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| Indicateur Bille-Aiguille | Indicateur Bille-Cadence |
L'INDICATEUR DE VIRAGE
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L'indicateur de virage tout comme l'horizon artificiel ou le conservateur de cap, est un instrument gyroscopique qui utilise donc les propriétés du gyroscope.
L'indicateur de virage est un gyromètre qui indique directement le sens et le taux du virage soit la cadence.
1) Le gyroscope :
2) La description de l'indicateur de virage :
3) L'utilisation de l'indicateur de virage :
Le gyroscope a diverses propriétés que l'on utilise pur le fonctionnement de certains instruments de bord.
a) La définition du gyroscope :
On appelle gyroscope, un corps solide d'une certaine masse tournant rapidement autour d'un axe. Ainsi une roue qui tourne est un gyroscope mais le nom de gyroscope est réservé plus spécialement à l'appareil étudié et fabriqué pour avoir des effets gyroscopiques utilisables dans un but bien précis. L'ensemble de cet appareil est dit gyroscopique tandis que la partie tournante, gyroscope proprement dit, est appelée rotor.
Le gyroscope possède trois axes et le plus souvent le rotor tourne dans une cage horizontale pivotant elle-même dans une cage verticale (montage à la cardan).
b) Les propriétés du gyroscope :
Parmi les propriétés du gyroscope, on distingue :
- L'inertie :
L'inertie est la propriété d'un corps de conserver son état, que cet état soit au repos ou en mouvement.
Plus un corps est lourd plus il a d'inertie.
Un corps en tournant acquière donc une grande inertie grâce à la force centrifuge : sa stabilité est si grande qu'il est difficile de modifier sa position. Ainsi, plus il tourne et plus il est lourd, et plus l'inertie est grande. C'est la raison du lourd volant d'inertie des différents moteurs à pistons. C'est pourquoi le rotor d'un gyroscope est une pièce lourde à laquelle on imprime une grande vitesse de rotation.
L'inertie du gyroscope s'oppose donc au déplacement du rotor de son plan de rotation.
- La fixité dans l'espace :
Le gyroscope, plus exactement le rotor en raison de son inertie, est fixe dans l'espace si l'on prend soin de le suspendre convenablement : en effet, le plan de rotation ne varie pas.
Les applications de la fixité sont utilisées aussi pour le compas gyroscopiques et le pilote automatique.
- La précession :
Quand on veut à tout prix écarter le gyroscope de son plan de rotation, il proteste et, par esprit de contradiction, il s'en écarte dans un autre sens : c'est le phénomène de la précession.
Ainsi, dans les mouvements de précession, le rotor pivote exactement à 90° du sens choisi.
c) Les trois degrés de liberté d'un gyroscope :
Le gyroscope peut être à plusieurs degrés de liberté :
- Le gyroscope à un degré de liberté :
Quand un gyroscope ne peut osciller qu'autour d'un seul axe, il est dit à un degré de liberté mais il ne permet pas la manifestation des principales propriétés gyroscopiques. Par contre les applications sont nombreuses.
- Le gyroscope à deux degrés de liberté :
Quand un gyroscope peut osciller autour de deux axes, il est dit à deux degrés de liberté.
Dans ce cas, si une rotation est exercée sur son deuxième axe, le gyroscope peut basculer et précessionner autour de son axe de rotation.
- Le gyroscope à trois degrés de liberté :
Quand un gyroscope peut osciller autour de trois axes, il est à trois degrés de liberté.
Dans ce cas, quels que soient les mouvements du support, le gyroscope reste fixe dans l'espace.
d) Entraînement du rotor :
Sur un avion, la rotation du gyroscope est provoquée soit par l'air, soit électriquement, à une vitesse de 20 à 25 000 tours-minute.
- La rotation par l'air :
La rotation par l'air est utilisée essentiellement dans les planeurs du fait qu'ils ne disposent pas de générateur de courant électrique.
Dans le système à air, celui-ci est projeté sur le rotor qui est garni d'aubes.
Cet air peut être admis en pression ou en dépression, prélevé, par exemple, sur la prise statique d'une trompe de venturi réservée à cet usage. Mais, en général, une pompe à vide entraînée par le moteur de l'avion fournit de l'air déprimé et le rotor est alors alimenté en dépression.
- La rotation électrique :
Dans le système électrique, le rotor peut être l'induit d'un petit moteur électrique.
Au tableau de bord, un interrupteur électrique ou un robinet sur le manomètre de pompe à vide, suivant le cas, permet de faire fonctionner ou d'arrêter à volonté les différents gyroscopes.
L'indicateur de virage ou bille aiguille se compose de deux parties :
- La bille qui est constituée d'une bille métallique enfermée dans un tube en verre incurvé vers le bas et rempli d'un liquide amortisseur et qui rend compte de la symétrie du vol (bille au milieu).
- L'aiguille qui est un instrument gyroscopique qui indique le sens et qui mesure le taux de virage.
Indicateur de cadence
A noter que l'aiguille n'est pas réellement un indicateur de virage mais plutôt un indicateur de rotation autour de l'axe de lacet.
L'aiguille positionnée sur la graduation à gauche indique un virage à gauche à 180° mn et l'aiguille positionnée sur la graduation à droite indique un virage à droite à 180° mn.
L'indicateur de virage est un gyroscope à deux degrés de liberté, à axe horizontal, qui utilise la propriété de la précession. Il est donc sensible aux rotations d'axes vertical (Vw). Dans ce cas, l'axe du gyroscope est confondu avec l'axe de tangage et le gyroscope tourne dans le même sens que les roues de l'avion au sol.
En position d'équilibre, le gyroscope a son axe horizontal et l'aiguille indicatrice est alors verticale. Mais si on soumet ce gyroscope à une rotation forcée d'axe vertical (Vw), cette rotation forcée aura pour effet de tendre à faire coïncider (W) et (Vw). Ce mouvement engendré est ensuite contrarié par un ressort de rappel de coefficient (K) pour atteindre une nouvelle position d'équilibre. L'aiguille aura alors tourner d'un angle (a) tel que :
Couple développé par effet gyroscopique = couple développé par le ressort de rappel
(I x w) x Vwcos (a) = K a
Ainsi, la connaissance de (a) donne une indication de la grandeur de (Vw) mais (a) n'est pas proportionnel à (Vw) :
Vw = K' [a / cos(a)]
Il en résulte que l'indicateur de virage est d'autant plus sensible que (a) est petit. Un amortisseur à air ou à huile assure au système un amortissement suffisant pour éviter les oscillations :
K' = K / (I x w)
L'indicateur de virage à deux degrés de liberté, est constitué d'un boîtier constituant l'étrier vertical du deuxième cadre.
Le gyroscope avec son étrier précessionne en virage.
Une transmission permet alors d'inverser l'indication.
A noter la présence d'un ressort permettant de régler la sensibilité et l'étalonnage de l'aiguille ainsi que la présence d'un amortisseur pour les oscillations excessives de l'aiguille.
Toutefois, des butées limitent la précession à 45° de chaque côté de la verticale.
En ce qui concerne l'effet de précession :
- Le sens de rotation est déterminé par le sens d'avancée d'un tire-bouchon qui tournerait dans le même sens.
- Le vecteur rotation de la toupie vient se confondre avec le vecteur rotation du couple perturbateur.
L'axe du rotor est horizontal et perpendiculaire au plan de symétrie de l'avion, le sens de rotation du rotor étant le même que celui du mouvement de tangage pour mettre l'avion en piqué.
Ainsi, lors d'un virage à gauche, le gyroscope va s'incliner à droite. L'aiguille indicatrice est attaquée par l'intermédiaire d'une fourchette de façon qu'elle s'incline à gauche lors d'un virage à gauche et à droite lors d'un virage à droite.
3) L'utilisation de l'indicateur de virage :
Indicateur de cadence
a) Le rôle de l'indicateur de virage :
Le rôle de l'indicateur de virage est de donner le sens et de mesurer la cadence du virage.
- Quand l'avion tourne à droite en rotation autour de l'axe de lacet, le rotor précessionne à gauche sur l'axe de roulis et l'aiguille de l'instrument s'incline à droite, sens du virage.
- Quand l'avion tourne à gauche en rotation autour de l'axe de lacet, le rotor précessionne à droite sur l'axe de roulis et l'aiguille de l'instrument s'incline à gauche, sens du virage.
Le cadran n'est pas gradué mais on y trouve des repères de même largeur que l'aiguille : un virage effectué à une largeur d'aiguille correspond au taux standard : 3°/s et autour de cette position, l'angle de déplacement de l'aiguille peut être considéré comme proportionnel à la cadence de virage. En effet, la précession est proportionnelle à la cadence.
Ainsi, la déflection de l'aiguille de l'indicateur de virage face à son repère indique un taux standard de 3° par seconde, soit :
- Un tour complet : 360° en 2 minutes.
- Un demi-tour : 180° en 1 minute.
- 30° toute les 10 secondes.
A noter que le taux de virage peut être accéléré ou retardé.
b) Les taux de virage :
On distingue aussi parmi les taux de virage :
- Le taux 1 : 3°/s.
Le taux 1 correspond à 360° en 2 minutes. C'est le taux standard.
- Le taux 2 : 6°/s.
Le taux 2 correspond à 360° en 1 minute.
- Le taux 1/2 : 1,5°/s.
Le taux 1/2 correspond à 360° en 4 minutes.
Il existe donc un rapport entre le taux, l'inclinaison et le rayon de virage.
En effet, plus le rayon de virage est grand moins l'aiguille bouge. Donc, pour un même taux, plus on va vite, plus il faut incliner l'avion et moins l'aiguille bouge.
Dans tous les cas avec la bille au milieu, pour savoir si le rayon de virage augmente ou diminue, on a :
tg i = V² / 10 R
(V en m/sec, R en m et 10 pour 9,81)
Si la bille qui donne la direction de la verticale apparente (composante du poids et de la force centrifuge) constitue parfois un instrument à elle seule, l'indicateur de virage "l'aiguille" est toujours combiné avec une bille et on l'appelle alors le "bille-aiguille" qui est en fait un niveau transversal constitué par un tube de verre en arc de cercle à l'intérieur duquel se déplace une bille.
La bille est située dans un tube contenant un liquide incongelable permettant son amortissement.
c) L'indication de la bille :
La bille associée avec l'indicateur de virage, contrôle la coordination du virage et indique alors la qualité du virage qui peut être soit en glissade ou soit en dérapage :
- Le virage est correct si la bille est au milieu.
- Le virage est glissé si la bille se déplace à l'intérieur du virage. Dans ce cas, le taux de virage est trop faible et la cadence doit être augmentée.
- Le virage est dérapé si la bille se déplace à l'extérieur du virage. Dans ce cas, le taux de virage est trop fort et la cadence doit être diminuée.
En vol rectiligne, pour centrer la bille et l'aiguille, il faut adopter une inclinaison nulle puis une cadence nulle à l'aide du palonnier.
Dans la nomenclature officielle, C symbolise l'indicateur de vitesse et F le niveau transversal, l'instrument combinant les deux est ainsi appelé le contrôleur CF.
Associées de cette façon, bille et aiguille permettent d'effectuer en PSV des virages parfaitement corrects, notamment au taux standard.
En volant à vue du sol, le pilote voit que l'indicateur de virage est incliné par rapport à l'horizon terrestre, mais pilote, avion et instrument s'inclinent en même temps et finalement l'instrument est toujours dans la même position par rapport aux yeux du pilote.
En pilotage sans visibilité, quand le pilote ne dispose plus d'aucun repère extérieur, l'instrument se présente de la même manière sur le tableau de bord de l'avion, et cela quelle que soit la position de l'avion.
C'est d'ailleurs ce fait qui désoriente le plus un pilote pendant ses premières séances de PSV. En effet, habitué aux références visuelles extérieures mouvantes, il est tout surpris de voir devant lui un tableau de bord perpétuellement immobile, et il peut s'imaginait alors que son avion vole correctement même s'il n'en est rien.
Position de l'avion et indication instrumentale
Pour les vitesses inférieures à 250 kt, qui sont celles des manoeuvres d'approche quelle que soit la catégorie de l'appareil, un calcul simple permet d'obtenir l'inclinaison, qui est de 15% de la vitesse vraie (vitesse affichée avec la correction d'altitude qui est négligeable près du sol) :
Inclinaison standard au taux 1 = 15% vitesse vraie
ou
Inclinaison standard au taux 1 = 15% vitesse indiquée près du sol
ou
Inclinaison standard au taux 1 = Vp (kt) / 100 x 15
Pour mesurer la vitesse de virage de l'avion : vitesse de changement de cap, par rapport à un repère lié à la terre et non à la vitesse de lacet de l'avion : vitesse liée aux axes de l'avion, il faut positionner le rotor de l'indicateur de virage de façon à ce que son axe reste toujours pratiquement horizontal (le rotor s'incline à gauche lors d'un virage à droite et vice versa) pour qu'il soit sensible aux vitesses angulaires d'axe vertical uniquement car si l'axe du rotor ne reste pas horizontal, il devient sensible aux vitesses angulaires d'axe non vertical (vitesse de tangage et de lacet), il faudrait donc que lors d'un virage à gauche de 45° d'inclinaison, le rotor s'incline de 45° à droite mais comme l'angle à indiquer par l'aiguille n'est pas rigoureusement proportionnel à la vitesse de virage (Vw) et que cela n'est vrai qu'en première approximation si (a) reste petit [cos(a) =1], il faut donc trouver un compromis entre ces deux exigences :
- Garder (a) petit pour que la sensibilité soit constante.
- Avoir (a) égal à l'inclinaison pour avoir un indicateur sensible uniquement à la vitesse de virage et non à la vitesse de lacet.
En fait, il y a en général compensation pour une valeur donnée de la vitesse propre et de la vitesse de virage pour laquelle (a = inclinaison).
Dans les autres cas, l'indicateur de virage ne donne qu'une indication de la vitesse de virage et non une mesure de cette vitesse. C'est pour cette raison que l'indicateur de virage n'est que grossièrement gradué en largeurs d'aiguille pour sa lecture et son interprétation.
L'indicateur de virage est réglé pour la vitesse d'approche et l'aiguille en virage au taux choisi se trouve alors entre le plot central et le plot de gauche ou de droite.
Toutefois, si la vitesse est différente de la vitesse d'approche, l'aiguille ne sera pas à la bonne place.
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