Comme pour l'indicateur de virage ou l'horizon artificiel, il est souhaitable de lire avant la page Principe du gyroscope.
Le directionnel ou conservateur de cap est un gyroscope qui fournit une information de cap. Son inertie est suffisante pour ne pas subir les perturbations et accélérations parasites comme le compas magnétique, ce qui permet une tenue de cap suffisamment stable pour effectuer des changements de cap précis.
C'est le modèle le plus ancien avec défilement du cap horizontal. La partie visible représente environ 60° avec une ligne de foi au centre.
En bas, un bouton permet de recaler le directionnel.
Ce type de directionnel est généralement à alimentation pneumatique.
C'est le modèle le plus utilisé actuellement.
Un mécanisme permet de transformer les déplacements autour de l'axe vertical en une rotation sur l'axe horizontal qui supporte la rose. Voir schéma d'un directionnel ci-dessous.
La rose peut être fixe et une aiguille indique le cap, où la rose est entraînée directement et une maquette fixe représentant une silhouette d'avion sert de ligne de foi. Un bouton (en bas à droite) permet de déplacer un index pour sélectionner un cap ou une mémoire de cap à maintenir.
Avantage: meilleure lecture et évite les confusions de caps.
Un bouton de réglage permet de recaler le conservateur de caps par rapport au compas magnétique. Pour obtenir un affichage correct, cette opération doit se faire en ligne droite et à inclinaison nulle.
Comme pour l'horizon artificiel, le rotor du gyroscope est constitué d'une turbine à air.
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.
La vitesse de rotation du rotor du gyroscope est de l'ordre de 10 000 tr/min à 15 000 tr/min .
Là aussi, comme pour l'horizon artificiel, le rotor du gyroscope est constitué par un moteur asynchrone triphasé en 26 volts/400 Hz ou en 115 volts/400 Hz.
En général, un drapeau d'alarme Flag apparaît sur le cadran pour signaler un défaut d'alimentation du gyroscope ou une baisse de la pression ou de la dépression si l'alimentation est pneumatique (Voir ci-dessus).
Le directionnel ou conservateur de cap est un instrument ayant une inertie suffisante pour pouvoir garder un certain temps la direction initialement sélectionnée.
Il se compose d'un gyroscope à deux cadres et à axe horizontal suspendu à la cardan. La direction de son axe est quelconque sans référence initiale, il faudra donc lui fournir une origine par recalage manuel ou automatique sur une référence choisie. Compas gyromagnétique .
Le cadre intérieur est horizontal et supporte le rotor du gyroscope. Le cadre extérieur est vertical et est solidaire d'une rose de cap, soit directement (ancien directionnel) soit par l'intermédiaire d'engrenages (nouveau directionnel).
Un système érecteur maintient les deux cadres perpendiculaires l'un par rapport à l'autre (non représenté ci-dessous).
Un bouton de sélection faisant pivoter l'ensemble permet le recalage du cap désiré.
L'ensemble est contenu dans un boitier comportant une fenêtre avec une ligne de foi (ancien directionnel) ou une silhouette d'avion dont la pointe sert de ligne de foi (nouveau directionnel).
L'axe du gyroscope X X' contenu dans un plan horizontal est monté dans un cadre intérieur. Le cadre intérieur est articulé dans un cadre extérieur, suivant l'axe Y Y' et le cadre extérieur est mobile autour de l'axe Z Z' à l'intérieur du boîtier qui est solidaire de l'avion.
L'axe du gyroscope s'écarte en permanence de la verticale locale par suite d'un certain nombre de causes. Causes des inexactitudes des indications
Le but du système érecteur est de maintenir l'axe du gyroscope horizontal. Ce principe sera réalisé en maintenant en permanence les deux cadres perpendiculaires l'un par rapport à l'autre à long terme (vitesse d'érection faible).
Suivant le système d'alimentation pour l'entraînement du gyroscope, le système érecteur sera pneumatique ou électrique.
Le rotor du gyroscope est constitué d'une turbine alimentée par un jet d'air sortant d'une tuyère solidaire du cadre vertical (extérieur). Ce jet d'air provoque une force `F` tangentielle sur le rotor lorsque les deux cadres sont perpendiculaires.
Lorsque les deux cadres ne sont plus perpendiculaires, la force `F` se décompose en :
- `Ft` composante tangentielle au rotor
- `Fn` composante suivant l'axe du rotor provoque un moment `\vec{mFn}` perpendiculaire à `\vec{ω}` d'où un mouvement de précession assurant le redressement du cadre intérieur par rapport à sa position initiale.
Un dispositif formé de deux demi-disques isolés entre eux électriquement et solidaires du cadre intérieur (cadre horizontal) détecte la non-perpendicularité des deux cadres.
Un curseur solidaire du cadre vertical fournit l'alimentation à un moteur-couple à deux enroulements permettant ainsi au moteur de tourner dans les deux sens :
- le curseur est sur la position isolante, le moteur-couple n'est pas alimenté ;
- le curseur est en contact avec le demi-disque A le moteur-couple tourne dans un sens ;
- le curseur est en contact avec le demi-disque B le moteur-couple tourne dans l'autre sens.
Lorsque les deux cadres ne sont plus perpendiculaires, le curseur rentre en contact avec l'un des deux demi-disques permettant l'alimentation de l'un des enroulements du moteur-couple qui produit un couple sur le gyroscope.
Celui-ci est alors soumis à un mouvement de précession ramenant `\vec{H}` sur `\vec{C1}` ou `\vec{C2}`
Ce moment cessera lorsque le curseur du dispositif érecteur reviendra frotter sur la partie isolante séparant les deux demi-disques.
Ce moteur-couple est fixé généralement à la partie basse du cadre vertical.
Sur certains directionnels, un niveau à goutte de mercure solidaire du cadre intérieur et parallèle à l'axe du rotor, détecte l'erreur et permet par l'intermédiaire d'électrodes l'alimentation d'un moteur-couple pouvant tourner dans les deux sens. Voir horizon artificiel érecteur électrique.
L'axe du gyroscope s'écarte en permanence de la verticale locale par suite d'un certain nombre de causes :
- La rotation terrestre. La vitesse de dérive apparente due à la rotation de la terre est fonction de la latitude, elle est maximale au pôle et nulle à l'équateur.
- Le déplacement de l'avion par rapport à la terre
- Les imperfections mécaniques, notamment le frottement sur les axes
- L'influence de l'inclinaison latérale et transversale de l'avion
En cumulant toutes ces causes, les dérives gyroscopiques peuvent atteindre 10° en 15 minutes. Il est donc nécessaire de recaler à intervalles réguliers le directionnel.
Le graphique ci-dessous montre la variation de la dérive apparente en fonction de la latitude. Le taux de dérive est proportionnel au sinus de la latitude, de sorte qu'en supposant qu'il n'y ait pas de dérive aléatoire et qu'aucune compensation n'ait été effectuée :
Taux de dérive apparente = 15 × sin lat (degrés par heure)
Notez que cela ne peut être correct que si le gyroscope est "stationnaire", c'est-à-dire qu'il n'est pas déplacé ou "transporté" d'un endroit à un autre.