Przyrządy pokładowe

Przyrządy pokładowe

Podstawowy zestaw przyrządów pilotażowych szybowca obejmuje wysokościomierz, prędkościomierz, wariometr, chyłomierz z zakrętomierzem i busolę. Tak naprawdę jednak absolutnie niezbędne są pierwsze trzy (do nich ogranicza się np. zestaw zamontowany na szybowcu ULS PW).

Zbyt mała prędkość lotu to ryzyko przeciągnięcia i zwalenia się szybowca w korkociąg, zbyt duża - niepotrzebnie rosnący opór aerodynamiczny. Wysokość jest „rezerwą paliwa” szybowca - od niej zależy, jak daleko jeszcze polecimy i czy uda się na przykład dociągnąć do lotniska. Wariometr pokazuje prędkość pionową szybowca - wznoszenie lub opadanie. Bez niego trudno marzyć o wyszukiwaniu pozwalających nabrać wysokości prądów wstępujących - a to jest przecież esencja szybownictwa!

Istotnym przyrządem jest też chyłomierz - pomaga utrzymać właściwą koordynację zakrętów. Jego kulka pokazuje kierunek wypadkowej przyciągania ziemskiego i przyspieszenia dośrodkowego w zakręcie; jeśli jest pośrodku skali - zakręt jest prawidłowo wykonywany. Zakrętomierz pokazuje prędkość kątową zakrętu i jest przyrządem przydatnym w lotach bez widoczności. Wreszcie busola - pozwala określić kurs szybowca, co jest przydatne zarówno przy przelotach, jak i w lotach bez widoczności.

Przyrządy pokładowe można podzielić na kilka kategorii według różnych kryteriów, a mianowicie:
według przeznaczenia:
- pilotażowo-nawigacyjne (tu znajdą się wszystkie interesujące nas obecnie przyrządy),
- kontrolujące pracę silnika (np. obrotomierz, wskaźnik temperatury głowic),
- kontrolujące pracę płatowca (np. wskaźnik położenia klap),
- specjalne.
według zasady działania:
- manometryczne,
- barometryczne,
- żyroskopowe,
- magnetyczne,
- elektroniczne.
według sposobu zasilania:
- elektryczne,
- pneumatyczne.
...wypadałoby wspomnieć jeszcze o tych, które zasilania nie wymagają ;)

Trzeba wiedzieć, że wskazania przyrządów nigdy nie są dokładne i zawsze odzwierciedlają mierzoną wartość z pewnym przybliżeniem i opóźnieniem. Błędy przyrządów, które powodują niedokładności to:
- błędy metodyczne (wynikające z zastosowanej metody pomiaru),
- błędy instrumentalne (wynikające z niedoskonałości samego przyrządu),
- błędy odczytu (np. błąd paralaksy, powstający gdy obserwujemy wskazówkę pod pewnym kątem).

Tyle ogólnie tytułem wstępu, pora przejść do szczegółów.

Wysokościomierz

Zasada działania wysokościomierza jest dość prosta - w praktyce wysokościomierz jest swego rodzaju barometrem. Podstawowym jego elementem jest tzw. puszka aneroidowa - szczelnie zamknięte, elastyczne metalowe naczynie. Jak wiadomo, ciśnienie powietrza spada wraz z wysokością. Im wyżej znajduje się szybowiec, tym większa różnica ciśnień pomiędzy wnętrzem obudowy przyrządu (połączonym z dajnikami ciśnienia statycznego - maleńkimi otworkami znajdującymi się na obu bokach kadłuba szybowca) a wnętrzem puszki. W wyniku tego puszka rozszerza się i przez odpowiednią przekładnię popycha wskazówki przyrządu. Wysokościomierz zaopatrzony jest w dwie wskazówki - cieńsza i dłuższa wskazuje setki metrów, grubsza i krótsza - tysiące (mogą to być też setki i tysiące stóp, stopa to ok. 30,5 cm).

Wysokość lotu nie jest pojęciem jednoznacznym - trzeba jeszcze odpowiedzieć na pytanie: wysokość w stosunku do czego? Dlatego też w lotnictwie określa się kilka rodzajów wysokości. Najbardziej naturalne to wysokość względna, czyli po prostu odległość od znajdującego się pod szybowcem podłoża. Inna wysokość względna (i ta nas najbardziej interesuje), to wysokość mierzona względem ciśnienia lotniska, określana literami QFE. Tą właśnie definicją wysokości posługują się statki powietrzne latające z widzialnością Ziemi (w lotach VFR). Wysokość bezwzględna to wysokość mierzona w stosunku do aktualnie panującego ciśnienia zredukowanego do poziomu morza (QNH). Wreszcie wysokość tzw. standard (QNE) to wysokość mierzona w stosunku do ciśnienia atmosfery standardowej (czyli do średniego ciśnienia na poziomie morza na 45 stopniu szerokości geograficznej przy 15 stopniach Celsjusza - 1013,2 hPa lub 760 mm Hg).

Aby można było dostosować wskazania wysokościomierza do ciśnienia panującego aktualnie na poziomie interesującego nas lotniska, wysokościomierz wyposażony jest w pokrętło regulacyjne i widoczną w okienku podziałkę wyskalowaną w mm Hg (milimetrach słupa rtęci) lub hektopaskalach czy milibarach (hPa, mBar). Za pomocą tego pokrętła należy przed startem ustawić wskazania wysokościomierza na zero. Jeśli po przelocie lądujemy na innym lotnisku, w okienku wysokościomierza możemy ustawić otrzymaną przez radio wartość ciśnienia panującego w danej chwili na lotnisku.

Warto jeszcze wspomnieć o pewnej rytualnej czynności, jaką jest opukiwanie wysokościomierza. Nie chodzi tu bynajmniej o żadne magiczne zabiegi - wysokościomierz charakteryzuje się pewną bezwładnością i lekkie popukanie w tablicę przyrządów zmusza go do pokazania aktualnych wskazań.

Prędkościomierz

Jak zapewne niektórzy pamiętają ze szkoły, prędkość też jest wielkością względną. Tym, co najbardziej interesuje pilota, jest prędkość względem powietrza, gdyż to właśnie ona decyduje o locie szybowca. Na szczęście tę właśnie prędkość stosunkowo łatwo zmierzyć bez sięgania po wyrafinowane wynalazki najnowszej technologii, wykorzystując fakt, że ciśnienie dynamiczne strumienia powietrza jest proporcjonalne do kwadratu jego prędkości.

W zasadzie wystarczyło by więc zastosować odpowiednio wyskalowany manometr podłączony do skierowanej do przodu rurki. Problem jednak polega na tym, że mierzone w ten sposób ciśnienie to ciśnienie całkowite, będące sumą ciśnienia dynamicznego i ciśnienia statycznego, czyli ciśnienia atmosfery na danej wysokości. Wskazania przyrządu byłyby więc silnie uzależnione od wysokości lotu. Aby otrzymać w miarę wiarygodny wynik pomiaru ciśnienia dynamicznego, należy więc od ciśnienia całkowitego odjąć ciśnienie statyczne. Jak? Nic prostszego, popatrzmy na rysunek. Ciśnienie całkowite doprowadzone jest do wnętrza puszki aneroidowej (podobnej jak w wysokościomierzu), zaś ciśnienie statyczne - na zewnątrz puszki, do wnętrza obudowy przyrządu. W ten sposób działające na puszkę siły wynikające z ciśnienia statycznego równoważą się i deformacja puszki zależy tylko od ciśnienia dynamicznego.

Gwoli ścisłości wypada zaznaczyć, że pomiar nie jest do końca dokładny - to, co pokazuje prędkościomierz, to prędkość przyrządowa (IAS - indicated air speed), różniąca się nieco od rzeczywistej prędkości powietrznej (TAS - true air speed). To daje o sobie znać błąd metodyczny, wynoszący około 2% na każde 300 metrów wysokości. Przy prędkościach powyżej 470 km/h trzeba jeszcze wziąć pod uwagę poprawkę na ściśliwośc powietrza - ale w przypadku szybowców nam to raczej nie grozi. (Przykład rozbieżności: w truboodrzutowym Canadair Regional Jet na wysokości ok. 9500 m przy TAS rzędu 410 kts prędkościomierz zapasowy pokazywał IAS ok. 260 kts...)

Skala prędkościomierza szybowcowego jest zwykle wyskalowana w dziesiątkach km/h (jednostką mogą być też węzły, ang. knots, czyli mile morskie na godzinę) i ma postać spirali. Widoczny na zdjęciu prędkościomierz wskazuje w tej chwili zero - dodatkowe wrażenia, choćby akustyczne, występujące w czasie lotu sprawiają, że pomylić się raczej trudno... Zielony obszar na skali oznacza normalne prędkości eksploatacyjne, żółty - prędkości dopuszczalne, czerwona kreska - prędkość maksymalną (V_NE - never exceed speed), przekroczenie której kończy się zwykle uszkodzeniem struktury płatowca.

Wspomnieć trzeba o kilku prędkościach charakterystycznych, właściwych dla każdego szybowca (w nawiasach podaję przykłady dla szybowca Bocian 1E). Definiuje się prędkość manewrową, zwaną też prędkością brutalnego sterowania (V_A), prędkość sterowania w atmosferze burzliwej (V_B), prędkość startu za wyciągarką (V_W - winch speed; 115 km/h), prędkośc startu za samolotem (V_T - tow speed; 150 km/h), wreszcie wspomnianą V_NE (200 km/h). Oprócz tego mamy prędkość minimalną (V_S - stalling speed, 60 km/h), prędkość minimalną w locie plecowym (V_S'), prędkość ekonomiczną (minimalnego opadania, najlepszą do wykorzystania noszeń - 70 km/h), prędkość optymalną (największej doskonałości, czyli największego zasięgu - 80 km/h), prędkość lotu z otwartymi hamulcami aerodynamicznymi (180 km/h). A, jeszcze jedno - podałem prędkości dla lotu w atmosferze spokojnej, przy atmosferze burzliwej odpowiednie wartości będą mniejsze.

Wariometr membranowy

Wariometr jest przyrządem mierzącym prędkość pionową szybowca, czyli prędkość wznoszenia lub opadania. Podobnie jak prędkościomierz, wariometr działa na zasadzie pomiaru różnicy ciśnień.

Główną częścią wariometru membranowego jest umieszczona wewnątrz szczelnej obudowy puszka aneroidowa, do wnętrza której doprowadzone jest ciśnienie statyczne. Puszka zaopatrzona jest w cieniutką rurkę włosowatą (kapilarę), umożliwiającą powolny przepływ powietrza między jej wnętrzem a wnętrzem obudowy. Gdy ciśnienie statyczne (i wysokość) jest stałe, ciśnienia na zewnątrz i wewnątrz puszki są równe - wariometr wskazuje zero. Wznoszeniu szybowca towarzyszy spadek ciśnienia statycznego, pojawiająca się różnica ciśnień powoduje deformację puszki i poruszenie wskazówki w górę. W chwilę po ustaniu wznoszenia ciśnienia wewnątrz puszki i obudowy przyrządu wyrównują się poprzez kapilarę i wskazówka wraca do położenia zerowego. Przy opadaniu ciśnienie statyczne rośnie szybciej niż ciśnienie wewnątrz obudowy - mamy do czynienia z sytuacją odwrotną i wskazówka opada. Prawda, że proste? Przyrząd może być wyskalowany w metrach na sekundę (m/s), węzłach (kts) lub stopach na minutę (ft/min). Wariometry membranowe instalowane są zwykle na samolotach.

Wariometr skrzydełkowy

Wspomniany powyżej wariometr membranowy to przyrząd spotykany raczej w samolotach silnikowych. Na szybowcach instalowane są z reguły dokładniejsze wariometry skrzydełkowe. Jak sama nazwa wskazuje, elementem ruchomym jest w nich połączone ze wskazówką skrzydełko - delikatna blaszka zawieszona obrotowo wewnątrz precyzyjnie ukształtowanej obudowy. Rolę kapilary spełnia tu szczelinka między skrzydełkiem a obudową. Ponieważ jednak przekrój szczelinki jest większy niż przekrój kapilary w wariometrze membranowym, aby wyrównanie ciśnień nie następowało zbyt szybko, pojemność obudowy musi być większa. W tym celu dołącza się do niej naczynie wyrównawcze zwane popularnie „termosem”.

Wariometr energii całkowitej

Całkowita energia poruszającego się w powietrzu szybowca jest sumą energii potencjalnej, proporcjonalnej do wysokości, i energii kinetycznej, proporcjonalnej do kwadratu prędkości. Ściągając drążek możemy część energii kinetycznej zamienić w potencjalną, zyskując nieco wysokości kosztem prędkości i odwrotnie, przechodząc w nurkowanie zamieniamy energię potencjalną na kinetyczną. Jeśli pominiemy opadanie własne szybowca, energia całkowita pozostaje stała. Zwiększenie energii całkowitej swobodnie lecącego szybowca może nastąpić tylko dzięki prądom wstępującym - i na tym właśnie polega zabawa w szybownictwo. Wariometr energii całkowitej skonstruowano właśnie z myślą o mierzeniu zmian energii całkowitej, czyli zysku (lub straty) wysokości wynikającego z działania prądów powietrza, nie zaś ze zmian wysokości kosztem prędkości.

Wariometr energii całkowitej (WEC) to właściwie zwykły wariometr, tyle że skompensowany. Układ wyrównawczy wariometru połączony jest z kompensatorem WEC, który z kolei dołączony jest do dajnika ciśnienia całkowitego. Kompensator (w skrócie KWEC) to płaska, szczelna puszka z dwoma króćcami, pomiędzy którymi znajduje się gumowa membrana. Wzrost ciśnienia całkowitego powoduje ugięcie membrany i zwiększenie ciśnienia w układzie wyrównawczym, co z kolei wpływa na wskazania wariometru, zmniejszając wskazywane opadanie. Przy wznoszeniu kosztem prędkości zachodzi sytuacja odwrotna - ugięcie membrany zmniejsza się, powodując zwiększenie pojemności i spadek ciśnienia w układzie wyrównawczym oraz zmniejszenie wykazywanego wznoszenia. Warto wspomnieć, że wariometr energii całkowitej może być też dołączony do własnego, niezależnego dajnika - tzw. sondy energii całkowitej, umieszczonej np. na stateczniku pionowym.

W szybowcach instaluje się zwykle dwa wariometry, z których jeden jest dokładniejszy, drugi ma szerszą skalę (np. 5 m/s i 30 m/s) - układ kompensujący dołącza się do wariometru dokładniejszego. Wokół skali wariometru umieszczony jest często pierścień tzw. kalkulatora krążkowego, ułatwiającego wybór optymalnych parametrów lotu.

Chyłomierz

Chyłomierz to w pewnym sensie rodzaj „krzywej poziomicy” - wewnątrz wypełnionej cieczą szklanej rurki umieszczona jest kulka, która pokazuje kierunek działania siły będącej wypadkową przyciągania ziemskiego i przyspieszenia dośrodkowego wywołanego zakrętem. Gdy kulka odchylona jest na zewnątrz toru lotu, oznacza to zakręt z wyślizgiem (zbyt małe przechylenie szybowca). Przy zakręcie z ześlizgiem (zbyt duże przechylenie szybowca), kulka „zjeżdża” do wewnątrz łuku zakreślanego przez szybowiec. Gdy kulka pozostaje pośrodku skali - zakręt jest wykonywany prawidłowo. Dla skompensowania zmian objętości cieczy wywołanych zmianami temperatury, w zaułku rurki pozostawiono mały bąbelek powietrza, który ulega ściśnięciu w przypadku rozszerzenia się cieczy.

Zakrętomierz

Zakrętomierz jest przyrządem żyroskopowym pokazującym kierunek oraz prędkość kątową zakrętu. (Żyroskop to „ciało sztywne obracające się z dużą prędkością kątową wokół osi symetrii”.) W zakrętomierzu zastosowano żyroskop o dwóch stopniach swobody. Na osi zainstalowanej w uchylnej ramce wiruje z prędkością rzędu 20 tysięcy obr./min napędzany elektrycznym silniczkiem masywny krążek. Zmiana położenia osi głównej żyroskopu pod wpływem momentu sił zewnętrznych (czyli zakręcania szybowca) wywołuje precesję - powstanie momentu sił działającego wokół osi prostopadłej do osi wirowania krążka i osi zakrętu. To z kolei powoduje proporcjonalne do prędkości kątowej zakrętu wychylenie wspomnianej ramki w kierunku zależnym od kierunku wirowania krążka i kierunku zakrętu. Po przejściu do lotu prostego precesja ustaje, a ramka wraca do położenia neutralnego za sprawą dołączonych do niej sprężynek.

Ponieważ kierunek obrotów silniczka zależny jest od polaryzacji zasilania, krytyczną sprawą jest właściwe podłączenie baterii - przy niewłaściwej polaryzacji zakrętomierz będzie pokazywał odwrotny kierunek zakrętu, co w locie bez widoczności może pozostać niezauważone. W lotach z widocznością zakrętomierz jest z reguły wyłączony.

Busola

Busola magnetyczna pokazuje kąt zawarty pomiędzy podłużną osią szybowca a kierunkiem północy magnetycznej. Busola zbudowana jest w postaci szczelnego naczynia wypełnionego cieczą (tzw. ligroiną - ciekawostka: zwyczajowa angielska nazwa tego przyrządu to „whiskey compass”, najwyraźniej stosowane były więc i inne płyny...), wewnątrz którego zawieszony jest obrotowo i wahliwie pierścień z magnesami prętowymi i naniesioną na obwodzie podziałką wyskalowaną w dziesiątkach stopni. Obudowa busoli połączona jest z membranowym naczyniem, zapewniającym kompensację rozszerzalności temperaturowej cieczy. Krążek umocowany wokół okienka busoli to „wspomaganie pamięci” pilota.

Ponieważ wśród elementów konstrukcyjnych szybowca znajdują się części stalowe, zaburzające przebieg linii sił pola magnetycznego Ziemi, wynikiem czego jest dewiacja wskazań przyrządu, busolę wyposażono w zestaw magnesików kompensujących. (O działaniu, błędach wskazań busoli itd. napiszę... wkrótce.).

Skrócona metoda kompensacji busoli:

• Ustawić szybowiec na kierunku N (360°) i zniwelować dewiację (śrubą NS)

• Ustawić szybowiec na kierunku E (90°) i zniwelować dewiację (śrubą EW)

• Ustawić szybowiec na kierunku S (180°) i zredukować dewiację do połowy (śrubą NS)

• Ustawić szybowiec na kierunku W (270°) i zredukować dewiację do połowy (śrubą EW)

• Ustawiając szybowiec na kierunkach co 45° zanotować dewiacje, zrobić wykres poprawek.

Połączenia

A oto jak połączone są przyrządy pokładowe szybowca. Ciśnienie całkowite pobierane jest z rurki spiętrzeniowej umieszczonej w zagłębieniu na dziobie szybowca, ciśnienie statyczne - z maleńkich otworków znajdujących się po bokach dziobu. Nie trzeba chyba mówić, że zachowanie drożności dajników ciśnienia jest sprawą pierwszej wagi - od tego zależy życie ludzi. Szybkiej kontroli działania układu można dokonać dmuchając lekko z pewnej odległości w dajnik ciśnienia całkowitego (wskazówka prędkościomierza powinna drgnąć w prawo) i w dajniki ciśnienia statycznego (wskazówki przyrządów powinny przesunąć się w lewo). Okresowego sprawdzenia wymagają odwadniacze, w których może zbierać się woda trafiająca do układu podczas lotu w deszczu - ale to jest raczej sprawa mechanika.

Wspomniany na wstępie zestaw minimum w leciutkim szybowczyku ULS PW.

---