Wie werden Nickwinkel und Nickrate in einem Flugzeug gemessen?

Die Neigung eines Flugzeugs relativ zum Horizont wird auf der Fluglageanzeige beobachtet, die auch den Rollwinkel anzeigt. Diese sind für IFR-Flüge, aber nicht für VFR-Flüge hier in den USA erforderlich. Als solche sind sie in den meisten, aber nicht unbedingt allen Flugzeugen zu finden. Diese sind typischerweise gyroskopisch basiert .

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Hier ist ein grundlegender Ausschnitt des Innenraums, der zeigt, wo der Kreisel montiert ist. Sie werden oft durch Vakuum (oder Überdruck) angetrieben, können aber auch optisch oder elektrisch sein.

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Der Winkel zum relativen Flügel (Anstellwinkel) wird auf einer Anstellwinkelanzeige angezeigt. Obwohl nicht erforderlich, werden diese immer beliebter. Diese werden von einem Sensor an der Außenseite des Flugzeugs gesteuert.

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Der Sensor, der das außen misst, sieht so aus:

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Soweit ich weiß, gibt es auf Ihrem Standard-Panel keine Pitch-Rate-Informationen.

Es gibt drei prinzipiell konkurrierende elektronische Technologien, die vakuum- und elektrisch betriebene Kreisel ersetzen.

Höherwertige Systeme verwenden Ringlaserkreisel (RLG) und verlassen sich auf Interferenzmusteränderungen, um Bewegungen in der Achse des Ringlasers zu erkennen. Ähnlich, aber etwas günstiger sind Glasfaserkreisel (FOG). Systeme der unteren Preisklasse (einschließlich 20-Dollar-Hobbydrohnen) verwenden MEMS-Geräte. MEMS-Vorrichtungen können extrem kostengünstig sein und effektive Beschleuniger darstellen.

Aus Sicht des aktuellen Systemdesigns haben MEMS-Geräte tendenziell weniger Bandbreite und höheres Rauschen, aber für die allgemeine Luftfahrt und INS/GNSS-Systeme für die allgemeine Luftfahrt wird erwartet, dass MEMS den Marktanteil weiter steigern wird. Sie sind kostengünstig, umweltverträglich und bieten auch heute noch eine ausreichende Leistung.

Herkömmlicherweise waren Kreisel (eher als elektronische Kreisel und Beschleunigungsmesser) die Hauptstütze für die Erfassung von Fluglagen- und Geschwindigkeitsinformationen.

Erwarten Sie, dass viele Systeme heute und zukünftige Systeme hauptsächlich Beschleunigungsmesser verwenden werden und dass Einstellungsinformationen abgeleitet werden.

Nachtrag Nr. 1

Wenn Sie eine Startreferenz haben und kein Systemrauschen, dann kann eine Positions- und Beschleunigungsreferenz nur durch Beschleunigungsmesser hergestellt werden. Dies bedeutet, dass ein "Kreisel" erforderlich ist, bei dem keine Positions- oder Einstellungsreferenz benötigt wird und allein aus den Beschleunigungsmesserdaten abgeleitet werden kann. (Höchstwahrscheinlich hat Ihr Smartphone nur Beschleunigungsmesser und leitet die Fluglage ab.)

Außerdem können High-End-MEMS-Systeme 6 Sensoren verwenden, um eine feinere Granularität bei kleinen Beschleunigungen bereitzustellen, etwas Systemrauschen zu kompensieren und höhere Anstiegsraten bereitzustellen.

Integrierte MEMS-IMUs mit integrierten GPS/GNSS-Empfängern sind jetzt auf Chipebene verfügbar. In den USA sind sie in Nicht-ITAR-Konfigurationen erhältlich, was den Export integrierter Produkte erleichtert. Es gibt auch ITAR-Konfigurationen, die in nichtmilitärischen Anwendungen wie Vermessungen, autonomen Fahrzeugen und Flugzeugen beliebt sind. Die ITAR-Einheiten benötigen für den Export eine Genehmigung des US-Außenministeriums und sind schwieriger mit Teamkollegen außerhalb der USA zu integrieren.

Die Preise werden weiter sinken und die Möglichkeiten werden weiter wachsen. Ich glaube, dass die Dampfanzeigeinstrumente in Flugzeugen in den nächsten 20 Jahren praktisch veraltet sein werden. Sie werden durch integrierte Systeme und Ersatzinstrumente für die Abwärtskompatibilität ersetzt. Die Kosten für die Herstellung von MEMS-Instrumenten fallen schnell unter die Kosten für die Herstellung von vakuum- und elektrisch betriebenen Kreiseln.

Außerdem ist es bei MEMS-basierten IMUs Standard, dass die Einheit Lageinformationen und Informationen zur Änderungsrate ausschließlich von Beschleunigungsmessern liefert. Diese Aussage mag überflüssig sein, aber ich wollte klarstellen, dass beispielsweise Neigungs-, Roll- und Gierwinkel (Position oder Lage) und Geschwindigkeit sowie Positionsinformationen vom Typ Lat/Long leicht verfügbar sind.

Und nur noch eine Kleinigkeit. Wenn Sie über einen integrierten GPS-Empfänger verfügen, kann die Filterung der GPS-Verarbeitung sehr genaue Geschwindigkeitsinformationen liefern (genauer und reaktionsschneller als durch Interpolation von Positionsfixierungen). Das ist ein nettes Feature bei der Verarbeitung von GPS- und Empfängersignalen.

Die heute vorherrschende Technologie ist AHRS , ausgesprochen A-hars, für Attitude Heading Reference System. Ein typisches Garmin-Gerät bietet:

• 3-Achsen-Winkelgeschwindigkeitssensoren: +/- 500 Grad pro Sekunde
• 3-Achsen-Beschleunigungsmesser: +/- 8G
• 3-Achsen-Magnetometer: +/- 2 Gauss

Die vorhandenen Antworten decken Flugzeuge mit vollständiger Instrumentierung ab, daher füge ich meine 2 Cent für einfachere hinzu.

In Flugzeugen, die nur über eine grundlegende Instrumentierung verfügen, kann der Pilot die Cockpitansicht verwenden, um die Neigungslage zu beurteilen. Besonders bei Segelflugzeugen, wo die vordere Fensterbank in einiger Entfernung von den Augen des Piloten liegt, gibt die Höhe des Horizonts relativ zur Fensterbank einen sehr guten Hinweis auf die Nicklage.

Für die Nickrate wird das vestibuläre System des Piloten in Kombination mit visuellen Hinweisen verwendet. Dies funktioniert sehr gut im VFR-Flug. Wie @Koyovis betont, liegen sehr kleine Winkelbeschleunigungen unter der Schwelle des vestibulären Systems, sodass ohne visuelle Hinweise eine räumliche Desorientierung sehr wahrscheinlich ist.