测量飞机姿态的仪表陀螺仪表

第二部分姿态仪表1、陀螺的一般知识及陀螺仪表的动力源2、地平仪：功用、基本原理、误差及使用3、转弯侧滑仪：功用、基本原理、指示及使用（一）陀螺的一般知识1、陀螺(gyroscope)：测量物体相对惯性空间转角或角速度的装置。种类：普通刚体转子陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、粒子陀螺、低温超导陀螺等。刚体转子陀螺：能够绕一个支点高速旋转的物体。一、陀螺的一般知识及陀螺仪表的动力源2、刚体转子陀螺刚体转子陀螺结构：转子、内框、外框和基座3、刚体转子陀螺分类根据自转轴具有的自由度：两自由度陀螺、单自由度陀螺根据动力：电动、气动4、两自由度陀螺的特性进动性、稳定性(1)进动性(precession)受外力矩作用时，两自由度陀螺转动方向(指角速度矢量方向)与外力矩作用方向相互垂直的特性，称为两自由陀螺的进动性。进动性(precession)进动方向角动量矢量(或自转角速度矢量)沿最短途径转向外力矩矢量的方向。进动方向或右手螺旋法则：将右手大拇指伸直，其余四指以最短路线从角动矢量方向握向外力矩矢量的方向，则大拇指的方向就是进动角速度矢量的方向特殊情况框架自锁：如果θ=90°，自转轴与外框轴重合，陀螺失去一个转动自由度。“飞转”：当θ较大，或“框架自锁”时，陀螺在外力矩的作用下可能会绕内、外框轴高速转动。应尽量避免陀螺“飞转”。(2)稳定性(stabilityofgyroscope)稳定性定义两自由度陀螺能够抵抗干扰力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方向稳定的特性，称为陀螺的稳定性。两种表现形式：·漂移－－在干扰力矩作用下，陀螺产生很小进动。（目前常用陀螺漂移率12°—1°/小时，惯性级陀螺漂移率0.01°～0.001°/小时。）··章动－－当陀螺受到冲击力矩作用时，自转轴将在原来的空间方向附近作高频微幅园锥形振荡运动。频率很高，大于几百赫；振幅很小，小于角分量级；会很快衰减。(3)两自由度陀螺相对于地球的运动——表观运动不管陀螺在地球上什么地方，只要陀螺自转轴与地球自转轴不平行或不重合都存在相对运动。原因：陀螺自转轴相对惯性空间保持稳定，地球相对惯性空间运动。5、单自由度陀螺的特性——进动性（1）定义单自由度陀螺基座绕其缺少自由度的方向转动时，陀螺将绕内框轴转动。（2）进动方向角动量矢量(或自转角速度矢量)沿最短途径转向基座旋转角速度矢量方向。应用：测量角速度、角位移，如转弯仪等（二）陀螺仪表的动力源飞机上的陀螺仪表：地平仪、陀螺半罗盘和转弯侧滑仪。它们靠气源或电驱动。大多数轻型飞机上，地平仪和陀螺半罗盘的气源由真空系统提供，转弯仪由电气系统供电。飞行期间，应重视对真空系统真空度的监视。如果真空系统压力在正常范围（4.45.2inHg）以外，气动陀螺仪表（通常指的是气动地平仪和气动陀螺半罗盘）的指示不可靠。有些飞机上装备有真空系统压力低“GYROS”警告灯，当真空系统压力低于33.5inHg时，该灯燃亮二、航空地平仪(gyrohorizon)（一）功用测量和指示飞机的俯仰角和倾斜角(二)基本原理俯仰角：飞机纵轴与地平面的夹角，即飞机绕横向水平轴转动的角度。倾斜角：飞机对称面与通过飞机纵轴所作的铅垂面之间的夹角，即飞机绕纵轴转动的角度；无俯仰时，也等于飞机横轴与地平面的夹角。怎样测量俯仰角和倾斜角？单摆——具有地垂性，但不稳定。陀螺——具有稳定性，但不能跟踪地垂线。原理：利用摆的地垂性修正陀螺，利用陀螺的稳定性建立稳定的人工地垂线，从而根据飞机和陀螺的关系测量飞机的俯仰角和倾斜角。（三）组成及分类组成:1、两自由度陀螺建立稳定的测量基准电动、气动，转速高达23000转/分2、地垂修正器测量地垂线并对陀螺进行地垂修正常用固体摆式修正器、液体摆式修正器3、指示机构指示姿态角（或同位器传送电信号）4、控制机构（1）陀螺控制机构（或上锁机构）缩短起动时间和快速消除误差（2）摆的控制机构转弯、加速时切断修正减小误差分类直读式：陀螺直接带动指示远读式：陀螺通过远传带动指示(又称为姿态系统。由陀螺传感器和指示器组成。）（四）使用特点地面起动要求：（1）转子达到额定转速。由时间保证或收警告旗判断。（2）自转轴处于地垂线方向。由指示停机角反映。方法：适当时候上锁，加快起动。地面起动例如H321：（1）通电，约3分钟，收旗；（2）拉锁；（3）放锁，直到指示停机角，起动毕。地面起动BDP—1：（1）上锁，通电；（2）1—2分钟后开锁；（3）待指示停机角，起动毕。空中使用1、平飞平飞时有一定的迎角，参照升降速度表调整。2、加速加或减速时，惯性力使摆偏离地垂线，对陀螺进行错误修正，使地平仪出现上仰或下俯误差。用升降速度表和转弯侧滑仪检查。3、盘旋和转弯盘旋或转弯时，惯性离心力使摆偏离地垂线方向，对陀螺进行错误修正，使地平仪的俯仰和倾斜指示产生误差。改平后，用升降速度表和转弯侧滑仪检查。4、修正方法飞机改平、匀速飞行时，先上锁，后开锁，消除误差。5、使用完毕断电，上锁；或根据要求。三、转弯侧滑仪（一）转弯仪(turnindicator)1、功用：（1）指示飞机转弯(或盘旋)方向；（2）粗略反映转弯的快慢程度；（3）有的还能指示飞机在某一真空速时无侧滑转弯的坡度(倾斜角)。2、原理组成：单自由度陀螺、平衡弹簧、空气阻尼器和指示机构等原理：转弯仪是利用单自由度陀螺进动性工作的。1）指示转弯方向ω→单自由度陀螺→进动→指示转弯方向2）指示转弯快慢飞机转弯时引起陀螺进动的力矩L＝ＪΩωcos(γ－α)式中：ω—飞机转弯角速度；γ—飞机倾斜角；α—内框转角。陀螺内框转角不大时L≈JΩωcosγ平衡弹簧的力矩为M＝ＫαK—弹性力矩系数。指针稳定时M＝L∴α＝（JΩ/K）ωcosγ故，α粗略反映ω。3）指示飞机无侧滑转弯时的倾斜角tgγ＝Fi/G而Fi＝mvωG＝mg式中：m—飞机的质量；v—飞机的飞行速度；g—重力加速度。因此，tgγ＝mvω/mg＝vω/g即ω＝（g/v）tgγ代入式α＝（JΩ/K）ωcosγ中则α＝（JΩg/Kv）sinγ当v一定时，α可指示γ。3、指示当小飞机翼尖或指针对准“L”或“R”标线时，表示飞机以标准角速度(3°/秒)转弯。若无侧滑，飞机转360°需要2分钟时间。这就是转弯仪表面上标有“2MIN”字样的含义。（二）侧滑仪(slipindicator)1、功用指示飞机有无侧滑和侧滑方向（与转弯仪配合，协调转弯）。原理：利用单摆模拟飞机承受的横向合力，根据摆锤在横向合力作用下的运动状态指示飞机侧滑。2、原理2、原理结构；小球（敏感元件）、玻璃管和阻尼液等通过小球感受沿飞机横侧方向的剩余侧力来指示飞机在飞行中有无侧滑1）直线飞行重力使小球偏离中央，指示侧滑。2）转弯飞行（1）协调转弯ω与γ配合适当FX－ＧX＝0或FX＝GX小球在中央（2）外侧滑γ过小或ω过大FX＞ＧX或Fcosγ＞Gsinγ小球移向右(外)侧（3）内侧滑γ过大或ω过小FX＜GX或Fcosγ＜Gsinγ小球移向左(内)侧横向合力越大，小球偏离中央位置越远，表示侧滑越严重。3、使用特点1）接通电源，转速正常(按规定时间或警告旗收起)后使用。2）注意综合使用转弯仪和罗盘小结飞机上有三种陀螺仪表：地平仪、陀螺半罗盘和转弯侧滑仪。它们靠气源或电驱动。大多数轻型飞机上，地平仪和陀螺半罗盘的气源由真空系统提供，转弯仪由电气系统供电。这样配置保证了某一系统失效时有备份系统真空系统内有一个由发动机驱动的真空泵,用来向地平仪和陀螺半罗盘提供气源。飞行期间，应重视对真空系统真空度的监视。如果真空系统压力在正常范围（4.45.2inHg）以外，气动陀螺仪表（通常指的是气动地平仪和气动陀螺半罗盘）的指示不可靠。有些飞机上装备有真空系统压力低“GYROS”警告灯，当真空系统压力低于33.5inHg时，该灯燃亮。地平仪和陀螺半罗盘使用的是两自由度陀螺，该陀螺具有两大特性：稳定性和进动性。稳定性是指陀螺一旦高速旋转起来,就会表现出抵抗干扰力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方向不变的特性。进动性是指陀螺在外力矩作用下，其转动方向与外力矩作用方向相互垂直的特性。地平仪地平仪用来测量和指示飞机的俯仰角和倾斜角。地平仪的基本原理就是利用摆的地垂性修正陀螺，利用陀螺的稳定性建立稳定的人工地垂线，从而根据飞机和陀螺的关系测量飞机的俯仰角和倾斜角。飞机转弯或盘旋时，惯性离心力使摆偏离地垂线，并对陀螺进行错误修正，造成自转轴偏离地垂线，使地平仪的俯仰和倾斜指示产生误差。。在飞机加速或减速时，惯性力使摆偏离地垂线，并对陀螺进行错误修正，造成自转轴偏离地垂线，从而产生误差。飞机加速时，地平仪指示飞机爬升；飞机减速时情况相反。地平仪上的锁定手柄可以在地平仪起动时或飞机机动飞行后使自转轴迅速恢复到地垂线方向（陀螺直立），从而缩短起动时间或消除机动飞行过程中产生的指示误差。飞行时，如果在地面未使地平仪投入工作，飞机起飞后，在飞机匀速平飞时，应拉动锁定手柄，让转子平面平行于地平面，使仪表指示正确。转弯仪用于指示飞机转弯或盘旋的方向，并粗略地反映转弯的快慢程度。有的转弯仪在飞机真空速与它表面标注的真空速相等时,能指示飞机无侧滑转弯的坡度。侧滑仪用于指示飞机有无侧滑和侧滑的方向，与转弯仪配合，供驾驶员操纵飞机协调转弯。转弯仪利用单自由度陀螺的进动性工作。当小飞机翼尖或指针对准“L”或“R”标线时，表示飞机以标准角速度(3°/秒)转弯。若无侧滑，飞机转360°需要2分钟时间。这就是转弯仪表面上标有“2MIN”字样的含义。侧滑仪中的小球通过感受沿飞机横侧方向的剩余侧力来指示飞机在飞行中有无侧滑。重力在横轴方向的分力和惯性离心力在横轴方向的分力使飞机向相反方向运动。在协调转弯期间，两个分力大小相等，方向相反，侧滑仪中的小球处于玻璃管中央；外侧滑时，小球向转弯外侧移动；内侧滑时，小球向转弯内侧移动。飞机转弯中，判断飞机的侧滑方向时，应根据转弯方向，再看小球偏离中央的方向来决定。