope consists of two forces, one of them exercises a force by turning the mass of the gyroscope and the other one is an external force. If the external force exercises strange on the gyroscope, this force will be taken to 90 degrees further before it works. There are two ways to let the gyroscope spin: pneumatic and electric. The gyroscope can be find in the following instruments: the attitude indicator, the turn & bank indicator and the heading indicator. The desire package consists of the legal demand and the demand of the client. The de-mands of the law are: present of the “basic six”, reading, position and the solidity. The main demand of the client is that it will be a uniform cockpit. In the functional examination was de-scribed what the steps are that must be taken to care that the system will work like what is required. It will describe how the measure, convert and reproduce signals, and finally show them on a screen. With these data a morphological survey is made. In the morphological survey three lines have been drawn of the possible systems. Out of here the system has been chosen that was close by the demands of the client. The system that has been chosen is the digital system. This one has the highest cost, but the advantages are: it is very durable system, the system is accurate, and solid and further this system is less expensive in the maintenance. Now the system has been chosen, it‟s ready to install the system in the cockpit. The lay-out of the cockpit plays an important influence, because the basic six cannot be place every-where in the cockpit. When the system already has been installed, they often must be main-tenance. Because it‟s a uniform system it will be easy to maintenance. The costs of this sys-tem are many times higher than the old system, but this will all be recouped by the savings over the old system. It is estimated that this system after about 3.6 years has been recouped and then there profit at least. The demands and laws have been inspected and it confirmed the cockpit, so now it can be applied.

Pagina 3



Inleiding Groep 2A1AZ van de hogeschool van Amsterdam heeft als opdracht gekregen om een uni-form ingedeelde cockpit te ontwerpen, beperkt tot de Basic six, voor een gehele vloot. De bedoeling is dat deze opdracht gepresenteerd wordt in een verslag waarin een ontwerpana-lyse komt te staan. Richtlijnen in dit verslag zijn: het maken van een ontwerp van de Basic six en hoe de metingen daarvan tot stand komen en gepresenteerd worden in de cockpit. Bij het maken van dit ontwerp wordt door de hogeschool van Amsterdam verwacht dat de groep 2A1AZ zich houdt aan de wettelijke eisen die vast gesteld zijn voor de indeling van de com-ponenten in de cockpit. Eerst komen alle Air Data en Gyroscopische systemen aan bod. Van deze systemen wordt ook hun manier van meten uitgelegd. Dan komen de eisen aan bod. Dit zijn de eisen van zowel de opdrachtgever als de wettelijk vastgestelde eisen. Deze systemen worden vervol-gens onderzocht en de stappen die genomen moeten worden, worden beschreven in het functieonderzoek (1). In het zogehete morfologisch overzicht is dan schematisch uitgelicht welke componenten in de stappen: meten, transporteren en weergave er mogelijk zijn. Er worden drie lijnen getrok-ken, die mogelijke ontwerpen aangeven. Hierna wordt er analyse gedaan op basis van de voor- en nadelen van instrumenten binnen deze methoden. Om tot slot tot een keuze te ko-men van het systeem dat het best te gebruiken is in de cockpit van een Boeing 737-800 (2). Uiteindelijk zal deze keuze uitgewerkt worden tot een nieuwe uniforme cockpit door middel van het uitwerken van de constructie van de componenten in het gekozen systeem. Tevens wordt beschreven hoe deze gepresenteerd worden in de cockpit. Ook zal hierbij ingegaan worden op het bijkomende onderhoud en de kosten en baten wat van dit systeem. Tot slot wordt deze constructie en manier van presenteren getoetst aan de eisen van zowel de op-drachtgever als die de wet voorschrijft. Ook komen hier duurzaamheid en betrouwbaarheid aan de orde. Als afsluiting van dit verslag zal hierover een conclusie plaatsvinden (3). De belangrijkste bronnen die zijn geraadpleegd zijn: het boek van Pallett, E.H.J. Aircraft in-struments & integrated systems, Siers, F.J. Methodisch ontwerpen en Wentzel, T. Opbouw projectverslag. Belangrijke bijlagen zijn: Morfologisch overzicht (VI) Schematische tekening

inbouw (VII).

Pagina 4



1. Definitie Basic Six

Voor het maken van een ontwerp van een uniforme cockpit, zal er eerst duidelijkheid moeten zijn over de aanwezige instrumenten. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen air data- instrumenten (1.1) en gyroscopische instrumenten (1.2). Tevens moet bij het ontwerp van de cockpit rekening gehouden worden met de gestelde eisen (1.3) en zal er onderzoek gedaan moeten worden naar de functies van de verschillende instrumenten in het te ontwerpen sys-teem (1.4). Deze informatie vormt de basis voor het te maken ontwerp (1.5).

1.1. Air data instrumenten Alle instrumenten van de basic six die werken met behulp van druk worden air data instru-menten genoemd. Om de instrumenten te kunnen beschrijven is een uitleg nodig over druk in het algemeen (1.1.1). In de cockpit zijn de volgende drukinstrumenten aanwezig: altimeter (1.1.2), vertical speed indicator (1.1.3) en airspeed indicator (1.1.4). 1.1.1. Theorie drukinstrumenten Om een goede uitleg te kunnen geven van de werking van de drukinstrumenten is kennis over de atmosfeer en de samenstelling ervan noodzakelijk (1.1.1.a). Een ander belangrijk aspect is de druk (1.1.1.b), aangezien alle instrumenten die druk meten (1.1.1.c) gebruikma-ken van druk rondom het vliegtuig. Hierbij worden een aantal natuurkundige formules toe-gepast (1.1.1.d). 1.1.1.a. Atmosfeer Rondom de aarde bevindt zich een zeer grote hoeveelheid lucht, die erg typerend is voor het leven op aarde. Deze luchtlaag heeft een bepaalde samenstelling. Er is een standaardre-kenmodel ontwikkeld dat internationaal wordt gebruikt: International Standard Atmosphere (ISA). De lucht in onze omgeving bestaat uit een mengsel van de volgende stoffen:

a. zuurstof, 21 % b. stikstof, 78% c. rest, 1%. de belangrijkste zijn koolstofdioxide, koolstofmonoxide, waterdamp en ozon.

De atmosfeer kunnen we indelen in vijf opeenvolgende temperatuurslagen lagen (Bijlage I). Tussen deze lagen zijn overgangslagen aanwezig waar de temperatuur constant blijft. Als we atmosfeer indelen gaan we ervan uit dat de temperatuursgrenzen op een bepaalde hoog-te liggen, hiervoor gebruiken we een standaardmodel, ISA. De indeling van de atmosfeer ziet er als volgt uit, waarbij alleen de eerste twee lagen van belang zijn voor de luchtvaart:

1. Troposfeer 0 – 11 km Tropopauze (overgangslaag, T=-56°C) 11- 25 km

2. Stratosfeer 11- 47 km Stratopauze (overgangslaag, T=-10°C) 47- 53 km

3. Mesosfeer 47- 79 km Mesopauze (overgangslaag, T=-107°C) 79- 90 km

4. Termosfeer 79- 105 km 5. Exosfeer >105 km

Het is niet gemakkelijk alle factoren die de samenstelling van de atmosfeer beïnvloeden mee te nemen in berekeningen en onderzoeken. Daarom heeft men besloten een model te ma-ken, de „standaardatmosfeer‟, deze wordt ISA genoemd. Hierdoor is het mogelijk vrij gemak-kelijk berekeningen aan de atmosfeer uit te voeren. ISA is gebaseerd op de gemiddelde at-mosfeer. In de luchtvaart gebruikt men alleen de ICAO- standaardatmosfeer. Hieronder een aantal waarden van de ISA. Verder staan in ISA: hoogte, temperatuur, druk, dichtheid, ge-luidssnelheid en viscositeit (Bijlage II).

Pagina 5



ISA-waarden:

- op zeeniveau (Mean Sea Level, MSL) is de temperatuur 15°C; - in de tropopauze is de temperatuur op elf km hoogte -56,5°C; - de temperatuur op 32 km hoogte is -49,5°C; - de temperatuursafname van nul tot 11 km is niet constant, doordat de lucht-

vochtigheid niet constant is; daarom wordt een gemiddelde waarde gebruikt van 0,65°C/100m;

- de druk op zeeniveau (MSL) = 1013,25 hPa, dit is ongeveer gelijk aan één atmosfeer.

1.1.1.b. Druk Druk kunnen we beschrijven aan de hand van een formule (1). Vervolgens is druk in te delen in soort druk (2) en kunnen we de relatie van andere grootheden met druk beschrijven (3).

ad 1 Definitie Druk wordt gedefinieerd als de kracht die per vierkante meter wordt uitgeoefend (Form. 1-1). Druk: Hierin is: P= F/A P= druk in [Pa] F= kracht in [N] A= oppervlakte in [m

2]

Form. 1-1

ad 2 Druksoorten We kunnen verschillende soorten druk onderscheiden: de statische druk (Ps), de dynamische druk (Pd) en de totale druk (Pt) (Form.1-2). De statische druk is de druk die altijd heerst. Dit betekent dat de statische druk zowel aanwezig is als het vliegtuig op de grond staat als wan-neer het vliegtuig vliegt. De dynamische druk ontstaat door beweging. Van dynamische druk is dus alleen sprake als het vliegtuig een snelheid (v) heeft. Totale druk: Statische druk: Dynamische druk: Pt= Ps+ Pd= constant Ps= ρ. g. h + p0 Pd= ½ . ρ. v

2

Hierin is: ρ= de dichtheid van de lucht in [kg/m

3].

g= de valversnelling, op aarde 9,81 m/s2.

h= hoogte(verschil). P0= de standaarddruk. v= de snelheid van de lucht in [m/s].

Form. 1-2

Omdat de totale druk constant is, moet de statische druk afnemen als de dynamische druk toeneemt en andersom. Dat betekent dat de totale energie gelijk moet blijven (Form.1-3). Wet van energiebehoud: Et= Ep+ Ek= constant Hierin is: Ep is de potentiële energie. Ek is de kinetische- of bewegingsenergie. Et is de totale energie (=constant).

Form. 1-3

ad 3 Relatie druk, dichtheid, temperatuur en hoogte In de ISA-tabel (Bijlage II) zijn onder andere druk, dichtheid, temperatuur en hoogte weer-gegeven. Naast de bekende waarden die in deze tabel staan is er een verband te beschrij-ven tussen de gemeten druk en de hoogte (Form.1-4). In de luchtvaart maakt onder andere de hoogtemeter gebruik van dit verband.

Pagina 6



Relatie hoogte en druk:

Hierin is: P0 is de ingestelde druk op de subscale in [mbar] P is de gemeten druk in [mbar] H is de hoogte in [m]

Form. 1-4

1.1.1.c. Het meten van druk De luchtdrukinstrumenten maken gebruik van drukmetingen. Er zijn drie instrumenten die druk meten. Dat zijn de statische poort (1), de pitotbuis (2) en de venturibuis (3). ad 1 Statische poort Statische poorten (Afb. 1-1) zijn gaatjes in de romp van het vliegtuig die zoveel mogelijk in de ongestoorde luchtstroom zijn geplaatst, zodat de dynamische druk moeilijk bij deze gaatjes kan komen. Alleen de statische druk wordt zo gemeten. Statische poorten op het vliegtuig zijn verbonden met de drie air data instrumenten.

Afb. 1-1 Statische poorten

ad 2 Pitotbuis Een pitotbuis wordt gebruikt om de snelheid van een vliegtuig t.o.v. de lucht te bepalen. Een pitotbuis bevindt zich aan de buitenkant van een vliegtuig aan beide kanten van de romp (Afb. 1-2).

Afb. 1-2 Een pitotbuis

De pitotbuis bestaat uit een U-vormige buis gevuld met een vloeistof die vaak ook verbonden is met een statische poort (Afb. 1-3). De opening (2) van de pitotbuis wijst in de vliegrichting van het vliegtuig, waar de totale druk wordt opgemeten. De opening is zo geplaatst dat deze evenwijdig loopt aan de luchtstroom (1). Op het moment dat het vliegtuig in beweging komt, komt er een luchtstroom op gang die tegengesteld is aan de vliegrichting. Wanneer de lucht-stroom de pitotbuis instroomt, voert deze een druk (P2) uit op de vloeistof (punt A), waardoor het vloeistofniveau verandert. Doordat de andere kant van de U-vormige buis verbonden is met de statische poort, wordt daar een atmosferische druk (Pa) uitgeoefend op de vloeistof. Zoals al eerder is besproken, is de totale druk (Pt) gelijk aan statische druk plus dynamische druk. Dus om de dynamische druk te kunnen berekenen wordt het verschil tussen de meting van de pitotbuis en statische poort genomen wat tot de dynamische druk leidt.

Pagina 7



Afb. 1-3 De werking van de pitotbuis

ad 3 Venturibuis De venturibuis (Afb. 1-4) is een buis met in het midden een kleinere doorsnede dan aan de voor- en achterzijde van de buis.

Afb. 1-4

De venturibuis (Afb. 1-5) wordt gebruikt om de volumestroom door een leiding te meten. De luchtstroom komt met een bepaalde snelheid (V1) in de voorzijde van de buis (A1). Op het moment dat de luchtstroom in het midden (A2) komt van de buis wordt de luchtstroom ver-sneld (V2), waardoor de druk lager wordt dan de druk in de voorzijde. Dit drukverschil wordt gemeten door een U-vormige buis die gevuld is met kwik of water. De venturibuis maakt ge-bruik van de Continuïteitswet (1.1.1.c) en Wet van Bernoulli (1.1.1.c) en het instrument kan zo gebruikt worden om de snelheid van het vliegtuig te meten

A1= oppervlakte voorzijde V1= snelheid luchtstroom A2= oppervlakte middenstuk V2= snelheid in het midden van de buis (vernau-wing) h= hoogteverschil vloeistof

Afb. 1-5 De venturibuis

1.1.1.d. Natuurkundige wetten Bij het begrip druk horen een aantal natuurkundige wetten die een verband beschrijven tus-sen de druk en andere grootheden. De twee natuurkundige wetten die een belangrijk rol spe-len zijn de continuïteitswet (1) en de wet van Bernoulli (2).

ad 1 Continuiteitswet De continuïteitswet houdt in dat de energie in een buis (bijvoorbeeld) niet verloren gaat, dit geldt voor een niet-samendrukbare, stationaire en wrijvingloze stroming. Voor een stationaire stroming in een stroombuis geldt de wet van behoud van massa. De massastroom die een stroombuis binnengaat is gelijk aan de massastroom die de stroombuis verlaat, dit geldt ook voor het volume (Form.1-5). Massastroom is, dus de massahoeveelheid die per seconde door het doorsnijdingsvlak stroomt. Continuïteitswet: V1 x A1 = V2 x A2 Hierin is: V1 = instroomsnelheid

Pagina 8



V2 = uitstroomsnelheid A1 = doorsnede van de buis op plaats 1 A2 = doorsnede van de buis op plaats 2

Form. 1-5

ad 2 Wet van Bernoulli De wet van Bernoulli voor stromende lucht (Form.1-6) is niet anders dan de wet van behoud van energie (Form.1-3). De wet van Bernoulli mag alleen maar worden toegepast wanneer aan de volgende voorwaarden wordt voldaan:

er is sprake van een incompressibel gas (=niet samendrukbaar);

het stromende gas ideaal is, dus wrijvingsloos en homogeen;

adiabatisch proces, dus geen energie uitwisseling met de omgeving;

er is sprake van stationaire stroming. De wet van Bernoulli: P1+ρgh1+1/2ρv1

2 = P2+ρgh2+1/2ρv2

2 = constant

Hierin is: P1, P2 = druk (vaak atmosferische druk) in [Pa] ρ = luchtdichtheid in [kg/m

3]

g = de valversnelling in [m/s2] (9,81 m/s

2)

h1,h2 = de hoogte in [m] v1,v2 = snelheid van de lucht in [m/s]

Form. 1-6

1.1.2. Altimeter Tijdens een vlucht is het erg belangrijk om op de hoogte te zijn van de vlieghoogte aange-zien de piloot wil weten wat hij wel en niet kan met het vliegtuig. De hoogtemeter, in het En-gels „altitude-indicator‟, is het instrument dat de vlieghoogte meet. Deze heeft eigen wer-kingsmechanisme (1.1.2.a). De gemeten druk wordt uiteindelijk aangegeven op een meter in de cockpit (1.1.2.b). Toch kan de piloot er niet van uitgaan dat de aangegeven hoogte altijd klopt, er bestaan namelijk een aantal afwijkingen in het systeem die gecorrigeerd moeten worden (1.1.2.c). 1.1.2.a. De werking Het blijkt dat de hoogtemeter een drukmeter is die de omgevingsdruk meet, de statische druk. Na het meten van de statische druk, zullen de gegevens naar de hoogtemeter getrans-porteerd moeten worden (Afb. 1-6 en Afb. 1-7). Hierop zien we een membraandoos (1) en een meter die de druk aangeeft. De statische druk komt door de statische poorten binnen en wordt via een verbindingsstuk (4) in het mechanisme gebracht. De membraandoos is te ver-gelijken met een zak die kan uitzetten en krimpen. Bovendien is deze membraandoos geïso-leerd, zodat de temperatuur zoveel mogelijk constant blijft, anders treedt er namelijk een temperatuurfout op (1.1.2.c). De statische druk komt binnen in het systeem en heerst rondom de membraandoos. Neemt de statische druk af, dan zal de membraandoos uitzetten. Als de statische druk toeneemt, zal de membraandoos krimpen.

Afb. 1-6 Schematisch overzicht van de werking van de hoogtemeter.

Pagina 9



Aan de membraandoos is een as bevestigd met een tegengewicht (7). Deze as wordt in be-weging gezet als de membraandoos uitzet of krimpt. Op deze as zit een driehoekig tandwiel dat een rond tandwiel aandrijft. Dit ronde tandwiel is verbonden met de stangen waar de wij-zers aan vastzitten. Op deze stangen zitten kleinere tandwielen die onderling ook contact met elkaar maken. Als het tandwiel van de grootste wijzer één keer rondgaat, zal het tand-wiel van de middelgrote wijzer een klein stukje opschuiven. Dat betekent dat de grootste wij-zer, die per 100ft aangeeft, helemaal rond is geweest (1000ft=10 x 100ft) en de middelgrote wijzer één streepje is opgeschoven (=1000ft). Zo worden de wijzers door elkaar aangedre-ven. Tevens kan de piloot met behulp van en stelschroef (2) de referentiedruk instellen. Deze schroef is verbonden met een tandwiel (3) dat de wijzer in beweging zet, als er aan de schroef gedraaid wordt. De ingestelde druk is dan af te lezen op een drukschaal (5).

1. Luchtledige membraandoos. 2. Stelschroef. 3. Tandwiel dat de stelschroef bedient. 4. Verbinding met statische poort. 5. Drukschaal. 6. Isolatie, voor een constante temperatuur. 7. Contragewicht.

Afb. 1-7 Het mechanisme achter de hoogtemeter.

De hoogtemeter wordt door de piloot ingesteld op een referentiedruk (Bijlage III). De vol-gende instellingen worden gebruikt:

1. QNH 2. QFE 3. QNE.

ad 1 QNH Hoogtemeting ten opzichte van gemiddeld zeeniveau (Mean Sea Level). Bij deze instelling wordt de druk op zeeniveau gemeten en gebruikt voor de berekening van de hoogte. Als we het bij deze instelling over hoogte hebben, spreken we van altitude. ad 2 QFE Hoogtemeting ten opzichte van het terrein waarboven gevlogen wordt. De luchtdruk wordt dan ingesteld op die van het Field (bijvoorbeeld die op de luchthaven). Bij deze instelling wordt de hoogte aangeduid met de term height. ad 3 QNE Hoogtemeting ten opzichte van het referentiedrukvlak 1013,25 hecto Pascal. We spreken hier van „Flight Level vliegen‟. Flight Level vliegen wordt alleen toegepast op grotere hoog-tes. De regels voor flight level vliegen zorgen daarnaast voor voldoende afstand tussen ver-schillende soorten vliegverkeer, bijvoorbeeld verkeer in tegengestelde richting. In Nederland is het verplicht bij hoogtes boven de 3000ft over te schakelen op flight levels. Tussen een bepaalde hoogte moeten piloten omschakelen van altitudes naar flight levels of andersom. Dit gebied is de transition layer. De hoogte waarop de piloot overschakelt van flight levels naar altitudes noemen we transition level. De hoogte waarop de piloot overschakelt van alti-tudes naar flight levels noemen we transition altitude. Flight levels worden berekend vanaf het ingestelde barometrische vlak van 1013,25 hecto Pascal. Elk flight level is 100 ft. Dat betekent dat FL010 een hoogte van 1000 ft aangeeft. Er bestaan verschillende flight levels, afhankelijk van de magnetische koers. Flight levels worden ingedeeld in:

- Eastbound: Magnetische koers van 0° tot 179°. De flightlevels betreffen dan de one-ven duizendtallen (FL250, FL270 enz.)

Pagina 10



- Westbound: Magnetische koers van 180° tot 359°. De flightlevels betreffen dan de even duizentallen (FL260, FL280 enz.)

Flightlevels voorkomen het kruisen van vliegtuigen in tegengestelde richting. Ook hoeven piloten niet steeds van hoogte te wisselen als een ander vliegtuig nadert, aangezien deze toestellen zich op een veilige horizontale hoogte van elkaar bevinden.

1.1.2.b. De weergave De meter in de cockpit die de hoogte aangeeft (Afb. 1-8) heeft drie wijzers, een hoogte-schaalverdeling (6), een subscale (3), een stelschroef (7) en een zwart-wit gestreept vlak (4). De lange dunne wijzer (1) geeft de hoogteverandering per 1000ft aan, de grote dikke wijzer doet dit per 100ft (5) en de kleinste wijzer per 10.000ft (2). De schaalverdeling op de meter is in foot en bestaat uit cijfers die lopen van nul tot en met negen. Tussen de cijfers bevinden zich streepjes die een verdere verdeling aangeven. Ook zit er een subscale op de meter. Deze wordt gebruikt voor het aflezen van de ingestelde druk. De stelschroef bevindt zich links naast de meter en wordt gebruikt bij het instellen van de druk. Het zwart-wit gestreepte vlak verdwijnt als het vliegtuig boven een hoogte van 10.000ft komt. Met de verdwijning van dit vlak worden de piloten hierop geattendeerd. De meeste meters geven aan in foot, maar de drukschaal is niet altijd hetzelfde: sommige meters geven de druk aan in inch kwikdruk. De subscale op de afbeelding geeft ook in inch kwikdruk aan. 29,92 inch kwikdruk komt overeen met 1013,25 Pa. Dit is de standaardinstelling die in Nederland gebruikt wordt voor hoogtes boven 3000ft. De piloot krijgt deze standaarddruk door van de toren (QNH).

1. Aanwijzing per 1000ft. 2. Aanwijzing per 10.000ft. 3. Drukschaal (subscale). 4. Gestreept vlak. 5. Aanwijzing per 100 ft 6. Hoogteschaal (in ft). 7. Stelschroef

Afb. 1-8 Een analoge hoogtemeter

1.1.2.c. Afwijkingen Het is niet vanzelfsprekend dat de hoogtemeter altijd de juiste hoogte aangeeft. Tijdens het meten, doorgeven en weergeven treden er een aantal fouten op waarmee rekening gehou-den moet worden, wil de piloot de juiste hoogte aflezen van de meter. Er zijn drie soorten fouten waar rekening mee moet worden gehouden, dit zijn:

1. wrijvingsfout, 2. temperatuurfout, 3. hoogtefout.

ad 1 Wrijvingsfout Deze fout wordt veroorzaakt door de wrijving van de raderen en tandwielen in de hoogteme-ter. Hierdoor wordt niet de hoogte aangegeven waarop men vliegt, maar is er een kleine af-wijking. Dit wordt meestal gecorrigeerd door een trillend kastje in het mechanisme aan te brengen, waardoor de weerstand in het mechanisme verlaagd kan worden en de meter be-trouwbaarder wordt. ad 2 Temperatuurfout Wanneer de werkelijke temperatuur afwijkt van de standaardomstandigheden, zal de hoog-temeter een onjuiste hoogte weergegeven. Aangezien bekend is dat de druk afneemt bij da-lende temperatuur, zal bij een andere temperatuur dan die volgens ISA, de luchtdruk ver-schillen van de druk die verwacht wordt. Onderdelen in de hoogtemeter kunnen krimpen of uitzetten, waardoor er een fout ontstaat. Om de temperatuur zoveel mogelijk constant te

Pagina 11



houden, is bijvoorbeeld de membraandoos geïsoleerd, zodat de temperatuurfout zo klein mogelijk is. ad 3 Hoogtefout Op grote hoogte zijn de drukverschillen per 100 m kleiner dan 12,5 hPa zoals op lage hoog-te. De membraandozen geven op grote hoogte kleinere uitslagen, de onnauwkeurigheid neemt toe met de hoogte. Dit is niet erg, aangezien het belangrijker is de juiste hoogte te weten als men op lage hoogte vliegt, dan wanneer men hoger vliegt. Bovendien maakt het niet uit of het vliegtuig op een hoogte van 30.000 ft of een hoogte van 30.010 ft vliegt, aan-gezien de onderlinge afstand tussen twee vliegtuigen altijd voldoende is (ongeveer 500ft). 1.1.3. Vertical speed indicator In het vliegtuig is een meter aanwezig die de stijgen daalsnelheid weergeeft: de vertical speed indicator. Ook de vertical speed indicator werk op druk en maakt gebruik van de ge-meten statische druk (1.1.3.a). De verticale- snelheidsmeter bestaat uit een mechanisme, met als laatste component de meter in de cockpit (1.1.3.b). Deze heeft een aantal afwijkin-gen, die veroorzaakt worden door schommelingen in de temperatuur en de traagheid in het mechanisme (1.1.3.c). 1.1.3.a. Werking De vertical speedindicator is aangesloten op de statische poort, die alleen de statische druk meet. Hierna gaat de lucht door een systeem met een eigen werkingsmechanisme, voordat de verticale snelheid wordt weergegeven in de cockpit. De statische druk gaat door de stati-sche poorten en komt dan via een buis (6) in het systeem terecht (Afb. 1-9) Eerst komt de lucht in de membraandoos (5), welke niet luchtdicht is afgesloten. Wel kan de statische druk maar in geringe mate in de omgeving van de membraandoos komen, de opening waar de lucht doorheen kan (1) is erg nauw. Als het vliegtuig stijgt neemt de statische druk af. Hierdoor zal de lucht terugstromen vanuit de membraandoos door de buis naar buiten. Tegelijkertijd stroomt er ook lucht terug vanuit de omgeving van de membraandoos. De druk in de membraandoos zal sneller afnemen, dan rondom de membraandoos. Zo ontstaat er een drukverschil. Als het vliegtuig stijgt en de sta-tische druk afneemt, zal de membraandoos krimpen. De as die vastzit aan de membraan-doos (3) beweegt dan naar links en via een tandwiel (4) zal de wijzer op de meter (2) naar boven bewegen, het vliegtuig stijgt. Als het vliegtuig niet meer stijgt zal de druk in en rondom de membraandoos weer gelijk worden en neemt de membraandoos weer haar neutrale stand aan. De verticale snelheid is nul. Bij het dalen gebeurt precies het omgekeerde. De druk in de membraandoos neemt snel toe, terwijl de druk rondom de membraandoos gelei-delijk toeneemt. De membraandoos zet uit en de stang aan de membraandoos beweegt naar links, de wijzer geeft dalen aan. Als het vliegtuig niet meer daalt, is er geen drukverschil meer en geeft de meter nul aan.

1. Nauwe opening. 2. Aanwijzing in de cockpit. 3. Overbrenging (as). 4. Tandwiel. 5. Membraandoos. 6. Buis naar membraandoos.

Afb. 1-9 De werking van de stijgen daalsnelheidsmeter.

De statische druk gaat het mechanisme binnen door een buis die verbonden is met de stati-sche poort (1). De statische druk gaat door een buis (2) de membraandoos (3) binnen. Als de membraandoos uitzet, wordt de stang die eraan vastzit (5) naar boven bewogen. Met be-

Pagina 12



hulp van een hefboom (4) wordt deze omhoog gaande beweging omgezet naar een draaien-de beweging. Hierdoor gaat een as (6) draaien. Aan deze as is een driehoekig tandwiel be-vestigd (8). Dit tandwiel drijft een kleiner tandwiel aan (9). Dit tandwiel is met een staaf ver-bonden waar de wijzer (12) aan vast zit. Deze wijzer geeft dan respectievelijk stijgen of dalen aan (11). De lucht rondom de membraandoos kan terugstromen naar buiten door een nauw buisje (10). Als de meter op nul gezet moet worden kan dit met behulp van een stelschroef (7), die bedient wordt door eraan te draaien. Overigens is de meter van te voren geijkt, wat met behulp van de instelschroeven gebeurt (13).

1. Verbinding met statische poort. 2. Buis naar membraandoos. 3. Membraandoos. 4. Hefboom. 5. Stang aan membraandoos. 6. Draaibare as. 7. Stelschroef 8. Driehoekig tandwiel. 9. Klein tandwiel. 10. Nauwe terugstroomopening. 11. Schaalverdeling. 12. Wijzer. 13. Instelschroeven.

Afb. 1-10 Mechanisme achter de stijgen daalsnelheidsmeter.

1.1.3.b. Aanwijzing Het uitzetten of indrukken van de membraandoos wordt vertaald in een snelheid waarmee het vliegtuig van hoogte verandert per minuut (feet per minute). De schaalverdeling op de meter is meestal lineair (Afb. 1-11). Maar er zijn ook variometers met logaritmische schalen (Afb. 1-12). Dit heeft een speciale reden: er wordt vaak met een lage snelheid gestegen of gedaald. Daarom is het van veel groter belang bij lage snelheden de precieze snelheid te weten dan bij grote verticale snelheden. Als de verticale snelheid nul is, moet de meter op nul staan en dus naar links wijzen. Bij het stijgen beweegt de wijzer naar boven. Bij dalen beweegt de wijzer naar beneden. De meter kan op nul gezet worden, door te draaien aan een stelschroef die zich links onder de meter bevindt.

Afb. 1-11 Lineaire schaal. Afb. 1-12 Logaritmische schaal

1.1.3.c. Afwijkingen Tijdens het meten, doorgeven en weergeven treden er een aantal fouten op waarmee reke-ning gehouden moet worden, wil de piloot de juiste snelheid aflezen van de meter. Deze fou-ten zijn:

1. temperatuurfout, 2. instrumentfout.

ad 1 Temperatuurfout Als de verticale snelheid nul is en de statische druk constant, kan er een foute weergave op de meter optreden. Dit is het geval als het vliegtuig in een gebied terechtkomt waar de tem-peratuur ineens toeneemt. Het volume van de lucht in de membraandoos zal dan toenemen, waardoor de membraandoos uitzet. Hierdoor ontstaat een verkeerde weergave op de meter.

http://www.ultralightnews.ca/uma_uslk/images/3vsi.jpghttp://images.google.nl/imgres?imgurl=http://www.zweefvliegopleiding.nl/gpl/instrumenten/afbeeldingen/variologaritmisch300.jpg&imgrefurl=http://www.zweefvliegopleiding.nl/gpl/instrumenten/instrumentendc3.htm&usg=__SxS5co2Cyx_8L2bf37NNO6hzqOI=&h=302&w=300&sz=16&hl=nl&start=7&um=1&tbnid=Igz_7IN2vGzj-M:&tbnh=116&tbnw=115&prev=/images?q=logaritmische+variometer&hl=nl&lr=lang_nl&sa=N&um=1

Pagina 13



Deze afwijking door veranderende temperatuur kan gecorrigeerd worden door de behuizing van het mechanisme te isoleren, waardoor de temperatuur constant blijft.

ad 2 Instrumentfout In de vertical speed indicator treedt altijd een traagheidsfout op. Aangezien het drukverschil in de meter niet direct ontstaat zal de meter niet meteen klimmen of dalen aangeven. Dit duurt enkele seconden. Om sneller de verticale snelheid te kunnen aflezen, gebruikt men tegenwoordig een ander soort vertical speed indicator: de instantaneous vertical speed indi-cator, IVSI (Afb. 1-13). Deze bevat een zuiger (4) ,die de snelheid in het instrument ver-hoogt. Deze zuiger staat in verbinding met de statische poort en het apparaat zelf (1). Als het vliegtuig daalt, stijgt de statische druk en wordt de zuiger naar beneden geduwd. Daardoor is de statische druk in de membraandoos (2) nog maar heel even groter dan rondom de mem-braandoos. Dit komt doordat de zuiger ervoor zorgt dat de druk rondom de membraandoos veel sneller toeneemt, dan het geval is bij een normale variometer. Die heeft enkel een klei-ne opening (3) waar de druk naar buiten het membraan kan. Het drukverschil is bij de IVSI sneller aanwezig door het werken van de zuiger. Hierdoor reageert de wijzer veel sneller en is de traagheid zoveel mogelijk uit het instrument.

1. Buis vanaf statische poort. 2. Membraandoos. 3. Opening. 4. Zuiger.

Afb. 1-13 IVSI

1.1.4. Airspeed indicator Snelheid is in de luchtvaart van groot belang. Op het moment dat een vliegtuig in beweging is, ontstaan er aerodynamische krachten rondom het vliegtuig. Vlieg je te langzaam kan je stall (dan is er geen lift meer aanwezig) creëren, vlieg je te snel kan er schade aangericht worden aan de constructie. Het is dus relevant voor de piloot dat er een snelheidmeetinstru-ment aanwezig is. Ook maakt de piloot gebruik van deze gegevens om te kunnen navigeren en om te bepalen hoeveel tijd er nog nodig is om zijn bestemming te kunnen bereiken. De snelheidsmeter is een meetinstrument dat de snelheid van het vliegtuig ten opzichte van de omringende lucht meet. Dit gebeurt door het meten van de statische- en dynamische druk via een statische poort en een pitotbuis die in het mechanisme van de snelheidsmeter aan-wezig zijn (1.1.4.a). Uiteindelijk wordt de snelheid in de cockpit weergegeven (1.1.4.b). De snelheidsmeter heeft afwijkingen, waardoor er verschillende type snelheden weergegeven kunnen worden. Deze zijn calibrated airspeed (CAS), equivalent airspeed (EAS) en True airspeed (TAS). (1.1.4.c). 1.1.4.a. Werking De snelheid wordt gemeten met behulp van dynamische druk, zoals eerder besproken is. De dynamische druk is het verschil tussen de totale- en statische druk. In Afb. 1-14 wordt de binnenkant van de snelheidsmeter weergegeven. De snelheidsmeter bestaat uit een afgeslo-ten metalen instrumentenhuis (1) met twee inlaten aan de achterkant van. De twee inlaten zijn verbonden met de pitotbuis (2) en de statische port (3). Via de statische poort komt de statische druk in het instrumentenhuis terecht, waardoor de statische druk heerst. Dat bete-kent dat de druk in het instrumentenhuis gelijk is aan de atmosferische druk. De pitotbuis meet de totale druk die uiteindelijk terecht komt in de membraandoos (4). Door het verschil in statische- en totale druk wordt de snelheid berekend. Als de snelheid van het vliegtuig toe-neemt, wordt de totale druk in het membraan groter dan de statische druk in het instrumen-tenhuis, waardoor het membraan gaat uitzetten. Dat proces is er ook omgekeerd: als de

Pagina 14



snelheid lager wordt, dan wordt de totale druk lager ten opzichte van de statische druk, het gevolg ervan is dat de membraandoos krimpt. Door het uitzetten en krimpen van de mem-braandoos wordt er een beweging overgebracht door een calibratie stang (5). Deze geeft de beweging door aan de verticale overbrenging (6). De overbrenging geeft door middel van een tandwiel (7) haar beweging door aan een ander tandwiel (8), dat is bevestigd aan de wijzer (9). De wijzer slaat dan uit op de wijzerplaat (10).

1. Behuizing. 2. Totale drukinlaat. 3. Statische drukinlaat. 4. Membraan. 5. Calibratiestang. 6. Overbrenging. 7. Overbrenging met tandwiel. 8. Tandwiel. 9. Wijzer. 10. Wijzerplaat.

Afb. 1-14 Het mechanisme achter de snelheidsmeter.

1.1.4.b. Weergave Op het weergavepaneel van de snelheidsmeter (Afb. 1-15) wordt de aangegeven luchtsnel-heid, ofwel Indicated Airspeed (IAS) weergegeven. De getallen op het weergave paneel ge-ven de snelheid aan. Snelheid wordt aangegeven in knopen (knots). Eén knoop is 1,852 km/h. Op de meter zijn er verschillende gekleurde lijnen. De gekleurde lijnen geven de pilo-ten extra informatie, die veiligheidsaspecten bevatten met betrekking tot de vliegsnelheid. Het rode merkteken is de maximale snelheid die het vliegtuig kan bereiken, de Never Exceed Speed (VNE). Als het vliegtuig over de rode streep gaat, dan is de kans groot dat het vlieg-tuig zwaar beschadigd raakt door de grote krachten die optreden op de constructie. De witte lijn geeft het bereik van de snelheden waarin de flaps (welvingskleppen) en het lan-dingsgestel gebruikt mogen worden. Het einde van de witte lijn geeft de Flaps Extended speed (VFE) aan. Als het vliegtuig een snelheid bereikt voor de witte lijn geeft het de Stall speed (VS) aan. Dit betekent dat het vliegtuig niet genoeg snelheid heeft om lift te kunnen creëren. De gele lijn geeft snelheden aan die bereikt mogen worden als er geen turbulentie voorkomt en beperkte manoeuvres gedaan worden. De groene lijn geeft aan bij welke snelheden het veilig is om alle manoeuvres uit te voeren die het vliegtuig kan. Het einde van de groene streep geeft de Maximum Manoeuvring speed (VNO) aan.

Afb. 1-15 De snelheidsmeter in de cockpit.

1.1.4.c. Afwijkingen Tijdens het meten van de snelheid treden er afwijkingen op. Door de drukinstrumenten in een verkeerde positie te plaatsen kunnen er afwijkingen in de vliegsnelheid optreden. Het heeft ook ermee te maken dat snelheid niet alleen afhankelijk is van de dynamische druk, maar ook van de luchtdichtheid en temperatuur. Veel snelheidsmeters rekenen met een ge-middelde luchtdichtheid van 1,225 kg/m³. Deze waarde is de gemiddelde luchtdichtheid op zeeniveau. Snelheidsmeters die op deze manier hun snelheid weergeven, geven de Indica-ted Airspeed aan (IAS). Omdat het vliegtuig op verschillende hoogtes vliegt, is de luchtdicht-heid steeds verschillend ten opzichte van het zeeniveau. Om dus tot de werkelijke snelheid

Pagina 15



(True Airspeed, TAS) te komen worden er verschillende correcties gedaan (Afb. 1-16). We kennen drie soorten snelheden: 1. Indicated Airspeed (IAS), 2. Calibrated Airspeed (CAS), 3. Equivalent Airspeed (EAS), 4. True Airspeed (TAS).

ad 1 Indicated Airspeed (IAS) Dit is de luchtsnelheid die wordt aangegeven op de snelheidsmeter in de cockpit. Dit is de ongecorrigeerde luchtsnelheid.

ad 2 Calibrated Airspeed (CAS) Als de indicated air speed wordt verbeterd op drukval in leidingsystemen wordt de gekali-breerde snelheid behouden, de Calibrated Airspeed. ad 3 Equivalent Airspeed (EAS) Deze snelheid is berekend met het gemeten drukverschil, als voor de dichtheid de constante waarde op zeeniveau wordt gebruikt. Equivalent air speed is de Calibrated Airspeed plus de gecorrigeerde samendrukbaarheid van de lucht op vlieghoogte.

ad 4 True Airspeed (TAS) De laatste stap op weg naar de ware luchtsnelheid is door de Equivalent Airspeed te corrige-ren met de luchtdichtheid en de temperatuur van de lucht op bepaalde hoogten. De ware luchtsnelheid blijft uiteindelijk over.

Afb. 1-16 Snelheden.

1.2. Gyroscopische instrumenten Alle instrumenten van de basic six die werken met behulp van gyroscoop worden gyroscopi-sche instrumenten genoemd. Om de instrumenten te kunnen beschrijven is een uitleg nodig over gyroscoop in het algemeen (1.2.1). In de cockpit zijn de volgende gyroscopische in-strumenten aanwezig: artificial horizon (1.2.2), turn and bank indicator (1.2.3) en heading indicator (1.2.4). 1.2.1. Theorie gyroscoop De uitvinder van de gyroscoop Léon Foucault stelde in 1852 de naam samen uit de Griekse woorden "gyros" en "skopein" die respectievelijk "cirkel" en "zien" betekenen. Voor een vlieger zijn navigatie en coördinatie belangrijke aspecten, waarbij de gyroscoop van groot belang is. Er moet kennis zijn over de werking van de gyroscoop (1.2.1.a) om tot een goed ontwerp te komen.Verder hebben gyroscopen een aantal eigenschappen die van belang zijn (1.2.1.b) en bestaan er verschillende soorten aandrijvingen (1.2.1.c). Ook zijn er nog een aantal afwijkingen waar rekening mee moet worden gehouden (1.2.1.d).

Pagina 16



1.2.1.a. De werking van de gyroscoop Een gyroscoop is een rotatiesymmetrische massa die om zijn as kan draaien. Te vergelijken met een tol (Afb. 1-17) Een gyroscoop die kan draaien om drie onafhankelijke assen; de spin- as (1), de horizontale as (2) en de verticale as (3) wordt een gyroscoop met een vol-cardanisch ophanging genoemd en de engelse benaming Two Degrees of Freedom (TDF), waardoor de gyroscoop vrij kan bewegen om de drie assen: x as, y as en de z as. Dit zorgt voor vrije beweging van de massa ten opzichte van de omgeving. Hierdoor heeft de vol-cardanische gyroscoop dus twee bewegings -richtingen. Een gyroscoop die gebruikt maakt van drie assen behoud zijn stand in de ruimte.

Afb. 1-17 De gyroscoop.

Eveneens een gyroscoop die kan draaien om twee onafhankelijke assen; de sping-as(1) en de horzontale as wordt een gyroscoop met een half-cardanisch ophanging genoemd en het engelse benoeming Single Degree of Freedom (SDF). Bij deze vorm kan de gyroscoop over twee assen bewegen, de spin-as(1) en de horizontale as(2) en heeft dus maar vrijheid in één bewegingsrichting. Een gyroscoop die gebruikt maakt van twee assen behoud dus niet zijn volledige stand in de ruimte. De wet van behoud van impulsmoment (Form. 1-7) stelt: als een voorwerp eenmaal in een bepaald tempo aan het draaien is, het de neiging heeft om die draaiing aan te houden. Er is dus een kracht - of liever gezegd een moment nodig om dat te veranderen. Wordt dat moment niet geleverd, dan kan er geen verandering zijn van het im-pulsmoment en wordt dat "behouden". Het is één van de behoudswetten waarop de klassie-ke mechanica is gebaseerd. Met een behoudswet wordt uitgedrukt dat een aantal eigen-schappen van een systeem constant zijn als er geen externe factoren een rol spelen. Impuls: p = m * v

Hierin is: m = Massa (kg) v = Snelheid (m/s) p = Impuls (kg·m/s)

Impulsmoment: L = r * p

𝐋 = 𝐫 ∗ 𝐦 ∗ 𝐯 Hierin is: L = impulsmoment (kg·m²/s) r = straal van de gyroscoop (m)

Form. 1-7 Impuls en impulsmoment.

In formules wordt impulsmoment aangegeven met L. In deze L zit de massa van het draai-ende voorwerp verwerkt, hoe snel die massa beweegt en hoe ver van de draai as die massa (gemiddeld) zit. Wrijving tussen de bewegende delen geeft een extern krachtmoment en die stopt uiteindelijk de draaibeweging van de gyroscoop. Gyroscopen voor oriëntatieapparatuur moeten mechanisch in beweging worden gehouden. 1.2.1.b. Eigenschappen Een gyroscoop heeft twee belangrijke eigenschappen die optreden; dat zijn standvastigheid (1) en precessie (2). Er zijn instrument die gebruikt maken van precessie of standvastigheid. En er zijn instrument die van bijde eigenschappen gebruik maken. Dit wordt verder in hoofd-stuk één per instrument behandeldt.

1. Spin as. 2. Horizontale as. 3. Verticale as

http://nl.wikipedia.org/wiki/Moment_(mechanica)http://nl.wikipedia.org/wiki/Behoudswethttp://nl.wikipedia.org/wiki/Impulsmoment

Pagina 17



ad 1 Standvastigheid Standvastigheid is het verschijnsel dat een gyroscoop met zijn as altijd naar één positie blijft wijzen in de ruimte en deze ook niet meer zal veranderen zolang hij in werking is. De stand-vastigheid wordt bepaald door de rotatiesnelheid, massa en diameter van de gyroscoop. En juist willen men in de vliegtuigeninstrumenten zo klein en zo licht mogelijk. Daarom kan de massa en diameter van een gyroscoop niet te groot zijn. In dat geval des te harder de sym-metrische massa van de gyroscoop draait des te beter de standvastigheid. Verder is standvastigheid van de gyroscoop is te verklaren met de eerste wet van newton, ook wel de wet van traagheid genoemd. Deze wet stelt dat als er op een voorwerp geen re-sulterende kracht inwerkt, deze in rust is of beweegt rechtlijnig met constante snelheid voort. De mate van standvastigheid wordt bepaald door drie factoren: de massa van de rotor, de draaisnelheid en de afstand van waar de massa aangrijpt tot het midden van de rotor. Dit verband kan men ook door midden van wet van behoud van impulsmoment verklaren. Uit de formule kan afgeleid worden dat voor hetzelfde impulsmoment, bij een grotere massa en straal, een lagere draaisnelheid nodig is. Voor de luchtvaart is een klein instrument prakti-scher vanwege gewicht- en ruimtebesparing dus moet de snelheid opgevoerd worden, als de massa en straal klein gehouden moet worden. Kortom het impulsmoment bepaalt de mate van standvastigheid.

ad 2 Precessie Een verandering in richting van een snel draaiende gyroscoop is alleen mogelijk wanneer de koppelmoment is toegepast op een as dat verschilt met de draaiende as. Dit koppelmoment kan afkomstig zijn van een kracht die wordt uitgeoefend door onder andere de draaiende massa van de gyroscoop of van een kracht van buitenaf(externe kracht). Oefent men een kracht uit op een draaiende gyroscoop, dan komt die kracht pas tot uitdrukking, nadat deze 90° is meegedraaid in de draairichting van de symmetrische massa van de gyroscoop, dit verschijnsel wordt precessie genoemd. Ook precessie is aan de hand van een formule te verklaren (Form. 1-8). Precessie:

𝐋 𝐱 ′ = 𝐫 ∗ 𝐅 = 𝛕 Hierin is:

𝛕 = het uitgeoefende moment (= r *F) L(x)’ = de verandering van het impulsmoment (=precessiesnelheid).

Form. 1-8

Bovenstaande formule zegt dat de verandering van de richting van L en dus van de rotatie-as zal liggen volgens het moment dat men erop uitoefent. De zwaartekracht levert hier een moment dat in een horizontaal vlak ligt, omdat de kracht loodrecht op zijn arm staat. De rich-tingsverandering van de rotatie-as is dus voortdurend horizontaal: de top van de rotatie-as beschrijft een cirkel in een horizontaal vlak. De verandering is dus niet horizontaal, zoals men spontaan verwacht, maar verticaal volgens de kracht. Uit de formule is af te leiden, hoe groter het impulsmoment des te lager de precessiesnelheid. 1.2.1.c. Soorten aandrijving Er zijn twee soorten manieren om een gyroscoop “werkende” te krijgen: pneumatisch vacu-üm (1) en elektrische aandrijving (2). Deze pneumatisch aangedreven gyroscoop behoort tot de mechanische gyroscopen.

ad 1 Pneumatisch vacuüm Onder pneumatische aandrijving wordt verstaan dat de tol aangedreven wordt door middel van lucht. De vliegtuigmotor zet een vacuümpomp in werking. Deze creëert een onderdruk in het instrumenthuis door de lucht weg te zuigen. Door de drukverschillen zal lucht het instru-

http://wapedia.mobi/nl/Moment_(mechanica)

Pagina 18



menthuis in willen stromen. Deze instromende lucht wordt over een ronde schijf (de gyro-scoop) met schoepen geleid die hierdoor snel gaat ronddraaien. Deze aandrijving zorgt voor ongeveer 10.000 rotaties van de symmetrische massa, per minuut. Omdat op grote hoogte de luchtdichtheid afneemt, zal een pneumatisch aangedreven gyroscoop minder goed pres-teren.

ad 2 Elektrische aandrijving Vliegtuigen die tot grotere hoogtes kunnen komen, hebben om die reden meestal een elek-trisch aangedreven gyroscopen. De elektriciteit wordt tijdens de vlucht verzorgd door de mo-toren. De aandrijving door elektriciteit zorgt voor een hogere omwentelingssnelheid dan een pneumatische aangedreven gyroscoop, ongeveer 20.000 rotaties van de symmetrische massa, per minuut. Door een hogere omwentelingssnelheid is de precessie van de gyro-scoop beter. 1.2.1.d. Afwijkingen Door de aardrotatie zal een gyroscoop continu verlopen ten opzichte van het aardoppervlak. Een gyroscoop heeft te maken met afwijkingen waar piloten regelmatig op moeten letten bij het aflezen van metingen op instrumenten die gebruik maken van de gyroscoop. We kennen drie soorten afwijkingen:

1. werkelijke drift, 2. schijnbare drift, 3. transport wander.

ad 1 Werkelijke drift Deze afwijking ontstaat door de lagerwrijving en onbalans waardoor de as van de gyroscoop wordt verplaatst en een andere aanwijzing van zijn ingestelde richting aangeeft. ad 2 Schijnbare drift De schijnbare drift ontstaat door de rotatie van de aarde (Afb. 1-18). Doordat de gyroscoop de eigenschap van de standvastigheid heeft zal deze niet met de aarde meedraaien. De gyroscoop krijgt ongeveer een afwijking van 15 graden per uur. Als de gyroscoop op de eve-naar staat en de draaias wijst naar een punt in de ruimte, heeft de stand van de as ten op-zichte van de aarde een uur later een afwijking van vijftien graden. Na twaalf uur staat de draaias zelfs ondersteboven, ofwel hij heeft een afwijking van 180°. Dit komt doordat de aar-de draait en eens in de 24 uur een omwenteling maakt, maar de gyroscoop is standvastig en wijst altijd naar hetzelfde punt in de ruimte. Als de stand van de gyroscoop ten opzichte van de aarde bekeken wordt, heeft deze na een tijdje een afwijking. De plaats op aarde is ook van belang; stel dat er een gyroscoop op de Noordpool zou staan. De draaias wijst dan naar de poolster. Hier vindt geen afwijking plaats, doordat de gyroscoop dan evenwijdig is met de draaias van de aarde (en die is ook standvastig). De afwijking per uur hangt dus af van waar de gyroscoop staat op de aarde. Dit is te berekenen als de hoek ten opzichte van de evenaar bekend is. Dit wordt schijnbare drift of aparrent wander genoemd.

0 = geen afwijkingen. 1 = afwijking van vijftien graden per uur.

Als: 0 < a < 1= a Dan: a * vijftien= afwijking (in graden per uur)

Afb. 1-18 Schijnbare drift.

ad 3 Transport wander Transport wander treedt op wanneer de gyroscoop beweegt langs het aardoppervlak. De gyroscoop blijft op het zelfde punt wijzen in de ruimte. Terwijl het vliegtuig met de bolling van de aarde meegaat en er dus een verschil optreed in de verticale gyroscoop as en de vertica-

Pagina 19



le as van het vliegtuig ten opzichte van de aarde. De verticale as van de gyroscoop zal dan niet meer loodrecht op de aarde staan. Dit gebeurt alleen in de richting van oost-west parallel met de aardas. 1.2.2. Artificial Horizon De artificial horizon is een instrument in het vliegtuig, dat de piloot laat zien wat de stand van het vliegtuig is ten opzichte van de horizon. Deze metingen worden allemaal getoond op één paneel. (1.2.2.b). Er moet wel enige kennis zijn over de werking van kunstmatige horizon (1.2.2.a), om een goed ontwerp van een nieuw cockpitsysteem te kunnen maken. Verder wordt het instrument gebruikt bij het maken van precieze bochten en de automatische piloot, waarbij in de artificial horizon een aantal afwijkingen kunnen plaatsvinden. Ook hiervoor zijn richtmiddelen aanwezig zijn. (1.2.2.c). 1.2.2.a. De werking Het instrumentenhuis van de kunstmatige horizon is bevestigd aan het instrumentenpaneel van het vliegtuig. Dit instrumentenpaneel is bevestigd aan het frame van het vliegtuig waar-door dit paneel in alle bewegingen die het vliegtuig maakt met het vliegtuig mee beweegt. Het binnenwerk van het instrumentenhuis is gestabiliseerd en behoudt hierdoor een vaste stand en zal dus afwijken van de bewegingen van het vliegtuig. Het binnenwerk bestaat uit een mechanisme met een verticale gyroscoop (Afb. 1-19).

1. Verticale cardanring.

2. Horizontale cardanring.

3. Vliegtuig symbool.

4. Pen.

5. Gleuf.

6. Wijzerhefboom.

7. Gewichtje.

8. Arm.

9. Gyroscoophuis pen.

10. Horizon (op de meter).

Afb. 1-19 Werking van de artificial horizon

Om de gyroscoop zit een verticale cardanring. (1) Aan deze ring zit de horizontale cardanring (2) bevestigd. Hieraan zit een vliegtuig symbool dat de stand van de langs-as van het vlieg-tuig weergeeft (de roll) (3). Aan de verticale cardanring zit een pen gemonteerd (4), deze pen zit in een soort gleuf op de wijzerhefboom, waardoor de verticale cardanring zich alleen kan bewegen in de lengte van deze gleuf (5). Aan de wijzerhefboom (6) is een gewichtje ge-plaatst (7). Dit gewicht zorgt ervoor dat de wijzerhefboom in balans is zodra het vliegtuig be-weegt. Als het vliegtuig beweegt, dan beweegt de arm mee (8). Wanneer het vliegtuig hori-zontaal vliegt, zal de pen van het gyroscoophuis (9) en draaipunt van de wijzerhefboom op één horizontale lijn liggen. De horizonstreep (10) staat dan precies horizontaal op de display. De hellingshoekaanwijzer staat dan op nul graden. Gaat het vliegtuig naar voor of achter hellen (de pitch), dan draait de vast gemonteerde instrumentenkast in het vliegtuig met de horizontale cardanring om de gyroscoop heen (want de gyroscoop houdt dezelfde stand, dus de rest draait er omheen omdat deze aan het gyroscoophuis is vast gemaakt). Dit zelfde geldt voor de beweging in de langs-as. (de roll). Maar dan met behulp van de verticale car-danring. Wanneer het vliegtuig een bocht maakt gaat het instrumentenhuis waar de arm aan vast zit, met de beweging mee en zal de wijzerhefboom die aan de verticale cardanring vast zit, dus de standvastigheid van de gyroscoop aanhouden. Deze blijft horizontaal en zal dus een hoek maken met het vliegtuig symbooltje dat aan de arm vast zit.

Pagina 20



1.2.2.b. De weergave De display van de artificial horizon heeft een scheiding in twee kleuren. De scheiding tussen deze twee kleuren is de horizon. Het vlak onder die scheiding is meestal bruin of zwart en het vlak erboven blauw (Afb. 1-20). Dit maakt het aflezen overzichtelijk. De twee zwarte lij-nen, met daartussen de zwarte stip, geven informatie over de vleugels en de neus van het vliegtuig. De ring aan de bovenzijde geeft de dwarshelling ten opzichte van de vaste drie-hoekige markering weer (eerst 10 graden per klein streepje en vervolgens 30 graden per grote streep). Het blauw/zwarte gedeelte in de cirkel gedraagt zich als de echte horizon en zal dus, wanneer bijvoorbeeld de neus omhoog komt naar beneden zakken en wanneer hel-ling naar links gegeven wordt naar rechts draaien. Het afgebeelde vliegtuig met zijn twee vleugels, kan met behulp van de knop omhoog of omlaag bewogen worden om op die ma-nier de stand van het vliegtuig bij een bepaalde snelheid eenvoudig als referentie vast te kunnen houden. Een beweging van de langsas heet roll (1); een beweging van de breedte as heet pitch (2).

Afb. 1-20 De artificial horizon in de cockpit.

ad 1 Roll Als de lijnen een hoek maken met de witte lijn die de horizon voorstelt, dan helt het vliegtuig over naar links of rechts. Deze beweging wordt aangeduid met de term roll.

ad 2 Pitch Als de stip boven de horizon is, dan wijst de neus van het vliegtuig omhoog, Als de stip be-neden de horizon is, dan wijst de neus omlaag. Deze bewegingen worden aangeduid met de term pitch. Pitchen betekent niet meteen stijgen of dalen, het geeft alleen de stand van de neus aan. 1.2.2.c. Richtmiddellen Door de aardrotatie zal de gyroscoop die de kunstmatige horizon gebruikt, continu verlopen ten opzichte van het aardoppervlak. Een richtmiddel corrigeert dit verloop waardoor het aardoppervlak het punt van referentie blijft. De richtmiddelen die de kunstmatige horizon ge-bruikt zijn de kleppendoos (1) en de kogeldoos (2).

Afb. 1-21 Kleppendoos.

Pagina 21



ad 1 Kleppendoos Een kleppendoos (Afb. 1-21) is een mechanisch systeem dat aan de onderkant van een gy-roscoop gemonteerd wordt. Een kleppendoos wordt gebruikt in een pneumatische kunstma-tige horizon. De kleppendoos heeft vier openingen (1) waar lucht doorheen kan, ze worden door een klep (2) half afgedekt. Als de gyroscoop in evenwicht stand is, zijn de openingen even ver open. Als er een afwijking is dan veranderen de openingen van de kleppendoos. Bij twee van de vier openingen wordt deze groter en de tegenover liggende opening kleiner. Door het drukverschil dat ontstaat, zal er lucht bij de grotere openingen uitstromen (3). Door de lucht die uit- en instroomt, ontstaat de eigenschap precessie weer en de gyroscoop komt recht te staan.

ad 2 Kogeldoos Dit richtmiddel wordt vooral gebruikt in een elektrisch aangedreven gyroscoop. Het bestaat uit een draaiende schijf (25 rpm, met de klok mee) en een aantal stalen kogels (Afb 1-22).

Afb.1-22 Schijf en kogels. Afb. 1-23 Normale stand van de gyroscoop.

Op deze schijf zitten een aantal speciaal gevormde “haken” die zo zijn gemaakt dat ze de stalen ballen bij bepaalde hoeken loslaten of vasthouden. Het geheel zit in een omhulsel en is bevestigd aan de onderkant van de gyroscoop. Als de gyroscoop in normale stand staat kunnen de kogels zich vrij bewegen, maar hun gezamenlijke massa werkt op het midden (draaipunt) van de schijf, dus ook op het middelpunt van de gyroscoop (Afb. 1-23). Deze middenpunten liggen precies op elkaar. De zwaartekracht grijpt dus ook in het midden aan, waardoor alle krachten op de hoofdassen van de gyroscoop gelijk zijn, het geheel is in evenwicht. Nu wordt aangenomen dat de gyroscoop kantelt om de YY1 as (Afb. 1-24). Hier-door rollen de kogels naar het laagste punt, deze zit aan de rechterkant in de afbeelding en worden “gegrepen” door de haken die zich daar bevinden. De schijf draait en de kogels draaien mee, waardoor de (zwaarte)kracht zich nu verschuift naar de linkerkant. Deze kracht werkt dus ook op de ophanging van de gyroscoop, waardoor de gyroscoop gaat precesse-ren. De precessie vindt plaats op precies het goede punt om de afwijking (gekanteld om de y-as) te corrigeren (Afb. 1-25). Als de kant van de schijf waar de kogels zich bevinden een-maal op het hoogste punt zit, rollen de kogels uit de haken en weer in de haken op het laag-ste punt, waardoor de kogels weer naar de linkerkant draaien en de gyroscoop verder kan precesseren. Dit gaat zo door totdat de gyroscoop weer in normale positie staat. Dan ver-spreiden de kogels weer zo, dat de zwaartekracht weer in het midden aangrijpt. Dit proces gebeurt bij elke afwijking die ontstaat door kantelingen in de YY1 as en ZZ1 as.

Afb. 1-24 Gyroscoop wijkt af - gedrag kogeldoos Afb. 1-25 Precessie en correctie

Pagina 22



1.2.3. Turn & Bank Indicator Het doel van de Turn & bank indicator is de piloot informatie geven over de helling en de coördinatie van de draai van het vliegtuig. Het mechanisme van de turn and bank indicator maakt gebruikt van een horizontale gyroscoop (1.2.3.a). Verder bezit de meter twee syste-men. Het ene systeem geeft aan of het vliegtuig naar links of rechts helt, het andere geeft aan of er met de juiste snelheid en helling een bocht wordt gemaakt. Deze informatie wordt door beide tegelijk weergegeven op een paneel (1.2.3.b). 1.2.3.a. Werking De horizontale gyroscoop is halfcardanisch opgehangen. Dat betekent dat de gyroscoop om twee assen kan bewegen en dus maar één bewegingsrichting heeft (Afb. 1-26). De wijzer (1) geeft aan of er een bocht gemaakt wordt. Doordat de gyroscoop aan het draaien is treedt er standvastigheid op waardoor de wijzer op zijn plek blijft. Op het moment dat een vliegtuig bijvoorbeeld een bocht maakt naar links ontstaat er een kracht (2), maar de standvastigheid van de gyroscoop werkt deze kracht tegen. Doordat de gyroscoop gebruikt maakt van de eigenschap precessie zal de kracht 90 graden verderop aangrijpen (4), waardoor de gimbal ring (3) die verbonden is met de gyroscoop naar rechts zal gaan kantelen. De gekalibreerde veer (5) die verbonden is met de gimbal ring, zorgt ervoor dat het kantelen ervan soepel en geleidelijk verloopt. Vanwege het feit dat de gimbal ring de tegenovergestelde werking heeft dan de bochtrichting zal er een correctie plaats moeten vinden, zodat de juiste informatie wordt weergegeven. De wijzer zal tegenovergesteld bewegen van de gimbal, doordat een mechanische arm die ermee verbonden is, deze beweging tegenovergesteld omzet.

1. Wijzer. 2. Externe kracht (F). 3. Gimbal ring. 4. Precessie. 5. Gekalibreerde veer. 6. Spin as. 7. Verticale as.

Afb. 1-26 Mechanisme turn en bank indicator.

Wanneer een vliegtuig aan het draaien is geeft de turn indicator de helling van het vliegtuig weer, maar het geeft niet weer of een vliegtuig een gecoördineerde bocht maakt. Om een gecoördineerde bocht te maken spelen er drie factoren een belangrijk rol: snelheid, zwaarte-kracht en centrifugaal kracht. Op het moment dat deze drie factoren in evenwicht zijn, is er sprake van een gecoördineerde bocht. Het onderdeel dat de coördinatie van de bocht weer-geeft is de bank indicator. Het bestaat uit een gebogen glastube gevuld met een vloeistof, met daarin een balletje (Afb. 1-27). De vloeistof, vaak alcohol, remt de beweging van het balletje. Als het vliegtuig geen bocht maakt werkt alleen de zwaartekracht op het balletje. Door de zwaartekracht zal het balletje in het laagste punt van de gebogen buis zitten (Afb. 1-27a). Het balletje zal zich altijd in het midden bevinden van de buis, als er een gecoördineer-de bocht wordt gemaakt. Dit komt omdat de snelheid het effect van de zwaarte- en centrifu-gerende kracht opheft, oftewel, de beide resultanten houden het balletje op zijn plaats (Afb. 1-27b). Als het vliegtuig niet genoeg helt dan heerst de centrifugale kracht over zwaarte-kracht waardoor het balletje zich naar buiten beweegt (Afb. 1-27c). Dit wordt ook wel skid-

Pagina 23



ding genoemd. In Afb. 1-27d treedt slipping op, het vliegtuig heeft een te grote helling waar-door de zwaartekracht overheersend is en het balletje naar binnen beweegt. De piloten kun-nen dit effect herstellen door de richtingsroeren van het vliegtuig te gebruiken. Daardoor kunnen de piloten ervoor zorgen dat de

Afb. 1-27 De bank indicator.

1.2.3.b. Weergave Op het weergavepaneel van de turn & bank indicator (Afb. 1-28) leest men de helling en de coördinatie van de draai van het vliegtuig af. De turn indicator werkt met een wijzer. Aan bei-de kanten van de wijzer staan er twee strepen. Aan de linkerkant een L (links) en aan de rechterkant staat een R (rechterkant).

Afb. 1-28 Turn en bank indicator. Afb. 1-29 Turn en bank indicator klein vliegtuig.

Wanneer de wijzer op de rechter of het linker witte lijntje zit, maakt het vliegtuig een gecoör-dineerde bocht. Een gecoördineerde bocht houdt in dat een vliegtuig in twee minuten een bocht van 360 graden heeft gemaakt. Ook kan de weergave van de turn & bank indicator anders weergegeven worden. In plaats van een wijzer wordt er een klein vliegtuig weergege-ven en de strepen bevinden zich onder het paneel. De bank indicator bevindt zich altijd on-der de turn indicator. Hiervan kan de piloot aflezen of tijdens zijn bochten slipping of skidding optreedt. 1.2.4. Heading indicator De heading indicator (gyrokompas) is een instrument dat de koers van het vliegtuig aangeeft ten opzichte van het geografische noorden. Het instrument maakt gebruik van een horizonta-le gyroscoop en een non-magnetisch voorwerp (1.2.4a). Als het gyrokompas ingesteld is, kan de richting van het vliegtuig worden weergeven (1.2.4.b). Het gyrokompas wordt gecor-rigeerd door het magnetisch kompas, omdat het gyrokompas onnauwkeurig is op lange af-standen (1.2.4.c). 1.2.4.a. Werking Het gyrokompas werkt met een horizontale Two Degrees of Freedom (TDF) gyroscoop (Afb. 1-30). Dat betekent dat de horizontale gyroscoop zijn stand in de ruimte behoudt. Hij heeft twee cardanringen (1) en binnen de ringen bevindt zich een horizontale gyro-scoop(2). Als het vliegtuig van koers verandert, draait het instrument om de gyro heen en blijft de gyro naar hetzelfde punt wijzen. Dit zorgt ervoor dat het gyrokompas altijd de inge-stelde richting aanwijst (het ware noorden). Op de verticale cardanring is een aandrijfwiel (3)

Pagina 24



aangesloten dat draait als het vliegtuig van richting verandert. Verder staat het aandrijfwiel in verbinding met het weergavewiel (4), waardoor elke richting weergegeven kan worden. Als het vliegtuig een koersverandering naar rechts maakt, draait de wijzer naar links. Op de voorkant van het kastje zit een resetknop (5), waarmee men de richting van de koers-wijzer kan instellen. Door de resetknop in te drukken (aan de onderkant zit er een mecha-nisme dat in verbinding staat met de binnenste ring, maar dit is niet weergeven), zal de bin-nenste ring van de gyroscoop vastgezet worden, zodat hij 90 graden ten opzichte van de buitenste ring komt te staan. Het is van groot belang om de binnenste ring vast te zetten, want dit voorkomt dat er precessie optreedt, wanneer de buitenste ring gedraaid wordt. Ten slotte komt de resetknop via het resetwiel tegen het weergavewiel aan waarmee een richting ingesteld kan worden door aan de resetknop te draaien.

Afb. 1-30 Werkingsmechanisme van de heading indicator.

1.2.4.b. Weergave Aan de buitenkant van het kastje bevindt zich een kompasroos die onderverdeeld is in gra-den (Afb. 1-31). Bij het aflezen staat 0 (of 360) voor het noorden, voor 90 graden het oosten, voor 180 graden het zuiden en voor 270 graden het westen. Op het gyrokompas wordt de koers (afb. 1-32) aangegeven door de neus van het vliegtuig (1). Elk wit cijfer dat te zien is, geeft de hoeveelheid graden aan te vermenigvuldigen met tien. De schaalverdeling (2) is vijf graden per witte streep. Dit is gemakkelijk om de koers te bepalen,maar niet heel erg nauw-keurig. Tegenwoordig wordt dit elektrisch gemeten en op een CRT of TFT scherm weerge-geven. Dit geeft de koers in graden nauwkeurig weer.

Afb. 1-31 Weergave heading indicator Afb. 1-32

1.2.4.c. Richtmiddelen Gyroscopische kompassen zijn nauwkeuriger dan kompassen die gebruikmaken van het aardmagnetisch veld, doordat de laatsten storing ondervinden van de aanwezigheid van ij-zer. Bij korte afstanden is het gyrokompas nauwkeuriger dan het magnetische kompas, om-dat het magnetische kompas bij een bocht langzamer uitslaat, waardoor de gegevens later worden weergegeven. Echter, is het gyrokompas bij langere afstanden minder nauwkeurig, omdat deze last heeft van een aantal afwijkingen die gecorrigeerd moeten worden. Een gyrokompas zal na verloop van tijd afwijkingen gaan vertonen. Dit zijn: de werkelijke drift, de schijnbare drift en de transportdrift (1.2.1.d). Daarom moet het gyrokompas regelma-tig worden geijkt. Dat gebeurt door om de tien á vijftien minuten de resetknop in te drukken, waardoor men het gyrokompas gelijk kan stellen aan het ware noorden met behulp van het

Pagina 25



magnetische kompas. Deze afwijkingen kunnen ook gecorrigeerd worden door flux valves. Flux valves zijn twee kleppen die aan de wing tips zitten. Deze kleppen vergelijken de mag-netische velden, waardoor bepaald kan worden waar het magnetische noorden is. Aan de hand van deze informatie kan het ware noorden bepaald worden. Het gyrokompas maakt gebruik van een vloeistofschakelaar. Door de aardrotatie zal de gy-roscoop in het gyrokompas continu verlopen ten opzichte van het aardoppervlak. De vloei-stofschakelaar zorgt ervoor dat de gyroscoop niet vrij is om zich te heroriënteren. De vloei-stof zal de heroriëntatie van de as van de gyroscoop tegenwerken. Deze wrijvingskracht ver-oorzaakt door de vloeistof, resulteert in een draaimoment dat op de as werkt, waardoor de as zal draaien in een richting die loodrecht staat op de kracht. Dit heeft als effect dat de as naar het ware noorden zal wijzen. Naast deze fout is er ook een fout die door de cardanring veroorzaakt wordt. Dit is als de buitenste ring parallel staat met de as van het vliegtuig. Hierdoor zullen de gegevens niet juist zijn als het vliegtuig rolt, stijgt of duikt. Deze afwijkingen worden niet veroorzaakt door de gyroscoop zelf, maar door de geometrie van de ringen. Deze afwijking word gimbal error genoemd. Om deze fout te verkomen gebruikt men een zogenaamd roll stabilized gyro-scoop. Deze gestabiliseerde gyroscoop gebruikt een extra cardanring, waardoor de ringen loodrecht op elkaar staan en daardoor treedt de gimball error niet meer op.

1.3. Eisen en wetgeving Bij het voorbereiden van het ontwerpen van een uniforme cockpit zijn er bepaalde eisen en wetten waar aan voldaan moet worden. Er zijn verschillende eisen: internationale eisen (1.3.1) voor de luchtvaart en eisen van de opdrachtgever (1.3.2). De basic six in een cockpit moet voldoen aan wettelijk voorgeschreven eisen. Binnen Europa kennen we voor de luchtwaardigheidseisen de European Aviation Safety Agentcy (EASA). De luchtvaarteisen staan beschreven in het Certification Specification-25 (Bijlag IV), deze CS-25 heeft betrekking op large aero planes. 1.3.1. Wettelijke Eisen Binnen de wettelijke eisen kan men een aantal categorieën onderscheiden:

1. aanwezigheid instrumenten, 2. afleesbaarheid, 3. positie, 4. betrouwbaarheid.

ad 1 Aanwezigheid instrumenten Er zijn zes basisinstrumenten die altijd in een cockpit moeten zitten. Er mag zelf gekozen worden op welke manier de weergave verloopt, analoog of digitaal. Het is verplicht een back-up te hebben van de basic-six. Dit staat geschreven in de EASA CS-25. De verplichte in-strumenten zijn:

een snelheidsmetersysteem (Airspeed Indicator),

hoogtemeter (Altitude indicator),

verticale snelheidsmeter (Vertical speed indicator),

gyroscopische bochtaanwijzer in combinatie met een slipmeter (Turn and Bank Indicator), kunstmatige horizon (gyroscopische stabiliteit is vereist) (Artificial Horizon),

gyrokompas (gyroscopische stabiliteit vereist, mag magnetisch of niet magnetisch zijn).

Er zijn vier back-up meters verplicht, namelijk

airspeed indicator,

Pagina 26



altitude indicator,

attitude indicator,

direction indicator. Deze back-up instrumenten hebben een eigen stroomcircuit nodig, zodat ze kunnen functioneren als de stroom van de andere instrumenten is uit gevallen. De back-up systemen moeten het minstens 30 minuten doen na uitval van het systeem van de basic six. ad 2 Afleesbaarheid Alle instrumenten van de basic six moeten voor elke piloot goed zichtbaar zijn vanaf de plek waar de piloot zit. Hij moet zijn hoofd zo min mogelijk hoeven te draaien om de instrumenten goed af te kunnen lezen. Alle instrumenten en schakelaars moeten zo verlicht zijn dat de informatie duidelijk is af te lezen. De verlichting moet zo geïnstalleerd zijn dat de verlichting geen reflectie genereert dat het zicht van de piloot zou kunnen hinderen.

ad 3 Positie De basic six hebben een vaste indeling in de cockpit. De snelheidsmeter is links boven, daarnaast zit de kunstmatige horizon en rechtsboven zit de hoogtemeter. Linksonder is de bochtaanwijzer geplaatst, daarnaast zit in het midden de koerstol en rechtsonder is de verti-cale snelheidmeter geplaatst. Turn and bank en de verticale snelheid hebben geen verplichte plaats, maar zitten meestal op de aangegeven plaats.

Afb. 1-33 Plaatsing basic six

ad 4 Betrouwbaarheid Alle instrumenten en systemen moeten zo geïnstalleerd zijn dat als er één faalt dit geen in-vloed heeft op de anderen. Als een energie bron buiten werking treedt moet er altijd een tweede energie bron zijn waar automatisch of handmatig op kan worden overgeschakeld. Bovendien mag de precisie van de magnetische koerstol niet worden beïnvloed door magne-tische velden. De koerstol mag geen afwijking hebben van meer dan 10 graden. De snel-heidsmeter mag een afwijking hebben van maximaal 3% of 5 knopen, ligt er aan welke klei-ner is. De aangegeven drukhoogte mag op zeeniveau en met een standaardatmosfeer een afwijking hebben van 30 ft. per 100 knopen. Dit geldt alleen als de flaps in positieve of nega-tieve stand staan. Als de vleugelkleppen in neutrale stand staan hoeft de afwijking niet bin-nen die 30 ft. te vallen. 1.3.2. Eisen Opdrachtgever De eis van de opdrachtgever is om een moderne uniforme glass cockpit te ontwerpen. Een uniforme glass cockpit is een cockpit die in verschillende types vliegtuigen geplaatst kan worden, het voordeel hiervan is dat de besturing in alle vliegtuigen hetzelfde is en dat de piloten niet meer omgeschoold hoeven te worden als ze met een ander type vliegtuig willen vliegen. Ook moet de cockpit gebruiksvriendelijk en duurzaam zijn.

Pagina 27



1.4. Functieonderzoek Voordat de signalen die het vliegtuig binnenkrijgt kunnen worden weergegeven, worden er een aantal stappen doorlopen (a-h). 1.4.1.a. Meten Hierbij speelt de dynamische en statische druk een belangrijke rol. Deze twee drukken vor-men de basis voor alle andere signalen. 1.4.1.b. Transporteren De druk moet vervoerd worden naar de volgende deelfuncties zodat deze hun functie uit kunnen voeren. Daarom wordt de druk getransporteerd. Ook kan het zijn dat elektrische sig-nalen vervoerd moeten worden naar hun bestemming. 1.4.1.c. Omzetten Luchtdrukverschillen zijn niet direct geschikt voor weergave. Deze signalen moeten omgezet worden van een analoog signaal (druk) naar een digitaal signaal (elektrisch). 1.4.1.d. Corrigeren Nadat de gegevens omgezet zijn, is het mogelijk dat er fouten in systemen ontstaan. Daarom is het van belang om de gegevens te corrigeren om een zo goed en precies mogelijk resul-taat te creëren. 1.4.1.e. Versterken Wanneer de gegevens omgezet en gecorrigeerd zijn, komen de waarden te klein uit en zijn ze daardoor niet uitleesbaar. Daarom is het nodig om de gegevens te versterken. 1.4.1.f. Transporteren Na alle stappen van het meten tot het corrigeren van de waarden, wordt het signaal getrans-porteerd naar de cockpit om het daar eventueel nog één keer om t

amsterdam, december 2009 · projectverslag. belangrijke bijlagen zijn: morfologisch overzicht (vi)...

Documents