[科普中國]-陀螺地平儀

陀螺地平儀是利用三自由度陀螺儀的特性和擺的特性做成的陀螺儀表，用來測量飛機(jī)的姿態(tài)角。飛行員憑借陀螺地平儀的指示，才能保持飛機(jī)的正確姿態(tài)，完成飛行和作戰(zhàn)任務(wù)。特別是在云中飛行或進(jìn)行夜航時(shí)，飛行員看不見大地的地平線和地標(biāo)，如不借助儀表，駕駛飛機(jī)就十分困難；而且，飛行員容易產(chǎn)生錯(cuò)覺，甚至可能造成機(jī)毀人亡的事故。由于飛行姿態(tài)對飛行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有決定性的影響，對保證飛行安全也具有極大的重要性，因此，作為首要飛行儀表的陀螺地平儀通常都安裝在飛機(jī)儀表板中間的最顯眼位置上。在有些飛機(jī)上還加裝了應(yīng)急地平儀，以備主地平儀出現(xiàn)故障時(shí)使用。

飛機(jī)的姿態(tài)角是指俯仰角和傾斜角。假如飛機(jī)上有一個(gè)地平面基準(zhǔn)，當(dāng)飛機(jī)抬頭或低頭時(shí)，飛機(jī)縱軸與這個(gè)地平面之間的夾角就是飛機(jī)的俯仰角。當(dāng)飛機(jī)繞縱軸向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，飛機(jī)縱向?qū)ΨQ平面繞縱軸轉(zhuǎn)過的角度就是飛機(jī)的傾斜角。

要測得飛機(jī)的姿態(tài)角，關(guān)鍵是在飛機(jī)上建立一個(gè)地平面或地垂線基準(zhǔn)。我們知道，擺能夠自動(dòng)尋找地垂線具有方向敏感性；但它受加速度干擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，缺少方向穩(wěn)定性。我們也知道三自由度陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸并不因加速度干擾而改變方向，具有方向穩(wěn)定性;但它卻不能自動(dòng)尋找地垂線，沒有方向敏感性。即使把自轉(zhuǎn)軸調(diào)整到與地垂線重合，由于地球自轉(zhuǎn)和飛機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地垂線在慣性空間不斷改變方向，而且陀螺漂移導(dǎo)致自轉(zhuǎn)軸在慣性空間也不斷改變方向,這就使得起初與地垂線重合的自轉(zhuǎn)軸逐漸偏離地垂線。由此想到把擺和陀螺儀二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，即用擺敏感地垂線并對陀螺儀進(jìn)行修正,使具有方向穩(wěn)定性的自轉(zhuǎn)軸獲得方向敏感性，這樣便可在飛機(jī)上建立一個(gè)精確而穩(wěn)定的地垂線基準(zhǔn)。

以三自由度陀螺儀為基礎(chǔ)，加上修正裝置，再裝上指示機(jī)構(gòu)，就可構(gòu)成陀螺地平儀。若不裝指示機(jī)構(gòu)，而是裝上信號傳感器，則可構(gòu)成垂直陀螺儀1。

工作原理利用陀螺特性測量飛機(jī)俯仰和傾斜姿態(tài)的飛行儀表。飛行姿態(tài)對于飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和保證飛行安全都有重要的意義，因此，陀螺地平儀或指引地平儀作為首要的飛行儀表，通常被安裝在儀表板中間最顯著的位置上。

為了在飛機(jī)上測量其姿態(tài)，必須在機(jī)上建立一個(gè)地垂線或地平面基準(zhǔn)。擺具有敏感地垂線的特性，但受加速度干擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸具有方向穩(wěn)定的特性，但不能自動(dòng)找到地垂線。陀螺地平儀結(jié)合二者的特性，以陀螺儀為基礎(chǔ)，用擺式敏感元件和力矩執(zhí)行元件所組成的修正裝置對它進(jìn)行修正，使自轉(zhuǎn)軸精確而穩(wěn)定地重現(xiàn)地垂線。液體開關(guān)是現(xiàn)代地平儀常用的一種擺式敏感元件。它是具有擺的特性和電路開關(guān)特性的氣泡水準(zhǔn)儀。密封容器內(nèi)裝有特殊導(dǎo)電液體并留有氣泡，還裝有相互絕緣的電極。液體開關(guān)感受陀螺自轉(zhuǎn)軸相對地垂線的偏差，并將它變成電信號送至相應(yīng)的力矩電機(jī)，產(chǎn)生修正力矩，使自轉(zhuǎn)軸再現(xiàn)地垂線。修正速度一般為幾度每分鐘。由于緩慢修正，當(dāng)飛機(jī)加速度干擾引起液體開關(guān)的液面傾斜時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)錯(cuò)誤修正僅引起自轉(zhuǎn)軸偏離地垂線一個(gè)很小的角度。而且，當(dāng)飛機(jī)線加速度或盤旋角速度超過一定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷相應(yīng)的修正電路，以消除錯(cuò)誤修正，提高抗干擾能力。儀表起動(dòng)前陀螺自轉(zhuǎn)軸處于隨意位置，為使自轉(zhuǎn)軸快速重現(xiàn)地垂線，起動(dòng)時(shí)可加大修正力矩或靠鎖定裝置把自轉(zhuǎn)軸鎖在地垂線方向上。

陀螺外環(huán)軸平行于飛機(jī)縱軸安裝。飛機(jī)俯仰或傾側(cè)時(shí)，儀表殼體隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，而陀螺自轉(zhuǎn)軸仍然重現(xiàn)地垂線，通過指示機(jī)構(gòu)中飛機(jī)標(biāo)志相對地平線的位置，直觀而形象地顯示出飛機(jī)的姿態(tài)。為了防止俯仰角為90°時(shí)外環(huán)軸與自轉(zhuǎn)軸重合而使陀螺儀表失去正常工作條件，殲擊機(jī)地平儀中增設(shè)了隨動(dòng)環(huán)，將陀螺轉(zhuǎn)子和內(nèi)外環(huán)都安裝在隨動(dòng)環(huán)上，而隨動(dòng)環(huán)軸平行于飛機(jī)的縱軸安裝。飛機(jī)作任何姿態(tài)的機(jī)動(dòng)飛行，隨動(dòng)環(huán)都能保證自轉(zhuǎn)軸、內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸三者正交，從而使俯仰角和傾側(cè)角的顯示范圍均可達(dá)到360°。

航空陀螺地平儀在中國的教材中一般稱其為"儀表之王"，它保證了飛行員及時(shí)了解和掌握飛機(jī)俯仰、傾斜的角度，以便正確操縱飛機(jī)2。原理見圖如下：

分類蘇聯(lián)的航空陀螺地平儀主要介紹二戰(zhàn)之后的，這個(gè)時(shí)期才是蘇聯(lián)陀螺地平儀真正有特色的發(fā)展階段，尤其50-60年代研發(fā)的幾款地平儀更是經(jīng)典設(shè)計(jì)，廣泛裝備當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)主導(dǎo)的華約組織、中國等國家的各型號軍民用飛機(jī)。

二戰(zhàn)時(shí)期的飛機(jī)機(jī)載設(shè)備還相對簡單，陀螺地平儀大多為純機(jī)械陀螺，陀螺馬達(dá)旋轉(zhuǎn)主要靠機(jī)上的高壓氣源驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，可靠性不是很好；隨著機(jī)上電源技術(shù)的進(jìn)步，穩(wěn)定的400hz電源保證了那個(gè)時(shí)代新開發(fā)的三相異步陀螺馬達(dá)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，從而蘇聯(lián)誕生了一批應(yīng)用精巧思維設(shè)計(jì)的陀螺地平儀等一系列機(jī)電儀表，座艙儀表自此實(shí)現(xiàn)基本的電氣化。由此航空陀螺地平儀主要分為直讀地平儀和遠(yuǎn)讀地平儀2。

直讀式直接通過表的指示機(jī)構(gòu)表示飛機(jī)姿態(tài)。遠(yuǎn)讀式通過裝在陀螺儀上的傳感元件輸出飛機(jī)姿態(tài)信號，由遠(yuǎn)距傳輸系統(tǒng)送到地平指示器進(jìn)行顯示。這種帶有信號傳感元件的陀螺儀稱為垂直陀螺，它作為姿態(tài)傳感器可向各機(jī)載系統(tǒng)提供飛機(jī)俯仰和傾側(cè)角信號。殲擊機(jī)用直讀式地平儀，在飛機(jī)爬升時(shí)，飛機(jī)標(biāo)志移到地平線下方，俯沖時(shí)則相反，不符合直觀感覺，遠(yuǎn)讀式地平儀則能克服這一缺點(diǎn)。

注意事項(xiàng)飛行姿態(tài)對于飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和保證飛行安全都有重要的意義，因此，陀螺地平儀或指引地平儀作為首要的飛行儀表，通常被安裝在儀表板中間最顯著的位置上。