第3章-测量飞机姿态的仪表

第3章测量飞机姿态的仪表测量飞机姿态角和姿态角速度的仪表。姿态显示仪表主要是地平仪、转弯仪和侧滑仪地平仪和转弯仪是利用陀螺作为敏感元件制成本章重点：3.1陀螺的基本原理要求：陀螺及分类，陀螺特性及影响因素，表观运动；激光陀螺定义、原理。本节是重点。方法：实验、实例、分析3.1概述(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。(2)刚体转子陀螺(2)刚体转子陀螺结构：转子内框外框基座(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、气动两自由度陀螺3.2两自由度陀螺的特性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。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影响进动性的因素ω=M/Hcosθ=M/JΩcosθ（1）转子自转角速度Ω越大，进动角速度越小，即Ω↑ω↓；（2）转子对自转轴的转动惯量J越大，进动角速度越小，即J↑ω↓；（3）外力矩M越大，进动角速度越大，即M↑ω↑；（4）自转轴与外框轴垂直时(θ=0)，进动角速度最小，即θ↓ω↓。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”。两自由度陀螺在地球北极(或南极)，自转轴与地球自转轴垂直，则自转轴在水平面内相对地球子午面顺时针转动，每24小时转动一周。陀螺在地球赤道上陀螺在地球赤道上，自转轴与地平面垂直，则自转轴在垂直平面内相对地平面转动，每24小时转动一周。陀螺放在地球上任意纬度处，自转轴与地平面平行，朝向南北方向，则自转轴方向逐渐改变，相对地球作园锥轨迹运动，每24小时转动一周。陀螺自转轴与地球自转轴相互平行或重合时（不管陀螺在地球上什么地方），不存在相对运动。结论：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。3.3单自由度陀螺的特性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。进动特点两自由度陀螺等速进动；两自由度陀螺在外力矩消失后，立即停止进动。y单自由度陀螺加速进动；单自由度陀螺在基座旋转停止后，等速进动。3.4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3.5激光陀螺(lasergyroscope)（一）概述1、定义应用激光技术测量物体相对惯性空间的角速度和转动角度的光学装置。2、优点①结构简单，没有活动的机械转子，不存在摩擦，也不受重力加速的影响；②角速度测量范围很宽，从0.01°/小时到1000°/秒以上；③测量精度很高，可达0.001°/小时；④能直接提供数字式输出，与数字式计算机联接方便；⑤启动很快，可以说是瞬间启动，而一般陀螺需要几分钟的启动准备时间；⑥工作可靠，寿命长，总成本不高等。（二）原理1、组成激光发生器、光电探测器等敏感部分：环形激光腔激光发生器：用来产生激光。光电探测器：可以把光信号转变成电信号输出。2、原理光在激光器环形光路中行进时，若ω＝0，L1＝L2，△L＝0式中：ω为激光器转动角速度；L1、L2为光束1、2的光程；△L为光束1、2的光程差。若ω≠0，L1≠L2△L＝ω4S／C即△L∝ω两束激光的光程差和转速成正比式中：S为环形光路包围的面积；C为光速。根据激光产生的原理，光程越长，波长越长，频率越小。所以，两束激光的频率差和转速成正比利用光电探测器，可以测量两束激光频率差(干涉条纹将会移动，其移动速度的大小和方向反映了角速度的大小和方向)，从而得到载体的转速。设激光陀螺环形光路为正三角形L=40cm，测量地球自转角速度，得到△f=8.87Hz；地球转一周时，两束激光的周期数差(即脉冲数)为7.66×105个。（三）激光陀螺结构激光陀螺结构应用：在现代飞机上，激光陀螺广泛用作惯性导航系统的测量元件，用来测量飞机三维转动角速度。结构：三角形氦氖激光器--产生激光；读出探测器--通过探测干涉条纹测量频率差；压电抖动马达--减小低速时的闭锁区误差。转弯侧滑仪是由转弯仪和侧滑仪两个独立的仪表组合而成。由于转弯仪和侧滑仪的综合指示，对于驾驶员保持飞机平直飞行和作无侧滑协调转弯飞行具有重要作用，因此这两种仪表一般都组装在一起。3.2转弯侧滑仪一、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)（1）指示转弯方向转弯仪内部是一个单自由度陀螺，利用单自由度陀螺的进动性工作。当飞机直线飞行时，内框在平衡弹簧作用下，稳定在初始位置，指针指在刻度盘中央，表示飞机没有转弯当飞机以一定的角速度向左转弯时，内框将顺时针进动，直到引起进动的力矩(该力矩称为陀螺力矩)与平衡弹簧的反作用力矩相等为止。内框的转角通过拨杆传送机构传给指针，使指针偏向左方，表示飞机正在向左转弯转弯停止后，陀螺力矩消失，内框在平衡弹簧作用下回到初始位置，指针回到刻度盘中央飞机向右转弯时，内框反时针进动，带动指针向右偏离刻度盘中央，表示飞机正在向右转弯（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。三、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。综合使用1）接通电源，转速正常(按规定时间或警告旗收起)后使用。一、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。二、安装及测量方法纵向安装——外框轴平行于飞机纵轴横向安装——外框轴平行于飞机横轴分类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、修正原理(一)液体摆式地垂修正器结构：液体摆、修正线圈筒等修正原理自转轴在地垂线方向时，气泡在中央，铁芯在中央，不产生修正力矩。自转轴偏离地垂线时，气泡偏移，铁芯偏移，产生修正力矩。(二)固体摆式地垂修正器修正速度3°/分，垂直精度0.5°。结构：配重、非稳定摆修正器、活动臂等自转轴在地垂线方向时，合重心通过自转轴，无修正力矩。自转轴偏离地垂线时，合重心不通过自转轴，产生修正力矩。五、地平仪的指示认读：小飞机和人工天地线关系、俯仰和倾斜指示分类：“从飞机看地面”——人工天地线运动，小飞机不动；“从地面看飞机”——小飞机运动，人工天地线不动。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。六、使用特点空中使用空中使用空中使用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。3.4大型商用飞机主飞行显示器简介以B737NG飞机的主飞行显示器为例。图中，1为由自动飞行系统设置决定的飞行方式显示；2为空速和马赫数指示；3为飞行姿态指示，即地平仪；4为自动驾驶和飞行指引系统状态指示；5为飞行高度指示；6为垂直速度指示；7为综合航向/航迹指示等。（1）PFD空速指示（p91）（2）PFD姿态指示（p92）（3）PFD高度指示（p93）（4）PFD其它参数指示（p94）垂直速度指示（4）PFD其它参数指示（p94）航向与航迹（4）PFD其它参数指示（p95）故障旗指示TheEnd