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1. 자이로 계기의 정의와 원리
1.1. 자이로의 정의
자이로(gyro)는 한 점이 고정되어 있는 축 주위를 회전하는 것으로, 그 고정점이 회전체의 중심인 장치를 의미한다. 자이로는 라틴어에서 유래된 단어로 "회전하는 것"이라는 뜻을 가지고 있다. 회전체가 3축에 대해 모두 자유롭게 움직일 수 있는 경우, 이를 3축 자이로라 하며 정침의(Directional Gyro)와 인공수평의(Gyro Horizon 또는 Vertical Gyro)에 사용된다. 반면 3축 중 한 축이 고정된 자이로를 2축 자이로라 하며, 선회계(Turn Indicator)에 사용된다. 자이로는 강직성과 섭동성이라는 특수한 성질을 가지고 있으며, 이러한 성질을 자이로 계기에 응용하고 있다.
1.2. 자이로의 원리
1.2.1. 3축 자이로와 2축 자이로
회전체가 3축에 대해 모두 자유롭게 움직일 수 있는 자이로를 3축 자이로라고 하며, 이는 항공기의 정침의(Directional Gyro)와 인공 수평의(Gyro Horizon 또는 Vertical Gyro)에 사용된다. 3축 자이로는 X, Y, Z의 3개 축을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있어 항공기의 자세 변화를 정확히 감지할 수 있다.
한편, 3축 중 한 축이 고정된 자이로를 2축 자이로라고 하며, 이는 선회계(Turn Indicator)에 사용된다. 2축 자이로는 X축과 Y축을 중심으로만 자유롭게 회전할 수 있어 항공기의 선회 각속도를 감지하는 용도로 사용된다. 2축 자이로는 3축 자이로에 비해 구조가 간단하지만, 항공기의 자세 변화를 완전히 감지할 수는 없다.
1.2.2. 강직성과 편위
자이로는 외력을 가하지 않으면 자이로의 회전자 축이 우주 공간에 계속 일정 방향을 유지하려는 성질을 가지고 있는데, 이를 강직성(Rigidity)이라 한다. 자이로 회전자의 질량이 클수록, 회전이 빠를수록 강직성이 강해진다.
자이로가 지구의 중력에 관계없이 자세를 유지하려고 하기 때문에, 지구의 자전에 의해 자이로의 회전축이 각 변위를 일으키게 되는데 이를 편위(Drift)라고 한다. 이론적으로는 24시간 동안 360°, 즉 1시간에 15°씩 기울어지게 된다. 이러한 편위는 어떠한 방법으로든 수정이 필요하다. 또한 자이로 회전자의 불균형과 마찰 등의 원인으로 인해 자세가 변위되는 섭동 현상도 편위에 포함된다.
따라서 자이로의 강직성과 편위는 자이로 계기 설계에 중요한 특성으로 활용되는데, 자이로의 회전속도와 질량, 지구 자전의 영향 등을 고려하여 정확도를 높이기 위한 다양한 기술이 적용되고 있다.
1.2.3. 섭동성
섭동성(Precession)이란 관성모멘트 I를 갖고 ω의 각속도로 회전하는 자이로가 회전하고 있을 때, 회전자의 앞면에 M이라는 힘을 가하면 가한 점으로부터 회전 방향으로 90도 진행된 점에 M과 같은 힘이 가해진 것과 같은 작용을 하여 회전축이 A, B 방향으로 움직이게 되는 현상을 말한다.
팽이는 기울어져 있으므로 중력에 의해 힘 F가 작용하지만, 섭동성에 의하여 회전 방향으로 90도 전진한 점에 힘 F가 작용하는 것과 같이 기울어져서 회전하게 되므로 팽이는 섭동 운동을 하게 된다.
섭동각속도[ω]= {외력M} / {관성력*회전각속도I}= {M} / {I·ω} = {M} / {L}
따라서 섭동성은 로터의 무게가 증가하거나 회전각속도가 크면 감소하고 로터를 기울이려는 외력에 비례하며, 강직성은 섭동성과 반대의 성질...
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