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。

图3.5.6 数字式大气数据系统原理图总压、静压传感器感受来自全静压管的总压、静压；总温由探头式总温传感器提供；迎角传感器(不一定每个飞机的大气数据系统都有)提供静压误差修正信息，有的大气数据系统还考虑侧滑角对静压误差的修正信息。

这些传感器的输出信息均输入到输入接口。

目前在数字式大气数据系统中应用的总压、静压传感器是压阻式或谐振式压力传感器。

前者输出与总压、静压成一定函数关系的电压信号，后者输出与总、静压成一定函数关系的频率(或周期)信号。

测温电路将总温传感器输出的总温信号转换为电压信号。

输入接口由多路转换器、模-数转换器和(或)频率-数字转换器组成，它将各类传感器输出的电压和(或)频率信息转换成数字计算机所需的数字信息号。

数字计算机在程序存贮器编排好的程序指令指引下，完成大气数据的计算，并协调控制整个大气数据系统的工作。

输出接口将数字计算机所算好的结果转换成各机载系统所需大气数据信息要求格式的串、并行数字信号、离散信号和模拟信号。

由高度、真实空速、马赫数等专用显示器或电子综合显示器显示大气数据信息。

为了提高大气数据系统的可靠性，在飞机、航天飞机上均装有多套大气数据系统，而气压式高度表、空速表、马赫数表作应急仪表用。

指示飞行姿态和航向的仪表指示飞行姿态和航向的仪表主要有陀螺仪、磁罗盘、侧滑仪等。

陀螺仪。

陀螺仪由转子和内、外环及基座组成，如图3.5.7所示。

高速旋转的转子通过轴承安装在内环上，内环通过轴承与外环相连，外环又通过轴承与基座相连，转子可以自由转向任意方向。

图3.5.8 陀螺仪的进动图3.5.7 陀螺仪构造原理陀螺仪有定轴性和进动性两个重要特性。

定轴性是指高速旋转的转子具有力图保持其转子轴在惯性空间内的方向稳定不变的特性，因此利用陀螺仪的定轴性就可以测量姿态角。

进动性是指陀螺仪在外力矩作用下，高速旋转的转子力图使其转子轴沿最短的路径趋向外力矩的作用方向。

图3.5.8所示陀螺仪转子在重力G产生的外力矩M的作用下，不从支点掉下，而以角速度ω绕垂线不断转动，这就是进动；角速度ω称为进动角速度。

干扰力矩引起转子的进动角速度称为陀螺的漂移率，是衡量陀螺仪性能的主要指标。

由于陀螺仪的进动性，当内、外环轴上有摩擦力矩作用时，就会破坏陀螺仪的定轴性，使转子轴稳定在惯性空间内的方向改变；同样利用陀螺仪的进动性，可以在内、外环轴上加外力矩以约束或修正陀螺仪，使陀螺仪的转子轴稳定在惯性空间内的方向不变。

图3.5.7中内、外环轴上的力矩器就起加外力矩的作用。

航空陀螺仪表就是利用陀螺的定轴性和进动性来工作的。

陀螺地平仪。

陀螺地平仪是利用陀螺仪特性测量飞行器俯仰和倾侧姿态角的飞行仪表。

为了在飞机上测量飞行姿态，必须在飞行器上建立一个地垂线或地平面基准。

利用陀螺仪的定轴性，使转子轴稳定在地垂线上就可以得到这一基准。

但是陀螺仪不能自动找到地垂线使转子轴稳定在地垂线上，而且由于内、外环轴上的摩擦力矩使陀螺仪转子轴产生漂移，因此必须解决陀螺仪转子轴能自动找到地垂线而且始终稳定在地垂线上的方法。

摆具有敏感地垂线的特性，但受到加速度干扰时会产生很大的误差。

如果将陀螺仪与摆式敏感元件结合在一起，就可以解决上面的问题。

陀螺地平仪就是陀螺仪与摆结合在一起的仪表。

它以陀螺仪为基础，用摆式敏感元件和力矩器组成的修正装置对陀螺仪进行修正，使陀螺仪的转子轴精确而稳定地重现地垂线。

图3.5.9是陀螺地平仪的结构原理图。

它由双自由度陀螺仪、摆式敏感元件、力矩器和指针刻度盘等组成。

装在陀螺仪内环轴上的液体开关是一种摆式敏感元件，是具有摆的特性和电路开关特性的气泡水准仪。

密封容器内装有特殊导电液体并留有气泡，还装有相互绝缘的电极。

液体开关感受陀螺仪转子轴相对地垂线的偏差，并将它变成电信号，经放大器放大后分别送给装在内、外环轴上的力矩器(力矩马达)，产生修正力矩，使陀螺仪转子轴始终沿地垂线方向。

上面介绍的陀螺仪由高速旋转的刚体转子组成，属于经典陀螺仪。