Künstlicher Horizont

Ein künstlicher Horizont (engl. attitude indicator oder artificial horizon auch gyro horizon) ersetzt den natürlichen Horizont, der die Grenzlinie zwischen der sichtbaren Erde und dem Himmel darstellt, wenn man den Horizont nicht sehen kann oder wenn die Lage im Raum gemessen werden soll. Der künstliche Horizont wird benötigt bei der Stabilisierung von Kameras und Zieleinrichtungen, bei Fahrwerk- sowie Fahrzeugstabilisierung, bei der Überwachung und Steuerung von Baumaschinen, bei der Gleisvermessung und bei der aktiven Neigetechnik für Schienenfahrzeuge, bei Zentrierung von GPS-Antennen, der Scanner-Stabilisierung sowie in der Luftfahrt. Viele Berechnungen zur Positionsfindung, bei denen ein künstlicher Horizont notwendig war, werden heute durch Satellitenvermessung ersetzt.

künstlicher Horizont - mit Warnlämpchen für DH - Decision Height - Entscheidungshöhe, Flight Director Bar

Messprinzipien

Die instrumentelle Darstellung des Horizonts kann entweder statisch oder dynamisch erfolgen.

Statische Messung

Sextant

künstlicher Sextanthorizont

künstlicher Horizont

Eine statische Messung, bei der der Horizont benötigt wird, ist beispielsweise die Messung von Winkeln mit einem Sextanten. Hier erfolgt die exakte Positionsfindung durch Messung des Höhenwinkels zwischen den Visierlinien Standpunkt-Kimm und Standpunkt-Gestirn oder auch durch Horizontalwinkelmessung in Küstennähe.

Die Darstellung des natürlichen Horizonts ist ohne weitere Hilfsmittel nur bei guten Sichtbedingungen auf dem Meer möglich, wo die Begrenzungslinie zwischen Himmel und Wasser (Kimm) als Horizontmarke dient. Bei schlechten Sichtbedingungen oder bei Beobachtungen auf dem Lande, wenn die Sicht auf die Kimm durch Häuser, Berge oder Vegetation versperrt ist, braucht man einen künstlichen Horizont in Gestalt einer exakt horizontal liegenden, spiegelnden Fläche (Quecksilber oder schwarz gefärbte, polierte Glasplatte oder Öl), die als Hilfsmittel zur Darstellung der Lotrichtung dient). Die Glasplatte (der künstliche Horizont) ruht in einer Metallfassung und wird durch drei Stellschrauben unter Verwendung von zwei Setzlibellen horizontiert.

Bei der Höhenmessung geht es darum, das betreffende Objekt mit dessen Spiegelbild zur Deckung zu bringen. Dabei entspricht der Winkel zwischen dem direkten und dem am künstlichen Horizont reflektierten Strahl der doppelten Höhe, ist also zu halbieren. Das hat auch eine Halbierung eines möglichen Fehlers der Höhenmessung zur Folge.

Dynamische Messung

Auf bewegten Trägersystemen wie Flugzeugen, Straßen-, Schienenfahrzeugen und Schiffen oder beispielsweise schwingenden Strukturen wie Brücken, Kränen u.s.w. kann der absolute Elevationswinkel auf solche Weise nicht bestimmt werden, da gemäß den Newtonschen Axiomen nicht zwischen der Erdschwerebeschleunigung und der Nutzbeschleunigung und Zentripetalbeschleunigung des bewegten Trägers unterschieden werden kann. Daher unterliegen solche Vorrichtungen bei bewegten Objekten der aus der Beschleunigung resultierenden Trägheitskraft (die sich bei Kreisbewegungen als Zentripetalkraft zeigt) und zeigen nicht die tatsächliche Vertikale, sondern das Scheinlot an. Man verwendet deshalb in der Luftfahrt ein lagestabiles Kreiselinstrument, um eine Referenz für das wahre Lot und eben den Horizont zu erhalten.

Von der Industrie sind Messsysteme, mit denen auch auf dynamisch bewegten Trägern die Neigungswinkel gegenüber dem Horizont präzise bestimmt werden, entwickelt worden. Unter Neigungswinkel versteht man die Längsneigung (Nickwinkel) und die Querneigung (Rollwinkel). Ein solches Messsystem wird ebenfalls als künstlicher Horizont bezeichnet. Bei Fahrzeugen mit ausgeprägter Vorzugsbewegungsrichtung (KFZ, Schiff, U-Boot, Schienenfahrzeuge) kann für präzise Anwendungen ein externes Geschwindigkeitssignal als Stützinformation eingespeist werden (Tacho, GPS, DGPS, Radar, etc.).

Im Folgenden wird der künstliche Horizont beschrieben, wie er in Luftfahrzeugen Verwendung findet. Seine Entwicklung geht auf Lawrence Sperry zurück.

Flugzeuginstrument

Der künstliche Horizont (engl. attitude indicator), auch Horizontkreisel oder offiziell Fluglageanzeiger genannt, wird als Flugüberwachungsgerät zur Bestimmung der Lage des Luftfahrzeugs zur Erdoberfläche eingesetzt. Er bietet eine direkte, bildliche Darstellung der Lage in Relation zur Erdoberfläche, indem er die Fluglage um die Längsachse (engl. roll or bank attitude) und um die Querachse (engl. pitch attitude) anzeigt. Alle anderen Instrumente im Flugzeug können nur indirekt zur Bestimmung der Fluglage verwendet werden. Bewegungen um die Hochachse werden dagegen nicht vom künstlichen Horizont dargestellt, sondern von einem weiteren Kreiselgerät - dem Wendezeiger.

Das Instrument ist für den Flug nach Instrumentenflugregeln und auch beim Nachtsichtflug unerlässlich. Auch im Flug nach Sichtflugregeln kann es nützlich oder notwendig sein, wenn die natürliche Horizontreferenz schwierig wird; etwa bei diesigem Wetter über offenem Wasser. Wiederum soll das Instrument einen Piloten nicht dazu verleiten, den Flug bewusst in schlechte Sichtverhältnisse fortzusetzen.

Für den Instrumentenflug sind mindestens zwei unabhängig voneinander funktionierende Systeme vorgeschrieben. Bei großen Verkehrsmaschinen ist sogar noch ein drittes, unabhängiges und mit eigener Notstrombatterie versorgtes Notsystem vorhanden.

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die Referenz zu erzeugen, mit der dem Piloten die Lage seines Luftfahrzeuges relativ zur Erde dargestellt wird. Hier soll die einfachste Möglichkeit beschrieben werden, die auch im modernen Cockpit mit elektronischen Fluginstrumenten als Backupsystem zur Verfügung steht: Der mit Unterdruck angetriebene Kreisel mit senkrecht stehender Achse, der seine Bewegung mechanisch auf das Skalenbild mit der Horizontlinie überträgt.

Aufbau

Aufbau eines künstlichen Horizonts aus einem Flugzeug

Der künstliche Horizont enthält ein Kreiselsystem, das infolge einer hohen Umdrehungszahl (z.B. 15.000 – 20.000 U/min) und der Kreiselwirkung in seiner Lage im Raum stabil bleibt. Der vollkardanisch (drei Freiheitsgrade) aufgehängte Kreisel wird elektrisch oder mittels Unterdrucks angetrieben.

Der pneumatisch angetriebene Kreisel enthält an seiner Peripherie schräge Düsen, durch die ein kräftiger Luftstrom austritt. Die Luftzuführung erfolgt über eine Rohrleitung, die durch die Achsen der kardanischen Aufhängung geführt ist, sodass keine Drehmomente dabei entstehen. Der nötige Druckunterschied kann durch eine Druckpumpe an der Zuleitung oder eine Saugpumpe am Gehäuse aufrechterhalten werden; meist wird letztere Lösung verwendet.

Die Lage der Kreiselachse in Bezug zum Gehäuse kann durch mechanische oder elektrische Abgriffe auf die Anzeige übertragen werden.

Funktion des Horizontkreisels

Ein schnell rotierender, reibungsfrei aufgehängter Kreisel behält die Lage seiner Achse im Raum bei. Das Flugzeug dreht sich gewissermaßen um das Instrument. Bei Nick- und Rollbewegungen des Luftfahrzeugs hält die Wirkung des Kreisels die Horizontreferenz aufrecht.

Da es aber technisch unmöglich ist, einen absolut perfekten Kreisel herzustellen, hat jeder real existierende Künstliche Horizont eine Drift, welche die Anzeige mit der Zeit auswandern lässt. Deshalb muss ein Künstlicher Horizont gestützt werden.

Der Künstliche Horizont soll die Lage bezüglich der Erdoberfläche anzeigen. Nun ist aber die Erdoberfläche kein Inertialsystem, sondern dreht sich unter dem Kreisel weg. Das gleiche geschieht auch, wenn das Flugzeug über der gekrümmten Erdoberfläche eine größere Distanz zurücklegt. Deshalb muss ein Künstlicher Horizont nachgeführt werden.

Das Problem der Stützung und Nachführung wird von verschiedenen Herstellern unterschiedlich gelöst.

Neben der automatischen Aufrichtung verfügen einige Kreisel auch über eine manuelle schnell-Aufrichtung, die für viele Anwendungen notwendig ist.

Anzeige

Das Anzeigebild entspricht dem, was der Pilot auch bei Sichtflug sehen würde (Inside-out-Metapher). Die weiße Linie, die quer über die Anzeige verläuft, stellt den Horizont dar. Der Himmel ist blau, die Erde braun oder schwarz dargestellt. Der zentrale Punkt stellt (näherungsweise) die Richtung der Flugzeuglängsachse und die waagerechten Striche daneben die Flugzeugquerachse dar. So sinkt der Horizont im Steigflug unter die Längsachse während er im Sinkflug über ihr liegt. Bei Linksneigung des Flugzeugs erscheint der Horizont nach rechts gekippt und umgekehrt.

In den Ostblockländern wurde eine andere Anzeigemetapher verwendet, welche ein Flugzeug von außen gesehen vor dem Horizont zeigte (Outside-in-Metapher, ähnlich der Darstellung des Wendezeigers). Das Anzeigebild dieser Instrumente ist genau gegenteilig zu dem der westlichen Horizonte, was bei Piloten, die von einem System aufs andere wechseln, zu Unsicherheiten oder auch Fehlreaktionen führen kann. Mindestens ein Flugunfall mit einer Passagiermaschine ist darauf zurückzuführen.^[1]

Zusätzlich lassen sich die Längs- und Querneigung mit dem Instrument grob messen. Der äußere Ring dient der Messung des Querneigungswinkels mit Hilfe des kleinen weißen Dreiecks. Der Ring hat Markierungen bei 10°, 20°, 30°, 60° und 90°. Im Beispiel ist die Skala horizontfest und die Referenzmarke flugzeugfest; es kann aber auch umgekehrt sein. Die beiden schrägen Linienpaare im Beispielbild zeigen Querneigungswinkel von 15° und 45° an, wenn sie in Flucht mit dem zentralen senkrechten Strich liegen. Die zentrale Skala zeigt den Längsneigungswinkel in 5°-Schritten an, wobei der Mittelpunkt zur Ablesung benutzt wird.

Durch Veränderung des Anstellwinkels ändert sich der Winkel des Flugzeugs zu seinem Bewegungsvektor. So erhöht sich der Anstellwinkel z.B. im Langsamflug oder bei großer Beladung. Im korrekten waagerechten Flug zeigt der künstliche Horizont dieses steilere In-der-Luft-Liegen an, indem er etwas unterhalb des Mittelpunkts liegt. Um sich das Fliegen zu erleichtern, kann der Pilot in diesem Fall den Winkel zwischen Anzeigelängsachse und Flugzeuglängsachse mittels eines Knopfes einstellen.

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  künstlicher Horizont im Horizontalflug

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  künstlicher Horizont im Steigflug

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  künstlicher Horizont im Sinkflug mit Rechtskurve

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  künstlicher Horizont im Sinkflug mit Linkskurve

Beschleunigungs- und Kurvenfehler

Die Anzeige des künstlichen Horizonts wird beeinflusst durch den Beschleunigungsfehler und den Kurvenfehler. Diese werden durch die Stützung verursacht. Beiden Fehlern liegt das gleiche Phänomen zugrunde: Da zwischen Beschleunigung und Gravitation grundsätzlich nicht unterschieden werden kann, erfolgt die automatische Aufrichtung immer nach dem Scheinlot. Dieses weicht aber bei beschleunigten Zuständen vom wahren Erdlot ab. Damit verhindert die automatische Aufrichtung zwar im unbeschleunigten Geradeausflug das Auswandern der Anzeige, bewirkt aber ihrerseits bei Beschleunigungen stets einen neuen Anzeigefehler. Dieses Problem kann grundsätzlich, auch mit einem idealen Kreisel, nicht gelöst werden.

Um es zu verringern, wird bei einer starken Abweichung des Scheinlots von der aktuellen Kreiselposition, wie sie bei beschleunigten Zuständen typischerweise auftritt, die Kreiselstützung teils abgeschaltet. Das Verhalten des Horizonts unter beschleunigten Zuständen weicht unter den Modellen ab. Von einem Pilot wird erwartet, dass er das Verhalten "seines" Horizontinstruments kennt.

Betriebsgrenzen

Übliche Betriebsgrenzen für Künstliche Horizonte, die nicht speziell für Kunstflug ausgelegt sind, sind 100° bis 110° bei Schräglage und 60° bis 70° beim Steigen oder Sinken.

Wird eine dieser Grenzen überschritten, so schlägt der Kardanrahmen an einem Anschlag an und die Anzeige wird unbrauchbar, bis der Kreisel wieder aufgerichtet wird. Es gibt voll kunstflugtaugliche Horizonte, diese sind aber teurer und werden daher nur in Militärflugzeugen eingesetzt.

Elektronische Kreisel

In den letzten Jahren sind elektronische Lösungen entwickelt worden, die anstelle der mechanischen Kreisel eingesetzt werden können. Es handelt sich dabei meist nicht um mechanische Kreisel, sondern elektronische Schaltungen, welche die gleichen Aufgaben erfüllen, etwa Mikrosysteme oder Inertialsensoren.

Die möglichen Lösungen reichen von billigen Piezo-Sensoren, wie sie in Modellhubschraubern eingesetzt werden, bis zu hochgenauen, aber sehr teuren Ringlaser-Kreiseln. Um die Lage im Raum zu erhalten, müssen drei solcher Sensoren senkrecht zueinander angeordnet und alle momentanen Drehgeschwindigkeiten über die Zeit aufintegriert werden. Es gibt auch schon Lösungen, die alle Messungen in einem einzigen integrierten Baustein vereinigen.

Um die Lage im Raum zu erhalten, müssen die drei Drehgeschwindigkeiten über die Zeit aufintegriert werden. Das setzt sehr genaue Messungen und eine entsprechende Verarbeitung der Messdaten voraus. Zusätzliche Beschleunigungssensoren können diese Rechnung ergänzen.

Literatur

• Fabeck, Wolf von: Kreiselgeräte. Vogel Verlag Würzburg 1980, ISBN 3-8023-0612-0
• Bachmann, P.: Flugzeug-Instrumente. Motorbuch Verlag, Stuttgart 1992
• Dogan, Peter: Instrument Flight Training Manual. 1999, ISBN 0-916413-12-8
• Jeppesen Sanderson: Privat Pilot Manual. 2001, ISBN 0-88487-238-6
• Kühr, Wolfgang: Der Privatflugzeugführer. Technik II, Band 3 1981, ISBN 3-921270-09-X
• Machados, Rod: Instrument Pilot´s Survival Manual. 1998, ISBN 0-9631229-0-8
• US Department of Transportation, Federal Aviation Administration: Instrument Flying Handbook. AC61-27C, 1999

Siehe auch

• Flugnavigation

Weblinks

 Commons: Künstliche Horizonte – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

1. ↑ Unfall einer Saab 340B der Crossair am 10. Januar 2000 bei Nassenwil, westlich von Zürich. Offizieller Unfallbericht http://www.bfu.admin.ch/common/pdf/1781_d.pdf, Abbildung der beiden Instrumente auf Seite 63 des Berichts.