测量飞机姿态的仪表陀螺仪表

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


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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
3）指示飞机无侧滑转弯时的倾斜角
tgγ ＝Fi/G 而 Fi＝mvω G＝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）ω cosγ 中 则α ＝（JΩ g/Kv）sinγ 当v一定时，α 可指示γ 。
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

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)
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。
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。
(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。
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。

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(stability of gyroscope)
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。
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。
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、陀螺的一般知识及陀螺仪表的动力源 （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
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(slip indicator) 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）。
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 （4.45.2inHg）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33.5inHg时，该灯燃亮。
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33.5inHg时， 该灯燃亮
二、 航空地平仪(gyro horizon)
（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。
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（4.45.2inHg） 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。
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
2）指示转弯快慢
飞机转弯时引起陀螺进动的力矩 L＝ＪΩ ω cos(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≈JΩ ω cosγ 平衡弹簧的力矩为 M＝Ｋα K—弹性力矩系数。 指针稳定时 M＝L ∴ α ＝（JΩ /K）ω cosγ 故，α 粗略反映ω 。
2、原理
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 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
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。。
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
转弯侧滑仪
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。