Para determinar a atitude da aeronave, um piloto automático precisa confiar na estabilidade dos sensores giroscópicos.
Também chamado de gyro, a função do giroscópio é permanecer estável no espaço independentemente do movimento da estrutura de sustentação, ou armação, do dispositivo.
O giroscópio tradicional gera estabilidade usando uma massa giratória, como mostrado na Figura Abaixo.
São os chamados giroscópios de massa giratória.
É o mesmo conceito que permite que o ciclista fique de pé sobre duas rodas; a massa giratória das rodas da bicicleta cria estabilidade por meio da ação giroscópica.
Os giroscópios de aeronaves são montados sobre uma plataforma de cardã que contém algum sensor de taxa que detecta a movimentação da aeronave.
A combinação de um giroscópio giratório e uma plataforma de cardã permite que o conjunto mantenha-se paralelo à superfície terrestre independentemente da atitude da aeronave.
Um piloto automático simples pode conter apenas um conjunto de giroscópio e sensor de taxa; sistemas complexos contêm pelo menos três.
Para medir o movimento em torno do eixo longitudinal, lateral ou vertical, é preciso usar pelo menos três conjuntos de giroscópio e sensor (ver Figura Abaixo).
O sensor de taxa usado para criar um sinal elétrico durante a movimentação da aeronave deve ser extremamente sensível para não afetar a estabilidade do giroscópio.
Uma maneira comum de atingir esse objetivo usa um dispositivo semelhante a um transformador que não precisa de conexão física entre as peças móveis.
Dessa maneira, não era desenvolvida fricção alguma e pouquíssima força mecânica fica evidente para restringir o movimento do giroscópio.
Um tipo de dispositivo gerador de sinal é chamado de transdutor EI e está diagramado na Figura Abaixo.
O transdutor é composto de três bobinas montadas em uma peça em formato de E feita de aço laminado.
As bobinas enroladas nas pernas externas do E são conectadas umas às outras em uma relação de fase tal que as tensões induzidas da bobina central se cancelam.
Uma armadura de aço móvel, chamada de membro em I, fornece um caminho de baixa relutância para o campo magnético.
Quando essa armadura é movida em relação à seção em E, isso muda a razão de acoplamento entre os enrolamentos secundários e o primário, o que muda o valor das tensões induzidas nas pernas externas, de forma que elas deixam de ser iguais.
O resultado é uma tensão que está em fase ou defasada com a tensão de excitação.
Observe que a tensão de excitação é aplicada à perna central da seção em E.
A saída de tensão elétrica das bobinas secundárias do conjunto do transdutor EI é proporcional ao deslocamento dos elementos em relação à posição nula.
O nulo é a posição mecânica resultante de uma saída elétrica zero, indicativa do fato de que a aeronave está em sua posição de voo correta em relação à referência estabelecida pela unidade giroscópica.
O afastamento da aeronave em relação à referência de voo estabelecida provoca o deslocamento mecânico relativo dos elementos transdutores para longe do nulo elétrico, produzindo uma tensão de saída elétrica que é o sinal para o sistema exigindo uma ação corretiva.
Outra alternativa ao giroscópio de massa giratória não utiliza peças móveis e, logo, cria um sistema muito mais preciso e confiável.
O giroscópio de anela a laser (RLG) não depende da força giroscópica produzida por uma giratória; em vez disso, o RLG detecta os movimentos da aeronave usando sensores de taxa precisos que medem mudanças na frequência da luz.
Esse sistema precisa de uma alta tensão, aproximadamente 3,5 kV, para alimentar dois lasers de hélio-neon e produz uma saída digital que pode ser utilizada pelos sistemas modernos de voo automático.
O termo laser significa “amplificação de luz por emissão estimulada de irradiação”.
O sistema de RLG utiliza um laser de hélio-neon; ou seja, o feixe de luz do laser é produzido pela ionização de uma combinação de gás de hélio e neon.
A Figura abaixo mostra um RLG típico.
O sistema produz dois feixes de laser e circula-os em uma trajetória triangular contrarrotatória.
Como mostrado na Figura Abaixo, o potencial de alta tensão entre os ânodos e o cátodo produz dois feixes de luz que correm em direções opostas.
Espelhos são usados para refletir cada feixe em torno de uma área triangular fechada.
A frequência ressonante de um laser contido é uma função do comprimento de sua trajetória ótica.
Quando o RLF está em repouso, os dois feixes têm distâncias de percurso iguais e frequências idênticas.
Quando o RLF é sujeitado a um deslocamento angular em torno de um eixo perpendicular ao plano dos dois feixes, um feixe possui uma trajetória ótica mais longa e o outro, mais curta.
Logo, as duas frequências ressonantes dos feixes de laser individuais mudam.
Essa mudança de frequência é medida por fotossensores e convertida em um sinal digital.
Como a mudança de frequência é proporcional ao deslocamento angular da unidade, o sinal de saída digital do sistema é uma função direta da taxa de rotação angular do RLG.
Em geral, o sistema RLG é acoplado a um sistema de navegação completo.
Os sinais digitais do RLG podem ser usa[1]dos para controlar funções de voo automático.
A Figura Abaixo mostra um conjunto de sensor inercial contendo os lasers triangulares.
A tecnologia do tipo solidário ou strapdown possibilitou uma nova era da segurança das aeronaves.
A eliminação das peças móveis melhora significativamente a confiabilidade desse sistema.
Durante a instalação ou inspeção de qualquer sistema de giroscópio, é importante que o conjunto esteja alinhado corretamente com o eixo da aeronave; isso pode ser feito por medições precisos ou como uso de alinhamento eletrônico.
Os giroscópios de massa giratória tradicionais precisam de níveis relativamente altos de manutenção devido à rotação de alta velocidade e natureza delicada dos aparelhos.
Os giroscópios a laser, por outro lado, são mais confiáveis e menos dados a panes.
Em caso de pane do sistema de piloto automático, os sinais de saída elétricos de um sensor de taxa de giroscópio pode ser testado facilmente de acordo com o manual de manutenção da aeronave.