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Sport / Private Ground School

Lesson 2 

Aircraft Systems

Fuselage

• Body of Aircraft

• Cabin and Flight Deck

• Seats / Baggage area

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• Engine and Propeller– Engine produces power

– Propeller produces thrust

• Generates electrical power

• Environmental system

• Other Accessories

Powerplant

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Wings and Landing Gear

• Wings

– Monoplane or biplane

– High and low wing 

• Landing Gear

– Tail Wheel or tricycle

– Fixed or retractable

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Control Surfaces

• Primary

– Ailerons ‐ roll

– Elevator ‐ pitch

– Rudder ‐ yaw

• Secondary

– Flaps

– Trim tabs

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Empennage

• Horizontal Stabilizer

– Elevator ‐ pitch

• Vertical Stabilizer

– Rudder ‐ yaw

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Flight Display (Instruments)

• Eyes outside about 90% of the time (VFR)

– See and Avoid Traffic

– Scan instruments                                             briefly

– “6 pack”• Airspeed Indicator

• Attitude Indicator

• Altimeter

• Turn Coordinator

• Heading Indicator

• Vertical Speed Indicator

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Magnetic Compass

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• Bar magnet with two poles automatically aligns with the earth’s magnetic fields

• No dependency on electrical or vacuum system

Magnetic Compass

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• Variation – angular difference between true and magnetic

• Deviation – compass error caused by magnetic fields of the airplane and its electrical electronic equipment

• Magnetic dip – tendency for the magnet in the compass to be pulled downward, especially near poles.  To counteract dip, a weight is placed opposite the magnet in the compass, but that contributes to some errors.

Magnetic Compass Errors

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• Acceleration error: – Intertia causes the weight on the south end of the compass to move slightly ahead when aircraft decelerates or behind when accelerating

– Acceleration error is more pronounced as you move closer to due east or west.

– ANDS (Accelerate North, Decelerate South)

• Turning error– Most pronounced when turning from headings of north or south “North lags, south leads”

– UNOS (Undershoot North,Overshoot South)

Coping with Compass Error

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• Heading indicator used as primary heading reference

• Compass only accurate when flying in smooth air, in straight‐and‐level, unaccelerated flight

Gyroscopic Instruments

1) Attitude Indicator (Artificial Horizon)

2) Heading Indicator (Directional Gyro)

3) Turn Coordinator

• Power by either vacuum system or electrical system

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Rigidity in Space / Precession

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Heading Indicator

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• Easier to read than compass

– North: 360 degrees 

– East: 90 degrees

– South: 180 degrees

– West: 270 degrees

• Expressing: 10 degrees would be “zero one zero degrees”

• Due to precession readjust DG every 15 minutes to compass

Attitude Indicator

• Depicts both pitch and bank information

• Miniature airplane is adjustable and should be set to match the level flight indication of the horizon bar

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Turn Coordinator

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• Gyroscopic part – indicates direction and rate of turn, used for establishing “Standard rate” or “Two minute” turn (3˚per second)

• Inclinometer – shows coordination (proper use of rudder).  

• “Step on the ball” – apply rudder pressure on the side to which the ball is deflected

Turn Coordinator

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Pitot‐Static Instruments

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• Rely on air pressure differences to measure speed and altitude

• Airspeed indicator, altimeter, and VSI use static air pressure

• Airspeed indicator also uses ram air pressure.  Airspeed is determined by comparing ram air pressure with static pressure

Pitot‐Static Blockages

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• Clogged pitot only affects airspeed– airspeed will decrease to zero as gauge detects no difference between pitot and static pressure

• Clogged static affects airspeed, altimeter, VSI– Airspeed will read slower if airplane is operated above altitude that port froze and visa‐versa

– Altimeter will be frozen

– VSI will read “zero”

Airspeed Indicator

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• Pitot tube measures dynamic pressure to show speed

• Divided into airspeed ranges

– White Range: Flap Operation Speeds

– Green Range: Normal Operating Speeds

– Yellow Range: Caution speeds

– Red Line (Higher speed): Never Exceed Speed

– Red Line (Lower speed):  Low Speed Awareness

Airspeed Indicator

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Airspeeds (V Speeds)

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• Vso – Stall Speed Landing Configuration• Vs – Stall Speed Clean Configuration • Vr – Rotation Speed• Vg – Best Glide Speed• Vx – Best Angle of Climb• Vy – Best Rate of Climb• Va – Maneuvering Speed• Vfe – Max Flap Extend Speed• Vno – Max Structural Cruising Speed• Vne – Never Exceed Speed

Airspeeds

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• Indicated Airspeed IAS – Direct reading from the airspeed indicator, uncorrected for atmospheric, instrument, or installation errors

• Calibrated Airspeed CAS – Indicated airspeed corrected for installation and position error

• True Airspeed TAS – Calibrated airspeed corrected for altitude and non‐standard temperature

• Groundspeed GS – True airspeed adjusted for the wind

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Airspeed and Altitude

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• Increase in altitude results in increase in true airspeed for the same indicated airspeed

• True airspeed increases for same IAS as altitude increases  (Roughly 2% per 1,000’).  – 100kts IAS at sea level = 100kts TAS.  – 100kts IAS at 10,000’ = 120kts TAS

• Always use indicated airspeed for takeoff / landing / stalls / maneuvers

Altimeter

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• Pressure Sensitive – Measures outside static air pressure

• Set barometric pressure                                        in Kollsman window

• Set altitude to field elevation

when altimeter setting is 

unavailable

Altimeter

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• Longest pointer shows 100s’

• Mid‐sized pointer shows 1000s’ 

• Shortest pointer shows 10,000s’

• Increasing altimeter setting will increase indicated altitude (1000 feet for every 1 inch of Hg)

10,500’

Reading the Altimeter

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Reading the Altimeter

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• Indicated Altitude: Read from altimeter

• Pressure Altitude: Height above the standard datum plane. Theoretical level where weight of the atmosphere is 29.92” Hg.– What the altimeter reads when set to 29.92 

• Density Altitude: Pressure Altitude corrected for non‐standard temperature. Density Altitude increases as ambient air temperature increases or pressure decreases

Reading the Altimeter

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• True Altitude: Height above Mean Sea Level (MSL)

• Absolute Altitude: Height Above Ground Level (AGL)

• True = Pressure = Indicated when standard atmospheric conditions exist

• True altitude = field elevation when altimeter is set to local pressure setting

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Altimeter Errors

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• Accuracy depends on how much pressure, temp, and lapse rates deviate from standard, and how recently you reset your altimeter

• Most common error results from failure to reset altimeter:  If altimeter changes from 30.00 to 29.50, you’ll be off by 500’

• From high to low… look out below

• From hot to cold… look out below

Vertical Speed Indicator

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• Trend information – Indication of increase or decrease in aircraft rate of climb or descent

• Rate information displayed in feet per minute

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Engine and Propeller

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• Powerplant – combination of engine and propeller

– Work together to produce thrust

– Drive various other aircraft systems

Reciprocating Engines

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• Convert chemical energy into mechanical energy

• Characteristics:

– Cylinder arrangement

• Radial, horizontally opposed, rotary

– Number of cylinders

• 4, 6, or more

– Method of cooling

• Liquid or air

– Naturally aspirated or turbo/ super

charged

Induction System

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• Brings in outside air to mix with fuel for combustion

– Volume of air controlled by throttle

– Fuel by the mixture 

• Mixing of fuel and air to engine– Carburetor

– Fuel Injection

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Carbureted Engines

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• Outside air flows through an air filter

• Air passes through a venturi

– Air speeds up, pressure lowers

• Pressure difference draws fuel from the float chamber to mix with air

• Throttle controls volume of air

– therefore amount of vaporized fuel

that will enter cylinders

Carburetor Icing

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• Ice can form in venturi or around throttle valve

– Temperature drop due to fuel vaporization

• Temperature drops as much as 60‐70ºF (15‐21ºC)

• Favorable conditions for carburetor icing are

– High humidity

– Temperatures between 20ºF to 70ºF (‐7ºC to 21ºC)

– POSSIBLE AT ANY TEMPERATURE OR HUMIDITY

Carburetor Icing

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Indications of Carburetor Icing

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• In a fixed pitch propeller airplane:

– Loss of RPM

• The ice will accumulate and block the airflow, just as the throttle valve does when it closes causing a reduction in RPM

• In a constant speed propeller airplane:

– Loss in manifold pressure

Carburetor Heat

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• When the carburetor heat is turned on– Air is ducted from around the hot exhaust muffler

– The warmer air flows into the carburetor and melts the ice

– The melting ice produces an additional loss of RPM and possible engine roughness

– Symptoms should clear within 30 seconds

– The RPM will gradually increase once the ice is melted

Carburetor Heat

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• Turn on carburetor heat without delay– Carb heat requires exhaust heat

– A dead engine will cool quickly, and may not leave enough residual heat

• Should be applied with reduced power settings as a preventative measure

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Fuel‐Injected Engines

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• A fuel‐injection system consists of:

– Engine‐driven fuel pump• Provides pressurized fuel from the fuel tank to the fuel/air control unit once engine is running

– Auxiliary (electrically‐driven) fuel pump

• Provides pressurized fuel to the fuel/air control for starting or emergency use

Fuel‐Injected Engines

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– A fuel/air control unit

• Meters fuel based on the mixture setting (more throttle = more fuel and air)

– A fuel distributor

• To distribute fuel to the individual fuel discharge nozzles located at each cylinder

– Fuel discharge nozzles

• To inject the fuel directly into each cylinder

– Fuel pressure/flow indicator

• To tell you how much fuel is flowing to the engine

Fuel‐Injected Engines

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Fuel‐Injected Engines

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• All aircraft are susceptible to impact icing of intake air– Automatic or manually actuated 

alternate air source

– Carburetor heat serves as alternate air on carbureted aircraft

Fuel‐Injected Engines

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• Advantages:

– Better fuel economy

• Better fuel distribution

• More precise control of mixture

– Faster throttle response

– Easier cold weather starts

– No carburetor ice

• Disadvantages

– Difficulty starting a hot engine

– Vapor lock on hot days

– Problems with engine restart when engine fails due to fuel starvation

• Cylinders

• Pistons

• Intake Valves

• Exhaust Valves

• Spark Plugs

• Crankcase

• Crankshaft

• Connecting Rod

Basic Engine Parts

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The 4‐Stroke Engine

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• Induction Stroke

• Compression Stroke

• Power Stroke

• Exhaust Stroke

Operating the Engine

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• Engine needs:

– Fuel, air, and spark 

– Oil for lubrication, cooling and cleaning

• You control:

– The amount of fuel that is mixed with air

– This is referred to as the “mixture”

• Desired air‐to‐fuel ratio (by weight) is:

– 15 parts air to 1 part avgas (15:1)

Adjusting the Mixture

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• Air decreases in density with increase in altitude– A given volume of air will have fewer molecules and therefore less mass

– A proper ratio of air mass to fuel mass must be maintained• Compensation for changing                                                                air density is controlled by                                                          the mixture

– Adjust for best economy or

best power

Operating the Engine

52

• If the mixture has:– Too little fuel for the amount of air = too “lean”

– Too much fuel for the amount of air = too “rich”

• If the mixture is too lean or too rich– The fuel mixture will not burn properly– The engine won’t run smoothly

– Overly rich mixture will cause carbon build‐up on the sparkplugs

Leaning the mixture

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• Lean the mixture when

– Using 75% power or less

– Above 3000ft MSL

• Even when at full throttle and/or climbing

• Anytime above 3000ft MSL, aircraft will be less than 75% power

Leaning the mixture

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• To lean the mixture– Use an EGT (exhaust gas temperature)

– G1000 can use “lean assist”

– Or lean using RPM method

• Full‐rich mixture should be used– At high power settings below 3000ft MSL

• Takeoffs and landings

– Before landing in case of go around

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Engine Temperature

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• Primary method of cooling the engine is airflow (cooling fins, baffles, cowl flaps control cooling)

• Air enters the inlets in the nose– Directed around cylinders by the baffles– Leaves through the bottom of the cowling– Carries away heat

• Fuel/air mixture directly affects the engine temperature– The richer the mixture ‐ the lower the engine temperature, excess fuel carries heat away

– The more lean the mixture ‐ The higher the engine temperature

Cooling System

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• If too hot:– Reduce the rate of climb/ Increase airspeed

– Reduce power– Enrich mixture

• Indicated by:– Oil Temp– Cylinder Head Temp– Exhaust Gas Temp

High Engine Temperature

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• Loss of power

• Excessive oil consumption

• Engine Damage

• Detonation and/ or pre‐ignition

Detonation

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• Fuel/air mixture explodes within combustion chamber instead of burning smoothly

– Excessive temperature or cylinder/piston damage can occur

Detonation

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• Can be caused by:

– Too low of a fuel grade (most airplanes use 100LL or 100 AVGAS)

– Operating at too high of a power setting with excessively lean mixture

– Extended ground operations where the cylinder cooling is reduced

Pre‐Ignition

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• Occurs when fuel/air mixture in the cylinder ignites too soon

– Hot spots on the piston, cylinder, or valves

– Causes a loss of power

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Fuel System

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• Two main types:

– Gravity feed

– Fuel‐pump systems

Fuel System

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• Fuel‐pump systems

– Use electric and engine‐driven fuel pumps

– Common in low‐wing airplanes

Fuel Pump

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• Fuel pump failure detected by fuel flow reduction– Just prior to power loss

• Auxiliary fuel pump used in the event of engine‐driven pump failure

• Aux fuel pump used for:– Starting engine

– Purge vapor from fuel‐injection lines

– Emergencies

Fuel Tanks

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• Each fuel tank has a vent

– Built into the fuel cap

– External fuel vent

Fuel Strainers, Sumps and Drains

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• Drains in the low points of fuel system (C172S)

– Wings

– Belly

Fuel Sample

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• Check fuel sample for:

– Proper smell

– Proper color

– Water free

– Free of contamination

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Fuel Selector

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• Control fuel flow from individual tanks

– Keep tanks balanced

Fuel Shutoff Valve

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• Cuts fuel in emergency

• Used to stop or prevent fire

• Push in fully before takeoff

Fuel Quantity

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• Fuel Gauges only must be accurate when at zero in level attitude

– Check fuel tanks visually before flight

– Perform calculations

• Fuel quantity indicators will not work under electrical failure (with electrically operated gauges)

Airplane Oil

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• Oil protects engine’s internal parts

– Lubricates, cleans, and cools engine

– Check oil pressure immediately after engine start

– Monitor engine temp and pressure throughout flight

Airplane Oil

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• Dry‐sump – oil stored in separate tank and circulated w/pump• Wet‐sump – oil kept in a sump which is an integral part of the 

engine

• Oil pressure:– Too low – oil pump not putting out enough pressure to circulate 

oil– Too high – could indicate clogged line– Immediately check after starting engine 

• Oil temperature:– Too high – could indicate plugged oil line, low quantity, or 

defective gauge– Rotax recommends getting oil to 190°F at some point during each 

flight to evaporate any water in the oil

Ignition System

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• Airplanes have dual ignition system– Two magnetos, L and R

– Two sets of ignition wires

– Two spark plugs per cylinder

• Duplication allows for:– Redundancy

– Improved engine performance

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Magnetos

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• Uses permanent magnets to generate an electrical current – independent of electrical system

• Directly connected to engine

• Provides electricity for the spark plugs

Ignition Switch

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• Switch has 2 purposes– Sends power to the starter motor– Turns the magnetos on and off

• Turning the ignition switch to the OFF position– Grounds, or short circuits, both magnetos

– Electricity goes through a wire called the p‐lead (primary lead) to the ground

– Referred to as grounding

Ignition Switch

75

• Turning the ignition switch to the L (Left) Position– Deactivates right magneto, and

– The engine will only run off of the left magneto

• And vice versa

• Magnetos will not quit after electrical failure

Magneto Check

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• You should see a drop in RPM when engine is running on one magneto

Magneto Safety

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• Never leave the keys in the aircraft ignition unless you are starting the airplane

– Engine can start if key is not at the OFF position and propeller is moved

Propeller

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• Engine power is converted to thrust via the propeller– Propeller may be connected directly to 

the crankshaft

– Turns at same speed as the engine

OR

– Propeller may be slowed down by system of gears

– Measured as revolutions per minute (RPM)

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Propeller

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• Propellers are twisted

– Greatest pitch angle at the hub

– Smallest pitch angle at the tip

• Uniform thrust is produced along the length of the blade

Fixed‐Pitch Propeller

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• The pitch, or blade angle, is set at the factory

– Determines how much of a “bite” of air the propeller takes

• Large blade angle is good for cruise

• Small blade angle is good for climb

• Most aircraft manufacturers choose a compromise

Adjustable‐Pitch Propeller

81

• Most common type is a “constant speed propeller”

– A propeller governor will use oil pressure to adjust the propeller blade angle to maintain constant RPM

Constant Speed Propeller

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• Throttle controls engine power output– Indicated on  manifold pressure 

gauge

• Propeller control is used to select RPM

• Use acceptable manifold pressure (throttle) setting and RPM (prop) combinations according to POH

Hydraulic system

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• Brake system uses hydraulic fluid

– Check for leaks

– Fluid is red

– Pedal feel

• Hydraulically actuated              landing gear

Electrical System

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• Alternator

• Battery

• Master switch

• Circuit breakers

• 28 volt or 14 volt systems

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Alternator

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• Provides electrical power to the airplane

• Charges battery

Battery

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• Used to start engine

• Provide electrical power when engine is off

• Power reserve in case of alternator failure

Master Switch

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• Electrical system “on/off” switch

– Switch switch

• Battery switch

• Alternator switch

Circuit Breakers

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• Modern airplanes uses circuit breakers, not fuses

– Prevents circuit overloads

• If circuit breaker pops out, reset circuit breaker one time if no smoke exists

• If circuit breaker pops out again, get a mechanic

TEST TIME!

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