INSTRUMENTS   DE   VOL

L'HORIZON ARTIFICIEL




Comme pour l'indicateur de virage ou le directionnel, nous considérons que les notions sur le principe de fonctionnement d'un gyroscope sont acquises.

But de l'horizon artificiel

L'horizon artificiel est un gyroscope à 2 degrés de liberté à axe vertical, suspendu par son centre de gravité qui détermine la verticale du lieu d'un avion donc qui fournit au pilote:
- l'assiette longitudinale de l'avion
- l'inclinaison de l'avion
permettant le vol sans repère visuel extérieur, appelé couramment vol sans visibilité.

Présentation de l'horizon artificiel

Il existe plusieurs modèles d'horizon artificiel:
- horizon artificiel à sphère mobile
- horizon artificiel à cylindre mobile (tambour)
- horizon artificiel avec une bille intégrée au bas de la maquette. Cette bille se déplaçe librement dans un tube incurvé rempli de liquide (Voir Indicateur de virage).

Horizon artificiel les cadrans

Systèmes d'alimentation des horizons artificiels

Alimentation pneumatique

Le rotor du gyroscope est constitué par une turbine à air, placée dans un carter à deux tuyères permettant le passage de l'air nécessaire au fonctionnement.
Les jets d'air peuvent provenir soit d'une pression en amont, soit d'une dépression en aval. En général on préfère la deuxième solution qui supprime en partie les remous et diminue les frottements. L'échappement de l'air du carter s'effectue généralement par le système érecteur (Voir ci-dessous), par le dessous du rotor.
La vitesse de rotation du gyroscope est de l'ordre de 6000tr/min pour une dépression de 65mb, et atteint 12000tr/min pour 120mb.

Alimentation électrique

Le rotor du gyroscope est constitué par le rotor en cage d'écureuil d'un moteur asynchrone triphasé en 26 volts/400 Hz ou en 115 volts/400 Hz .
Le stator généralement situé à l'intérieur du rotor pour augmenter l'inertie de celui-ci est solidaire du carter. La vitesse de rotation est de l'ordre de 20 000tr/mn .
Il existe également des horizons artificiels alimentés en courant continu de 28 volts .

Détecteur de panne

En général un drapeau d'alarme Flag apparaît sur le cadran pour signaler un défaut d'alimentation du gyroscope ou du système érecteur (Voir ci-dessus à gauche).

Schéma d'un horizon artificiel

Horizon artificiel boiters

Principe de fonctionnement

L'horizon artificiel se compose d'un gyroscope à axe vertical monté à la cardan dans un carter faisant office de cadre intérieur, à axe de rotation dirigé suivant l'axe de tangage de l'aérodyne (ci-dessous le carter est remplacé par le cadre inférieur).
Un deuxième cadre (cadre extérieur) à axe de rotation dirigé suivant l'axe de roulis. L'ensemble est associé à une référence pendulaire (non repésentée ci-dessous), qui transmet par l'intermédiaire d'un dispositif cinématique à une barre, à une sphère ou à un cylindre représentant le plan horizontal, la position relative de l'axe du gyroscope par rapport aux axes de l'avion.
Un système érecteur permet le recalage de l'axe du gyroscope suivant la verticale détectée par le système pendulaire.

Horizon artificiel schema

Suivant le système d'alimentation pour l'entraînement du gyroscope, le système pendulaire ainsi que le système érecteur sont constitués soit par des volets, soit par des billes ou soit par des niveaux à liquide.

Les systèmes érecteurs

La vitesse d'érection d'un gyroscope est la vitesse de précession ou vitesse de redressement de l'axe du gyroscope lors d'un écart entre la verticale de cet axe et la verticale pendulaire.
Cette vitesse d'érection ne doit pas être trop importante pour éviter les erreurs dues aux accélérations parasites, notamment en virage. En pratique cette vitesse est d'environ de 2 à 4° par minute.
Tous les systèmes érecteurs se composent:
- d'une référence pendulaire fournie par le système pendulaire,
- d'une référence gyroscopique fournit par le système gyroscopique,
- d'un système détecteur d'erreur,
- d'un dispositif créant une force correctrice.

Système érecteur pneumatique

Le rotor du gyroscope alimenté pneumatiquement est placé dans un carter qui fait office de cadre intérieur. Celui-ci est prolongé par une partie inférieure creuse, comportant quatre faces planes sur lesquelles sont suspendus des volets pendulaires s'orientant suivant la verticale. Ces volets constituent la référence pendulaire.
Chaque face plane est pourvue d'un orifice par lequel s'échappe l'air qui a actionné le rotor du gyroscope. Ces orifices constituent la référence gyroscopique.
Si l'axe du gyroscope est vertical, les volets soumis à la pesanteur viennent obturer de moitié les quatre orifices. Dans le cas ou l'axe du gyroscope n'est plus vertical, les volets obtureront plus ou moins les quatre orifices, créant ainsi le dispositif correcteur.

Horizon Erecteur Pneumatique

Suivant l'écart de l'axe du gyroscope par rapport à la verticale pendulaire les volets vont plus ou moins obturer ou dégager les orifices de sortie de l'air.
- Cas N°1 l'échappement l'air est identique sur les 4 orifices: les forces s'équilibrent la résultante = 0
- Cas N°2 l'échappement l'air est plus important sur l'orifice du haut: la résultante = R4
- Cas N° 3 l'échappement l'air est plus important sur l'orifice du bas: la résultante = R2
C'est donc l'échappement l'air par ces orifices qui provoque une résultante aérodynamique sur le carter du gyroscope. Cette résultante va créer un mouvement de précession qui redressera le carter donc le gyroscope.

Système érecteur par gravité

Un plateau situé au-dessus du carter du gyroscope et monté sur l'axe, est entraîné soit par friction mécanique, soit par courant de Foucault. Ce plateau tourne à très faible vitesse environ 20 tr/mn. Sur ce plateau 3 billes sur un chemin de roulement sont entraînées par 3 taquets. L'ensemble est perpendiculaire à l'axe du gyroscope.
Lorsque l'axe du gyroscope correspond à la verticale réelle ou apparente, les 3 billes poussées par les taquets roulent à une vitesse uniforme.

Horizon Erecteur Bille

Si l'axe du gyroscope fait un angle avec la verticale réelle ou apparente, le plateau étant incliné les 3 billes n'ont plus leur vitesse uniforme.
- la bille 1 reste en contact avec son taquet durant la montée
- la bille 2 quitte son taquet roule dans la descente et vient se bloquer contre le taquet 3
- la bille 3 ayant roulé reste au point le bas jusqu'à ce que le taquet 3 la rejoigne pour la remonter.

Horizon Erecteur Bille Penche

La vitesse de redressement de ce type d'érecteur n'est pas très élevée, mais suffisante lorsque l'axe du gyroscope s'écarte peu de la verticale. Par contre lors de la mise en marche de l'instrument, il est nécessaire de bloquer momentanément le gyroscope lors de la mise en fonctionnement par l'intermédiaire d'un bouton, pour permet une érection rapide.
Pour les accélérations parasites par exemple lors du décollage ou de l'atterrissage, l'effet érecteur est neutralisé par un taquet qui empêche la bille de descendre. Ce taquet commandé par un petit pendule est situé en amont de la bille.

Horizon artificiel pendule

Lorsque le pendule ne détecte plus d'accélération la bille est libérée. Pendant la phase de décollage l'érecteur est neutraliser en tangage , mais pas en roulis.

Système érecteur électrique

Le principe de fonctionnement est basé sur deux niveaux en verre à goutte de mercure. Chaque goutte de mercure soumise à la pesanteur se déplace dans le tube en verre, dont chaque extrémité comporte un contact électrique.
Lorsque l'axe du gyroscope fait un angle avec la verticale apparente, la goutte rentre en contact avec une électrode permettant ainsi l'alimentation d'un moteur électrique.

Horizon Erecteur electrique

Chaque niveau commande un moteur-couple (pouvant tourner dans les deux sens), qui crée la force corrective pour recaler l'axe du gyroscope suivant la verticale pendulaire.

Horizon Erecteur electrique systeme

Utilisation

Inclinaison latérale de l'avion en vol horizontal

Si l'avion s'incline à gauche par exemple:
- l'axe du gyroscope restant vertical, le carter reste aussi vertical
- l'axe de rotation du cadre étant dirigé suivant l'axe de roulis, celui-ci reste donc horizontal.
- la barre d'horizon solidaire du cadre reste également horizontale et se déplace par rapport à la maquette qui s'incline avec l'avion.


Horizon artificiel virage gauche
Horizon artificiel inclinaison

Indication de l'assiette

Si l'avion passe en piqué par exemple (rotation autour de l'axe de tangage - le nez de l'appareil vers le bas) :
- l'axe du gyroscope restant vertical, le carter restera donc vertical
- le cadre lié au tableau de bord suivant l'axe de roulis, suit les mouvements de l'avion et "bascule" également vers le bas.
- la barre d'horizon liée au cadre se déplace vers le haut par rapport à la maquette

Horizon artificiel indicateur d'assiette

Un bouton en bas du cadran permet de régler la position de la maquette en hauteur, de façon à faire coïncider la barre et la maquette pour un régime de vol choisi, afin d'obtenir un pilotage plus précis.

Horizon artificiel maquette

Indication de l'horizon artificiel pour différentes positions de l'avion

Assiette en cabré

Horizon vol en Cabre.png

Vol en palier

Horizon vol en Palier

Assiette en piqué

Horizon vol en Pique

Erreurs de l'horizon artificiel

Le gyroscope d'un horizontal artificiel doit être asservi à la verticale terrestre locale. Par principe les systèmes érecteurs sont basés sur la mesure de la verticale apparente. et sont dimensionnés pour corriger les précessions astronomique, de déplacement et instrumentale.
Mais lorsque l'avion subit des accélérations pendant une durée assez longue (30 secondes à 2 minutes), le système pendulaire indique la direction de la verticale apparente, et le système érecteur aligne l'axe du gyroscope sur cette verticale apparente et non sur la verticale terrestre.
De telles accélérations sont rencontrées lors d'un virage, du décollage ou de l'atterrissage.
Pour remédier à ce problème on coupe le système érecteur pendant les accélérations :
- longitudinales si elles sont supérieures à 0;2 g mesurées avec un accéléromètre,
- à partir d'un certaine inclinaison déterminée par un contacteur, ou à partir d'un certain taux de virage (cinq degrés/secondes).

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