淺析陀螺原理在航空儀表中的應(yīng)用論文
陀螺原理
陀螺之所以具有如此奇特的性能,是因?yàn)橥勇菰谛D(zhuǎn)時所產(chǎn)生的陀螺力矩。陀螺在繞兩個不平行的軸高速旋轉(zhuǎn)的時候就會產(chǎn)生陀螺力矩,其力矩大小與陀螺旋轉(zhuǎn)的動量矩和牽連角速度的乘積成正比,而牽連角速度矢量沿陀螺儀自轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)90°就是陀螺力矩矢量的方向。
陀螺儀表
陀螺按結(jié)構(gòu)可分為二自由度陀螺和三自由度陀螺兩大類,由這兩種陀螺可以組成不同功能的航空儀表。飛機(jī)上的陀螺儀表主要用來測量飛機(jī)的姿態(tài)角、航向角、角位移和角速度等參量,如陀螺地平儀,可用于指示飛機(jī)的姿態(tài)角;陀螺磁羅盤,可用于指示飛機(jī)的航向角;而垂直陀螺儀,則用于測量飛機(jī)的姿態(tài)信息。
1.姿態(tài)儀表
飛機(jī)飛行中的姿態(tài)信息非常重要,必須及時準(zhǔn)確的被飛行員掌握,陀螺儀可以精確測量飛機(jī)的姿態(tài)變化,并將其轉(zhuǎn)換為電信號在儀表上進(jìn)行顯示。其原理如圖3所示。由于高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有穩(wěn)定性,其自轉(zhuǎn)軸保持在一個空間方位。當(dāng)飛機(jī)上仰或者傾斜時,陀螺自轉(zhuǎn)軸的方向卻是不變的,飛機(jī)縱軸與陀螺自轉(zhuǎn)軸之間的夾角即可表示飛機(jī)的仰角,飛機(jī)橫軸與陀螺自轉(zhuǎn)軸之間的夾角可表示飛機(jī)的傾斜角。通過此原理顯示飛機(jī)姿態(tài)信息的陀螺儀表的種類及數(shù)量很多,本文以垂直陀螺儀和陀螺地平儀為例,對飛機(jī)的陀螺儀表的工作原理進(jìn)行分析。
1)垂直陀螺儀垂直陀螺儀
在現(xiàn)代飛機(jī)上應(yīng)用非常普遍,它可以精確測量飛機(jī)的姿態(tài)角并輸出與姿態(tài)角成比例的電信號,提供給計算機(jī),最終在儀表上顯示。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了測量和輸出飛機(jī)的姿態(tài)信號,垂直陀螺儀上安裝了俯仰同步器和傾斜同步器,分別輸出俯仰角和傾斜角電信號。而為了減小縱向加速度誤差,垂直陀螺儀安裝了俯仰直立和水平修正斷開電門,在存在縱向加速度時切斷陀螺儀的俯仰修正;為了減小盤旋誤差,垂直陀螺儀安裝了傾斜直立和水平修正斷開電門,在盤旋傾斜時切斷陀螺儀的傾斜修正。
2)陀螺地平儀
現(xiàn)代飛機(jī)上的陀螺地平儀有很多種,但其工作原理基本相同,均是利用陀螺使儀表中的空地指示球相對當(dāng)?shù)厮矫娣�(wěn)定,以此為標(biāo)準(zhǔn),表中小飛機(jī)標(biāo)志則表示飛機(jī)機(jī)體的狀態(tài),通過小飛機(jī)和指示球地平線之間的相對位置關(guān)系,測量飛機(jī)機(jī)體的俯仰角和傾斜角。地平儀指示器的結(jié)構(gòu)如圖5所示(圖略)。當(dāng)?shù)仄絻x未通電時,指示球停在任意狀態(tài),當(dāng)儀表通電后,陀螺儀通過自動修正或手動調(diào)整,設(shè)置在地垂線位置。儀表正常工作時,陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),在內(nèi)部修正機(jī)構(gòu)的作用下,利用陀螺的穩(wěn)定性和進(jìn)動性,使指示球始終穩(wěn)定在當(dāng)?shù)氐卮咕�方向,并以此為標(biāo)準(zhǔn),通過小飛機(jī)與指示球之間的相對位置關(guān)系,測量飛機(jī)機(jī)體的姿態(tài)角。
2.航向儀表
利用陀螺儀在空間方位的穩(wěn)定性和跟蹤基準(zhǔn)的進(jìn)動性,還可以將其自轉(zhuǎn)軸置于水平位置,作為航向基準(zhǔn)線,制作成飛機(jī)航向儀表,它所指示的航向稱為陀螺航向。本文以陀螺半羅盤和陀螺磁羅盤兩種航向儀表為例,對陀螺儀在飛機(jī)航向儀表中的應(yīng)用加以分析。
1)陀螺半羅盤
普通的`磁羅盤易受地球磁場的干擾,在指示過程中容易出現(xiàn)航向角誤差,陀螺半羅盤則不存在地磁場的影響。利用陀螺儀的穩(wěn)定性和進(jìn)動性,把陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在水平指北方向,作為航向測量基準(zhǔn),則可以準(zhǔn)確指示飛機(jī)的航向。之所以稱其為半羅盤,則是因?yàn)橥勇輧x不具備自動指北的特性,需對其自轉(zhuǎn)軸進(jìn)行人工調(diào)整才能正常工作。如圖6所示,陀螺半羅盤的航向指標(biāo)代表飛機(jī)的機(jī)頭方向,固定在表殼上,刻度盤上的0°-180°線代表航向基準(zhǔn)線,航向指標(biāo)所對應(yīng)的刻度即飛機(jī)的航向角。同時陀螺半羅盤內(nèi)部裝有水平修正器和方位修正器,二者可以產(chǎn)生水平修正力矩和方位修正力矩,利用陀螺儀的進(jìn)動性,使陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸始終保持在水平狀態(tài)和航向基準(zhǔn)線位置,又可以給陀螺儀施加控制力矩,使陀螺儀進(jìn)動到新的航向基準(zhǔn)方位。陀螺半羅盤不受地磁場的影響,穩(wěn)定性極好,但存在不能自動指北的缺點(diǎn),需要進(jìn)行航向人工校正,使用不是很方便,所以飛機(jī)航向指示通常會使用到另外一種陀螺儀表-陀螺磁羅盤。
2)陀螺磁羅盤陀螺磁羅盤是將普通磁羅盤和陀螺儀相結(jié)合的航向儀表,同時具有兩者的優(yōu)點(diǎn),既能感應(yīng)地球磁場自動指北,又具有陀螺儀的穩(wěn)定性,在現(xiàn)代飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。陀螺磁羅盤通過磁傳感器感應(yīng)地磁場,以此來測量飛機(jī)的磁航向,同時利用內(nèi)部安裝的羅差修正器,消除由于飛機(jī)機(jī)電設(shè)備的磁場所造成的羅差,將航向信號輸出,控制方位陀螺儀輸出航向角信息,使指示器指示出飛機(jī)的磁航向。陀螺磁羅盤的信號傳輸過程可以看作是三步協(xié)調(diào)來完成的。第一步:陀螺磁羅盤中磁傳感器和磁航向修正器對應(yīng)連接,使磁傳感器測出的磁航向和磁航向修正器輸出的航向相協(xié)調(diào)。第二步:通過同步器使磁航向修正器和陀螺儀對應(yīng)連接,使陀螺儀穩(wěn)定的航向和磁航向修正器輸出的航向相協(xié)調(diào)。第三步:陀螺儀中的同步器對應(yīng)連接指示器中的同步器,指示出陀螺儀穩(wěn)定的航向供飛行員讀取。
結(jié)束語
陀螺是一種有生命力和吸引力的裝置,從古代的玩具,到現(xiàn)代的精密測試儀器,它一直吸引著人們對它展開研究,陀螺儀在航空領(lǐng)域的應(yīng)用已得到飛速的發(fā)展,出現(xiàn)了如光纖陀螺等更為精密的儀器。陀螺儀的潛力有待進(jìn)一步發(fā)掘,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,及對陀螺特性研究的不斷深入,陀螺儀也必將在工業(yè)生產(chǎn)、道路運(yùn)輸、國防軍事等其他領(lǐng)域大放異彩。
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