陀螺仪在飞行仪器中的应用和工作原理

一些飞行仪器利用陀螺仪的特性进行操作。包含陀螺仪的最常见仪器是转向协调器、航向指示器和姿态指示器。

本文便旨在通过了解仪器电源系统、陀螺仪原理以及每台仪器的工作原理，以求了解这些仪器的具体工作原理。

陀螺原理

任何旋转物体都表现出陀螺特性。为利用这些特性而设计和安装的轮子或转子称为陀螺仪。仪器陀螺仪的两个重要设计特征是尺寸重量大或密度高，以及使用低摩擦轴承高速旋转。

有两种一般类型的安装，使用的类型取决于使用陀螺仪的哪个属性。自由安装或通用安装的陀螺仪可以围绕其重心向任何方向自由旋转。

据说这样的轮子有三个自由平面。轮子或转子可以在相对于底座的任何平面上自由旋转，并且是平衡的，以便在陀螺轮静止时，它保持在放置的位置。

受限或半刚性安装的陀螺仪是那些安装使其中一个自由平面相对于底座固定的陀螺仪。

空间刚性

陀螺作用有两个基本性质：空间刚性和进动。

空间刚性是指陀螺仪在其旋转的平面中保持固定位置的原理。空间刚性的一个例子是自行车车轮。

随着自行车车轮速度的提高，它们的旋转平面变得更加稳定。这就是为什么自行车在低速时不稳定和机动性，而在高速下稳定且机动性较差的原因。

通过将这个轮子或陀螺仪安装在一组万向环上，陀螺仪能够在任何方向上自由旋转。因此，如果万向环倾斜、扭曲或以其他方式移动，陀螺仪将保留在最初旋转的平面上。<图1>

进动

进动是陀螺仪响应偏转力而倾斜或转动。对这种力的反应不会在施加该力的点发生;相反，它发生在旋转方向上 90° 之后的点。

该原理允许陀螺仪通过感应方向变化产生的压力来确定转弯率。陀螺仪进动的速率与转子的速度成反比，与偏转力成正比。

以自行车为例，进动作用于车轮，以允许自行车转动。以正常速度骑行时，无需将把手转向所需转弯的方向。骑手只是向他或她希望去的方向倾斜。

由于从自行车右侧观察时车轮沿顺时针方向旋转，因此如果骑手向左倾斜，则会向左侧的车轮顶部施加力。

该力实际上在旋转方向上作用90°，其效果是向轮胎前部施加力，使自行车向左移动。

由于缓慢转动陀螺仪的不稳定性，需要低速转动车把，并且还要提高转弯率。

进动也会在某些工具中产生一些小误差。进动会导致自由旋转的陀螺仪通过轴承摩擦等偏离其预期的旋转平面。

某些仪器可能需要在飞行过程中进行纠正性重新对准，例如航向指示器。

动力来源

在某些飞机上，所有陀螺仪都是真空、压力或电动的。在其他飞机中，真空或压力系统为航向和姿态指示器提供动力，而电气系统为转弯协调器提供动力。

大多数飞机至少有两个电源，以确保在一个电源发生故障时至少有一个银行信息源可用。

真空或压力系统通过向转子叶片吸入气流来高速旋转转子，就像水车或涡轮机的操作一样，从而使陀螺仪旋转。

仪器操作所需的真空或压力量各不相同，但通常在 4.5 英寸汞柱和 5.5 英寸汞柱之间。

陀螺仪的一个真空源是安装在发动机附件上的叶片式发动机驱动泵。泵容量因陀螺仪数量而异。

典型的真空系统由发动机驱动的真空泵、溢流阀、空气过滤器、压力表和完成连接所需的管道组成。仪表安装在飞机的仪表板上，指示系统中的压力量（真空度以低于环境压力的英寸汞柱为单位）。

如图3所示，空气被发动机驱动的真空泵吸入真空系统。它首先通过过滤器，防止异物进入真空或压力系统。然后空气通过姿态和航向指示器移动，导致陀螺仪旋转。

溢流阀可防止真空压力或吸力超过规定的限值。之后，空气被排出船外或用于其他系统，例如为气动除冰靴充气。

在飞行过程中监测真空压力很重要，因为当吸入压力较低时，姿态和航向指示器可能无法提供可靠的信息。真空或吸力表通常标有指示正常范围。

一些飞机配备了警告灯，当真空压力降至可接受水平以下时会亮起。当真空压力降至正常工作范围以下时，陀螺仪仪器可能会变得不稳定和不准确。定期交叉检查仪器是一个好习惯。

转向指示灯

飞机使用两种类型的转向指示器：转滑指示器和转向协调器。由于陀螺仪的安装方式，转动和滑动指示器仅显示以度/秒为单位的转速。

转弯协调器以一定角度或倾斜安装，因此最初可以显示滚动速率。当侧倾稳定时，它指示转弯率。这两种仪器都指示转弯方向和质量（协调），并在姿态指示器发生故障时用作银行信息的备用来源。

协调是通过参考测斜仪来实现的，倾角仪由一个充满液体的弯曲管组成，里面有一个球。

转滑指示器

转滑指示器中的陀螺仪在与飞机纵轴对应的垂直平面上旋转。单个万向节限制了陀螺仪可以倾斜的平面，弹簧用于保持中心位置。

由于进动，从飞行员座椅上看，偏航力会导致陀螺仪向左或向右倾斜。转滑指示器使用称为转向指针的指针来显示转弯方向和速度。

由于约束弹簧，转动和滑动指示器无法“翻滚”其旋转轴。当对陀螺仪施加极力时，陀螺仪会偏离其正常旋转平面，使其指示无效。某些仪器具有特定的螺距和倾斜度限制，会导致陀螺仪翻滚。

转弯协调器

转弯协调器中的万向节倾斜;因此，它的陀螺仪可以感应滚动速率和转弯速率。

由于转弯协调员在训练飞机中更为普遍，因此本次讨论集中在该仪器上。当滚入或滚出转弯时，微型飞机沿飞机滚动的方向倾斜。快速的横滚速度比慢速的横滚率使微型飞机的倾斜更陡峭。

转弯协调器可用于通过将微型飞机的机翼与转弯指数对齐来建立和维持标准速率转弯。图 5 显示了转弯协调器的图片。仪器表面的每一侧（左边和右边）有两个标记。

姿态指示器

姿态指示器及其微型飞机和水平条显示飞机姿态的图片。微型飞机与地平线的关系与真实飞机与实际地平线的关系相同。该仪器可以即时指示即使是最小的姿态变化。

姿态指示器中的陀螺仪安装在水平面上，并取决于空间中的刚度来运行。地平线条代表真实的地平线。该条固定在陀螺仪上，当飞机围绕其横向或纵轴倾斜或倾斜时，该条形保持在水平面上，指示飞机相对于真实地平线的姿态。<图6>

陀螺仪在水平面上旋转并抵抗旋转路径的偏转。由于陀螺仪依赖于空间中的刚性，因此飞机实际上围绕旋转陀螺仪旋转。

提供了一个调节旋钮，飞行员可以通过该旋钮向上或向下移动微型飞机，以使微型飞机与水平杆对齐，以适应飞行员的视线。

通常，微型飞机经过调整，使机翼在直线和水平巡航飞行时与地平线杆重叠。

音高和银行限制取决于乐器的品牌和型号。倾斜平面中的极限通常为100°至110°，俯仰极限通常为60°至70°。

如果超过任一限制，仪器将翻滚或溢出，并在重新对齐之前给出不正确的指示。许多现代态度指标不会下降。

每个试点都应该能够解释图 7 中所示的银行规模。仪器顶部的大多数银行规模指示器与飞机实际倾斜的方向相同。其他一些模型的移动方向与飞机实际倾斜的方向相反。

如果指标用于确定银行的方向，这可能会使试点感到困惑。此刻度应仅用于控制所需银行的程度。微型飞机与水平线的关系应用于指示倾斜方向。

姿态指示器可靠，是仪表板上最逼真的飞行仪表。它的指示非常接近飞机的实际姿态。

航向指示器

航向指示器基本上是一种机械仪器，旨在方便使用磁罗盘。磁罗盘中的误差很多，使得直线飞行和精确转向航向难以实现，特别是在湍流空气中。然而，航向指示器不受使磁罗盘难以解释的力的影响。<图8>

航向指示器的操作取决于空间刚性原理。转子在垂直平面上转动，固定在转子上的是罗盘卡。由于转子在空间中保持刚性，因此卡上的点相对于陀螺仪的垂直平面在空间中保持相同的位置。

飞机实际上围绕旋转陀螺仪旋转，而不是相反。当仪表箱和飞机围绕陀螺仪的垂直轴旋转时，卡片可提供清晰准确的航向信息。

由于摩擦引起的进动，航向指示器从其设定位置蠕动或漂移。除其他因素外，漂移量在很大程度上取决于仪器的状况。如果轴承磨损、脏污或润滑不当，漂移可能过大。

航向指示器的另一个错误是由于陀螺仪在太空中定向，地球在 15 小时内以 1° 的速度在太空中旋转。因此，扣除摩擦引起的进动，航向指示器每运行一小时可能指示多达 15° 的误差。

总结：

本文通过了解仪器电源系统、陀螺仪原理以及每台仪器的工作原理，研究了这些仪器的具体工作原理。

进动是陀螺仪响应偏转力而倾斜或转动，自行车进动作用于车轮，以允许自行车转动。

飞机和航行器，真空或压力系统通过向转子叶片吸入气流来高速旋转转子，就像水车或涡轮机的操作一样，从而使陀螺仪旋转。而转弯协调器以一定角度或倾斜安装，它的陀螺仪则可以感应滚动速率和转弯速率。

参考文献：

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