Step 10 - I libri

Breve bibliografia dell'orizzonte artificiale:

ROBERT PATTERSON, ''Description and Use of a Simple Appendage to the Reflecting Sector, by Which It Is Rendered Capable of Measuring All Possible Altitudes, on Land, by Reflection from an Artificial Horizon '', in <<Transactions of the American Philosophical Society >> , 1818, Vol.1

AN ARTIFICIAL HORIZON FOR SEXTANTS, in Scientific American, Vol. 97, N.25, pubblicato da Scientific American a division of Nature America Inc. , 21 dicembre 1907 

FERDINANDO FLORA, Capitolo 12 in ''Astronomia Nautica (Navigazione Astronomica)'', Hoepli editore, 1987

GREG CRAIG, ROBERT ERDOS e BOB CHEUNG, ''Development of an Airborne Display Research Facility'', in Journal of Aerospace, Vol.112, Sez.1, SAE International, 2003

Step 09 - Gli inventori

Lawrence Sperry, inventore dell'orizzonte artificiale:

Nato nel 1892 a Chicago e cresciuto a New York, Lawrence Sperry era il figlio del famoso inventore Elmer Sperry. Nel 1913, studiò alla scuola di volo di Glenn Curtiss ad Hammondsport, dove imparò a volare, e ottenne la licenza di pilota n. 11 dall'Aero Club of America, il più giovane pilota degli Stati Uniti all'epoca. 

Nel 1914, Sperry ha sfruttato i principi della girobussola, inventata da suo padre, per creare un dispositivo di pilota automatico per aerei. Partecipando quell'estate al “Concours de la Securité en Aéroplane” - Concorso per la sicurezza degli aeroplani - in Francia, lo “stabilizzatore giroscopico” di Sperry fu il successo dello spettacolo, e ottenne consensi internazionali all'età di 24 anni.

Lawrence Sperry non si è mai riposato sugli allori, tra il 1915 e il 1923, aveva 23 brevetti in attesa o concessi. Tra le sue invenzioni c'era la strumentazione che permetteva di pilotare gli aerei quando la visibilità era zero. Il suo indicatore di virata e l'orizzonte artificiale sono rimasti gli strumenti di base per ogni velivolo. Ha anche inventato una varietà di altra strumentazione, tra cui un indicatore di velocità, un indicatore di deriva e un miglioramento significativo rispetto alla bussola magnetica di Creaghton-Osborne.

Piccola curiosità:

Già Leonardo Da Vinci aveva ideato un dispositivo che può essere considerato il primo prototipo di un orizzonte artificiale.

Nel progetto della ''bicicletta volante'' infatti, di fronte al viso del pilota, Leonardo disegna un'ampolla rovesciata al cui interno dondola un piccolo oggetto che indica al pilota l'inclinazione della macchina e l'assetto di volo, si tratta come detto probabilmente del primo orizzonte artificiale della storia.

Link utili e fonti:

http://www.check-six.com/Crash_Sites/MileHigh-Sperry-Peirce.htm

https://www.historynet.com/lawrence-sperry-autopilot-inventor-and-aviation-innovator.htm

https://www.ansa.it/canale_scienza_tecnica/notizie/spazio_astronomia/2016/11/24/ricostruita-la-bicicletta-volante-di-leonardo-da-vinci_80cea655-dd88-11e6-9836-00505695d1bc.html

Step 08 - I materiali

Nel voler trattare i materiali di un orizzonte artificiale analizzeremo quelli del giroscopio, in quanto esso è l'elemento principale di tale strumento.

I materiali utilizzati per fabbricare un giroscopio possono variare da relativamente semplici a molto complessi a seconda del design e dello scopo del giroscopio.

Possono ruotare su minuscoli cuscinetti a sfera, piccoli granelli levigati di pietre preziose o sottili strati d'aria o di gas. Alcuni operano interamente nel vuoto sospesi da una corrente elettrica, quindi non toccano nulla e non si sviluppa alcun attrito.

In genere, i produttori di giroscopi lavorano i propri giunti cardanici e assali. L'alluminio è un metallo preferito per le sue caratteristiche di espansione e resistenza, ma i giroscopi più sofisticati sono realizzati in titanio. 

Gli utilizzi dei giroscopi stanno aumentando con il numero di dispositivi che richiedono guida e controllo. Sebbene le basi del giroscopio siano radicate nelle leggi della fisica e non possano mai cambiare, la tecnologia si sta evolvendo. I metodi meccanici ed elettrici per fornire la massa rotante che fa funzionare il giroscopio vengono gradualmente sostituiti da laser ad anello e microtecnologie. Le bobine di fibre ottiche sottili sono la chiave per giroscopi compatti e leggeri che potrebbero avere applicazioni nei sistemi di navigazione per automobili. 

Il giroscopio ottico ad esempio consiste di un corpo triangolare vitreo in cui sono ottenute tre canalizzazioni contigue e complanari tra i vertici, ermeticamente chiuse con specchi e riempite di gas attivo. L'eccitazione del Laser avviene con l'applicazione di una idonea differenza di potenziale agli elettrodi: nel caso che il mezzo attivo siano i gas elio-neon, il risonatore entra in oscillazione ad una lunghezza d'onda nella banda dello spettro ottico visibile.

I giroscopi ottici hanno soppiantato i giroscopi meccanici specialmente nelle applicazioni attinenti alla navigazione aerea e la condotta di volo degli aeromobili: prominente è la loro applicazione nei sistemi inerziali di navigazione. La prevalenza del giroscopio ottico sul meccanico è riconducibile a: costi di produzione notevolmente più bassi, esigenza di manutenzione ridotta, maggiore affidabilità, minore peso.

Fonti:

http://www.madehow.com/Volume-6/Gyroscope.html

https://it.wikipedia.org/wiki/Giroscopio_ottico

Step 07 - Il mito

All'interno della mitologia egizia è possibile ravvisare il concetto di "orizzonte artificiale".

Alcuni studi suggeriscono che le piramidi della IV dinastia potrebbero avere un orientamento stellare, legato alla permanenza del defunto faraone nell’oltretomba.

Queste sono infatti rivolte verso i quattro punti cardinali.

Il rapporto tra cielo e terra era per gli Egizi molto intimo, essi chiamavano con il nome Meskhetyu (il Carro), le sette stelle più luminose della costellazione dell’Orsa Maggiore. Era rappresentato da una zampa di toro o da una sorta di ascia utilizzata nella cerimonia dell’apertura della bocca, rituale con il quale si restituivano i sensi alla mummia del defunto. 

L’importanza di Meskhetyu è sottolineata fin da tempi molto antichi, come dimostra la sua presenza nei Testi delle piramidi, un insieme di scritti religiosi chiamati così perché ritrovati nelle camere funerarie di numerose piramidi. 

Vi si leggono alcuni passi che riflettono il desiderio del re defunto di viaggiare nel firmamento e diventare una delle “stelle imperiture” o immortali: le stelle circumpolari, le quali, a differenza delle altre, sono sempre visibili nel cielo notturno.

Dopo la morte, dunque, il faraone si sarebbe stabilito in cielo, tra le stelle circumpolari, da qui l'importanza dell'orientamento stellare dato alle Piramidi. 

Ed è proprio come gli egizi abbiano ottenuto questo orientamento una delle questioni più dibattute nella storia dell’egittologia, e qui entra in gioco l' ''orizzonte artificiale''.

Il metodo più accreditato nella letteratura egittologica è infatti quello proposto nel 1947 da I.E.S. Edwards. 

Innanzitutto bisogna fissare un orizzonte artificiale (per esempio un muro in pietra) per evitare i problemi causati dall’estinzione atmosferica (la perdita di luce di una stella quando attraversa l’atmosfera terrestre) e la rifrazione vicino all’orizzonte (il cambio di direzione della luce). Dopo di che è necessario selezionare una stella circumpolare, osservarla nel suo movimento notturno e segnare sull’orizzonte artificiale le posizioni del suo sorgere e tramontare, punti che ci indicherebbero esattamente la linea meridiana nord-sud.

Link utili:

https://www.aton-ra.com/approfondimenti-antico-egitto/scienza-e-tecnica/532-astronomia-egizia.html

https://www.storicang.it/a/le-piramidi-porte-per-le-stelle_14795

Step 06 - Il simbolo

 Il simbolo dell'orizzonte artificiale compare spesso in ambito militare, specialmente in crest e stemmi:

Compare ad esempio nel crest della Sezione Aerea Pratica di Mare
link

Inoltre è presente nello sfondo del crest della Sezione Aerea di Manovra di Catania
link

Compare infine nell'araldo del Capo del Corpo del Genio Aeronautico:

In basso a destra al centro di un atomo stilizzato con orbite ed elettroni è presente al posto del nucleo l'emblema convenzionale di un aereo in un orizzonte artificiale
link

Step 05 - Il principio fisico

L'orizzonte artificiale è uno strumento giroscopico e in quanto tale basa il suo funzionamento sul principio del giroscopio, ovvero un disco di notevole massa che ruota ad elevata velocità intorno ad un asse (in fig. è l’asse X), montato su un sistema cardanico che gli permette totale libertà di movimento anche attorno anche agli assi verticale Z ed orizzontale Y.

Il giroscopio gode delle seguenti proprietà:

- La rigidità giroscopica è la proprietà che ha il giroscopio messo in rotazione, di mantenersi sullo stesso piano in cui si trovava all’inizio del movimento vorticoso, cioè mantenersi orientato verso lo stesso punto nello spazio.

- La precessione è il movimento rotatorio che il rotore oppone ad eventuali forze esterne perturbatrici del proprio equilibrio, si manifesta con una rotazione del suo asse, perpendicolarmente a quello della perturbazione e nel senso della rotazione stessa.

Per capire il funzionamento dello strumento in sé invece possiamo aiutarci con l'immagine seguente:

1. sagoma velivolo a questo solidale

2. rotore

3. anello esterno

4. anello interno

5. contrappeso

6. perno attorno al quale ruota la barra dell’orizzonte

7. piolo solidale con la gabbia interna

8. barra rappresentante la linea dell’orizzonte

9. indicatore mobile e scala dell’orizzonte 

Indicazioni di rollio:

L’anello esterno (3) è incernierato al velivolo parallelamente all’asse longitudinale zz′ ed è quindi in grado di indicare l’angolo di rollio in maniera diretta.

Indicazioni di beccheggio: 

Per il beccheggio invece il meccanismo è leggermente più complesso: durante una salita o una discesa l’anello esterno (3) si muove solidalmente al velivolo ruotando attorno all’asse yy′, la barra (8) ruota anch’essa ma nella direzione opposta, attorno al piolo (6), grazie al sistema cinematico per il quale il piolo (7), vincolato all’anello interno(4), scorre nell’anello esterno in una fessura a mezza luna. In questo modo il braccio (8) trascina con sé la linea dell’orizzonte che, movendosi rispetto alla sagoma (1), fornisce al pilota la visione dell’assetto cabrato o picchiato del velivolo.

Fonti:

http://nikemagic.altervista.org/download/Strumentazione/giroscopi.pdf

https://www.itfalco.edu.it/files/CETF05000Q/Strumenti_di_guida_e_pilotaggio.pdf

https://web.archive.org/web/20160603185405/http://www.enav.it/ec5/enav/it/pdf/aeromobili_128_152.pdf

 

Step 04 - La scienza

AVIONICA

L'avionica (dall'inglese avionics, composto di aviation e electronics) è una disciplina tecnica che si propone lo studio e la realizzazione di apparecchiature atte a elaborare e integrare i dati inerenti alla navigazione aerea allo scopo di fornire costantemente al pilota tutte le informazioni utili per le fasi di decollo, volo e atterraggio.

Come in molti altri campi della tecnologia, anche questa branca si è sviluppata all’inizio sotto l’impulso delle esigenze militari, nel corso della seconda guerra mondiale. La sua prima consistente attuazione è cominciata durante gli anni Settanta del secolo scorso, in fase con gli sviluppi che in parallelo si avevano nel campo dell’elettronica.

I sistemi avionici moderni sono basati sul principio dell’integrazione, tendono cioè a ottimizzare le varie funzioni richieste per l’operatività dell’aereo e sono in grado di presentare al pilota e ai membri dell’equipaggio le informazioni opportunamente elaborate in forma facilmente comprensibile.

La capacità di gestire una così grande quantità di informazioni da parte dell’aviazione di bordo è stata determinata dall’avvento dei nuovi microelaboratori digitali, che presentano un’elevatissima velocità di elaborazione combinata a un’altrettanto elevata precisione e a una notevole versatilità operativa.

Fondamentale nell'avionica è stato l'introduzione dei sistemi fly-by-wire («volare con cavo»), nei quali è divenuto elettronico l'intero impianto di comandi dell'aeromobile, grazie ai quali è stato possibile sostituire una serie di componenti tradizionalmente meccanici, quali cavi meccanici e/o condotti idraulici. Tali sistemi oltre a consentire un notevole risparmio nel peso degli impianti di bordo permettono anche di realizzare velivoli la cui stabilità e ottimizzazione di manovra sono assicurate dall’elaboratore del sistema avionico. 

Altri comandi di volo sfruttano le caratteristiche delle fibre ottiche quale mezzo di trasmissione; questo sistema, denominato fly-by-light («volare con luce»), ha il pregio di eliminare i problemi di interferenza elettromagnetica sugli impulsi dei comandi di volo, che possono sorgere a causa sia dei numerosissimi impianti elettrici di bordo sia dei disturbi provenienti o provocati dall’antenna. 

Fonti e link utili:

Enciclopedia Treccani

Dizionario delle Scienze Fisiche (1996)

Enciclopedia della Scienza e della Tecnica (2008)

Enciclopedia DeAgostini

Step 03 - Un glossario

Orizzonte artificiale:

- Barra rappresentante la linea dell'orizzonte: divide lo strumento in due zone, una di colore azzurro (cielo) e una di colore marrone (terreno)

- Giroscopio a tre gradi di libertà: giroscopio che ruotando fornisce informazioni sull'assetto del velivolo

- Indicatore dell'aereo: sagoma fissa raffigurante il velivolo visto frontalmente

- Indicatore di virata: composto da una serie di tacche e una freccia nella corona superiore dello strumento; indica l'angolo di virata corrente

- Meccanismi erettori: riallineano la verticale del giroscopio alla verticale reale qualora fossero discostate per effetto della precessione giroscopica

-Pomello di regolazione: serve al pilota per allineare la sagoma dell'aeromobile alla linea dell'orizzonte presente sullo strumento, per evitare errori di parallasse

- Sospensioni cardaniche: consentono al giroscopio libertà di rollio e beccheggio

Il sistema di sospensione cardanica è a sua volta costituito da:

- Cerchio interno: imperniato al cerchio esterno

- Cerchio esterno: imperniato alla cassa dello strumento e quindi al velivolo

Interno di un orizzonte artificiale

Meccanismi erettori dell'orizzonte artificiale

Step 02 - L'immagine

 Nautica:

Un orizzonte artificiale ''Bandieri'' risalente alla seconda metà del XIX° secolo, usato in nautica.

Bibliografia: Catalogo generale strumenti IGM 1922

Sito: Museo degli Strumenti

Orizzonte artificiale da Heath & Co, Londra SE9, del 1900

sito

Aviazione:

Orizzonte artificiale AGP-2 di un aeromobile sovietico

Step 01 - Il nome

 L'orizzonte artificiale, o girorizzonte, è uno strumento giroscopico fondamentale per l'aviazione, poiché consente di conoscere l'assetto di un aeromobile rispetto all'asse longitudinale e trasversale dello stesso.

In inglese tale strumento è comunemente noto come attitude indicator , che può essere tradotto in ''indicatore di assetto'' ,ma è anche conosciuto come gyro horizon o artificial horizon, versioni molto simili alle corrispondenti italiane.

In spagnolo prende il nome di indicator de actitud o anche horizonte artificial, in francese horizon artificiel o indicateur d'assiette e in tedesco künstlicher horizont.

L'origine del nome di tale strumento è molto intuitiva e va ricercata nella sua funzione: esso infatti consente al pilota, specialmente in condizioni di scarsa visibilità o di notte, di avere informazioni sul beccheggio e sul rollio dell'aeromobile; inoltre lo strumento presenta una parte colorata di azzurro rappresentante il cielo e una parte colorata in marrone rappresentante la terra, separate appunto dalla linea dell'orizzonte, suggerendo la ragione dell'utilizzo di tale termine nel nome dello strumento.

Anche nelle altre lingue è immediato ricondurre l'origine del nome alla funzione dello strumento, in quanto esso serve per l'appunto ad indicare l'assetto del velivolo (''attitude indicator'', ''indicator de actitud'' ,''indicateur d'assiette'').