浅析陀螺原理在航空仪表中的应用.docx

浅析陀螺原理在航空仪表中的应用陀螺原理陀螺之所以具有如此奇特的性能是因为陀螺在旋转时所产生的陀螺力矩。陀螺在绕两个不平行的轴高速旋转的时候就会产生陀螺力矩其力矩大小与陀螺旋转的动量矩和牵连角速度的乘积成正比而牵连角速度矢量沿陀螺仪自转的方向转90度就是陀螺力矩矢量的方向。陀螺仪表陀螺按结构可分为二自由度陀螺和三自由度陀螺两大类由这两种陀螺可以组成不同功能的航空仪表。飞机上的陀螺仪表主要用来测量飞机的姿态角、航向角、角位移和角速度等参量如陀螺地平仪可用于指示飞机的姿态角；陀螺磁罗盘可用于指示飞机的航向角；而垂直陀螺仪则用于测量飞机的姿态信息。1.姿态仪表飞机飞行中的姿态信息非常重要必须及时准确的被飞行员掌握陀螺仪可以精确测量飞机的姿态变化并将其转换为电信号在仪表上进行显示。其原理如图3所示。由于高速旋转的陀螺具有稳定性其自转轴保持在一个空间方位。当飞机上仰或者倾斜时陀螺自转轴的方向却是不变的飞机纵轴与陀螺自转轴之间的夹角即可表示飞机的仰角飞机横轴与陀螺自转轴之间的夹角可表示飞机的倾斜角。通过此原理显示飞机姿态信息的陀螺仪表的种类及数量很多本文以垂直陀螺仪和陀螺地平仪为例对飞机的陀螺仪表的工作原理进行分析。1)垂直陀螺仪垂直陀螺仪在现代飞机上应用非常普遍它可以精确测量飞机的姿态角并输出与姿态角成比例的电信号提供给计算机最终在仪表上显示。其结构如图4所示。为了测量和输出飞机的姿态信号垂直陀螺仪上安装了俯仰同步器和倾斜同步器分别输出俯仰角和倾斜角电信号。而为了减小纵向加速度误差垂直陀螺仪安装了俯仰直立和水平修正断开电门在存在纵向加速度时切断陀螺仪的俯仰修正；为了减小盘旋误差垂直陀螺仪安装了倾斜直立和水平修正断开电门在盘旋倾斜时切断陀螺仪的倾斜修正。2)陀螺地平仪现代飞机上的陀螺地平仪有很多种但其工作原理基本相同均是利用陀螺使仪表中的空地指示球相对当地水平面稳定以此为标准表中小飞机标志则表示飞机机体的状态通过小飞机和指示球地平线之间的相对位置关系测量飞机机体的俯仰角和倾斜角。地平仪指示器的结构如图5所示(图略)。当地平仪未通电时指示球停在任意状态当仪表通电后陀螺仪通过自动修正或手动调整设置在地垂线位置。仪表正常工作时陀螺转子高速旋转在内部修正机构的作用下利用陀螺的稳定性和进动性使指示球始终稳定在当地地垂线方向并以此为标准通过小飞机与指示球之间的相对位置关系测量飞机机体的姿态角。2.航向仪表利用陀螺仪在空间方位的稳定性和跟踪基准的进动性还可以将其自转轴置于水平位置作为航向基准线制作成飞机航向仪表它所指示的航向称为陀螺航向。本文以陀螺半罗盘和陀螺磁罗盘两种航向仪表为例对陀螺仪在飞机航向仪表中的应用加以分析。1)陀螺半罗盘普通的磁罗盘易受地球磁场的干扰在指示过程中容易出现航向角误差陀螺半罗盘则不存在地磁场的影响。利用陀螺仪的稳定性和进动性把陀螺仪的自转轴稳定在水平指北方向作为航向测量基准则可以准确指示飞机的航向。之所以称其为半罗盘则是因为陀螺仪不具备自动指北的特性需对其自转轴进行人工调整才能正常工作。如图6所示陀螺半罗盘的航向指标代表飞机的机头方向固定在表壳上刻度盘上的0度-180度线代表航向基准线航向指标所对应的刻度即飞机的航向角。同时陀螺半罗盘内部装有水平修正器和方位修正器二者可以产生水平修正力矩和方位修正力矩利用陀螺仪的进动性使陀螺仪的自转轴始终保持在水平状态和航向基准线位置又可以给陀螺仪施加控制力矩使陀螺仪进动到新的航向基准方位。陀螺半罗盘不受地磁场的影响稳定性极好但存在不能自动指北的缺点需要进行航向人工校正使用不是很方便所以飞机航向指示通常会使用到另外一种陀螺仪表-陀螺磁罗盘。2)陀螺磁罗盘陀螺磁罗盘是将普通磁罗盘和陀螺仪相结合的航向仪表同时具有两者的优点既能感应地球磁场自动指北又具有陀螺仪的稳定性在现代飞机上得到广泛应用。其结构原理如图7所示。陀螺磁罗盘通过磁传感器感应地磁场以此来测量飞机的磁航向同时利用内部安装的罗差修正器消除由于飞机机电设备的磁场所造成的罗差将航向信号输出控制方位陀螺仪输出航向角信息使指示器指示出飞机的磁航向。陀螺磁罗盘的信号传输过程可以看作是三步协调来完成的。第一步：陀螺磁罗盘中磁传感器和磁航向修正器对应连接使磁传感器测出的磁航向和磁航向修正器输出的航向相协调。第二步：通过同步器使磁航向修正器和陀螺仪对应连接使陀螺仪稳定的航向和磁航向修正器输出的航向相协调。第三步：陀螺仪中的同步器对应连接指示器中的同步器指示出陀螺仪稳定的航向供飞行员读取。结束语陀螺是一种有生命力和吸引力的装置从古代的玩具到现代的精密测试仪器它一直吸引着人