Instruments for aircraft

Japanese: 航空計器 - こうくうけいき（英語表記）instruments for aircraft

A general term for instruments installed on aircraft to inform the crew of the status of the aircraft, engines, and other systems in order to ensure safe and accurate flight. There were many types and numbers of instruments installed on aircraft depending on the purpose, performance, size, etc. of the aircraft, but in the 1980s, with the development of digital electronic technology, the indications of the instruments were integrated, and now when we think of an airplane, the impression of a cockpit covered with instruments has faded considerably.

[Kazuo Ochiai]

Types of aircraft instruments

Aviation instruments are divided into those required by law for flying an aircraft (basic instruments) and those that are added to ensure flight safety.

[1] Basic instruments: Instruments that are required by design standards to be equipped as a minimum to indicate the flight status of an aircraft and the operating status of the engine. (1) Pilot instruments, such as speedometer, altimeter, and magnetic compass. (2) Engine instruments (mainly for piston engines), such as engine or propeller tachometer, fuel oil level gauge, fuel pressure gauge, lubricating oil level gauge, lubricating oil temperature gauge, lubricating oil pressure gauge, etc.

[2] Instruments equipped in addition to the basic instruments to ensure flight safety. (1) Piloting and navigation instruments, such as tilt indicator, altitude indicator, true airspeed indicator, Mach indicator, artificial horizon (forward/backward/left/right tilt indicator), heading indicator, and clock. (2) Engine instruments, such as intake pressure gauge (engine pressure ratio gauge in jet aircraft), carburetor temperature gauge, cylinder temperature gauge (exhaust gas temperature gauge or tailpipe temperature gauge in jet aircraft), vibration meter, propeller or engine speed synchronization gauge, etc. (3) Instrument flight instruments. In addition to piloting and navigation instruments used under normal flight conditions, instruments used for flying under poor visibility conditions such as at night, in clouds, fog, and rain. Radio compass, course deviation indicator or cross pointer indicator, low altitude precision radio altimeter, air collision avoidance indicator, etc.

Other non-instrumental devices include the marker beacon passing indicator, the landing approach angle indicator (VASIS), and the ground proximity warning system.

[Kazuo Ochiai]

Characteristics of aircraft instruments

Due to the nature of the aircraft on which they are installed flying in the air, aviation instruments have the following characteristics compared to instruments used in other (ground) forms of transportation:

[1] Because the aircraft's movements are three-dimensional, it is necessary to indicate the attitude (tilt forward, backward, left and right), direction (nose and flight direction), altitude, and the rate of change of altitude.

[2] Because speed, air pressure (altitude), temperature, etc. change greatly, the instrument must be able to give accurate readings over a wide measurement range. It must also be sturdy and durable, since it will be placed in a harsh environment where air pressure, temperature, and acceleration change drastically.

[3] Due to installation location and weight considerations, it must be small and lightweight.

[4] Because of the high speed, it is necessary to read a lot of information in a very limited time. Therefore, in instruments that use scales and pointers, (1) the range or limit of use is color-marked, or multiple instruments of the same type are integrated into one instrument so that multiple data can be read at the same time. (2) So-called composite instruments are used, which indicate multiple pieces of information required for a specific purpose in one instrument. (3) In combination with computers such as autopilots and inertial navigation systems (INS), they not only display the current situation, but also indicate future predicted positions and flight directions. (4) Nowadays, the traditional mechanical instruments (which use gears, levers, hairsprings, etc. to move the pointer) are replaced by systems that display information on CRTs (abbreviation of cathode ray tubes) and liquid crystal panels. Thanks to advances in digital electronic technology, a lot of flight-related information can be converted into digital quantities, processed by a computer, and then converted back into analog quantities for display on a CRT or other device. This provides indications that could not be expressed by conventional mechanical instrument systems, greatly reducing the burden on pilots when flying.

As a result, the cockpit or cockpit instrument panel, which was previously covered with instruments combining scales and needles, has been replaced with a few CRTs, wiping out all traces of the past.

[Kazuo Ochiai]

Instrumentation

The larger the aircraft, and the longer the flight distance and duration, the more information about flight operations becomes necessary, so even if composite instruments are adopted, a large number of instruments are still required. Therefore, a rational and easy-to-read instrument layout is required. In aircraft before 1960, the layout was different for each model, and training was required every time the model was changed, which not only wasted time and effort but also had a significant impact on safety. Therefore, with the introduction of jet passenger aircraft, regulations on the layout of basic flight-related instruments (altitude, speed, inclination, direction) were included in the aircraft design standards for commercial aircraft. Although this was originally established for large aircraft, it is now used for all models worldwide.

In addition to flight-related instruments, larger aircraft also have systems for the engine, on-board air conditioning, compressed air, electricity, hydraulics, and other systems, and many more instruments are required to operate them. In multi-engine aircraft, the systems are multiplexed, which inevitably increases the number of instruments, and in early large aircraft, a flight engineer who specialized in operating the systems was on board and a dedicated instrument panel was provided. However, now that engine performance and the reliability of each on-board system have improved, the system-related instruments are also concentrated on the pilot's instrument panel, and on-board operations have been thoroughly automated, so even jumbo-class aircraft can be operated by two pilots, a lead pilot and a co-pilot.

Some aircraft also use head-up display (HUD) systems that project some instrument readings directly in front of the pilot's eyes so that he can see both simultaneously and superimposed on the instruments during landing approach, rather than having to look back and forth between the instruments and the runway.

[Kazuo Ochiai]

"New Aeronautical Engineering Lecture 10: Aviation Instruments" by Kana Tajima (1987, Japan Aeronautical Technology Association) " "Introduction to Aviation Instruments" 3rd Edition by Takashi Hideshima (1992, Kyushu University Press)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

航空機の飛行を安全かつ正確に行わせるため、航空機やエンジンその他機体の各システムの状態を乗員に伝えることを目的として、航空機に装備される計器の総称。航空機の用途、性能、大きさなどに応じて装備される計器の種類や数は非常に多かったが、1980年代に入るとデジタル電子技術の発達によって計器の指示が統合されて、現在では飛行機というと計器で覆われた操縦席といった印象はかなり薄れてきている。

［落合一夫］

航空計器の種類

航空計器には、航空機の飛行に対して法規に定められたもの（基本計器）と、飛行の安全を確保するために追加装備されるものとに分けられる。

〔1〕基本計器　航空機の飛行状態やエンジンの運転状態を示すために、設計基準によって最小限装備することが求められている計器。(1)操縦用計器として、速度計、高度計、磁気コンパスなど。(2)エンジン用計器（主としてピストンエンジン用）として、エンジンまたはプロペラ回転計、燃料油量計、燃料圧力計、潤滑油油量計、潤滑油温度計、潤滑油圧力計など。

〔2〕飛行の安全を確保するため基本計器に加えて装備される計器　(1)操縦・航行用の計器として、旋回傾斜計、昇降計（垂直速度計）、真対気速度計、マッハ計、人工水平儀（前後左右傾斜指示器）、定針儀、時計など。(2)エンジン計器として、吸気圧力計（ジェット機ではエンジン圧力比計）、気化器温度計、シリンダー温度計（ジェット機では排気ガス温度計またはテールパイプ温度計）、振動計、プロペラまたはエンジン回転数同調計など。(3)計器飛行用の計器。通常の飛行状態で使用する操縦・航行用計器のほかに夜間、雲、霧、雨中など視界の悪い条件のもとでの飛行に使用する計器。ラジオコンパス、コース偏位指示器またはクロスポインター式指示器、低高度精密電波高度計、空中衝突防止指示器など。

　そのほかに、計器ではないが、マーカービーコン通過指示灯、着陸進入角指示灯（VASIS(バシス)）、地上近接警報装置（地表近接警報装置）などがある。

［落合一夫］

航空計器の特徴

航空計器は、装備する航空機が空中を飛行するという特性から、ほか（地上）の交通機関の計器に比べ、次のような特徴をもっている。

〔1〕機体の動きが三次元であるため、姿勢（前後左右の傾き）や方向（機首および飛行方向）、高度とその変化の割合の大小などを示す必要がある。

〔2〕速度、気圧（高度）、温度などが大きく変化するので、広い測定範囲で正確な指示であること、また、気圧、温度、加速度の変化が激しい、厳しい環境のもとに置かれるため頑丈で高い耐久性をもつことが要求される。

〔3〕取付け場所や重量の関係から、小型・軽量でなければならない。

〔4〕速度が速いので、ごく限られた時間内に多くの情報を読み取る必要がある。そこで目盛りと指針を使用する計器では、(1)使用範囲や限界にカラーマーキングを施したり、1個の計器の中に複数の同系統の計器を統合して、同時に多くのデータを読み取らせるようにしたりする。(2)特定の目的に必要な複数の情報を1個の計器で総合的に指示させる、いわゆる複合計器を採用している。(3)自動操縦装置（オートパイロット）や慣性航法装置（INS）などのコンピュータと組み合わせて現在の状況を表示させるだけでなく、将来の予測位置や飛行方向を指示するようにしている。(4)現在では古くから使われてきた機械式（指針を動かすのに歯車、てこ、ひげぜんまい等を使用する）構造の計器にかわってCRT（cathode ray tubeの略。ブラウン管）や液晶パネルなどに情報を映し出させる方式が用いられている。これは、デジタル電子技術の発達により飛行に関する多くの情報をデジタル量に変換してコンピュータで処理し、さらにアナログ量に変換してCRTなどに表示させるもので、在来の機械式計器システムでは表せなかった指示が得られ、操縦士の飛行に関する負担を大きく軽減している。

　その結果、従来のような目盛りと指針を組み合わせた計器に覆われていた操縦室または操縦席計器板は、数個のCRTに置き換えられて昔日のおもかげは一掃されている。

［落合一夫］

計器の配列

航空機は、機体が大型になるほど、また長距離・長時間の飛行を行うほど運航に関する情報が多くなるので、複合計器を採用してもなお多数の計器が必要となる。そのため合理的で読み取りやすい計器の配列が要求される。1960年以前の航空機では、機種ごとに配列が異なっていて機種が変わるたびに訓練が必要で、時間や労力の損失だけでなく安全性に及ぼす影響も少なくなかった。そこで民間航空機では、ジェット旅客機の導入を機に、航空機の設計基準に飛行関係の基本計器（高度、速度、傾き、方向）の配列についての規定が設けられた。これは元来大型機に対して定められたものであるが、現在では世界的にあらゆる機種に用いられている。

　なお、大型機になると飛行関係の計器のほかにエンジンや機上の空調、高圧空気、電気、油圧などの各システムが加わり、その操作にあたっても多くの計器が必要となる。多発機ではシステムを多重化するので、必然的に計器の数も多くなって、初期の大型機では、システムを専門に運用する航空機関士を乗務させ専用の計器板を設けていた。しかし、現在はエンジンの性能や機上の各システムの信頼性が向上したため、システム関係の計器類も操縦士の計器板に集約され、また機上の操作の自動化が徹底したため、ジャンボ機クラスの機体でも航空機の運航は正・副2名の操縦士で行うことができる。

　また、着陸進入の際、計器と滑走路とを交互に視線を変えなくても、一部の計器の指示を操縦士の目の前に映し出して両方を同時に重ね合わせて見ることができる、ヘッドアップ・ディスプレー（HUD）システムも一部の航空機に使われている。

［落合一夫］

『田島奏著『新航空工学講座10　航空計器』（1987・日本航空技術協会）』▽『秀島卓著『航空計器入門』第3版（1992・九州大学出版会）』