ALTIMETRO L altimetro barometrico è lo strumento che indica la distanza verticale di un punto dalla superficie isobarica di riferimento in precedenza stabilita e in ogni caso variabile in un campo che va dai 948 hpa (28.00 inches) ai 1050 hpa (31.00 inches). Il suo funzionamento si basa sulla capsula aneroide tarata secondo i valori ISA, influenzata esclusivamente dalla pressione statica presente nella cassa, rilevata dalle prese, e trasdotta in indicazioni analogiche o digitali mostrate al pilota attraverso il quadrante graduato. Esiste poi un particolare tipo d altimetro detto a tamburo o elettropneumatico che equipaggia gli aerei a turbina dotati di C.A.D.C. L altimetro tarato in atmosfera standard (pressione 1013.25 hpa), indicherebbe, a valore costante, la quota dell aereo sempre in maniera corretta e uguale per tutti i luoghi. Così i piloti, conoscendo l elevazione degli ostacoli, potrebbero volare senza bisogno di modificare il valore di pressione di riferimento, in sicurezza e senza complicazioni per i CTA che li devono mantenere separati; purtroppo non è così. Variando il valore di pressione nel tempo e nello spazio (gradiente barico orizzontale) in funzione delle condizioni meteorologiche ed essendo diverse le esigenze del pilota e del controllore nelle singole fasi del volo: decollo, atterraggio, crociera, si sono stabiliti dei parametri d utilizzo dei vari valori di pressione funzionali all esigenza del momento. 128
Il valore di pressione per il regolaggio altimetrico varia tra un minimo di 948 hpa ad un massimo di 1050 hpa. Il pilota comanda la scala attraverso un nottolino sullo strumento, e l intervallo che si può leggere tra i valori di pressione che variano di un hpa per volta equivale allo spostamento della lancetta (indicante le decine di piedi), di 27 piedi alla volta (vedere valori ISA). I metodi per la regolazione dell altimetro in funzione della fase di volo, devono essere comuni a tutti gli operatori e fare riferimento alle superfici isobariche: Le superfici aeroportuali, la superficie del mare e la superficie isobarica standard o, assoluta. altim. convenzionale. altim. a tamburo. 129
Per poter operare sulla superficie aeroportuale (voli in circuito, avvicinamenti strumentali, operazioni di volo in zone di depressione orografica) e conoscere esattamente la quota rispetto al terreno occorre inserire nell altimetro in hpa o inches il valore di pressione presente a livello della pista. Questo valore di pressione s identifica con la sigla Q F E. Quando lo strumento è tarato su questo valore con l aeromobile a terra, l altimetro indicherà la quota 0 (zero)ft Il QFE dà indicazioni d altezza rispetto alla superficie aeroportuale La regolazione altimetrica più usata è quella riferita al valore di pressione esistente al livello del mare. Questo valore di pressione si identifica con la sigla Q N H. I Controllori del traffico aereo forniscono il valore di pressione al pilota. Il pilota leggerà sull altimetro la quota dell aeromobile espressa come altitudine ovvero la distanza verticale del velivolo dalla superficie media del mare. Comparando il valore del QNH con quello del QFE si ricava l elevazione dell aeroporto rispetto alla superficie del mare tenendo presente il gradiente barico verticale ISA. 130
Il QNH da indicazione d altitudine La regolazione altimetrica per il volo in aerovia è definita regolazione isobarica standard o assoluta e fa riferimento al valore di pressione 1013,2 hpa. Questo tipo di regolazione si identifica con la sigla Q N E. Si usa a partire dall altitudine di transizione durante la fase di salita e, fino al livello di transizione durante la fase di discesa. Garantisce l unicità di riferimento per la quota dei voli controllati. Il QNE da indicazione dei livelli di volo 131
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L altimetro è soggetto ad errori di: isteresi; postazione; meccanica; e di scala che vengono praticamente risolti adottando un altimetro a presentazione digitale (dotazione obligatoria per gli AA/MM RVSM) ma anche di pressione e temperatura. Questi ultimi sono i più importanti. L errore di pressione è più evidente per aeromobili con caratteristiche di volo avanzate, non comporta nessuna conseguenza quando l altimetro è regolato su 1013. 2 hpa (QNE) e si vola per livelli di volo, mentre volando con il QNH su lunghe distanze senza aggiornarlo passando da una zona di alta pressione ad una zona di bassa pressione potrebbe trovarsi a volare in condizioni non di sicurezza. Infatti pur rimanendo l indicazione dell altimetro costante (es. 1000 piedi), in realtà l aeromobile si troverebbe al di sotto della quota indicata, compromettendo la separazione dagli ostacoli. Il fenomeno inverso si può riscontrare volando da zone di bassa pressione verso aree con valori di alta pressione. Traiettoria del volo da alta a bassa pressione. L errore di temperatura, si riferisce allo scostamento tra isobare in funzione della temperatura. Poiché gli altimetri sono tarati in aria standard, essi misurano il gradiente barico verticale sempre con gli stessi valori standard (ISA) quindi: un hpa ogni 27 ft.. La meteorologia insegna che al diminuire della temperatura di una massa d aria, corrisponde una diminuzione del gradiente barico verticale, diminuisce cioè l intervallo tra due successive superfici isobariche (ad es. da 27ft a 18 ft) e quindi la distanza verticale dell aereo, rispetto alla superficie di riferimento (QNH). Infine, volando da una zona più 133
calda verso una più fredda senza aggiornare il regolaggio altimetrico (QNH) ci si troverà comunque ad avere una distanza verticale rispetto alla superficie isobarica di riferimento, inferiore a quella effettivamente letta sullo strumento. Traiettoria del volo da bassa ad alta temperatura. NOTA: La variazione di pressione da luogo a luogo, pone due problemi: La separazione dagli ostacoli. La separazione tra aeromobili. Per i voli IFR i problemi sono stati risolte assegnando percorsi standard (SID/STAR/AWYS) in cui la separazione dagli ostacoli è sempre assicurata e al sopra una determinata altitudine (altitudine di transizione) gli aeromobili utilizzano il regolaggio altimetrico standard 1013,2 e volano per livelli di volo. Altitude Allerting System. Il sistema di allarme quota è presente sugli aeromobili che hanno capacità di effettuare salite/discese a ratei elevati (e dotazione obligatroria per i voli RVSM). Il suo scopo è quello di avvisare l equipaggio che si è prossimi al raggiungimento della quota stabilita, utilizzando sistemi visivi e sonori. L avviso viene generato con un anticipo di 900/1000Ft prima della quota e qualora il livello mantenuto differisca di +200 Ft da quello da mantenere. Negli AA/MM EFIS, questo sistema è integrato nell avionica digitale. Il radioaltimetro, misura l altezza di volo dell aeromobile riferita al punto inferiore delle ruote a carrello esteso. Il sistema si basa confronto tra un segnale in partenza dall antenna trasmittente posizionata sotto la fusoliera, con quello di ritorno riflesso dal suolo, legge 134
il tempo che intercorre tra invio e ricezione e lo trasforma distanza verticale ovvero in altezza assoluta riferita alla superficie. Esistono due tipi di radioaltimetro: il primo funziona a modulazione di frequenza (frequenze da 4,250 a 4,350 MHz) ed è impiegato per misurare altezze inferiori ai 5000 ft. Il secondo funziona ad impulsi ed è chiamato radaraltimetro, adatto alla misurazione d altezze maggiori. Viene utilizzato prevalentemente per la misurazione della quota durante i voli spaziali e, data la sua semplicità di istallazione e funzionamento, equipaggia gli UAV. ubicazione delle antenne del RA Presentazione a quadrante Presentazione a tamburo. 135
VARIOMETRO (VSI) Il variometro (Vertical Speed Indicator) è uno strumento che serve per misurare e indicare la velocità verticale dell aeromobile. È complementare all altimetro giacché fornisce la variazione di quota rispetto al tempo trascorso. Il principio di funzionamento si basa sulla misurazione delle variazioni di pressione statica trasformate in indicazioni di variazione di quota nell unità di tempo e la esprime in piedi/minuto o metri/secondo. La capsula è collegata all impianto delle prese statiche ed è contenuta in una cassa a tenuta stagna con la quale ha un unico collegamento costituito da un tubicino capillare con la funzione di ritardare il flusso d aria da e per l interno della cassa. La capsula è collegata ad una combinazione di leve ed ingranaggi che trasformano le contrazioni o le dilatazioni in indicazioni alfanumeriche o digitali sul quadrante dello strumento. Quando l aereo è al suolo oppure in volo livellato le pressioni all interno della capsula e quelle nella cassa sono eguali quindi l indicatore, sarà a 0 ; se l aereo inizia la salita la pressione all interno della cassa, grazie all azione del tubo capillare, sarà superiore di quella all interno della capsula e l indicazione strumentale sarà a salire. L indicazione a salire o a scendere dello strumento sarà il risultato del ritardo con cui la pressione statica all interno della capsula, tramite il capillare, cerca di equilibrare quella della cassa esterna. Le indicazioni di variazione delle velocità variometriche subiscono un certo ritardo sul loro inizio e sul loro termine, sono attendibili solo dopo qualche secondo (da 5 a 10 sec circa). Il variometro è comunque un ottimo indicatore di tendenza. L inconveniente ritardo si è risolto dotando i variometri di due accelerometri che rinominano lo strumento con la sigla: IV S I. 136
RIEPILOGATIVO DEGLI STRUMENTI A CAPSULA ANEMOMETRO (ASI = Air Speed Indicator) COMPONENTI: MISURAZIONI: INDICAZIONI DI RIFERIMENTO: Tubo di Pitot. Capsula differenziale. Scala graduata con indice. Indici di riferimento (fissi e/o mobili). Velocità all aria indicata (IAS in nodi). È tarato alla densità dell aria ISA al MSL. Vel. di stallo. Vel. caratteristiche di manovra per le varie fasi del volo. Vel. massime (VNE, VMO). 137
ALTIMETRO (Altitude Indicator) COMPONENTI: Presa statica. Capsula barometrica aneroide. Scala graduata con indici. Regolatore valori pressione di riferimento in hpa o Pollici di Hg. MISURAZIONI: Press. statica in atmosfera reale. Scala barometrica in ISA. INDICAZIONI DI RIFERIMENTO: Distanza verticale della superficie isobarica di riferimento*. QNH; QFE; 1013. 2. *Riferimento QNH = quota espressa in termini di altitudine Riferimento QFE = quota espressa in termini di altezza rispetto alla pista. Riferimento 1013. 2 = quota espressa in termini di livelli di volo VARIOMETRO (Vertical Speed Indicator) COMPONENTI: Presa statica. Capsula con unità di dosaggio (tubo capillare). Accelerometri (eventuali). Scala graduata logaritmica speculare negativa (a scendere) e positiva (a salire) con indice. MISURAZIONI: INDICAZIONI DI RIFERIMENTO: Velocità di discesa o di salita misurate nell unità di tempo (ft/min o mt/sec). È tarato in ISA. Misurazione delle variazioni di quota nell unità di tempo attraverso l indicazione del gradiente di salita o discesa anche se con minimo ritardo. Indicazione istantanea della tendenza a cambiare quota o rateo. 138
STRUMENTI GIROSCOPICI Gli strumenti giroscopici sono: il direzionale, l orizzonte artificiale, ed il virosbandometro. Hanno come fonte di energia un particolare meccanismo detto giroscopio che ne caratterizza il principio di funzionamento. Il giroscopio è composto da una massa coerente di forma cilindrica posizionata in maniera da poter ruotare liberamente molto rapidamente intorno al proprio asse di simmetria. Il sistema giroscopico base è formato da tre componenti principali: la massa rotante o rotore che per essere efficiente deve possedere un peso consistente ed un altissima velocità di rotazione (oltre i 20.000 RPM), l asse di rotazione, le sospensioni cardaniche per sostenere l asse di rotazione e consentigli 1 o 2 ulteriori gradi di libertà. Avete presente la bicicletta? La massa rotante è la ruota, l asse intorno al quale ruota la massa è il mozzo, i supporti cardanici sono le forcelle. Il giroscopio a due gradi di libertà è munito di un articolazione che oltre la rotazione consente il cambiamento d inclinazione rispetto al sistema su cui è montato. Questo giroscopio serve alla misurazione delle forze angolari e consente il funzionamento dell indicatore di virata (virometro). 139
Il giroscopio a tre gradi di libertà svincola completamente il giroscopio dai movimenti che può compiere il sistema su cui è montato. Il numero degli snodi garantisce il cambio d orientamento e il cambio d inclinazione rispetto al sistema base. Gli strumenti che sfruttano le sue proprietà sono gli indicatori bussola o direzionali e quelli d assetto. I giroscopi vengono suddivisi anche in funzione delle posizione dell asse di rotazione del rotore rispetto alla superficie terrestre. Se l asse di rotazione e parallelo alla superficie sono detti giroscopi direzionali, se invece è perpendicolare sono detti giroscopi verticali. Le proprietà principali che caratterizzano questi sistemi e quindi consentono la loro applicazione sono: la rigidità giroscopica e la precessione. La rigidità giroscopica o inerzia è la proprietà che ha il giroscopio messo in rotazione, di mantenersi sullo stesso piano in cui si trovava all inizio del movimento vorticoso, cioè mantenersi orientato verso lo stesso punto nello spazio. Qualsiasi posizione assuma l intero sistema (a due o tre gradi di libertà), l asse di rotazione rimane orientato nella direzione d origine opponendosi quindi alle forze esterne proporzionalmente al suo peso, alla velocità di rotazione ed al raggio del rotore. Gli indicatori d assetto e di prua sfruttano questa proprietà per il loro funzionamento. 140
Sistema giroscopico completo La precessione è il movimento rotatorio che il rotore oppone ad eventuali forze esterne perturbatrici del proprio equilibrio, si manifesta con una rotazione del suo asse, perpendicolarmente a quello della perturbazione e nel senso della rotazione stessa. Sistema giroscopico completo perturbato Gli strumenti di bordo hanno lo scopo di individuare direzioni o piani rispetto alla superficie terrestre e proprio per questo, nei giroscopi, connessi si verifica un particolare fenomeno dovuto al movimento di rotazione del pianeta che si manifesta come precessione ma poiché in assoluto non è tale, viene denominato apparente. 141
La precessione apparente è la conseguenza dell azione concomitante della rigidità giroscopica, che mantiene il rotore in un piano fisso rispetto allo spazio e della rotazione terrestre che trascina con se tutto il sistema giroscopico. Per completezza accenniamo anche alla precessione da trasporto legata alla convergenza dei meridiani. Alla famiglia degli strumenti giroscopici appartengono gli indicatori di prua o girodirezionali, gli indicatori d assetto e dell angolo di virata noti come orizzonte artificiale e gli indicatori del rateo di virata chiamati virometri. L alimentazione necessaria per mantenere operativi gli strumenti giroscopici e i loro rotori, può essere di due tipi: pneumatica (a pressione o a depressione) o elettrica. Negli aerei leggeri i giroscopi sono alimentati con entrambi i sistemi: quello pneumatico per il direzionale e l indicatore d assetto e quello elettrico per il virometro. Questo dualismo è necessario poiché in caso d avaria ad uno dei due impianti le informazione dell indicatore di virata sono garantite. Sugli aerei a turbina i giroscopi sono alimentati elettricamente e per di più i gruppi strumenti dei due panelli (pilota e co-pilota) presenti in cabina di pilotaggio hanno sorgenti d energia indipendenti; inoltre è presente un ulteriore gruppo strumenti, definito stand-by alimentato pneumaticamente allo scopo di garantire la continuità delle indicazioni. 142
NOTA:Ovviamente, del gruppo strumenti stand-by fanno parte anche l anemometro e l altimetro. Sviluppi futuri dei sistemi giroscopici I tradizionali giroscopi meccanici saranno sostituiti con i giroscopi ad anello laser, costituiti da una serie di laser i cui fasci sono allineati su uno stesso piano e formano un anello. Le interferenze tra i fasci laser ad ogni movimento del piano su cui giacciono creano l indicazione della rotazione del piano stesso. Questa nuova generazione di giroscopi garantisce una maggiore precisione e affidabilità, sono più leggeri e consumano menoa energia producendo meno calore. I giroscopi laser già equipaggiano i sistemi strumentali di bordo con tecnologia E-FIS. 143
Il direzionale o girodirezionale, ha la funzione di sostituire l utilizzo della bussola magnetica. Confrontando le immagini dei due strumenti si capiscono i vantaggi connessi all utilizzo del girodirezionale, più stabile nelle indicazioni. Il sistema è soggetto ad errori che si accentuano nel tempo e per questo è necessario riallineare lo strumento con le indicazioni della bussola magnetica. Questa operazione viene effettuata ogni10/15 minuti di volo attraverso un pomello posto sullo strumento direzionale. Gli aeromobili più grandi sono equipaggiati con impianti girodirezionali auto stabilizzanti chiamati telebussole giroscopiche. Una volta allineato elettronicamente il giroscopio con le indicazioni della bussola, la precessione apparente del sistema viene corretta automaticamente da un circuito che fa parte del giroscopico. Le telebussole giroscopiche equipaggiano gli aerei di linea e da trasporto pesante per il medio e lungo raggio. L impianto, simile al precedente, è integrato con una bussola elettrica normalmente ubicata sull estremità alare lontana dai campi magnetici dell aeromobile che potrebbero disturbare il funzionamento, e dotata di un apparato sensibile alle variazioni del campo magnetico terrestre: la valvola di flusso o flux valve il cui scopo e quello di mantenere continuamente allineato il giroscopio al variare del campo magnetico, anche in funzione della latitudine, preservandolo dall errore di precessione. 144
Direzionale con unità giroscopica a distanza Telebussola giroscopica con flux valve. L indicatore di virata o virometro 145
Sbandometro Il virometro, che sugli aerei leggeri è associato ad un indicatore di sbandamento ed è chiamato virosbandometro, è composto di un giroscopio a 2 gradi di libertà privato della possibilità di ruotare attorno al suo asse verticale. Il rotore gira longitudinalmente (asse di rotazione orizzontale) all aereo ed ogni qualvolta questo compie un imbardata, il suo stato è perturbato e causa l inclinazione del suo asse di rotazione, che è trasmessa all indicatore (chiamato nel gergo aeronautico paletta). Tanto maggiore è il movimento tanto più saranno le indicazioni relative. Il sistema paletta è vincolato da due molle che provvedono a riportare il sistema in posizione di riposo al termine della sollecitazione; mentre sul quadrante vengono riportate le indicazioni di velocità angolari. che si raggiungono durante la manovra di virata. La virata si considera corretta, cioè coordinata, quando la pallina è al centro, indipendentemente dal valore angolare della virata. La virata si considera standard, quando viene effettuata ad una velocità angolare di 3 al secondo; occorreranno quindi due minuti per effettuare un 360 completo. Virosbandometro È composto di una pallina metallica inserita in un tubo trasparente a sezione toroidale, riempito di liquido anti-congelante per ammortizzarne i movimenti. Lo strumento ha lo scopo di indicare al pilota se sta effettuando il volo in modo coordinato, ovvero la pallina, che funziona alla stregua di una livella, indica durante le virate se la forza centrifuga è equilibrata dalla forza centripeta. Quando la forza centrifuga prevale sulla forza centripeta l aereo è soggetto ad una derapata, ovvero il raggio di virata è eccessivo rispetto all inclinazione dell ala, mentre al contrario, è soggetto ad una scivolata. 146
Volo rettilineo Derapata Scivolata Coordinatore di virata 147
L orizzonte artificiale, è di facile riconoscimento per chiunque si sieda in una cabina di pilotaggio, infatti, dall inizio degli anni sessanta con l avvento dei primi jet di linea (B707, DC8, Caravelle), era l unico strumento del cruscotto ad essere decisamente colorato, ciò nacque dalla necessità di delimitare senza possibilità d errore la linea dell orizzonte tra cielo (tonalità d azzurro o grigio chiaro) e terra (tonalità più scura tra il nero ed il marrone). L Attitude Director Indicator è la sua evoluzione e verrà trattato nel capitolo successivo. Orizzonte artificiale 148
Attitude Director Indicator L orizzonte artificiale è lo strumento che consente al pilota d individuare i movimenti che l aereo compie attorno all asse trasversale (asse di beccheggio o pitch axis) e a quello longitudinale (asse di rollio o roll axis). Sostituendo l orizzonte reale, diventa uno strumento indispensabile nel volo strumentale e un valido ausilio nel volo a vista. Lo strumento è asservito ad un giroscopio a tre gradi di libertà con asse di rotazione verticale. Nel sistema meccanico, tirando il nottolino, si provvede al riallineamento del giroscopio, se ruotato, muove la sagomina dell aeromobile in alto o in basso in modo da poterla posizionare come meglio si crede in funzione delle operazioni di volo da compiere. 149
OA regolabile 150
Indicazioni degli strumenti durante le varie fasi del volo: 151
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