Flugzeuge: Kompasssysteme
Die Erde ist ein riesiger Magnet, der sich im Weltraum dreht und von einem Magnetfeld umgeben ist, das aus unsichtbaren Flusslinien besteht. Diese Linien verlassen die Oberfläche am magnetischen Nordpol und treten am magnetischen Südpol wieder ein.
Magnetische Flusslinien haben zwei wichtige Eigenschaften: Jeder Magnet, der sich frei drehen kann, richtet sich an ihnen aus, und in jedem Leiter, der sie schneidet, wird ein elektrischer Strom induziert. Die meisten in Flugzeugen eingebauten Fahrtrichtungsanzeiger machen sich eine dieser beiden Eigenschaften zunutze.
Magnetischer Kompass
Eines der ältesten und einfachsten Instrumente zur Richtungsanzeige ist der Magnetkompass. Es ist auch eines der grundlegenden Instrumente, die gemäß Titel 14 des Code of Federal Regulations (14 CFR) Teil 91 sowohl für VFR- als auch für IFR-Flüge erforderlich sind.
Ein Magnet ist ein Stück Material, normalerweise ein eisenhaltiges Metall, das magnetische Flusslinien anzieht und hält. Unabhängig von der Größe hat jeder Magnet zwei Pole: Nord und Süd. Wenn ein Magnet in das Feld eines anderen gebracht wird, ziehen sich die ungleichen Pole an und gleiche Pole stoßen sich ab.
Ein magnetischer Flugzeugkompass, wie der in Abbildung 8-32, hat zwei kleine Magnete, die an einem Metallschwimmer befestigt sind, der in einer Schüssel mit klarer Kompassflüssigkeit ähnlich Kerosin eingeschlossen ist. Eine abgestufte Skala, eine so genannte Karte, wird um den Schwimmer gewickelt und durch ein Glasfenster mit einer Schmierlinie darüber betrachtet. Die Karte ist mit Buchstaben markiert, die die Himmelsrichtungen Nord, Ost, Süd und West darstellen, sowie mit einer Zahl für jeweils 30° zwischen diesen Buchstaben. Die abschließende „0“ entfällt bei diesen Richtungen. Beispiel: 3 = 30°, 6 = 60° und 33 = 330°.
Zwischen den Buchstaben und Zahlen befinden sich lange und kurze Teilungsstriche, wobei jeder lange Strich 10° und jeder kurze Strich 5° darstellt.
Die Schwimmer- und Kartenbaugruppe hat in ihrer Mitte einen gehärteten Stahlzapfen, der in einem speziellen, federbelasteten Hartglas-Juwelenbecher sitzt. Der Auftrieb des Schwimmers entlastet den Drehpunkt größtenteils, und die Flüssigkeit dämpft die Schwingung des Schwimmers und der Karte. Diese Juwel-und-Schwenk-Befestigung ermöglicht es dem Schwimmer, sich bis zu einem Querneigungswinkel von ungefähr 18° zu drehen und zu neigen. Bei steileren Querneigungen sind die Kompassanzeigen unregelmäßig und unvorhersehbar.
Das Kompassgehäuse ist vollständig mit Kompassflüssigkeit gefüllt. Um Schäden oder Lecks zu vermeiden, wenn sich die Flüssigkeit bei Temperaturänderungen ausdehnt und zusammenzieht, ist die Rückseite des Kompassgehäuses mit einer flexiblen Membran oder bei einigen Kompassen mit einem Metallbalg abgedichtet.
Die Magnete richten sich nach dem Magnetfeld der Erde aus und der Pilot liest die Richtung auf der Skala gegenüber der Lubber-Linie ab. Beachten Sie, dass der Pilot in Abbildung die Kompasskarte von ihrer Rückseite betrachtet. Wenn der Pilot nach Norden fliegt, befindet sich Osten, wie der Kompass anzeigt, rechts vom Piloten. Auf der Karte steht „33“, was 330° (westlich von Norden) darstellt, rechts von Norden. Der Grund für diese scheinbare Rückwärtsstaffelung ist, dass die Karte stationär bleibt und sich das Kompassgehäuse und der Pilot um sie herum drehen. Aufgrund dieser Anordnung kann der Magnetkompass verwirrend zu lesen sein.
Durch Magnetkompass verursachte Fehler
Der Magnetkompass ist das einfachste Instrument im Panel, aber er ist mit einer Reihe von Fehlern behaftet, die berücksichtigt werden müssen.
Variation Die Erde dreht sich um ihre geographische Achse; Landkarten und Diagramme werden anhand von Längengraden gezeichnet, die durch die geografischen Pole verlaufen. Richtungen, die von den geografischen Polen aus gemessen werden, werden wahre Richtungen genannt. Der magnetische Nordpol, auf den der Magnetkompass zeigt, liegt nicht am geografischen Nordpol, sondern ist etwa 1.300 Meilen entfernt; Richtungen, die von den Magnetpolen gemessen werden, werden magnetische Richtungen genannt. In der Luftnavigation wird der Unterschied zwischen wahrer und magnetischer Richtung als Variation bezeichnet. Derselbe Winkelunterschied in der Vermessung und Landnavigation wird als Deklination bezeichnet.
Die Abbildung zeigt die isogonischen Linien, die die Anzahl der Variationsgrade in ihrem Bereich identifizieren. Die Linie, die in der Nähe von Chicago verläuft, wird als agonische Linie bezeichnet. Irgendwo entlang dieser Linie sind die beiden Pole ausgerichtet, und es gibt keine Abweichung. Östlich dieser Linie befindet sich der magnetische Nordpol westlich des geografischen Nordpols, und eine Kompassanzeige muss korrigiert werden, um eine wahre Richtung zu erhalten.
Wenn Sie beispielsweise in der Gegend von Washington, DC, fliegen, beträgt die Abweichung 10° West. Wenn ein Pilot einen wahren Südkurs (180°) fliegen möchte, muss die Abweichung dazu addiert werden, was einen magnetischen Kurs von 190° zum Fliegen ergibt. Beim Fliegen in der Gegend von Los Angeles, Kalifornien, beträgt die Abweichung 14° Ost. Um dort einen echten Kurs von 180° zu fliegen, müsste der Pilot die Abweichung abziehen und einen magnetischen Kurs von 166° fliegen. Der Abweichungsfehler ändert sich nicht mit dem Steuerkurs des Flugzeugs; es ist überall entlang der isogonischen Linie dasselbe.
Abweichung Die Magnete in einem Kompass richten sich nach jedem Magnetfeld aus. Einige Ursachen für Magnetfelder in Flugzeugen sind fließender elektrischer Strom, magnetisierte Teile und Konflikte mit dem Magnetfeld der Erde. Diese Magnetfelder von Flugzeugen erzeugen einen Kompassfehler, der als Abweichung bezeichnet wird.
Die Abweichung hängt im Gegensatz zur Variation vom Kurs des Flugzeugs ab. Auch im Gegensatz zur Variation beeinflusst der geografische Standort des Flugzeugs die Abweichung nicht. Während niemand Abweichungsfehler reduzieren oder ändern kann, kann ein Luftfahrtwartungstechniker (AMT) die Mittel bereitstellen, um Abweichungsfehler zu minimieren, indem er die Wartungsaufgabe ausführt, die als „Schwenken des Kompasses“ bekannt ist.
Um den Kompass zu schwingen, positioniert ein AMT das Flugzeug auf einer Reihe bekannter Überschriften, normalerweise an einer Kompassrose. [Abbildung 8-34] Eine Kompassrose besteht aus einer Reihe von Linien, die alle 30° auf einem Flughafenvorfeld markiert sind und auf den magnetischen Norden ausgerichtet sind. Es gibt minimale magnetische Interferenzen an der Kompassrose. Der Pilot oder der AMT kann, sofern er autorisiert ist, das Flugzeug zur Kompassrose rollen und das Flugzeug auf die vom AMT vorgeschriebenen Steuerkurse manövrieren.
Wenn das Flugzeug auf jeden Kompassrose-Kurs „geschwungen“ oder ausgerichtet wird, passt das AMT die Kompensatorbaugruppe an, die sich oben oder unten am Kompass befindet. Die Kompensatorbaugruppe hat zwei Wellen, deren Enden Schraubendreherschlitze haben, die von der Vorderseite des Kompasses aus zugänglich sind. Jede Welle dreht einen oder zwei kleine Ausgleichsmagnete. Das Ende einer Welle ist mit EW gekennzeichnet, und ihre Magnete beeinflussen den Kompass, wenn das Flugzeug nach Osten oder Westen zeigt. Die andere Welle ist mit NS gekennzeichnet und ihre Magnete beeinflussen den Kompass, wenn das Flugzeug nach Norden oder Süden ausgerichtet ist.
Die Einstellungen positionieren die Kompensationsmagnete, um die Differenz zwischen der Kompassanzeige und dem tatsächlichen magnetischen Flugzeugkurs zu minimieren. Das AMT zeichnet alle verbleibenden Fehler auf einer Kompasskorrekturkarte wie der in Abbildung 8-35 auf und legt sie in einen Halter neben dem Kompass. Nur AMTs können den Kompass justieren oder die Kompass-Korrekturkarte ausfüllen. Piloten bestimmen und fliegen Kompasskurse anhand der auf der Karte vermerkten Abweichungsfehler. Piloten müssen auch die Verwendung von Geräten beachten, die operative magnetische Störungen verursachen, wie z. B. Funkgeräte, Enteisungsgeräte, Pitot-Wärme, Radar oder magnetische Fracht.
Die Korrekturen für Schwankungen und Abweichungen müssen in der richtigen Reihenfolge wie unten gezeigt angewendet werden, beginnend mit dem gewünschten wahren Kurs.
Neigungsfehler Das Magnetfeld der Erde verläuft nur am magnetischen Äquator parallel zu ihrer Oberfläche, das ist der Punkt auf halbem Weg zwischen dem magnetischen Nord- und Südpol. Wenn Sie sich vom magnetischen Äquator in Richtung der magnetischen Pole bewegen, nimmt der Winkel, der durch die vertikale Anziehungskraft des Erdmagnetfelds in Bezug auf die Erdoberfläche entsteht, allmählich zu. Dieser Winkel ist als Neigungswinkel bekannt. Der Neigungswinkel nimmt nach unten zu, wenn Sie sich zum magnetischen Nordpol bewegen, und nach oben, wenn Sie sich zum magnetischen Südpol bewegen.
Wenn die Kompassnadel so montiert wäre, dass sie sich in drei Dimensionen frei drehen könnte, würde sie sich mit dem Magnetfeld ausrichten und im Neigungswinkel nach oben oder unten in Richtung des lokalen magnetischen Nordens zeigen. Da der Neigungswinkel für die Navigation nicht von Interesse ist, ist der Kompass so konstruiert, dass er sich nur in der horizontalen Ebene drehen kann. Dies wird erreicht, indem der Schwerpunkt unter den Drehpunkt abgesenkt wird und die Baugruppe schwer genug gemacht wird, dass die vertikale Komponente der Magnetkraft zu schwach ist, um sie signifikant aus der horizontalen Ebene zu kippen.
Der Kompass kann dann in allen Breiten ohne spezielle Neigungskompensation effektiv arbeiten. In der Nähe der Magnetpole ist jedoch die horizontale Komponente des Erdfelds zu klein, um den Kompass auszurichten, was den Kompass für die Navigation unbrauchbar macht. Aufgrund dieser Einschränkung der Kompass zeigt nur dann richtig an, wenn die Karte waagerecht steht. Sobald es aus der horizontalen Ebene herausgekippt ist, wird es von der vertikalen Komponente des Erdfeldes beeinflusst, was zu den folgenden Diskussionen über Nord- und Süddrehfehler führt.
Nordwendefehler Der Schwerpunkt der Schwimmerbaugruppe liegt tiefer als der Drehpunkt. Wenn sich das Flugzeug dreht, bewirkt die Kraft, die aus der magnetischen Neigung resultiert, dass die Schwimmeranordnung in die gleiche Richtung schwingt, in der sich der Schwimmer dreht. Das Ergebnis ist eine falsche nördliche Abbiegeanzeige. Wegen dieser Führung der Kompasskarte oder der Schwimmeranordnung sollte eine Nordkurve gestoppt werden, bevor der gewünschte Kurs erreicht wird. Dieser Kompassfehler wird mit der Nähe zu einem der Magnetpole verstärkt. Eine Faustregel zur Korrektur dieses Leitfehlers ist, die Kurve bei 15 Grad plus der Hälfte des Breitengrades zu stoppen (dh wenn das Flugzeug in einer Position nahe 40 Grad Breite betrieben wird, sollte die Kurve bei 15 + 20 = 35 Grad gestoppt werden vor der gewünschten Überschrift).
Fehler beim Wenden nach Süden Beim Wenden in südlicher Richtung sind die Kräfte so groß, dass die Schwimmerbaugruppe des Kompasses eher nacheilt als vorauseilt. Das Ergebnis ist eine falsche südliche Wendeanzeige. Die Kompasskarte oder Schwimmerbaugruppe sollte den gewünschten Kurs passieren können, bevor die Wende gestoppt wird. Wie beim Nordfehler wird dieser Fehler durch die Nähe zu einem der beiden Magnetpole verstärkt. Um diesen Verzögerungsfehler zu korrigieren, sollte dem Flugzeug ermöglicht werden, den gewünschten Kurs zu passieren, bevor es die Kurve stoppt. Hier gilt die gleiche Regel von 15 Grad plus der Hälfte des Breitengrades (dh wenn das Flugzeug in einer Position nahe dem 30. Breitengrad betrieben wird, sollte die Kurve 15+15+30 Grad nach Passieren des gewünschten Steuerkurses gestoppt werden).
Beschleunigungsfehler Die magnetische Neigung und die Trägheitskräfte verursachen magnetische Kompassfehler beim Beschleunigen und Abbremsen auf Ost- und Westkursen. Aufgrund der pendelnden Aufhängung wird das hintere Ende der Kompasskarte beim Beschleunigen nach oben und beim Abbremsen bei Änderungen der Fluggeschwindigkeit nach unten geneigt. Beim Beschleunigen in östlicher oder westlicher Richtung erscheint der Fehler als Abbiegeanzeige nach Norden. Beim Abbremsen auf einem dieser Kurse zeigt der Kompass eine Wende nach Süden an. Das Wort „ANDS“ (AccelerationNorth/Deceleration-South) ist eine Gedächtnisstütze für den Effekt des Beschleunigungsfehlers und kann Ihnen dabei helfen, sich an den Beschleunigungsfehler zu erinnern. Beschleunigung bewirkt eine Anzeige nach Norden; Verzögerung bewirkt eine Anzeige nach Süden.
Oszillationsfehler Oszillation ist eine Kombination aller zuvor erwähnten Fehler und führt zu Schwankungen der Kompasskarte in Bezug auf die tatsächliche Steuerkursrichtung des Flugzeugs. Wenn Sie den gyroskopischen Kursanzeiger so einstellen, dass er mit dem Magnetkompass übereinstimmt, verwenden Sie die Durchschnittsanzeige zwischen den Schwüngen.
Der vertikale Karten-Magnetkompass
Der Magnetkompass mit vertikaler Karte eliminiert einige der Fehler und Verwirrungen, die beim Magnetkompass auftreten. Das Zifferblatt dieses Kompasses ist mit Buchstaben abgestuft, die die Himmelsrichtungen darstellen, Zahlen alle 30° und Teilstriche alle 5°. Das Zifferblatt wird durch eine Reihe von Zahnrädern vom wellenmontierten Magneten gedreht, und die Nase des symbolischen Flugzeugs auf dem Instrumentenglas stellt die Steuerlinie dar, um den Kurs des Flugzeugs vom Zifferblatt abzulesen.
Verzögerungen oder Voreilungen Wenn Sie eine Kurve aus nördlicher Richtung beginnen, hinkt der Kompass der Kurve hinterher. Wenn Sie eine Kurve aus südlicher Richtung beginnen, führt der Kompass die Kurve an.
Wirbelstromdämpfung Bei einem Magnetkompass mit vertikaler Karte erzeugt der Fluss vom oszillierenden Permanentmagneten Wirbelströme in einer Dämpfungsscheibe oder einem Dämpfungsbecher. Der durch die Wirbelströme erzeugte magnetische Fluss wirkt dem Fluss des Permanentmagneten entgegen und verringert die Schwingungen.
