航空仪表01

航空仪表

飞行员需要不断地了解飞机的飞行状态、发动机的工作状态和其他分系统如座舱环境系统、电源系统等的工作状况，以便按飞行计划操纵飞机完成飞行任务；各类自动控制系统需要检测控制信息以便实现自动控制。这些信息都是由航空仪表以及相应的传感器和显示系统提供的。

飞机要测量的参数很多，归纳起来可以分为飞行参数、发动机参数和系统状态参数(如座舱环境参数、飞行员生理参数、飞行员生命保障系统参数等)。相应的，航空仪表按功用可分为飞行仪表、发动机仪表和系统状态仪表等。

同一个参数的测量原理和测量方法也很多，几乎涉及机械、电气、电子、无线电、光学等领域，这里主要介绍一些重要参数的测量原理。

3.5.1 飞行仪表

这类仪表反映飞机运动状态和飞行参数，使驾驶员能正确地驾驶飞机。主要可分为全静压系统仪表、指示飞行姿态和航向的仪表等。

全静压系统仪表

全静压系统利用感受的全压和静压，分别输人膜盒内外，压力差促使膜盒变形，带动指针指示飞机的速度、高度等飞行参数，从而构成各种仪表。这类仪表有空速表、气压式高度表、升降速度表和大气数据中心系统等。

用来测量气流全压和静压的管子称为全静压管，因用它测量飞机相对于空气运动的速度(即空速)，故又称空速管(图3.5.1)。全静压管是一根细长的管子，远远伸在飞机机头或翼尖受气流干扰最小的地方，以免所感受到的气压受到飞机的影响。全静压管正对气流的小口叫全压口，后面是全压室，这里感受的是迎面气流的全压(总压，即动压加静压)。离头部一定的距离处，沿管周开几个小孔叫静压孔，这里不是正对迎面气流，在静压室中感受的是大气的静压。

由于全静压系统仪表是利用大气压强随高度、速度的变化，使金属膜盒产生膨胀或压缩变形带动仪表指针转动，所以也称为膜盒仪表、气压仪表。

空速表。空速是指飞机在纵轴对称平面内相对于气流的运动速度。空速是重要的飞行参数之一。根据空速，飞行员可以判断作用在飞机上的空气动力的情况，从而正确地操纵飞机；根据空速，还可以进行领航计算。

空速表就是用来测量飞机空速的仪表。

空速表是通过测量全静压管的全压与静压之差(动压)来指示飞机速度的(图3.5.2)。全静压管盖受到的全压和静压，分别用导管连到空速表的开口膜盒内外。这样，飞行中膜盒内外的压力差等于气流的动压。膜盒在压力差作用下膨胀，通过传动机构，使指针指出相应的速度值。空气密度一定时，空速越大，动压也越大，膜盒膨胀得越厉害，指针指出的速度值就越大。这种根据相对气流的动压测出的速度叫做指示空速，或叫表速。

气流的动压不仅与飞机和空气的相对速度(称为真空速)有关，而且与空气密度有关。如果飞机和空气的相对速度不变而改变高度，则由于空气密度的变化，指示空速会随之改变。因此，上述空速表还不能确实地反映飞机的真实空速。为了使飞行员了解飞机的真空速，在有些空速表中装有空气密度补偿机构，形成组合式空速表(图3.5.3)，以指示真空速值。

图3.5.1 全静压管

图3.5.2 空速表原理图3.5.3 组合空速表原理

对高速飞机来说，为了防止激波失速还需要测量马赫数。马赫数是真实空速与飞机所在高度上音速之比。由于音速与空气静压有关，因此马赫数是总、静压比值(或动、静压比值)的函数，所以气压式马赫数表在结构上与真实空速表(局部温度修正的)类似，这里不再介绍。

高度表。飞行高度是指飞机重心在空中相对于某一基准平面的垂直距离。按照所选的基准平面的不同，飞行高度分为：绝对高度——选实际海平面为基准面，飞机重心在空中距离实际海平面的垂直距离；相对高度——选某一指定参考面(例如起飞或着陆机场的地平面)为基准面，飞机的重心在空中距离所选参考面的垂直距离；真实高度——选飞机正下方的地面目标的最高点且与地平面平行的平面为基准平面，飞机的重心在空中距离此平面的垂直距离；标准气压高度——选标准海平面为基准面(标准海平面的大气压力为101.325kPa)，飞机的重心在空中距离标准海平面的垂直距离。

飞机在起飞、着陆飞行时需要相对高度；飞机在执行搜索、轰炸、照相和救援等任务时需要真实高度；空中交通管制分层飞行时需要标准气压高度。

飞机上最常用的测高方法是气压测高和无线电测高，另外还有激光测高，同位素测高和垂直加速度积分测高等测量方法。这里主要介绍气压测高方法。

大气压力随高度增高而减小，且有确定的函数关系。国际标准大气规定了标准大气压力与高度的函数关系。因此可通过测量大气压力来间接测量飞行高度，气压式高度表就是利用这一原理测量飞行高度的。图3.5.4所示为气压式高度表的工作原理图。

图3.5.4 高度表图3.5.5 升降速度表

气压式高度表实质上是一个真空压力计。表壳内接大气静压，真空膜盒感受大气静压，真空膜盒组的位移经传动放大机构带动指针转动，指针在刻度盘上指示出相应的标准气压高度。

当实际大气参数与标准大气参数不符时，上述气压式高度表测得的就不是标准气压高度。为了补偿海平面气压变化所造成的高度测量误差，在气压式高度表中设有气压调整装置，可由刻度盘上的气压窗口中读出被调定的实际海平面的大气压。有了气压调整装置，气压式高度表还可以测出相对高度和绝对高度。

升降速度表。升降速度表用来测量飞机上升或下降的垂直速度。在升降速度表内有一开口膜盒，其内部与大气静压直接向连，外部通过毛细管(其内径很小，通气不畅)也与静压相连。飞机上升或下降时，膜盒内部气压基本上随着高度的变化而改变，但膜盒外部的气压由于受毛细管的阻滞作用，变化较慢，因此膜盒内外产生压差而产生位移，再通过传动元件使指针旋转，就可指出飞机升降的速度。

例如飞机由平飞转入爬升时，高度升高，气压降低。这时膜盒内部气压降低得快，外部降低得慢。外部压强大于内部，这一压力差使膜盒收缩，于是指针向上转动，指出上升的读数，使驾驶员了解飞机爬升的快慢。如果飞机由平飞转入下滑或俯冲，情况正好相反。

大气数据系统。现代飞行器的飞行控制系统、发动机控制系统、导航系统、火控系统、空中交通管制系统和仪表显示系统等需要准确的静压、动压、温度、高度、高度变化率、高度偏差、指示空速、真实空速、马赫数、马赫数变化率、空气密度等信息，而上述这些参数只是空气总压、静压、总温的函数，如果靠分立的传感器和测量系统各自提供这些信息不仅增加体积、质量、成本，而且不便维护，也不利于提高这些信息的测量精度。

由于上述大气数据信息可由静压、动压和总温三个参数计算出来，所以由静压、动压和总温传感器提供的原始信息，再加上一些修正用的传感器(如迎角、侧滑角)信息，经解算装置或计算机的运算而得到大量大气数据信息的系统就叫大气数据系统，也叫大气数据计算机系统。目前高性能飞机上均采用数字式大气数据系统；

数字式大气数据系统的原理方块图如图3.5.6所示。它是由总温传感器、总压和静压传感器、迎角传感器、输入接口、数字计算机、输出接口和显示器几部分组成。