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Quadro strumenti classiciUltimo aggiornamento: 2008-01-20
Descriviamo gli strumenti di base disponibili su tutti gli aeroplani, piccoli e grandi. Nei prossimi documenti spiegheremo meglio come vanno usati per eseguire le diverse manovre di volo.
| Il programma nella modalità "strumentazione classica". La copia a video di questa immagine era una finestra di dimensioni ridotte per esigenze di impaginazione. Usando una finestra di dimensioni adeguate e un monitor grande, la leggibilità degli strumenti migliora sensibilmente. |
La strumentazione classica
Indicatore di virata e sbandamento
Anemometro
Orizzonte artificiale
Altimetro
Indicatore di velocità di salita
Spie del sistema autopilota
Timer
Riferimenti e approfondimenti
La figura qui sopra mostra una schermata del programma configurato nella modalità che chiameremo "strumentazione classica" (SHIFT-H). La strumentazione classica è tipica degli aerei leggeri, non fa uso di piattaforma inerziale, è più semplice ed economica, è di difficile interpretazione e meno precisa, ma esalta l'abilità del pilota. Anche gli aerei più moderni dispongono di questi strumenti analogici come riserva nel caso che la strumentazione computerizzata faccia i capricci. Ecco perché tutti i piloti devono essere in grado di saper leggere e saper interpretare correttamente gli strumenti analogici tradizionali.
Partendo dall'alto a sinistra si vedono:
| Disposizione degli strumenti "classici". L'orizzonte artificiale sta al centro perché fornisce una rappresentazione pittorica di immediata della situazione di volo ed è il primo strumento che il pilota osserva durante il periodico controllo degli strumenti. |
ACM-5.0-ico non si limita a riprodurre una variante grafica dei parametri di volo, ma cerca anche di simulare il comportamento vero degli strumenti, incluse le loro limitazioni e i loro errori.
Il turn and slip indicator mostra il rateo della virata e l'accelerazione laterale. La lancetta viene mossa da un giroscopio a un grado di libertà trattenuto da una molla che fornisce il rateo di virata. La tacca centrale indica un heading costante, mentre le due tacche a lato mostrano ratei di 1,5°/s e 3°/s.
In realtà il giroscopio indica il rateo di rotazione intorno all'asse verticale dell'aereo, non il vero rateo di virata (cioè il rateo di variazione della rotta). In generale l'asse verticale dell'aereo è molto vicino alla verticale geodetica, per cui la differenza è minima. Se l'aereo sta volando con elevato elevato angolo di rollio (bank) o elevato angolo di cabrata (pitch) allora il valore indicato può differire sensibilmente dal rateo di virata effettivo (figura sotto).
Tipicamente è il forte angolo di bank che contribuisce di più alla indicazione sbagliata, e precisamente:
indicated_rate = actual_rate * cos(bank)
per cui il rateo indicato risulta minore del rateo effettivo. Per angoli di bank fino a 15 gradi la differenza è solo del 3%, ma per un angolo di bank di 25 gradi cresce del 10%. Ne segue che ad elevato angolo di bank dovremo tenere la lancetta su un valore minore di quello riportato sulle tacche dello strumento, altrimenti rischiamo di girare troppo in fretta.
Il problema non si presenta quindi con gli aerei più lenti come il C-172RG, che a 100 KT eseguono una virata standard con un angolo di bank di soli 15 gradi. La differenza diventa consistente per gli aerei più veloci, nel qual caso conviene affidarsi al calcolo del bank richiesto usando la semplice regola di calcolo che spiegheremo più avanti descrivendo l'orizzonte artificiale.
Il turn indicator è utile per riconoscere il volo livellato e rettilineo perché è sensibilissimo alla minima rotazione. Infatti se la quota è costante (cioè il variometro indica zero) e il turn indicator indica zero, l'aereo è in perfetto volo livellato e rettilineo.
Sotto all'indicatore di turn c'è l'indicatore di accelerazione laterale. La pallina nel tubetto di vetro si posiziona sotto l'azione della accelerazione verticale e laterale. Nelle virate coordinate la pallina dovrebbe sempre rimanere al centro del tubetto di vetro e i passeggeri sperimentano solo un aumento di peso apparente. Se la pallina si scosta dalla posizione centrale, allora c'è una accelerazione laterale e la virata non è coordinata.
L'anemometro mostra la velocità dell'aria nella direzione dell'asse longitudinale dell'aereo misurata dal tubo Pitot. Il valore indicato IAS può richiedere una calibrazione per tenere conto della densità dell'aria e della temperatura. Il valore effettivo, TAS è quello indicato dal nostro strumento. La scala delle velocità non è lineare e tiene conto soprattutto dell'intervallo di velocità tipiche degli aerei leggeri, che arrivano fino a 150 kt. Per gli aerei più veloci la scala diventa molto grossolana e le frazioni vanno lette per interpolazione.
L'orizzonte artificiale, detto anche attitude indicator, riassume al pilota l'assetto dell'aeroplano come angoli di pitch e di rollio (detto anche bank). La figurina dell'aereo è ferma, mentre sotto di essa ruota una palla sulla quale sono disegnate delle linee. La linea più lunga è (di norma) allineata all'orizzonte, e fornisce quindi il riferimento per il volo orizzontale. Le altre linee sono distanti 5° tra di loro e mostrano angoli di pitch tra -30 e +30 gradi.
La pallina roteante all'interno dello strumento viene mantenuta allineata con l'orizzonte per mezzo di un giroscopio a due gradi di libertà. Per l'esattezza, l'asse del giroscopio viene mantenuto allineato con la verticale apparente, che di norma è molto vicina alla verticale geodetica; il piano perpendicolare a questo asse è proprio l'orizzonte mostrato dallo strumento e i due gradi di libertà indicano il pitch e il bank dell'aeroplano.
A causa delle limitazioni costruttive di questo strumento, il giroscopio urta i fermi interni quando l'angolo di pitch o di bank supera i 70°. L'urto contro il fermo causa il violento rovesciamento del giroscopio, che quindi si disallinea. L'urto contro i fermi è assolutamente da evitare perché può danneggiare i delicati meccanismi dello strumento. Del resto un normale aereo da turismo o di linea non dovrebbero mai superare i 30° di pitch e di bank. Gli aerei abilitati al volo acrobatico dispongono di un blocco che il pilota deve azionare per tempo. Gli aerei da caccia dispongono invece di meccanismi giroscopici più complessi e sofisticati che permettono qualunque manovra.
L'orizzonte artificiale dispone di un meccanismo automatico di allineamento dell'asse del giroscopio con la verticale apparente, detto meccanismo di erezione. La verticale apparente è la direzione del peso come avvertito dai passeggeri dell'aereo e indicata dal filo a piombo. Quando l'aereo è in volo livellato e a velocità costante, la verticale apparente coincide con la verticale geodetica, e quindi l'indicazione dell'orizzonte artificiale è fedele. Quando l'aereo compie delle manovre di virata o delle accelerazioni, il meccanismo di erezione muove lentamente l'asse del giroscopio inseguendo la verticale apparente, e l'indicazione fornita non è affidabile. Il pilota deve riconoscere queste condizioni dalle manovre che fa, e deve utilizzare gli altri strumenti per figurarsi la situazione reale.
Il meccanismo di erezione corregge l'asse del giroscopio molto lentamente, quasi in modo impercettibile. Siccome la maggior parte delle manovre richiedono pochi secondi o al più 1 minuto per un turn di 180°, l'indicazione dell'orizzonte artificiale è utilizzabile. In più, lo strumento simulato dispone anche di un meccanismo di cut-off che blocca l'erezione se l'accelerazione supera in più o in meno del 2% l'accelerazione di gravità, come avviene durante le virate con angolo di bank di almeno 12°.
All'avvio dell'aereo, oppure dopo una serie di manovre, l'orizzonte artificiale può risultare più o meno disallineato rispetto all'orizzonte, sia in pitch che in bank. In genere basta aspettare uno o due minuti perché il meccanismo di erezione provveda a correggere l'allineamento. Se il disallineamento è molto forte, allora conviene premere il bottone di "CAGE" (F9) che allinea immediatamente il giroscopio con la cassa dello strumento. Questo allineamento forzato di norma porta il giroscopio in una posizione vicina a quella voluta, per cui l'allineamento si perfeziona più velocemente.
La figurina stilizzata dell'aereo è fissa rispetto ai movimenti dell'aereo, ma si può regolare finemente in altezza (tasti F11 e F12). Inizialmente la figurina è centrata, sicché l'indicazione fornita sarebbe quella del pitch dell'aereo, non l'angolo di salita effettivo. Questo può essere utile al decollo, ma in volo livellato risulta più conveniente regolare l'altezza della figurina in modo che indichi un pitch di zero alla velocità e alla quota scelte.
L'orizzonte artificiale è lo strumento fondamentale per impostare le manovre di salita, discesa e virata. La regola seguente ci dà la relazione tra variazione di pitch e variazione di rateo di salita:
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Regola del pitch. Mantenendo una velocità costante, una variazione di pitch di un grado produce una variazione di velocità verticale pari a poco meno di 2 volte la velocità indicata dall'anemometro. Per esempio, viaggiando a 100 kt ogni grado di pitch in più o in meno contribuisce di 200 fpm alla velocità verticale. Altro esempio: sempre mantenendo la velocità di 100 kt, per passare dal volo livellato alla discesa al rateo di 1000 fpm dovremo ridurre il pitch di 5 gradi. Una volta impostato il pitch atteso, il variometro permette poi di controllare e mantenere il rateo voluto. |
La regola del pitch si applica anche per livellare il volo. Ad esempio, se viaggiamo a 100 kt salendo a 500 fpm, per livellare dovremo abbassare il pitch di 2,5°.
NOTA. Un calcolo più preciso richiederebbe di usare il coefficiente 1,7 invece del coefficiente 2 che abbiamo detto. Tuttavia il coefficiente 2 è più facile da usare nei calcoli a mente e fornisce una precisione sufficiente per impostare le variazioni di pitch. La regolazione fine richiede comunque di osservare il variometro, una volta che l'indicazione dello strumento si è stabilizzata.
Il triangolino in alto mostra il bank su di una scala a tacche distanziate di 10°. Nel documento dedicato alle virate vedremo che cosa si intende per virata coordinata e come eseguirla. Per il momento ricordiamo solo la regola che lega l'angolo di bank al rateo di virata standard a 3°/s:
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Regola del bank. Una virata standard (cioè una virata coordinata al rateo di 3°/s) si ottiene impostando un angolo di bank pari a 0,15 volte la velocità espressa in kt. Il calcolo mentale è facile se si toglie l'ultima cifra alla velocità e si somma la metà del valore ottenuto. Ad esempio, viaggiando a 100 kt l'angolo di bank per la virata standard risulta essere di 15°. Per una virata al rateo di 1,5°/s basta dimezzare l'angolo ottenuto dalla regola precedente. Una volta impostato l'angolo di bank atteso, l'indicatore di virata permette di controllare e di mantenere il rateo di virata voluto. |
Per concludere, l'orizzonte artificiale è molto utile per impostare le manovre di virata, salita e discesa portando l'aereo sull'angolo di bank o sul pitch previsto. A causa delle limitazioni che abbiamo detto, il prosieguo della manovra deve essere fatto controllando gli altri strumenti.
L'altimetro è un barometro di precisione che misura la pressione dell'aria. La lancetta indica le centinaia di piedi, mentre la lettura dell'altitudine si fa dal display decadico. Siccome lo strumento in realtà misura una pressione e non una lunghezza, si pone il problema di come convertire la prima nella seconda.
La pressione media dell'aria al livello del mare è di 1013 hPa (etto-Pascal), pari a 29.92 inHg (pollici di mercurio). E' evidente che più si sale e minore sarà la pressione, ma la relazione tra le due quantità non è fissa a causa della variabilità meteorologica. Viene perciò definito un modello standard dell'atmosfera che definisce l'andamento medio della pressione con l'altitudine. E' a questo modello che la scala dello strumento fa riferimento.
Si suppone inoltre che una variazione della pressione al livello del mare si riperquota in uguale misura su tutta la colonna d'aria sovrastante. Questo, ovviamente, non è rigorosamente vero, perché la relazione altezza/pressione non è lineare e perché le caratteristiche dell'atmosfera non si mantengono omogenee con l'altitudine (per esempio a bassa quota "fa bello" mentre ad alta quota "fa brutto"). Tuttavia questa approssimazione è sufficiente agli scopi del volo.
Dunque l'altimetro misura l'altezza rispetto all'isobara di riferimento 1013 hPa oppure, più in generale, rispetto alla isobara impostata nell'apposita finestrella. Il valore corrente della pressione dell'aria al livello del mare viene fornito al pilota dalla torre via radio. Se il pilota inserisce questo valore nell'altimetro allora la quota indicata si dice altitudine QNH ed è la migliore approssimazione dell'altezza vera dell'aereo sul livello del mare che lo strumento possa dare. Alle quote più basse è questa la regolazione richiesta per garantire la giusta separazione dagli ostacoli sul terreno.
Quando invece il pilota regola l'altimetro sulla isobara 1013 hPa allora si dice che è regolato su QNE e la quota indicata si dice altitudine di pressione. Quando l'altimetro è regolato sul QNE le centinaia di piedi indicati si chiamano livello di volo. Ad esempio il livello di volo FL195 significa 19500 ft sopra l'isobara 1013 hPA. Alle alte quote dove si trovano le aerovie il problema non è superare gli ostacoli sul terreno, ma garantire la separazione verticale tra gli aeroplani. La regolazione convenzionale QNE è la soluzione più pratica a questo scopo, anche se l'altitudine reale alla quale si trova l'aereo può differire di diverse centinaia di piedi dall'altitudine indicata dallo strumento.
Per finire, esiste anche un'altra regolazione che si chiama QFE che si ottiene impostando la pressione al livello dell'aeroporto. In questo caso la quota indicata dall'altimetro sarà l'altezza rispetto alla pista. La regolazione QFE è particolarmente utile per l'atterraggio con scarsa visibilità. In ACM-5.0-ico non possiamo contattare la torre, ma possiamo comunque sperimentare con questa regolazione: quando l'aereo è fermo sulla pista basta cambiare l'isobara di riferimento fino a quando l'altimetro segna zero. A quel punto l'altimetro indicherà sempre l'altezza dalla pista.
Il modello dell'atmosfera simulato da ACM-5.0-ico è l'atmosfera standard, e quindi la pressione al livello del mare è sempre di 1013 hPa. Ne consegue che in ACM-5.0-ico le regolazioni QNE e QNH coincidono.
Detto anche variometro, misura il rateo di variazione della pressione dell'aria, dato che viene poi mostrato su di una scala tarata in feet al minuto su di un intervallo che va fino a +/−4000 fpm (feet per minute, ovvero ft/min). Il variometro dice al pilota se l'aereo sta salendo o scendendo e a che ritmo.
Il principio di funzionamento di questo strumento è molto semplice. Su di una capsula deformabile viene praticato un forellino capillare accuratamente calibrato. In volo orizzontale la pressione interna ed esterna della capsula sono uguali e la capsula non è deformata. Mentre l'aereo sale la pressione esterna alla capsula scende e la capsula si deforma. La differenza di pressione tra interno ed esterno costringe l'aria a defluire lentamente attraverso il foro capillare fino a stabilire un equilibrio tra differenza di pressione e flusso dell'aria. La deformazione della capsula aziona l'indice dello strumento. Il raggiungimento dell'equilibrio richiede però un certo tempo, quantificabile in alcuni secondi, durante i quali l'indicazione fornita dallo strumento non è corretta.
Terminata la salita, il pilota riporta l'aereo in volo livellato impostando il pitch iniziale. Tuttavia passeranno alcuni secondi prima che la pressione interna della capsula scenda al valore esterno. Il pilota vede perciò la lancella del variometro che si sposta lentamente verso lo zero, dando conferma che il volo è livellato.
A causa di questo ritardo nell'indicazione, salite e discese si devono quindi impostare come pitch sull'orizzonte artificiale compiendo manovre molto delicate, e poi controllando il variometro per mantenere il rateo voluto.
Le spie del sistema autopilota si accendono quando la corrispondente funzione è attiva, e lampeggiano se l'assetto richiesto non può essere mantenuto.
Il cronometro si usa principalmente per misurare i tempi delle virate (ecco perché sta proprio sopra il turn and slip indicator) e consente anche di misurare i tempi di percorrenza. All'inizio appaiono solo i secondi poi, man mano che il tempo cresce, appaiono anche i minuti e le ore. Premere t per attivare, fermare o azzerare il conteggio.
Il cronometro ha diversi impieghi nella navigazione aerea, ed è anche esplicitamente richiesto da alcune manovre di volo strumentale. Si usa anche dire che bussola e cronometro sono gli strumenti di navigazione di base.
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