浅析陀螺原理在航空仪表中的应用论文
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°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°-180°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,它一直吸引着人们对它展开研究,陀螺仪在航空领域的应用已得到飞速的发展,出现了如光纤陀螺等更为精密的仪器。陀螺仪的潜力有待进一步发掘,随着科学技术的发展,及对陀螺特性研究的不断深入,陀螺仪也必将在工业生产、道路运输、国防军事等其他领域大放异彩。
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