测量飞机姿态的仪表陀螺仪表PPT课件

1、（一）陀螺的一般知识1 1、陀螺(gyroscope)(gyroscope)：测量物体相对惯性空间转角或角速度的装置。 种类：普通刚体转子陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、粒子陀螺、低温超导陀螺等。 刚体转子陀螺：能够绕一个支点高速旋转的物体。一、陀螺的一般知识及陀螺仪表的动力源第1页/共49页2 2、刚体转子陀螺 刚体转子陀螺结构： 转子、内框、外框和基座第2页/共49页3 3、刚体转子陀螺分类 根据自转轴具有的自由度：两自由度陀螺、单自由度陀螺 根据动力：电动、气动第3页/共49页4 4、两自由度陀螺的特性 进动性、稳定性(1)(1)进动性(precession)(precession)

2、 受外力矩作用时，两自由度陀螺转动方向( (指角速度矢量方向) )与外力矩作用方向相互垂直的特性，称为两自由陀螺的进动性。第4页/共49页进动性(precession)(precession) 进动方向 角动量矢量( (或自转角速度矢量) )沿最短途径转向外力矩矢量的方向。第5页/共49页进动方向 或右手螺旋法则：将右手大拇指伸直，其余四指以最短路线从角动矢量方向握向外力矩矢量的方向，则大拇指的方向就是进动角速度矢量的方向第6页/共49页特殊情况 框架自锁：如果=90=90，自转轴与外框轴重合，陀螺失去一个转动自由度。 “飞转”：当较大，或“框架自锁”时，陀螺在外力矩的作用下可能会绕内、外框轴

3、高速转动。应尽量避免陀螺“飞转”。第7页/共49页(2)(2)稳定性(stability of gyroscope)(stability of gyroscope)第8页/共49页稳定性定义 两自由度陀螺能够抵抗干扰力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方向稳定的特性，称为陀螺的稳定性。 两种表现形式： 漂移在干扰力矩作用下，陀螺产生很小进动。（目前常用陀螺漂移率121211/ /小时，惯性级陀螺漂移率0.010.010.0010.001/ /小时。） 章动当陀螺受到冲击力矩作用时，自转轴将在原来的空间方向附近作高频微幅园锥形振荡运动。频率很高，大于几百赫；振幅很小，小于角分量级； 会很快衰减。第

4、9页/共49页(3)(3)两自由度陀螺相对于地球的运动表观运动第10页/共49页5 5、单自由度陀螺的特性进动性（1 1）定义 单自由度陀螺基座绕其缺少自由度的方向转动时，陀螺将绕内框轴转动。（2 2）进动方向 角动量矢量( (或自转角速度矢量) )沿最短途径转向基座旋转角速度矢量方向。第11页/共49页应用：测量角速度、角位移，如转弯仪等第12页/共49页（二）陀螺仪表的动力源 飞机上的陀螺仪表：地平仪、陀螺半罗盘和转弯侧滑仪。 它们靠气源或电驱动。 大多数轻型飞机上，地平仪和陀螺半罗盘的气源由真空系统提供，转弯仪由电气系统供电 。第13页/共49页飞行期间，应重视对真空系统真空度的监视。如

5、果真空系统压力在正常范围（4.4 5.2inHg）以外，气动陀螺仪表（通常指的是气动地平仪和气动陀螺半罗盘）的指示不可靠。有些飞机上装备有真空系统压力低“GYROS”警告灯，当真空系统压力低于3 3.5inHg时，该灯燃亮 第14页/共49页二、 航空地平仪(gyro horizon)(gyro horizon) （一）功用 测量和指示飞机的俯仰角和倾斜角第15页/共49页( (二) )基本原理俯仰角：飞机纵轴与地平面的夹角，即飞机绕横向水平轴转动的角度。倾斜角：飞机对称面与通过飞机纵轴所作的铅垂面之间的夹角，即飞机绕纵轴转动的角度；无俯仰时，也等于飞机横轴与地平面的夹角。第16页/共49页怎

6、样测量俯仰角和倾斜角？ 单摆具有地垂性，但不稳定。 陀螺具有稳定性，但不能跟踪地垂线。第17页/共49页原理：利用摆的地垂性修正陀螺，利用陀螺的稳定性建立稳定的人工地垂线，从而根据飞机和陀螺的关系测量飞机的俯仰角和倾斜角。第18页/共49页（三）组成及分类 第19页/共49页组成: :1 1、两自由度陀螺 建立稳定的测量基准电动、气动， 转速高达2300023000转/ /分2 2、地垂修正器 测量地垂线并对陀螺进行地垂修正常用固体摆式修正器、液体摆式修正器3 3、指示机构 指示姿态角（或同位器传送电信号）4 4、控制机构（1 1）陀螺控制机构（或上锁机构）缩短起动时间和快速消除误差（2 2）

7、摆的控制机构 转弯、加速时切断修正减小误差 第20页/共49页 分类 直读式： 陀螺直接带动指示 远读式： 陀螺通过远传带动指示( (又称为姿态系统。由陀螺传感器和指示器组成。）第21页/共49页（四）使用特点 地面起动 要求： （1 1）转子达到额定转速。 由时间保证或收警告旗判断。 （2 2）自转轴处于地垂线方向。 由指示停机角反映。 方法：适当时候上锁，加快起动。第22页/共49页 地面起动 例如H321H321：（1 1）通电，约3 3分钟，收旗；（2 2）拉锁；（3 3）放锁，直到指示停机角，起动毕。第23页/共49页 地面起动 BDP1BDP1：（1 1）上锁，通电；（2 2）12

8、12分钟后开锁；（3 3）待指示停机角，起动毕。第24页/共49页 空中使用1 1、平飞 平飞时有一定的迎角，参照升降速度表调整。第25页/共49页2 2、加速 加或减速时，惯性力使摆偏离地垂线，对陀螺进行错误修正，使地平仪出现上仰或下俯误差。用升降速度表和转弯侧滑仪检查。第26页/共49页3 3、盘旋和转弯 盘旋或转弯时，惯性离心力使摆偏离地垂线方向，对陀螺进行错误修正，使地平仪的俯仰和倾斜指示产生误差。 改平后，用升降速度表和转弯侧滑仪检查。第27页/共49页 4 4、修正方法 飞机改平、匀速飞行时，先上锁，后开锁，消除误差。 5 5、使用完毕 断电，上锁；或根据要求。第28页/共49页三

9、、 转弯侧滑仪（一）转弯仪(turn indicator)(turn indicator)1 1、功用：（1 1）指示飞机转弯( (或盘旋) )方向；（2 2）粗略反映转弯的快慢程度；（3 3）有的还能指示飞机在某一真空速时无侧滑转弯的坡度 ( (倾斜角) )。第29页/共49页2 2、原理组成：单自由度陀螺、平衡弹簧、空气阻尼器和指示机构等原理：转弯仪是利用单自由度陀螺进动性工作的。第30页/共49页1 1）指示转弯方向 单自由度陀螺进动指示转弯方向第31页/共49页2 2）指示转弯快慢 飞机转弯时引起陀螺进动的力矩 L Lcos(cos()式中：飞机转弯角速度；飞机倾斜角； 内框转角。陀螺

10、内框转角不大时 LJcosLJcos平衡弹簧的力矩为 M M K K弹性力矩系数。指针稳定时 M ML L （J/KJ/K）coscos 故，粗略反映。第32页/共49页3 3）指示飞机无侧滑转弯时的倾斜角tgtgF Fi i/G/G而 F Fi imv Gmv Gmgmg式中：mm飞机的质量； vv飞机的飞行速度； gg重力加速度。因此，tgtgmv/mgmv/mgv/g v/g 即（g/vg/v）tg tg 代入式（J/KJ/K）coscos中则（Jg/KvJg/Kv）sinsin 当v v一定时，可指示。第33页/共49页3 3、指示 当小飞机翼尖或指针对准“L”或 “R”标线时，表示飞

11、机以标准角速度(3 /秒)转弯。若无侧滑，飞机转360需要2分钟时间。这就是转弯仪表面上标有“2MIN”字样的含义。 第34页/共49页（二）侧滑仪(slip indicator)(slip indicator)1 1、功用 指示飞机有无侧滑和侧滑方向（与转弯仪配合，协调转弯）。第35页/共49页原理：利用单摆模拟飞机承受的横向合力，根据摆锤在横向合力作用下的运动状态指示飞机侧滑。 2、原理第36页/共49页2、原理结构；小球（敏感元件）、玻璃管和阻尼液等 第37页/共49页1 1）直线飞行 重力使小球偏离中央，指示侧滑。第38页/共49页2 2）转弯飞行（1 1）协调转弯与配合适当 F FX

12、 XX X0 0 或F FX XG GX X 小球在中央第39页/共49页（2 2）外侧滑过小或过大 F FX XX X 或FcosFcosGsin Gsin 小球移向右( (外) )侧第40页/共49页（3 3）内侧滑 过大或过小F FX XG GX X 或FcosFcosGsin Gsin 小球移向左( (内) )侧 横向合力越大，小球偏离中央位置越远，表示侧滑越严重。第41页/共49页3 3、使用特点1 1）接通电源，转速正常( (按规定时间或警告旗收起) )后使用。第42页/共49页2 2）注意综合使用转弯仪和罗盘第43页/共49页小 结 飞机上有三种陀螺仪表：地平仪、陀螺半罗盘和转弯

13、侧滑仪。它们靠气源或电驱动。大多数轻型飞机上，地平仪和陀螺半罗盘的气源由真空系统提供，转弯仪由电气系统供电。这样配置保证了某一系统失效时有备份系统 地平仪和陀螺半罗盘使用的是两自由度陀螺，该陀螺具有两大特性：稳定性和进动性。稳定性是指陀螺一旦高速旋转起来, ,就会表现出抵抗干扰力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方向不变的特性。 进动性是指陀螺在外力矩作用下，其转动方向与外力矩作用方向相互垂直的特性。第44页/共49页 地平仪 地平仪用来测量和指示飞机的俯仰角和倾斜角。 地平仪的基本原理就是利用摆的地垂性修正陀螺，利用陀螺的稳定性建立稳定的人工地垂线，从而根据飞机和陀螺的关系测量飞机的俯仰角和倾

14、斜角。 飞机转弯或盘旋时，惯性离心力使摆偏离地垂线，并对陀螺进行错误修正，造成自转轴偏离地垂线，使地平仪的俯仰和倾斜指示产生误差。 在飞机加速或减速时，惯性力使摆偏离地垂线，并对陀螺进行错误修正，造成自转轴偏离地垂线，从而产生误差。飞机加速时，地平仪指示飞机爬升；飞机减速时情况相反。 地平仪上的锁定手柄可以在地平仪起动时或飞机机动飞行后使自转轴迅速恢复到地垂线方向（陀螺直立），从而缩短起动时间或消除机动飞行过程中产生的指示误差。飞行时，如果在地面未使地平仪投入工作，飞机起飞后，在飞机匀速平飞时，应拉动锁定手柄，让转子平面平行于地平面，使仪表指示正确。 第45页/共49页转弯侧滑仪 转弯仪用于指示飞机转弯或盘旋的方向，并粗略地反映转弯的快慢程度。有的转弯仪在飞机真空速与它表面标注的真空速相等时, ,能指示飞机无侧滑转弯的坡度。侧滑仪用于指示飞机有无侧滑和侧滑的方向，与转弯仪配合，供驾驶员操纵飞机协调转弯。 转弯仪利用单自由度陀螺的进动性工作。当小飞机翼尖或指针对准“L L”或 “R R”标线时，表示飞机以标准角速度(3(3 / /秒) )转弯。若无侧滑，飞机转360360需要2 2分钟时间。这就是转弯仪表面上标有“2MIN2MI