第3章測量飛機(jī)姿態(tài)的儀表

1、第第3章章 測量飛機(jī)姿態(tài)的儀表測量飛機(jī)姿態(tài)的儀表 l測量飛機(jī)姿態(tài)角和姿態(tài)角速度的儀表。l姿態(tài)顯示儀表主要是地平儀、轉(zhuǎn)彎儀和側(cè)滑儀l地平儀和轉(zhuǎn)彎儀是利用陀螺作為敏感元件制成 本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：l要求：要求：陀螺及分類，陀螺特性及影響因陀螺及分類，陀螺特性及影響因 素，表觀運(yùn)動(dòng)；激光陀螺定義、素，表觀運(yùn)動(dòng)；激光陀螺定義、 原理。本節(jié)是重點(diǎn)。原理。本節(jié)是重點(diǎn)。l方法：方法：實(shí)驗(yàn)、實(shí)例、分析實(shí)驗(yàn)、實(shí)例、分析(1)(1)陀螺陀螺(gyroscope)(gyroscope)：測量物體相對慣性空間轉(zhuǎn)角或測量物體相對慣性空間轉(zhuǎn)角或 角速度的裝置。角速度的裝置。l種類：種類：普通剛體轉(zhuǎn)子陀螺、撓性陀螺、激光陀

2、普通剛體轉(zhuǎn)子陀螺、撓性陀螺、激光陀 螺、光纖陀螺、粒子陀螺、低溫超導(dǎo)陀螺螺、光纖陀螺、粒子陀螺、低溫超導(dǎo)陀螺 等。等。l剛體轉(zhuǎn)子陀螺：剛體轉(zhuǎn)子陀螺：能夠繞一個(gè)支點(diǎn)高速旋轉(zhuǎn)的物體。能夠繞一個(gè)支點(diǎn)高速旋轉(zhuǎn)的物體。(2) 剛體轉(zhuǎn)子陀螺(3) 剛體轉(zhuǎn)子陀螺分類l根據(jù)自轉(zhuǎn)軸具有的自由度：兩自由度陀螺、單自由度陀螺根據(jù)自轉(zhuǎn)軸具有的自由度：兩自由度陀螺、單自由度陀螺l根據(jù)動(dòng)力：電動(dòng)、氣動(dòng)根據(jù)動(dòng)力：電動(dòng)、氣動(dòng)兩自由度陀螺3.2 兩自由度陀螺的特性3.3 單自由度陀螺的特性 進(jìn)動(dòng)方向進(jìn)動(dòng)方向 角動(dòng)量矢量角動(dòng)量矢量( (或自轉(zhuǎn)角速度矢量或自轉(zhuǎn)角速度矢量) )沿最短途徑轉(zhuǎn)向基座旋轉(zhuǎn)角速度矢沿最短途徑轉(zhuǎn)向基座旋轉(zhuǎn)角速

3、度矢量方向。量方向。3.4 陀螺儀表的動(dòng)力源l飛機(jī)上的陀螺儀表：地平儀、陀螺半羅盤和轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀。飛機(jī)上的陀螺儀表：地平儀、陀螺半羅盤和轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀。l它們靠氣源或電驅(qū)動(dòng)。它們靠氣源或電驅(qū)動(dòng)。l大多數(shù)輕型飛機(jī)上，地平儀和陀螺半羅盤的氣源由真空系大多數(shù)輕型飛機(jī)上，地平儀和陀螺半羅盤的氣源由真空系統(tǒng)提供，轉(zhuǎn)彎儀由電氣系統(tǒng)供電統(tǒng)提供，轉(zhuǎn)彎儀由電氣系統(tǒng)供電 。3.5 激光陀螺(laser gyroscope)(laser gyroscope) （一）概述一）概述1 1、定義、定義 應(yīng)用激光技術(shù)測量物體相應(yīng)用激光技術(shù)測量物體相對慣性空間的角速度和轉(zhuǎn)對慣性空間的角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的光學(xué)裝置。動(dòng)角度的光學(xué)裝置。

4、2、優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，沒有活動(dòng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，不存在摩擦，也不結(jié)構(gòu)簡單，沒有活動(dòng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，不存在摩擦，也不受重力加速的影響；受重力加速的影響；角速度測量范圍很寬，從角速度測量范圍很寬，從0.010.01/ /小時(shí)到小時(shí)到10001000/ /秒以秒以上；上；測量精度很高，可達(dá)測量精度很高，可達(dá)0.0010.001/ /小時(shí)；小時(shí)；能直接提供數(shù)字式輸出，與數(shù)字式計(jì)算機(jī)聯(lián)接方便；能直接提供數(shù)字式輸出，與數(shù)字式計(jì)算機(jī)聯(lián)接方便；啟動(dòng)很快，可以說是瞬間啟動(dòng)，而一般陀螺需要幾分啟動(dòng)很快，可以說是瞬間啟動(dòng)，而一般陀螺需要幾分鐘的啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間；鐘的啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間；工作可靠，壽命長，總成本不高等。工作可靠，壽命長，總

5、成本不高等。1 1、組成、組成 激光發(fā)生器、光電激光發(fā)生器、光電探測器等探測器等 敏感部分：環(huán)形激光敏感部分：環(huán)形激光腔腔l激光發(fā)生器：用來激光發(fā)生器：用來產(chǎn)生激光。產(chǎn)生激光。 l光電探測器：可以光電探測器：可以把光信號轉(zhuǎn)變成電把光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。信號輸出。2、原理 光在激光器環(huán)形光路中行進(jìn)時(shí)， 若 0， L1L2 ， L 0式中：為激光器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度； L1、L2為光束1、2的光程； L 為光束1、2的光程差。l若若 00，L L1 1LL2 2 L L 4S4SC C 即即 L L 兩束激光的光程差和轉(zhuǎn)速成正比兩束激光的光程差和轉(zhuǎn)速成正比式中：式中：S S為環(huán)形光路包圍的面積；為環(huán)形光

6、路包圍的面積； C C為光速。為光速。l根據(jù)激光產(chǎn)生的原理，光程越長，波長越長，頻率越小。根據(jù)激光產(chǎn)生的原理，光程越長，波長越長，頻率越小。l所以，所以，兩束激光的頻率差和轉(zhuǎn)速成正比兩束激光的頻率差和轉(zhuǎn)速成正比l利用光電探測器，可以測量兩束激光頻率差利用光電探測器，可以測量兩束激光頻率差(干涉條紋將會(huì)移動(dòng)，其移動(dòng)干涉條紋將會(huì)移動(dòng)，其移動(dòng)速度的大小和方向反映了角速度的大小和方向速度的大小和方向反映了角速度的大小和方向 )，從而得到載體的轉(zhuǎn)速。，從而得到載體的轉(zhuǎn)速。 設(shè)激光陀螺環(huán)形光路為正三角形L=40cm，測量地球自轉(zhuǎn)角速度，得到f=8.87Hz；地球轉(zhuǎn)一周時(shí)，兩束激光的周期數(shù)差(即脈沖數(shù))為7

7、.66105個(gè)。（三）激光陀螺結(jié)構(gòu)（三）激光陀螺結(jié)構(gòu)激光陀螺結(jié)構(gòu)應(yīng)用：在現(xiàn)代飛機(jī)上，激光陀螺廣泛用作慣性導(dǎo)應(yīng)用：在現(xiàn)代飛機(jī)上，激光陀螺廣泛用作慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測量元件，用來測量飛機(jī)三維轉(zhuǎn)動(dòng)角速航系統(tǒng)的測量元件，用來測量飛機(jī)三維轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。度。 轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀是由轉(zhuǎn)彎儀和側(cè)滑儀兩個(gè)是由轉(zhuǎn)彎儀和側(cè)滑儀兩個(gè)獨(dú)立的儀表組合而成。由于轉(zhuǎn)彎儀和側(cè)滑獨(dú)立的儀表組合而成。由于轉(zhuǎn)彎儀和側(cè)滑儀的綜合指示，對于駕駛員保持飛機(jī)平直儀的綜合指示，對于駕駛員保持飛機(jī)平直飛行和作無側(cè)滑協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎飛行具有重要作飛行和作無側(cè)滑協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎飛行具有重要作用，因此這兩種儀表一般都組裝在一起。用，因此這兩種儀表一般都組裝在一起。3.2

8、 3.2 轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀一、功用一、功用（1 1）指示飛機(jī)轉(zhuǎn)彎）指示飛機(jī)轉(zhuǎn)彎( (或盤旋或盤旋) )方向方向（2 2）粗略反映轉(zhuǎn)彎的快慢程度）粗略反映轉(zhuǎn)彎的快慢程度（3 3）有的還能指示飛機(jī)在某一真空速時(shí)無側(cè)滑轉(zhuǎn)彎）有的還能指示飛機(jī)在某一真空速時(shí)無側(cè)滑轉(zhuǎn)彎 的坡度的坡度 ( (傾斜角傾斜角) )（1 1）指示轉(zhuǎn)彎方向）指示轉(zhuǎn)彎方向 u轉(zhuǎn)彎儀內(nèi)部是一個(gè)單自由度陀螺，利用單自由度陀螺轉(zhuǎn)彎儀內(nèi)部是一個(gè)單自由度陀螺，利用單自由度陀螺的進(jìn)動(dòng)性工作。的進(jìn)動(dòng)性工作。u當(dāng)飛機(jī)直線飛行時(shí)，內(nèi)框在平衡彈簧作用下，穩(wěn)定在當(dāng)飛機(jī)直線飛行時(shí)，內(nèi)框在平衡彈簧作用下，穩(wěn)定在初始位置，指針指在刻度盤中央，表示飛機(jī)沒有轉(zhuǎn)

9、彎初始位置，指針指在刻度盤中央，表示飛機(jī)沒有轉(zhuǎn)彎u當(dāng)飛機(jī)以一定的角速度向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)框?qū)㈨槙r(shí)針進(jìn)當(dāng)飛機(jī)以一定的角速度向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)框?qū)㈨槙r(shí)針進(jìn)動(dòng)，直到引起進(jìn)動(dòng)的力矩動(dòng)，直到引起進(jìn)動(dòng)的力矩(該力矩稱為陀螺力矩該力矩稱為陀螺力矩)與平與平衡彈簧的反作用力矩相等為止。內(nèi)框的轉(zhuǎn)角通過撥桿衡彈簧的反作用力矩相等為止。內(nèi)框的轉(zhuǎn)角通過撥桿傳送機(jī)構(gòu)傳給指針，使指針偏向左方，表示飛機(jī)正在傳送機(jī)構(gòu)傳給指針，使指針偏向左方，表示飛機(jī)正在向左轉(zhuǎn)彎向左轉(zhuǎn)彎 u轉(zhuǎn)彎停止后，陀螺力矩消失，內(nèi)框在平衡彈簧作用下轉(zhuǎn)彎停止后，陀螺力矩消失，內(nèi)框在平衡彈簧作用下回到初始位置，指針回到刻度盤中央回到初始位置，指針回到刻度盤中央u飛機(jī)

10、向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)框反時(shí)針進(jìn)動(dòng)，帶動(dòng)指針向右偏飛機(jī)向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)框反時(shí)針進(jìn)動(dòng)，帶動(dòng)指針向右偏離刻度盤中央，表示飛機(jī)正在向右轉(zhuǎn)彎離刻度盤中央，表示飛機(jī)正在向右轉(zhuǎn)彎 （2 2）指示轉(zhuǎn)彎快慢）指示轉(zhuǎn)彎快慢 飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)引起陀螺進(jìn)動(dòng)的力矩飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)引起陀螺進(jìn)動(dòng)的力矩 L Lcos(cos()式中：式中：飛機(jī)轉(zhuǎn)彎角速度；飛機(jī)轉(zhuǎn)彎角速度；飛機(jī)傾斜角；飛機(jī)傾斜角； 內(nèi)框轉(zhuǎn)角。內(nèi)框轉(zhuǎn)角。陀螺內(nèi)框轉(zhuǎn)角不大時(shí)陀螺內(nèi)框轉(zhuǎn)角不大時(shí) LJcosLJcos平衡彈簧的力矩為平衡彈簧的力矩為 M M K K彈性力矩系數(shù)。彈性力矩系數(shù)。指針穩(wěn)定時(shí)指針穩(wěn)定時(shí) M ML L （J/KJ/K）coscos 故，故，粗略反映粗略反映。（3

11、3）指示飛機(jī)無側(cè)滑轉(zhuǎn)彎時(shí)的傾斜角）指示飛機(jī)無側(cè)滑轉(zhuǎn)彎時(shí)的傾斜角tgtgF Fi i/G/G而而 F Fi imvmv G Gmgmg式中：式中：mm飛機(jī)的質(zhì)量；飛機(jī)的質(zhì)量； vv飛機(jī)的飛行速度；飛機(jī)的飛行速度； gg重力加速度。重力加速度。因此，因此，tgtgmvmv/mg/mgv/g v/g 即即（g/vg/v）tgtg 代入式代入式（J/KJ/K）coscos中中則則 （Jg/KvJg/Kv）sinsin 當(dāng)當(dāng)v v一定時(shí)，一定時(shí)，可指示可指示。三、指示綜合使用1 1）接通電源，轉(zhuǎn)速正）接通電源，轉(zhuǎn)速正常常( (按規(guī)定時(shí)間或警按規(guī)定時(shí)間或警告旗收起告旗收起) )后使用。后使用。一、基本原理

12、一、基本原理俯仰角：俯仰角：飛機(jī)縱軸與地平面飛機(jī)縱軸與地平面的夾角，即飛機(jī)繞橫向水平軸的夾角，即飛機(jī)繞橫向水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。傾斜角：傾斜角：飛機(jī)對稱面與通過飛機(jī)對稱面與通過飛機(jī)縱軸所作的鉛垂面之間的飛機(jī)縱軸所作的鉛垂面之間的夾角，即飛機(jī)繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角夾角，即飛機(jī)繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；無俯仰時(shí)，也等于飛機(jī)橫度；無俯仰時(shí)，也等于飛機(jī)橫軸與地平面的夾角。軸與地平面的夾角。怎樣測量俯仰角和傾斜角？l單擺單擺具有地垂性，但不穩(wěn)定。具有地垂性，但不穩(wěn)定。l陀螺陀螺具有穩(wěn)定性，但不能跟蹤地垂線。具有穩(wěn)定性，但不能跟蹤地垂線。二、安裝及測量方法二、安裝及測量方法縱向安裝縱向安裝外框軸平行于飛機(jī)縱軸外框

13、軸平行于飛機(jī)縱軸橫向安裝橫向安裝外框軸平行于飛機(jī)橫軸外框軸平行于飛機(jī)橫軸 分類l直讀式：直讀式： 陀螺直接帶動(dòng)指示陀螺直接帶動(dòng)指示l遠(yuǎn)讀式：遠(yuǎn)讀式： 陀螺通過遠(yuǎn)傳帶動(dòng)指示陀螺通過遠(yuǎn)傳帶動(dòng)指示( (又稱為姿態(tài)系統(tǒng)。由陀螺傳感又稱為姿態(tài)系統(tǒng)。由陀螺傳感器和指示器組成。）器和指示器組成。）四、修正原理( (一一) )液體擺式地垂修正器液體擺式地垂修正器結(jié)構(gòu)：液體擺、修正線圈筒等結(jié)構(gòu)：液體擺、修正線圈筒等修正原理l自轉(zhuǎn)軸在地垂線方向時(shí)，氣泡在中央，鐵芯在中央，不產(chǎn)生修正自轉(zhuǎn)軸在地垂線方向時(shí)，氣泡在中央，鐵芯在中央，不產(chǎn)生修正力矩。力矩。l自轉(zhuǎn)軸偏離地垂線時(shí)，氣泡偏移，鐵芯偏移，產(chǎn)生修正力矩。自轉(zhuǎn)軸偏離

14、地垂線時(shí)，氣泡偏移，鐵芯偏移，產(chǎn)生修正力矩。(二)固體擺式地垂修正器 修正速度3/分，垂直精度0.5。l結(jié)構(gòu)：配重、非穩(wěn)定擺修正器、活動(dòng)臂等結(jié)構(gòu)：配重、非穩(wěn)定擺修正器、活動(dòng)臂等l自轉(zhuǎn)軸在地垂線方向時(shí)，合重心通過自轉(zhuǎn)軸，無修正力自轉(zhuǎn)軸在地垂線方向時(shí)，合重心通過自轉(zhuǎn)軸，無修正力矩。矩。l自轉(zhuǎn)軸偏離地垂線時(shí)，合重心不通過自轉(zhuǎn)軸，產(chǎn)生修正力矩。自轉(zhuǎn)軸偏離地垂線時(shí)，合重心不通過自轉(zhuǎn)軸，產(chǎn)生修正力矩。認(rèn)讀：小飛機(jī)和人工天地線關(guān)系、俯仰和傾斜指示l分類：分類： “ “從飛機(jī)看地面從飛機(jī)看地面”人工天地線運(yùn)動(dòng)，小飛機(jī)不動(dòng)；人工天地線運(yùn)動(dòng)，小飛機(jī)不動(dòng)； “從地面看飛機(jī)”小飛機(jī)運(yùn)動(dòng)，人工天地線不動(dòng)。 地面起動(dòng)地面

15、起動(dòng)l要求：要求： （1 1）轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。）轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。 由時(shí)間保證或收警告旗判斷。由時(shí)間保證或收警告旗判斷。 （2 2）自轉(zhuǎn)軸處于地垂線方向。）自轉(zhuǎn)軸處于地垂線方向。 由指示停機(jī)角反映。由指示停機(jī)角反映。l方法：適當(dāng)時(shí)候上鎖，加快起動(dòng)。方法：適當(dāng)時(shí)候上鎖，加快起動(dòng)。六、使用特點(diǎn) 空中使用空中使用1 1、平飛、平飛 平飛時(shí)有一定的迎角，參平飛時(shí)有一定的迎角，參照升降速度表調(diào)整。照升降速度表調(diào)整。2 2、加速、加速 加或減速時(shí)，慣性力使擺偏離地垂線，對陀螺進(jìn)行錯(cuò)加或減速時(shí)，慣性力使擺偏離地垂線，對陀螺進(jìn)行錯(cuò)誤修正，使地平儀出現(xiàn)上仰或下俯誤差。用升降速度表和誤修正，使地平儀出現(xiàn)上仰或下

16、俯誤差。用升降速度表和轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀檢查。轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀檢查。3 3、盤旋和轉(zhuǎn)彎、盤旋和轉(zhuǎn)彎 盤旋或轉(zhuǎn)彎時(shí)，慣性離心力使擺偏離地垂線方向，對陀盤旋或轉(zhuǎn)彎時(shí)，慣性離心力使擺偏離地垂線方向，對陀螺進(jìn)行錯(cuò)誤修正，使地平儀的俯仰和傾斜指示產(chǎn)生誤差。螺進(jìn)行錯(cuò)誤修正，使地平儀的俯仰和傾斜指示產(chǎn)生誤差。 改平后，用升降速度表和轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀檢查。改平后，用升降速度表和轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀檢查。 4 4、修正方法、修正方法 飛機(jī)改平、勻速飛行時(shí)，飛機(jī)改平、勻速飛行時(shí)，先上鎖，后開鎖，消除誤差。先上鎖，后開鎖，消除誤差。 5 5、使用完畢、使用完畢 斷電，上鎖；或根據(jù)要斷電，上鎖；或根據(jù)要求。求。3.4 大型商用飛機(jī)主飛行顯示器簡介大型商用飛機(jī)主飛行顯示器簡介 以B737NGB737NG飛機(jī)的主飛行顯示器為飛機(jī)的主飛行顯示器為例。圖中，例。圖中，1 1為由自動(dòng)飛行系統(tǒng)為由自動(dòng)飛行系統(tǒng)設(shè)置決定的飛行方式顯示；設(shè)置決定的飛行方式顯示；2 2為為空速和馬赫數(shù)指示；空速和馬赫數(shù)指示；3 3為飛行姿為飛行姿態(tài)指示，即地平儀；態(tài)指示，即地平儀；4 4為自動(dòng)駕為自動(dòng)駕駛和飛行指引系統(tǒng)狀態(tài)指示；駛和飛行指引系統(tǒng)狀態(tài)指示；5 5為飛行高度指示；為飛行高度指示；6 6