Indicador de actitud

AI con líneas de referencia de lanzamiento y rollo (izquierda) y la relación AI con la orientación de los aviones (derecha)

El indicador de actitud (IA), antes conocido como horizonte giroscópico u horizonte artificial, es un instrumento de vuelo que informa al piloto de la orientación de la aeronave en relación con el horizonte de la Tierra y da una indicación inmediata del cambio de orientación más pequeño. El avión en miniatura y la barra de horizonte imitan la relación del avión en relación con el horizonte real. Es un instrumento primario para el vuelo en condiciones meteorológicas de instrumentos.

La actitud siempre se presenta a los usuarios en la unidad de grados (°). Sin embargo, el funcionamiento interno, como sensores, datos y cálculos, puede usar una combinación de grados y radianes, ya que los científicos e ingenieros pueden preferir trabajar con radianes.

Historia

Antes de la llegada de la aviación, los horizontes artificiales se usaban en la navegación celeste. Las propuestas de tales dispositivos basados en giroscopios o peonzas se remontan a la década de 1740. Las implementaciones posteriores, también conocidas como burbujas de horizonte, se basaron en niveles de burbujas y se conectaron a un sextante. En la década de 2010, se recuperaron restos de un horizonte artificial que usaba mercurio líquido de los restos del naufragio del HMS Erebus.

Usar

Los componentes esenciales de la IA incluyen un avión en miniatura simbólico montado de manera que parece estar volando en relación con el horizonte. Una perilla de ajuste, para tener en cuenta la línea de visión del piloto, mueve la aeronave hacia arriba y hacia abajo para alinearla con la barra del horizonte. La mitad superior del instrumento es azul para representar el cielo, mientras que la mitad inferior es marrón para representar el suelo. El índice de alabeo en la parte superior muestra el ángulo de alabeo de la aeronave. Las líneas de referencia en el medio indican el grado de inclinación, hacia arriba o hacia abajo, en relación con el horizonte.

La mayoría de los aviones fabricados en Rusia tienen un diseño algo diferente. La pantalla de fondo está coloreada como en un instrumento occidental, pero se mueve hacia arriba y hacia abajo solo para indicar el tono. Un símbolo que representa la aeronave (que está fijo en un instrumento occidental) rueda hacia la izquierda o hacia la derecha para indicar el ángulo de alabeo. Una versión híbrida propuesta de los sistemas occidental y ruso sería más intuitiva, pero nunca se ha popularizado.

Operación

El corazón de la IA es un giroscopio (gyro) que gira a alta velocidad, ya sea por un motor eléctrico o por la acción de una corriente de aire que empuja las paletas del rotor colocadas a lo largo de su periferia. La corriente de aire es proporcionada por un sistema de vacío, accionado por una bomba de vacío o un venturi. El aire que pasa a través de la porción más estrecha de un venturi tiene una presión de aire más baja a través del principio de Bernoulli. El giroscopio está montado en un cardán doble, lo que permite que la aeronave cabecee y ruede mientras el giroscopio se mantiene verticalmente erguido. Un mecanismo automontable, accionado por gravedad, contrarresta cualquier precesión debida a la fricción de los rodamientos. Es posible que el mecanismo de erección tarde unos minutos en llevar los giroscopios a una posición vertical después de encender el motor de la aeronave por primera vez.

Los indicadores de actitud tienen mecanismos que mantienen el instrumento nivelado con respecto a la dirección de la gravedad. El instrumento puede desarrollar pequeños errores, en cabeceo o alabeo durante períodos prolongados de aceleración, desaceleración, giros o debido a la curvatura de la tierra debajo del avión en viajes largos. Para empezar, a menudo tienen un poco más de peso en la parte inferior, de modo que cuando la aeronave está apoyada en el suelo, colgarán niveladas y, por lo tanto, estarán niveladas cuando arranquen. Pero una vez que se inician, ese peso pendular en la parte inferior no los nivelará si están fuera de nivel, sino que su atracción hará que el giroscopio se preceda. Para permitir que el giroscopio se oriente muy lentamente en la dirección de la gravedad mientras está en funcionamiento, el típico giroscopio accionado por vacío tiene pequeños péndulos en la carcasa del rotor que cubren parcialmente los orificios de aire. Cuando el giroscopio está desnivelado con respecto a la dirección de la gravedad, los péndulos se balancearán en la dirección de la gravedad y descubrirán o cubrirán los orificios, de modo que se permita o se impida que el aire salga por los orificios y, por lo tanto, se aplique un pequeña fuerza para orientar el giroscopio hacia la dirección de la gravedad. Los giroscopios eléctricos pueden tener diferentes mecanismos para lograr un efecto similar.

Las IA más antiguas estaban limitadas en la cantidad de cabeceo o balanceo que tolerarían. Si se superan estos límites, el giroscopio se tambaleará cuando la carcasa del giroscopio entre en contacto con los cardanes, lo que provocará una fuerza de precesión. Prevenir esto requería un mecanismo de jaula para bloquear el giroscopio si el paso excedía los 60° y el balanceo excedía los 100°. Las IA modernas no tienen esta limitación y, por lo tanto, no requieren un mecanismo de enjaulamiento.

Indicador de actitud del director de vuelo

Apollo Flight Director Attitude Indicator (left) and Inertial Measurement Unit (IMU) (right)

Los indicadores de actitud también se utilizan en naves espaciales tripuladas y se denominan indicadores de actitud del director de vuelo (FDAI), donde indican el ángulo de guiñada de la nave (nariz izquierda o derecha), cabeceo (nariz hacia arriba o hacia abajo), rodar y orbitar en relación con un marco de referencia inercial de espacio fijo desde una unidad de medición inercial (IMU). El FDAI se puede configurar para usar posiciones conocidas relativas a la Tierra o las estrellas, de modo que los ingenieros, científicos y astronautas puedan comunicar la posición relativa, la actitud y la órbita de la nave.

Sistemas de referencia de actitud y rumbo

Los sistemas de referencia de actitud y rumbo (AHRS) pueden proporcionar información de tres ejes basada en giroscopios láser de anillo, que se pueden compartir con varios dispositivos en la aeronave, como la "cabina de vidrio" pantallas de vuelo primarias (PFD). En lugar de usar un giroscopio giratorio, los AHRS modernos usan electrónica de estado sólido, sensores de inercia de bajo costo, giroscopios de velocidad y magnetómetros.

Con la mayoría de los sistemas AHRS, si las IA de una aeronave fallan, habrá una IA de reserva ubicada en el centro del panel de instrumentos, donde también están disponibles otros instrumentos básicos de reserva, como el indicador de velocidad aerodinámica y el altímetro. Estos instrumentos de espera, en su mayoría mecánicos, pueden permanecer disponibles incluso si fallan los instrumentos de vuelo electrónicos, aunque el indicador de actitud de espera puede ser accionado eléctricamente y, después de un corto tiempo, fallará si falla su energía eléctrica.

Indicador de dirección de actitud

ADI (izquierda) con barras de dirección V amarillas, y una IA integrada con pendientes de deslizamiento ILS e indicadores de localización (derecha)

El indicador de dirección de actitud (ADI), o indicador de director de vuelo (FDI), es una IA integrada con un sistema de director de vuelo (FDS). El ADI incorpora una computadora que recibe información del sistema de navegación, como el AHRS, y procesa esta información para proporcionar al piloto una pista de trayectoria de vuelo en 3D para mantener la ruta deseada. La señal toma la forma de barras de dirección en V. La aeronave está representada por un símbolo delta y el piloto vuela la aeronave de modo que el símbolo delta se coloque dentro de las barras de dirección en V.