[科普中国]-盲目飞行仪表

简介

飞行按照飞行员驾驶飞机的基本方法划分，可以分为目视飞行和仪表飞行两大类。目视飞行是指在可见天地线、地标的天气条件下，飞行员能够判明航空器飞行状态和目视判定方位的飞行；而仪表飞行则是指飞行员在看不清天地线和地标的情况下，按照座舱仪表的指示操纵飞机，判断飞机状态，测定飞机位置的飞行。当然，在能看清天地线和地标的情况下，飞行员也可以不看外界只看座舱进行仪表飞行。正是因为只看座舱内仪表而不看或者是根本看不到天地线和地标进行飞行，相对外界来讲，飞行员是处于一种盲目的状态，所以仪表飞行也被比较形象地俗称为盲目飞行。
顾名思义，既然被称为盲目飞行，那么这种飞行方式肯定比目视飞行更不好飞，最主要的就是飞行员不能按照习惯直观地判断出飞机所处的飞行状态：每个仪表只能反映出飞行状态的某一参数，因此需要飞行员科学合理分配注意力，全面综合判断飞行状态，及早敏锐地发现飞机俯仰、横侧、方向以及速度等各个方面的细微偏差，及时准确地使用驾驶杆、方向舵和油门加以修正。相比较而言，飞行员必须熟悉各种仪表位置及其指示特点，注意力分配要更快、更全面，飞行的操纵动作要更柔和、更细致，修正偏差要更及时、更准确。所以，仪表飞行相比目视飞行而言，难度更大，风险更多，对飞行员的要求更高。1 纵观世界航空发展史，仪表飞行始于1929年，之后，随着仪表设备的逐渐改进和飞行范围的不断扩大，最终成为各个机种机型飞行员都必须熟练掌握的基本飞行驾驶技术。仪表飞行按照具体的实施方法划分，又分为明舱仪表飞行和暗舱仪表飞行两种。其中暗舱仪表飞行更贴近“盲目”二字，它的做法有点类似中国武侠小说里面所描述的古代大侠，为培养和提高黑暗中的技击能力，拿黑布蒙上双眼来习练绝世武功：用黑色的暗舱罩将飞机座舱的前半部分风挡玻璃遮严，使飞行员在正常坐姿的情况下看不到座舱外界的任何东西，只能完全借助于座舱内部的各种仪表驾驶操控飞机进行飞行。
仪表飞行是夜间飞行、海上飞行以及复杂气象飞行的基础。就同类性质课目或是同样一个动作而言，仪表飞行往往比目视飞行更难一些，一是难在数据保持上。仪表飞行本身飞的就是数据，完全依靠数据来操控飞机进行飞行，所以自然对数据的要求更加严格；二是难在恐惧心理上。这种飞法我们刚开始听说的时候就感到很恐怖，蒙上你的双眼，即使是走在平道上都会心存恐惧，更何况是驾驶着俯仰角达到30度、时速超过一千公里的战斗机去做俯冲、跃升呢；三是难在容易产生错觉上。很多飞行员刚开始飞暗舱仪表时，只要一扣上暗舱罩就开始错觉。有的是平直飞行时还可以，但只要一做动作，也是马上就错觉。若暗舱罩未遮严，光线从一侧缝隙射入，飞行员由于“上明下暗”的定向习惯，会把亮侧与天空联系起来，把暗侧与地面联系起来，将平飞的飞机误以为横侧倾斜。有时虽然暗舱罩也遮得很严，但是毕竟座舱盖有超过一半部分被遮挡住了，影响到光线在座舱里面的平均分布，所以也会因为明暗不一造成飞行员错觉的。
一般人没法体会，也很难理解，但稍微有点飞行经验的人都知道：错觉很难受，后果很严重。严重错觉会摔飞机的！以横侧倾斜错觉为例——原本平直飞行的飞机，飞行员却偏偏以为是向左倾斜了45度。在这种情况下，飞行员往往会条件反射地向右压杆，让飞机形成右45度坡度也就是使飞机向右倾斜45度飞行，只有这样飞行员才认为飞机是平飞状态。错觉一旦产生了一般就很难消除，飞行员也很难克服，只能是强行忍受，否则就无法正常飞行。为了保持真正的平飞，就必须较长时间强行忍受着飞机向左倾斜着飞行。这就相当于你让一个人把头向左歪着在，不是跑个60米、100米的，而是要跑个800米、1500米甚至是3000米的！
然而，这还不是最严重和最可怕的错觉，在所有诸如方向、方位、俯仰以及倾斜等各类错觉中，最严重的也是最可怕的错觉便是倒飞错觉——明明是头上脚下正着在飞，飞行员却偏偏认为飞机是在脚上头下倒着在飞！为了纠正这个所谓的倒飞“错误”，其实也是一种本能反应，或者说是一种条件反射，飞行员会错误地把飞机翻转过来，改成“正飞”，即从假的倒飞变成了真的倒飞。这种错误的后果是非常严重的：一是飞机的设计上来说，机内的油箱主要是为了飞机正飞，所以只能允许短时间的倒飞，一般的飞机只有15秒钟而已。超过这个时间，飞机就会因供不上燃油而空中停车；二是从飞行员的操控上来说，飞机的倒飞是一种比较复杂的飞行状态，远不如正飞容易，需要更多更高的飞行技巧。飞行员在这种严重错觉的情况下把飞机整成了倒飞，只是暂时的，他是保持不住正常倒飞的，很快就会把飞机捣鼓进更为复杂的状态，直至自己也搞不清楚的不明飞行状态，陷入更加危险的境地。

航空飞行仪表航空仪表是为飞行人员提供有关飞行器及其分系统信息的设备。

简史飞行器仪表的发展与飞行器的发展密切相关。早期飞机上没有专门设计的仪表。莱特兄弟首次飞行时，飞机上只有一块秒表、一个风速计和一个转速表。早期装在飞机上的还有其他一些地面用的简陋仪表，如指示高度用的真空膜盒式气压计、指示航向用的磁罗盘、指示飞机姿态用的气泡式水平仪。21909年，法国飞行员L.布莱里奥第一次驾机飞越英吉利海峡时，机上仍没有任何专门的飞机仪表。那时人们主要靠肉眼观察，在能见度许可的情况下飞行。第一次世界大战期间飞机仪表有了较大的发展。1916年英国皇家空军的S.E. 5型飞机的仪表板上已装有3种较为可靠的飞行仪表及4种发动机仪表。1927年，美国飞行员C.A.林白驾机飞越大西洋，除上述主要仪表外，他的飞机还装备了罗盘、倾侧和俯仰角指示器、转弯倾斜仪和时钟。1929年9月，美国飞机驾驶员J.H.杜立特凭借仪表和无线电导航设备安全完成首次盲目飞行，即仪表飞行，开创了仪表发展的新阶段。从30年代开始，一些国家相继规定飞机上必须配备能完成盲目飞行的一定数量的基本仪表，其中包括空速表、高度表、陀螺地平仪、航向陀螺仪、升降速度表和转弯倾斜仪。随着大型、多发动机、高速飞机的机载系统逐渐增多，仪表需求量也日益增长。30～50年代，飞机仪表有了很大的发展，出现了远读仪表、伺服仪表等新式仪表。这一时期最重大的进展是出现了各种机电型综合仪表，最有代表性的是指引地平仪、航道罗盘、大气数据计算机。60～70年代电子技术、尤其是包括微处理机在内的微电子技术的发展以及彩色阴极射线管和其他新型电光元件(液晶显示器、发光二极管等)的相继问世，为仪表数字化、小型化、综合化和智能化提供了条件。数字式大气数据计算机、捷联式惯性导航系统等带微型计算机的数字测量系统和以平视显示器为代表的电子综合显示仪的出现，标志着飞行器仪表进入一个新的发展阶段。

材料用作分立式航空仪表的电子显示器件有：半导体发光二极管、液晶显示器、等离子显示器、场致发光显示器等几种。半导体发光二极管具有亮度高、寿命长、能与TTL集成电路相容等优点，但发光效率低、功耗较大。液晶显示器是一种被动发光器件，需要外界（包括自然环境）照明才能显示字符, 但它具有对比度好、功耗低、能与MOS 集成电路相容等优点。这两种显示元件均已成功地应用于电子式航空仪表中。综合电子显示器目前主要采用单色或彩色阴极射线管。阴极射线管作显示器具有可显示的信息量大、通用性好、能实现有亮度变化的多层次显示和彩色显示等优点, 它的缺点是要求控制功率大、有高压电源等。此外， 由液晶、等离子、半导体发光二极管等发光元排列成的矩阵发光屏以及激光全息成像技术在航空电子显示仪表中的应用也正在研究之中。

分类飞行器仪表分为飞行仪表、导航仪表、发动机仪表和系统状态仪表4大类。3

（1）飞行仪表

指示飞行器在飞行中的运动参数（包括线运动和角运动）的仪表，驾驶员凭借这类仪表能够正确地驾驶飞机。这类仪表主要有：利用大气特性的各种气压式仪表、利用陀螺特性的各种陀螺仪表和利用物体惯性的加速度（过载）仪表等。

（2）导航仪表

用于显示飞行器相对于地球或其他天体的位置，为飞行员或飞行控制系统提供使飞行器按规定航线飞向预定目标所需要的信息。定位和定向是导航中的两大问题。导航仪表包括导航时钟、各种航向仪表和各类导航系统。导航系统按工作原理分为：航位推算导航系统、无线电导航系统、天文导航系统、卫星导航系统，以及它们有机结合、互相校正的组合导航系统（见飞机导航系统）。航位推算导航系统按原始信息的性质又分为：利用真实空速推算的自动领航仪、利用地速推算的多普勒导航系统和利用加速度推算的惯性导航系统。

（3）发动机仪表

用于检查和指示发动机工作状态的仪表。按被测参数区分，主要有转速表、压力表、温度表和流量表等。现代发动机仪表还包括振动监控系统，用于指示发动机的结构不平衡性和预告潜在的故障。燃油是直接供发动机使用的，故指示燃油油量的油量表通常也归属于发动机仪表。

（4）系统状态仪表

用来显示系统的状态信息的仪表。

发展航空仪表的第一代是机械式仪表与简单电气式仪表，大约有四十年之久。虽然从仪表结构设计、工艺与材料等各方面曾作过许多改进与提高， 但仍摆脱不了摩擦、迟滞等因素所造成的误差大，抗震稳定性差等缺点。要想再进一步补偿某些原理误差， 结构上也受到了限制。到五十年代前后， 航空仪表发展到第二代、即出现了各种伺服式航空仪表及传感器， 如伺服式高度表、伺服式真空速传感器、伺服式马赫数传感器等等。伺服式仪表的出现，大大地丰富了航空仪表的设计内容有效地克服了第一代仪表中所存在的严重缺陷，输出信号的能力更是大大地提高了。航空仪表的第三代标志是综合化，一些参数互有联系的仪表或传感器,相互统一而成为一个完整的系统，但仍属于机电模拟式的仪表。属于这一代的典型产品是各种机电模拟的大气数据中心仪、组合式自动领航仪等。到了六十年代的中后期， 在先进的电子技术支援下， 航空仪表技术跨入了电子化、数字化的新阶段— 第四代， 出现了用集成电路和其它电子器件组成的电子式分立参数航空仪表、数字式大气数据中心仪以及采用数字技术的平视仪等。特别应当指出的是，近几年来受到人们极大重视的微型计算机，正在推动着航空仪表系统向着更加智能化的方向发展， 以适应在更复杂的环境条件下完成更准确、更可靠的测量与监控任务。4

采用先进的电子显示技术，是航空仪表的必然发展趋向。随着原始参数传感器和信号转换与数据处理装置的电子化、数字化后，旧式机械传动的圆形表盘、垂直刻度以及机械计数器等显示方法已经完全不相适应了，必须采用与电子电路相容的电子显示器件， 以显示出数字或者更形象的符号、刻度标尺、曲线以至逼真的图象等。

80年代的航空仪表的特点是利用先进的数字电子技术，进一步向高度综合化和智能化方向发展，并以微型计算机和多路传输数据总线为纽带，把传感器、显示器、控制器与飞行控制系统、发动机控制系统、火力控制系统等有机地交联在一起，以实现飞行器各系统之间的高度综合化。采用完善的自检和故障监控、故障告警手段，提高信息测量的精度和可靠性。