Индикатор ориентации ( AI ), ранее известный как гирогоризонт или искусственный горизонт , представляет собой летный прибор , который информирует пилота об ориентации самолета относительно горизонта Земли и дает немедленную индикацию малейшего изменения ориентации. Миниатюрный самолет и полоса горизонта имитируют положение самолета относительно фактического горизонта. [1] [2] Это основной инструмент для полетов в приборных метеорологических условиях . [3] [4]
Отношение всегда представляется пользователям в градусах ( °). Однако во внутренней работе, такой как датчики, данные и вычисления, может использоваться сочетание градусов и радиан , поскольку ученые и инженеры могут предпочитать работать с радианами.
До появления авиации в астронавигации использовались искусственные горизонты . Предложения о подобных устройствах на основе гироскопов, или волчков, относятся к 1740-м годам. [5] Более поздние реализации, также известные как пузырьковые горизонты , были основаны на пузырьковых уровнях и прикреплены к секстанту . [6] В 2010-х годах остатки искусственного горизонта с использованием жидкой ртути были обнаружены на месте крушения HMS Erebus . [7]
Основные компоненты ИИ включают символический миниатюрный самолет, установленный так, что кажется, что он летит относительно горизонта. Ручка регулировки, учитывающая линию обзора пилота, перемещает самолет вверх и вниз, чтобы выровнять его по горизонтали. Верхняя половина инструмента синего цвета, обозначающего небо, а нижняя половина коричневого цвета, обозначающего землю. Индекс крена вверху показывает угол крена самолета. Опорные линии посередине указывают степень наклона вверх или вниз относительно горизонта. [2] [1]
Большинство самолетов российского производства имеют несколько иную конструкцию. Фоновый дисплей окрашен, как на западном инструменте, но перемещается вверх и вниз только для обозначения высоты звука. Символ, изображающий самолет (который зафиксирован в западном приборе), вращается влево или вправо, указывая угол крена. [8] Предложенная гибридная версия западной и российской систем была бы более интуитивно понятной, но она так и не прижилась. [9]
Сердцем ИИ является гироскоп (гироскоп), который вращается с высокой скоростью либо от электродвигателя, либо под действием потока воздуха, воздействующего на лопатки ротора, расположенные по его периферии. Поток воздуха обеспечивается вакуумной системой, приводимой в действие вакуумным насосом или трубкой Вентури. Воздух, проходящий через самую узкую часть трубки Вентури, имеет более низкое давление в соответствии с принципом Бернулли . Гироскоп установлен на двойном подвесе, который позволяет самолету наклоняться и катиться, пока гироскоп остается вертикально в вертикальном положении. Самоустанавливающийся механизм, приводимый в действие силой тяжести, противодействует любой прецессии , возникающей из-за трения подшипника . После первого включения двигателя самолета монтажному механизму может потребоваться несколько минут, чтобы привести гироскопы в вертикальное положение. [2] [1] [10]
Индикаторы ориентации имеют механизмы, которые удерживают прибор на одном уровне относительно направления силы тяжести. [11] В приборе могут возникать небольшие ошибки по тангажу или крену во время длительных периодов ускорения, замедления, поворотов или из-за искривления земли под самолетом во время длительных полетов. Начнем с того, что они часто имеют немного больший вес внизу, поэтому, когда самолет стоит на земле, они висят ровно и, следовательно, при запуске они будут ровными. Но как только они запустятся, этот подвесной груз внизу не будет вытягивать их в горизонтальное положение, если они не выровнены, а вместо этого его притяжение заставит гироскоп прецессировать . Чтобы гироскоп мог очень медленно ориентироваться в направлении силы тяжести во время работы, типичный гироскоп с вакуумным приводом имеет небольшие маятники на корпусе ротора, которые частично закрывают воздушные отверстия. Когда гироскоп находится вне уровня относительно направления силы тяжести, маятники будут качаться в направлении силы тяжести и либо открывать, либо закрывать отверстия, так что воздуху будет разрешено или запрещено выбрасываться из отверстий, тем самым создавая небольшая сила, чтобы сориентировать гироскоп по направлению силы тяжести. Гироскопы с электроприводом могут иметь разные механизмы для достижения аналогичного эффекта. [12]
Старые ИИ были ограничены в допустимой величине тангажа или крена. Превышение этих пределов приведет к падению гироскопа, когда корпус гироскопа соприкоснется с подвесами, что вызовет силу прецессии. Чтобы предотвратить это, требовался механизм блокировки, блокирующий гироскоп, если тангаж превышал 60 °, а крен превышал 100 °. Современные ИИ не имеют этого ограничения и поэтому не требуют механизма блокировки. [2] [1]
Индикаторы ориентации также используются на космических кораблях с экипажем и называются индикаторами ориентации руководителя полета (FDAI), где они указывают угол рыскания корабля (нос влево или вправо), тангаж (нос вверх или вниз), крен и орбиту относительно фиксированной точки. космическая инерциальная система отсчета от блока инерциальных измерений (IMU). [13] FDAI можно настроить на использование известных положений относительно Земли или звезд, чтобы инженеры, ученые и астронавты могли сообщать относительное положение, ориентацию и орбиту корабля. [14] [15]
Системы ориентации и курса (AHRS) способны предоставлять трехосную информацию на основе кольцевых лазерных гироскопов , которую можно использовать совместно с несколькими устройствами в самолете, такими как основные индикаторы полета в « стеклянной кабине » ( PFD ). Вместо использования вращающегося гироскопа современные AHRS используют твердотельную электронику , недорогие инерционные датчики , гироскопы скорости и магнитометры . [2] : 8–20 [1] : 5–22
В большинстве систем AHRS в случае выхода из строя AI самолета в центре приборной панели будет находиться резервный AI, где также доступны другие резервные основные инструменты, такие как указатель воздушной скорости и высотомер. Эти, в основном механические, резервные приборы могут оставаться доступными, даже если электронные летные приборы выйдут из строя, хотя резервный указатель ориентации может иметь электрический привод и через короткое время выйдет из строя, если у него отключится электропитание. [16]
Индикатор направления полета (ADI) или индикатор управления полетом (FDI) представляет собой искусственный интеллект, интегрированный с системой управления полетом (FDS). ADI включает в себя компьютер, который получает информацию от навигационной системы, такой как AHRS, и обрабатывает эту информацию, чтобы предоставить пилоту трехмерную подсказку о траектории полета для поддержания желаемого курса. Кий имеет форму V-образных рулей. Самолет представлен символом дельты, и пилот управляет самолетом так, чтобы символ дельты располагался внутри V-образных рулей. [1] : 5–23, 5–24
