此陀螺非彼陀螺!通航飞机仪表,泰裤辣

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通航在线『 通航借鉴 』专栏



薛灏，高级工程师，拥有CAAC飞机维修执照，及美国FAA PPL/sUAS /AGI/IGI /A&P (飞行私照/无人机商照/高级飞行理论教员/仪表等级理论教员/维修执照)，杭州黎翔航空技术服务创始人，专业从事私人飞行咨询、通航技术服务及通航飞行员特/复训，通航在线『 通航借鉴 』栏目主理人。

微信号: 15397079808

上篇，聊聊酷暑飞行季（戳此了解），需要关注的几件事情，情理之中又出乎意料，讲究一点总没错…

今天，聊聊航电那些事儿。源于前几天飞友群的一个话题，关于几大仪表的动力来源问题，无非是气动还是电动。

对于我朝的大多数飞机，不论运动类，亦或正常类飞机，大都是综合航电系统，估计很少人会对这个刨根问底。不妨挑战一下，大有文章，大有乾坤，大有嚼头…

回到小伙伴聊的传统仪表，英文叫Traditional Instrument，或者Round-Dial Indicator。

航理考试，一定会有几道题，是与其有关的。老款飞机上的，哪些仪表是气泵驱动，或是电机驱动？

结论并不难，大家有没有想过，Why？

其实，也没见得哪篇文章专门会来聊这个，只能自己逆向推导一下，仅供参考。

除了冗余度考量，电源和气源好歹是两条路线，不至于故障一锅端。

我提了一条想法，值得推敲：工作原理。

惯性仪表的基本核心元件，就是陀螺仪。它们有一个共同点，就是摩擦力会产生陀螺漂移。友情提示，使用机械航向罗盘，记得定时比对磁罗盘校准哦…就是因为漂移的缘故。

对于姿态仪，漂移的后果很严重，导致地垂线不靠谱！所以，早期的气动陀螺，就会通过重力小档板，盖住小气孔，当陀螺倾斜变歪后，通过气孔喷气，使支架回归到地垂线上，可以想象一下空间站或者宇航服。好处很明显：便宜、好使！



当然，后期的姿态仪，包括民航飞机的备用机械姿态仪，使用的都是电陀螺，它们使用的是导电液面，术语叫“液体摆”，在陀螺漂移后，倾斜液面会控制电机，施加支架力矩后，使陀螺恢复地垂竖立…这款陀螺的最大问题：贵！忒贵！相当贵！

这门课程，在中国民航大学电子系，叫做陀螺原理。难度系数五星，位列四大原理之首！之所以叫大哥，是因为陀螺各种反常规的特性表现，以及自带的强大数学基因。

今天，我们聊聊，陀螺姿态仪，科技才是第一生产力。

老规矩，正文进场，小结更精彩…

How Does An Attitude Indicator Work?

姿态仪是如何工作的？

https://www.boldmethod.com/blog/learn-to-fly/systems/how-does-an-attitude-indicator-work-round-dial-and-glass/（原版对照）





不论你飞的哪款飞机，姿态仪都是最重要的仪表之一。它究竟是如何工作的呢？

今天我们就聊一聊，姿态仪的工作原理，分为两款：圆盘式Round-Dial和电子舱航电Glass Cockpit。

传统姿态仪



典型的圆盘式姿态仪内置惯性陀螺，是由飞机的真空泵系统（Vacuum System）驱动。压力空气通过姿态仪的铲状转子，驱动陀螺仪高速旋转。

姿态仪壳体内部水平安装的，是高速旋转的陀螺本体。正对陀螺臂的刻度卡，指示的是俯仰刻度，外沿则是坡度倾斜刻度。



如何确定俯仰角？

飞机姿态的改变，最简单的识别方法，就是目测机体是如何围绕陀螺转动，而不是考虑陀螺如何移动。

传统的姿态仪，是使用陀螺的惯性空间稳定原理，来获得飞机俯仰和倾斜角度的。陀螺在高速旋转后，会维持一个稳定的姿态，飞机的姿态改变并不会改变陀螺的姿态。


陀螺仪在空间维持住姿态/飞机“围绕陀螺转动”

固态姿态仪



最新的固态航电仪表，不再使用圆盘仪表的旋转陀螺部件。取而代之的是，AHRS或ADAHRS，即Attitude, Heading Reference System姿态航向基准系统，或者Air Data Attitude Heading Reference System大气数据姿态航向基准系统。

有的飞机使用的是AHRS和ADC，有的飞机就是二合一的ADAHRS，查看航电指引手册就能一目了然。



系统部件

我们不妨看看PA28-181飞机使用的G1000 NXi。与其他飞机相比，其实差别不大，工作原理基本上是一样的。

G1000NXi使用的是LRUs(Line Replaceable Units航线可更换件)，只要看系统图的每个框框，就是一个LRU。



ADAHRS会将飞行信息数据传递给综合航电组件和显示器。我们注意到每个LRU之间也会交互传输，目的就是为了更大的冗余度。

如何确定飞机姿态？

姿态信息是在件号GSU75的ADAHRS里处理生成的。

飞机的姿态计算，需要两个固态陀螺。一个是垂直摆放，另一个是水平摆放。GSU75里面有一组加速度计，加上磁强计，再通过对轻微震荡和干扰信号的过滤处理，就可以获得平滑的姿态显示。（译注：磁强计，是通过感应磁力线矢量，获得可靠的磁北方位。所以，给我们非常重要的启发：飞行计划，最终执行的是磁北航向，认真制定目视飞行计划，计算罗盘航向，地标领航法才是目视飞行的基础。毕竟，GPS是会出问题的。）

固态陀螺Solid-State Gyros是如何工作的？

接下来，固态陀螺是如何计算姿态信息的呢？答案就在这枚不足硬币大小的芯片里，叫做MEMS（Micro ElectroMechanical System微电机系统）



MEMS陀螺仪内置一个震动元件，通过柯氏加速度（Coriolis acceleration）获得能量的传输。（动图文字：柯氏加速度/物体运动路径是曲线的，那是因为受到了柯氏加速度的作用）（译注：关于原理，可以通过关键词：MEMS+柯氏，在知乎上找答案。）



简而言之，MEMS内的振动部件，充当了陀螺仪的角色，最后按照振动频率的改变值，获得了姿态数据。



MEMS的芯片，通常是由加速度计、磁强计和GPS组装到一起，就拼装成为一套AHRS集成板。（译注：所谓LRU航线可更换件，就是非常容易更换，只需电路板的插拔就可以，实物如下）



环状激光陀螺仪Ring Laser Gyros



运输客机的电子舱仪表，会使用环状激光陀螺RLG。这些系统利用的是塞格奈克效应Sagnac Effect，由此获得俯仰和横滚数据。

塞格奈克效应的基本原理是，光束沿着同向滚转行程变长，反向滚转行程变短。

飞机姿态改变，RLG就会沿轴旋转，反向两束激光束形成干涉条纹，AHRS进行运算获得偏转角度。当然，这就需要在每个轴上，都需要安装一部RLG。（译注：原文缺少结论，两束反向光束进行干涉后，计数单位时间内的移动干涉条纹，便可获得角速度）



综合以上

如果你用的是一款传统圆盘式系统，姿态仪使用高速陀螺仪，原理就是陀螺的空间稳定性，可以显示姿态信息。

如果你用的是一款电子舱航显系统，信息来自于固态陀螺，以及加速度计和磁强计。

最终如果你有机会成为运输机长的话，你就有机会见到激光陀螺。

文末小结：



陀螺仪、MEMS、RLG、加速度计、磁强计…琳琅满目的传感器，广泛应用于现代工业的各个角落，譬如汽车、飞机、机器人、手机…

写到这里，突然让我想起近三十年前的大学老师：赵明生先生（自控）、张良云先生（陀螺），年轻时都是隐姓埋名的国防导弹专家，之后在三尺讲台继续发光发热，音容笑貌犹在耳畔，致敬先生们。

时过境迁，尽管传统的仪表正在被MEMS所取代，但是所有的进步都不是一蹴而就的，灵感和动力都来自于更高的追求。

最后，让我们看看，运输飞机的激光陀螺，是捷联式惯导的重要部件，它们究竟是长什么样的？

科幻的外表，是数学、光学、材料学和工艺的伟大结晶。科学技术，才是第一生产力。





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