Ein Kreiselinstrument oder Gyroskop ist ein rasch rotierender, symmetrischer Kreisel, der sich in einem beweglichen Lager dreht. Das Lager kann eine Kardanische Aufhängung sein, oder ein Rahmen in Form eines Käfigs (siehe Abbildung). Aufgrund seiner Massenträgheit bzw. der Drehimpulserhaltung behält der Kreisel seine Orientierung im Raum bei (siehe Kreiselgesetze). Wird die Drehbewegung zwischen Kreisel und Käfig gemessen und als Regelgröße herangezogen, spricht man von einem Gyrometer. Gyroskope werden auch zur aktiven Lageregelung eingesetzt, insbesondere für Flugkörper und in der Raumfahrt.

Drehimpulserhaltung

Kreiselsysteme lassen sich als geschlossenes System ansehen, dessen Drehimpuls konstant bleibt. Versucht eine äußere Kraft, die Drehachse des Kreisels zu kippen, resultiert daher ein Drehmoment. Um den Gesamtimpuls zu bewahren, kippt sich die Kreiselachse senkrecht zur angreifenden Kraft. Der Effekt ist u.a. vom Spielzeugkreisel bekannt, dessen Achse durch die ihn kippende Schwerkraft entlang eines Kegelmantels präzessiert.

Technische Anwendungen im Verkehrswesen

Weit verbreitet sind Kreiselinstrumente in der Verkehrstechnik, insbesondere zur Orientierung und zur Navigation. Auch Alarm- und selbststeuernde Geräte sind in Entwicklung.

In PKW können Gyrometer Richtungsänderungen genauer messen, als es über die Räder (Kurvenradien) möglich ist. Zusammen mit der Messung der zurückgelegten Strecke ist eine recht genaue Positionsbestimmung möglich (Koppelnavigation), die schon heute in manchen GPS-Navigationsanlagen die Anzeige fortführt, wenn die Satellitensignale (etwa im Tunnel) ausfallen.
Bei jedem Kreiselsystem würde aber über längere Zeiträume jede kleine Unwucht zu einer anwachsenden Kreiseldrift führen, die insbesondere im Flugwesen sehr störend wäre. Daher entwickelt man magnetgestützte Gyrosyn-Geräte, welche die Richtungsmessung auch über längere Zeit stabilisieren.

In jedem Flugzeug-Cockpit befinden sichmehrere Kreiselinstrumente. Das wichtigste ist der künstliche Horizont: er zeigt dem Piloten eine Linie, die vor dem Start horizontal ausgerichtet wird. Während des Fluges hält der Horizontkreisel infolge seiner Achsenstabilität diese Linie in der Horizontalen, auch wenn sich das Flugzeug nach vorn, nach hinten oder zur Seite neigt. Damit kann man im Cockpit die räumliche Lage des Flugzeugs bestimmen, auch wenn Dunkelheit, Wolken oder flugbahnbedingte Fliehkräfte eine unmittelbare visuelle Orientierung erschweren (siehe Blindflug). Ein anderes Kreiselgerät ist der Wendezeiger, der einen genau kontrollierten [[Kurvenflug] ermöglicht.

Torpedos oder unbemannte Fluggeräten wie z.B. ballistische Raketen benötigen keinen künstlichen Horizont. Statt dessen wird ein Kreiselinstrument direkt an die Steuerung angeschlossen, was erstmals bei der A4 (V2-Rakete) im 2.Weltkrieg geschah. Die Kreiselsteuerung dient dazu, unerwänschte Einflüsse wie die Abdrift durch Wind oder Unregelmäßigkeiten im Antrieb zu kompensieren, um die programmierte Flugbahn einzuhalten. Sie ist heute meist Teil eines inertialen Navigationssystems (INS).

Bei Modellflugzeugen und -hubschraubern werden Gyroskope eingesetzt, um eine oder mehrere Achsen gegen Wind oder gegen Nebeneffekte der Steuerung zu stabilisieren, weil diese andernfalls nur schwer steuerbar sind. So ist es möglich, den Drehmomentausgleich (via Heckrotor) -- eigentlich die größte fliegerische Herausforderung beim Hubschrauberflug -- komplett dem "Autopiloten" anzuvertrauen. Dabei kommen mechanische Kreisel ebenso wie Piezo-Sensoren zur Anwendung; in beiden Fällen werden die Steuerkorrekturen über integrierte Mikrocontroller direkt im Flugmodell errechnet.

In der Raumfahrt dienen Kreisel zur Lageregelung, siehe Trägheitsrad und Reaktionsrad. Das präziseste und technisch anspruchvollste Kreiselinstrument wurde für den im April 2004 gestarteten Gravity Probe Satelliten konstruiert, dessen erste Ergebnisse im April 2007 bekannt wurden.

Heute werden für die Flugnavigation Laserkreisel verwendet. Sie teilen zwar den Namen, funktionieren aber völlig anders als ein mechanischer Kreisel.

Ebenfalls zum Einsatz kommen Gyroskope in kreiselstabilisierten Ferngläsern, bei denen das Kreiselinstrument eine Beobachtung auch von Schnellbooten oder aus Helikoptern bzw. Kraftfahrzeugen heraus ermöglicht.

Wiki- und Weblinks

• Kreiselstabilisierung, Vermessungskreisel, Kurskreisel
• Echolog: Gyrocars - zweirädrige Autos
• Designstudie der Firma Bombardier für ein einrädriges Motorrad (1 MB Flash-Animation)
• Bericht der Stanford University über das Instrument für Gravity Probe