Danas je nabavljen ugradbeni instrument za kokpit zrakoplova, žiroskopski indikator pravca leta, američkog proizvođača R.C. Allen pod oznakom RCA11A-9 iz 1986. godine. Tvrtka R.C. Allen osnovana je 1932. godine te se i danas bavi proizvodnjom avionskih instrumenata.
Indikator pravca leta (Heading Indicator ili Directional Gyro) je vakuumski pogonjen žiroskop sa tri osi rotacije koji reagira na promjenu pravca leta zrakoplova, odnosno reagira na promjenu položaja oko vertikalne osi. U kombinaciji sa magnetnim kompasom koristi se kao osnovni indikator pravca leta. Indikator pravca sadrži u sebi zračnu turbinu koja je pogonjena vakuum pumpom na motoru zrakoplova i koja rotira zvrk žiroskopa. Preko sistema zupčanika žiroskop je povezan sa skalom kompasa koja pilotu pokazuje smjer leta zrakoplova. Zbog vibracija do kojih dolazi tijekom leta kao i pogreške koju unosi sam žiroskop indikator pravca se mora redovno korigirati prema magnetnom kompasu (svakih 10-15 minuta). Tome služi ručica na kućištu instrumenta.
Osnovni element indikatora pravca je žiroskop sa zvrkom.
Zvrk je tijelo obično izvedeno kao simetrični rotor koje slobodno rotira velikom brzinom (i do 25000 okretaja u minuti). Zbog inercije os rotacije toga tijela uvijek teži zadržavanju istog smjera u prostoru, odnosno, inercija zvrka suprotstavlja se svim vanjskim silama koje nastoje zakrenuti njegovu os. Da bi se postigao taj efekt zvrk mora imati određen moment inercije (kretanja) koji ovisi o njegovoj masi i broju okretaja. Za postizanje što veće inercije za izradu zvrka koriste se materijali što veće gustoće, a za njihovo zakretanje obično se koriste sistemi pogonjeni zrakom (turbine) ili električna energija (elektromotori). Trenje u ležajevima osovine zvrka, mehanička naprezanja ovjesa i same dimenzije zvrka ograničavajući su konstrukcijski faktori pa se u načelu razlikuju dvije osnovne konstrukcijske izvedbe zvrka: zvrk sa malom masom i velikim brojem okretaja ili zvrk sa velikom masom i malim brojem okretaja kakav nalazimo uglavnom kod starijih izvedbi žiroskopa.
Žiroskop je zvrk kojem je os rotacije ovješena u kardanskom sustavu prstena tako da može slobodno mijenjati svoj pravac u prostoru. Os rotacije zvrka naziva se glavna os, a druge osi, koje leže u ekvatorijalnoj ravnini zvrka i međusobno su okomite, nazivaju se ekvatorijalne osi. Na taj način zvrk, osim mogućnosti okretanja oko svoje osi, dobiva više stupnjeva slobode kretanja, pa ovisno o broju prstena imamo žiroskop sa dva ili tri stupnja slobode kretanja. Ovdje, osim opisane inercije koja omogućuje održavanje istog položaja zvrka u prostoru, do izražaja dolazi još jedan efekt koji se zove precesija. Precesija je svojstvo žiroskopa da se u slučaju djelovanja neke vanjske sile na glavnu os vrtnje zvrka, ista ne zakreće u pravcu te sile već u pravcu koji je za 90° otklonjen od smjera rotacije zvrka. Pojednostavljeno rečeno žiroskop silu primijenjenu na jednu njegovu os skreće na drugu, njoj okomitu os.
Slike prikazuju zvrk, te žiroskope sa dva i tri stupnja slobode kretanja. Zvrk ima jedino mogućnost kretanja oko svoje osi. Žiroskop rotira oko osi zvrka ali se također može okretati i oko zglobno (kardanski) vezanih međusobno okomitih prstena i to nezavisno oko svake osi. Kutovi između susjednih prstena mogu se očitati pomoću nekog mehanizma vezanog za njih (ticala, zupčanici, poluge i sl.). Stoga se mehanički žiroskopi sastoje od puno pokretnih dijelova koji zahtijevaju veliku preciznost te kompliciranu tehniku spajanja. Također, zbog pokretnih dijelova neizbježno dolazi do trenja, pa je potrebno neko vrijeme da se žiroskop dovede u operativno stanje i stabilizira, a i tada se izlazne veličine očitavaju s određenim kašnjenjem u vremenu. Žiroskop se dakle u praksi može koristiti kao usmjerivač po kojem je moguće neko kraće vrijeme držati pravac kretanja (pokazivač skretanja, klizanja i sl.), međutim, u svojem temeljnom obliku ne može se koristiti kao kompas. Žiroskopi su prvo patentirani za upotrebu na brodovima (krajem 19. stoljeća), a 1909. godine patentiran je prvi žiroskop za održavanje zrakoplova na željenom pravcu.
U 1960-im godinama pojavili su se optički žiroskopi gdje se detektira fazni pomak dviju svjetlosnih zraka koje idu u suprotnim smjerovima, a taj fazni pomak proporcionalan je kutnoj brzini rotacije platforme na kojoj se uređaj nalazi. Naime, vrijeme propagacije svijetlosti unutar zatvorene putanje ovisi o brzini rotacije rotirajuće platforme na kojoj se uređaj nalazi (Sagnacov efekt). Glavni predstavnici optičkih žiroskopa su RLG (Ring Laser Gyro) i FOG (Fiber Optic Gyro). Obje navedene vrste žiroskopa koriste isti efekt, a razlika je u tome što se kod RLG žiroskopa laserske zrake usmjeravaju u zatvorenu putanju pomoću zrcala, dok se kod FOG žiroskopa svjetlost vodi optičkim vlaknima (svjetlovodima). Optički žiroskopi ne sadrže pomične dijelove i potrebno im je svega nekoliko sekundi za pokretanje. Točnost im ovisi o duljini svjetlosne putanje, a ta duljina pak je ograničena dimenzijama žiroskopa. No unatoč tome imaju veću preciznost od mehaničkih žiroskopa i dulji vijek trajanja jer ne dolazi do trošenja materijala.
U 1990-tim godinama pojavili su se MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) žiroskopi ili žiroskopi sa vibrirajućom masom. Glavni predstavnici MEMS-a su žiroskopski kompas sa rezonantnom vilicom, vibrirajućim prstenom, piezoelektričnim elementom ili MLRG (Macro Laser Ring Gyroscope). Princip rada temelji se na savijanju navedenih rezonantnih vibrirajućih elemenata kada na njih djeluje sila zakretnog momenta, odnosno na istima se induciraju sekundarne vibracije oko okomite osjetilne osi. Ti mali pomaci vibrirajućih elemenata detektiraju se elektrostatskim, elektromagnetskim, piezo ili sličnim mehanizmima. MEMS žiroskopi razvijeni su za potrebe automobilske industrije kao senzor skretanja u automatskim sustavima protiv proklizavanja i kontrolu kočenja kod automobila. Odlikuju se značajno manjim dimenzijama i masama od mehaničkih i optičkih žiroskopa, zatim čvrstom konstrukcijom, niskom potrošnjom energije, kratkim vremenom pokretanja, visokom pouzdanošću i niskom cijenom te troškovima održavanja. Zbog svih tih prednosti pogodni su za masovnu proizvodnju pa su MEMS žiroskopi do danas našli široku komercijalnu primjenu ali su također široko u upotrebi i u vojnoj industriji (vođeni projektili, borbeni zrakoplovi), svemirskim letjelicama i satelitima i sl.
Naš mehanički žiroskop ima na mjedenom zvrku urezane lopatice, tako da je čitav zvrk zapravo jedna zračna turbina pokretana potlakom. Prvi prsten na koji je ovješena osovina zvrka izveden je kao zračna komora kako bi se omogućila pravilna cirkulacija zraka preko turbina zvrka. Zračnu komoru nismo uspjeli rastaviti. Naime, zrak se na turbinu zvrka uvodi preko preko žljebova urezanih u prstene žiroskopa. Takva izvedba zahtijeva hermetički zatvoren kanal za dovod zraka koji na dva mjesta prolazi kroz spojeve prstena te mora dozvoljavati njihovo slobodno okretanje uz što manje trenja. Stoga se u konstrukciji ovakvih žiroskopa koriste specijalna ulja i brtvila te rastavljanje nije jednostavno. I kod električno pokretanih žiroskopa postoji problem dovođenja napajanja na elektromotor zvrka, a da se pri tome ne ometa slobodno okretanje prstenova. Obično se koriste fleksibilni vodići, klizni prsteni ili specijalne tekućine kao vodići napona napajanja.
Mjedeni vijci koji se uočavaju posvuda na mehanizmu žiroskopa služe za balansiranje pokretnih dijelova.
Na donjoj slici vide se otvori na osovinama komore (prvog prstena) za ulaz i izlaz zraka za pokretanje zvrka. Osovine komore se rotiraju te je za vođenje zraka na slijedeći prsten potrebna specijalna izvedba ležaja.
Sa drugog prstena žiroskopa pomoću sistema zupčanika informacija o položaju prenosti se na skalu kompasa instrumenta.
Ručica kojom se vrši korekcija skale prvo se pritisne prema unutra kako bi se prsteni žiroskopa blokirali u početnom položaju, a zatim se okretanjem izvrši korekcija skale žiroskopa prema magnetnom kompasu.
Tri osnovna instrumenta u avionu koji koriste žiroskop su koordinator skretanja, indikator položaja (umjetni horizont) i indikator pravca (kursa). Ovaj naš indikator pravca vjerojatno je završio svoju letačku karijeru pa ćemo ga zato montirati na policu prepunu ostale vintage tehnologije, gdje nam i na svom primjeru može pokazivati pravac u kojem se nizaju mehaničke naprave zamijenjene suvremenim silicijskim tehnologijama 🙂