航空陀螺仪基本原理
航空陀螺仪基本原理
一、陀螺仪的基本知识
陀螺玩具旋转时,能够直立在地上;而且转得愈快,立得也愈稳;即使给它一个冲击,也只是晃动而不会倒下。陀螺的这种特性可以被利用来做成仪表用来测量飞机的姿态角、航向角和角速度。
航空陀螺仪表中的陀螺仪,是把绕自转轴(又叫转子轴)高速旋转的转子用框架支撑起来,使转子绕垂直于自转轴方向可以自由转动的这样一种装置。如图8.1表示的是,转子安装在内环和外环这两个框架中,转子可绕自转轴高速旋转,转子同内环可绕内环轴转动,转子同内环和外环还可绕外环轴转动这样支承起来的转子可以绕着垂直于自转轴的两根轴转动这种装置称为三自由度陀螺仪。若转子仅安装于内环中这样支承起来的转子只能绕着垂直于自转轴的一根轴转动这种装置称为二自由度陀螺仪。
从使用角度来看可把表中所列的航空陀螺仪表分成指示式的和传感式的两类。
指示式陀螺仪表是给飞行员提供判读指示的陀螺仪表。
传感式陀螺仪表是给飞行自动控制系统和机载
特种设备提供电气信号的陀螺仪表。
二、陀螺地平仪
陀螺地平仪是利用三自由度陀螺仪的特性和摆的特性做成的陀螺仪表,用来测量飞机的姿态角。飞行员凭借陀螺地平仪的指示,才能保持飞机的正确姿态,完成飞行和作战任务。特别是在云中飞行或进行夜航时,飞行员看不见大地的地平线和地标,如不借助仪表,驾驶飞机就十分困难;而且,飞行员容易产生错觉,甚至可能造成机毁人亡的事故。由于飞行姿态对飞行的运动状态具有决定性的影响,对保证飞行安全也具有极大的重要性,因此,作为首要飞行仪表的陀螺地平仪通常都安装在飞机仪表板中间的最显眼位置上。在有些飞机上还加装了应急地平仪,以备主地平仪出现故障时使用。
飞机的姿态角是指俯仰角和倾斜角。假如飞机上有一个地平面基准,当飞机抬头或低头时,飞机纵轴与这个地平面之间的夹角就是飞机的俯仰角。当飞机绕纵轴向左或向右转动时,飞机纵向对称平面绕纵轴转过的角度就是飞机的倾斜角。要测得飞机的姿态角,关键是在飞机上建立一个地平面或地垂线基准。我们知道,摆能够自动寻找地垂线具有方向敏感性；但它受加速度干扰时会产生很大的误差,缺少方向稳定性。我们也知道三自由度陀螺仪的自转轴并不因加速度干扰而改变方向,具有方向稳定性;但它却不能自动寻找地垂线,没有方向敏感性。即使把自转轴调整到与地垂线重合,由于地球自转和飞机运动导致地垂线在惯性空间不断改变方向,而且陀螺漂移导致自转轴在惯性空间也不断改变方向,这就使得起初与地垂线重合的自转轴逐渐偏离地垂线。由此想到把摆和陀螺仪二者的优点结合在一起,即用摆敏感地垂线并对陀螺仪进行修正,使具有方向稳定性的自转轴获得方向敏感性,这样便可在飞机上建立一个精确而稳定的地垂线基准
三、陀螺半罗盘与陀螺磁罗盘
螺半罗盘是利用三自由度陀螺仪的方向稳定性做成的陀螺仪表用来测量飞机的航向角。陀螺磁罗盘是把陀螺半罗盘与磁罗盘组合在一起以便更好地解决飞机航向的测量问题。飞行员借助陀螺半罗盘或陀螺磁罗盘判明飞机的航向并按一定的航向飞行,才能驾驶飞机沿着正确的航线飞到预定的目标。在我机迎击来犯的敌机时飞行员必须根据敌机飞行情况不断修正飞行航向才能准确地飞到空战区域歼击来犯的敌机。可见陀螺半罗盘或陀螺磁罗盘也是十分重要的飞行仪表。