猎鹰飞行俱乐部 学飞系列 ｜带你走近飞机的姿态仪

飞行环境复杂多变，在能见度不佳的情况下，由于缺少地标以及天地线的参照，飞行员很难靠目视判断机头的俯仰姿态和机翼的水平状况，因此飞行员需要除外部自然物体之外的其他更可靠指示，帮助保持正确的空间方位感，姿态仪表为此应运而生。

飞机的姿态仪/陀螺仪

姿态仪表盘采用拟真的直观设计，表面上半部分为蓝色，象征天空，下半部分为棕色，代表大地，天地交汇与表门的中线，称之为人工地平线，用覆盖在其外侧的一个机翼模型来指示飞机和天地线之间的俯仰以及倾斜关系。姿态仪是最重要的仪表，因此安装在仪表板的正中央最醒目的位置。

飞机姿态仪，全称是飞机陀螺姿态仪，由二自由度陀螺、控制修正机构、指示机构等组成。

今天，小鹰带大家详细了解飞机姿态仪，我们先从陀螺仪的物理特性讲起。

01 陀螺仪的物理特性

陀螺在高速旋转时,能够直立于地面;而且转得越快,立得越稳;即使给它一个冲击,也只是晃动而不会倒下。利用陀螺的这种特性可以做成仪表，用来测量飞机的姿态角、航向、转弯速率。

陀螺分为二自由度陀螺和单自由度陀螺。陀螺仪的自由度是指陀螺自转轴相对于基座能在几个维度进行运动。下面给大家介绍二自由度陀螺的定轴性和进动性。

（一）定轴性

陀螺转子高速旋转时，如果没有外力矩作用，陀螺仪自转轴的指向将保持不变。这种现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。

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影响稳定性的因素：

（1）转子转动惯量越大，稳定性越好；

（2）转子转速越高，稳定性越好。

（二）进动性

如果外力矩作用高速旋转陀螺转子的内框，陀螺仪将绕外框转动，下图（a）；相反，如果外力矩作用于外框，陀螺仪将绕内框转动,下图（b）。其转动角速度方向与外力矩作用方向垂直。该特性，叫做陀螺仪的进动性。

影响进动性的因素：

（1）外力越大，进动角速度也越大；

（2）转子的转动惯量越大，进动角速度越小；

（3）转子的角速度越大，进动角速度越小。

有个特殊的情况，当陀螺的外框和内框重合时，陀螺在重力作用下产生进动，使得陀螺自转轴沿水平面绕支座逆时针转动，叫做陀螺章动。

02 陀螺地平仪的基本组成

陀螺姿态仪由二自由度陀螺仪、控制修正机构、指示机构等组成。

并且，为了建立人工地平线，二自由度陀螺仪增加了一个随动环（也称摇杆），随动环与陀螺内环、外环随动。

01

控制修正机构，利用单摆的地垂特性对二自由度陀螺仪进行修正，使其自转轴始终与地垂线一致。

02

指示机构包括坡度刻度盘、坡度指针俯仰刻度盘、机翼模型符号等。其中，坡度刻度盘、飞机符号与地平仪壳体一体联动，坡度指针与陀螺外环一体联动，俯仰刻度盘与陀螺随动环一起运动。

03 陀螺姿态仪的工作原理

将陀螺仪用于姿态仪有两个关键：

一是建立人工地垂线，让陀螺的自转轴找到低垂线的方向；

二是利用陀螺的定轴性，保持陀螺的自转轴始终与地垂线平行，这样就可以用陀螺感知飞机的俯仰和坡度变化。

简要工作过程：

陀螺仪起动时，修正控制机构开始工作。单摆地垂修正器控制自转轴位置控制力矩电机，对陀螺仪内框或外框施加外力距，通过进动使陀螺仪自转轴趋向并最终平行于地垂线从而找到地心的指向。此时，陀螺的自转轴、内框、外框分别与飞机的立轴、横轴和纵轴相平行。

当飞机俯仰姿态变化时，由于陀螺仪的稳定性，陀螺仪的自转轴及内框保持不变，外框围绕内框转动，随动环就可以带动俯仰刻度盘转动，指示飞机俯仰状态。

当飞机滚转姿态变化时，同样由于陀螺仪的稳定性，陀螺自转轴以及内、外框均保持不变，壳体等围绕外框转动，就可以带动坡度刻度盘相对坡度指针转动，指示飞机倾斜状态。

在地平姿态仪的工作中，陀螺发挥了不可或缺的核心作用，修正控制机构的主要作用在于帮助陀螺仪建立并保持地垂线，指示机构则提供了便于飞行员接受的飞机俯仰与坡度状态信息，三者共同实现了陀螺姿态仪的功能。

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