[科普中国]-航空仪表

介绍

为飞行人员提供有关飞行器及其分系统信息的设备。飞行器仪表与各种控制器一起形成人－机接口，使飞行人员能按飞行计划操纵飞行器。仪表提供的信息既是飞行人员操纵飞行器的依据，同时又反映出飞行器被操纵的结果。

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。1909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。

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。

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。

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。

组成原理 按照组成原理，飞行器仪表可分为直读仪表、远读仪表、伺服仪表和综合仪表。

直读仪表很多早期的仪表都属此类，如气压式高度表、空速表、升降速度表、磁罗盘、航向陀螺仪等。直读仪表通常由敏感元件(直接感受被测物理量的元件)、放大传动机构和指示装置组成，如气压式仪表等。有的直读仪表则直接由敏感元件来带动指示装置，如磁罗盘和航向陀螺仪。这类仪表简单、可靠，不仅仍大量用于一些低空飞行的轻型飞机上，而且几乎在所有飞机上都还用它们作为应急仪表。

远读仪表通常由传感器和指示器两部分组成。传感器远离仪表板，指示器则在仪表板上。大多数发动机仪表均属此类，如发动机排气温度表用热电偶式感温头作为传感器，用毫伏表作为指示器。还有一些仪表利用远距同步传输系统来实现远读的功能。

伺服仪表利用伺服系统原理构成的仪表，也称闭环仪表。采用伺服机构能减小摩擦力矩对敏感元件的影响，进行力矩放大，提高仪表测量和指示精度，输出多路信号供各系统使用。伺服仪表也具有远读的特点。

综合仪表也称为组合仪表。仪表的综合化有两条平行的途径：一为传感器综合化，二为显示器综合化。

传感器综合化又分为两种方式。一种方式是把原理不同而功用类似的几个传感器组合在一起，以达到互相校正和提高仪表性能的目的。由磁罗盘和航向陀螺仪组成的陀螺磁罗盘是这种综合方式的典型例子。另一种方式是把少量公用的原始信息传感器集中起来，通过计算机计算，输出为数众多的不同的信号。这方面的典型实例是大气数据计算机。这种传感器综合化方式的优点是大大减少了设备的重复性，减小了体积和重量，又能采用较完善的测量原理，进行多种误差补偿而提高了参数测量精度。

显示器综合化是把有关的参数集中在一个显示器内显示，这样做不仅能有效地减少仪表数量、减轻仪表板的拥挤程度、减轻飞行员的目视负担，而且还能得到用单一参数指示器所不能得到的有用信息。早期的组合式高度表、组合式航向仪表，后来的机电型指引地平仪、航道罗盘以及现代的电子综合显示仪都是显示综合化的实例。

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1。

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1。

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。