[科普中国]-陀螺地平仪

陀螺地平仪是利用三自由度陀螺仪的特性和摆的特性做成的陀螺仪表，用来测量飞机的姿态角。飞行员凭借陀螺地平仪的指示，才能保持飞机的正确姿态，完成飞行和作战任务。特别是在云中飞行或进行夜航时，飞行员看不见大地的地平线和地标，如不借助仪表，驾驶飞机就十分困难；而且，飞行员容易产生错觉，甚至可能造成机毁人亡的事故。由于飞行姿态对飞行的运动状态具有决定性的影响，对保证飞行安全也具有极大的重要性，因此，作为首要飞行仪表的陀螺地平仪通常都安装在飞机仪表板中间的最显眼位置上。在有些飞机上还加装了应急地平仪，以备主地平仪出现故障时使用。

飞机的姿态角是指俯仰角和倾斜角。假如飞机上有一个地平面基准，当飞机抬头或低头时，飞机纵轴与这个地平面之间的夹角就是飞机的俯仰角。当飞机绕纵轴向左或向右转动时，飞机纵向对称平面绕纵轴转过的角度就是飞机的倾斜角。

要测得飞机的姿态角，关键是在飞机上建立一个地平面或地垂线基准。我们知道，摆能够自动寻找地垂线具有方向敏感性；但它受加速度干扰时会产生很大的误差，缺少方向稳定性。我们也知道三自由度陀螺仪的自转轴并不因加速度干扰而改变方向，具有方向稳定性;但它却不能自动寻找地垂线，没有方向敏感性。即使把自转轴调整到与地垂线重合，由于地球自转和飞机运动导致地垂线在惯性空间不断改变方向，而且陀螺漂移导致自转轴在惯性空间也不断改变方向,这就使得起初与地垂线重合的自转轴逐渐偏离地垂线。由此想到把摆和陀螺仪二者的优点结合在一起，即用摆敏感地垂线并对陀螺仪进行修正,使具有方向稳定性的自转轴获得方向敏感性，这样便可在飞机上建立一个精确而稳定的地垂线基准。

以三自由度陀螺仪为基础，加上修正装置，再装上指示机构，就可构成陀螺地平仪。若不装指示机构，而是装上信号传感器，则可构成垂直陀螺仪1。

工作原理利用陀螺特性测量飞机俯仰和倾斜姿态的飞行仪表。飞行姿态对于飞机的运动状态和保证飞行安全都有重要的意义，因此，陀螺地平仪或指引地平仪作为首要的飞行仪表，通常被安装在仪表板中间最显著的位置上。

为了在飞机上测量其姿态，必须在机上建立一个地垂线或地平面基准。摆具有敏感地垂线的特性，但受加速度干扰时会产生很大的误差。陀螺仪的自转轴具有方向稳定的特性，但不能自动找到地垂线。陀螺地平仪结合二者的特性，以陀螺仪为基础，用摆式敏感元件和力矩执行元件所组成的修正装置对它进行修正，使自转轴精确而稳定地重现地垂线。液体开关是现代地平仪常用的一种摆式敏感元件。它是具有摆的特性和电路开关特性的气泡水准仪。密封容器内装有特殊导电液体并留有气泡，还装有相互绝缘的电极。液体开关感受陀螺自转轴相对地垂线的偏差，并将它变成电信号送至相应的力矩电机，产生修正力矩，使自转轴再现地垂线。修正速度一般为几度每分钟。由于缓慢修正，当飞机加速度干扰引起液体开关的液面倾斜时，在短时间内错误修正仅引起自转轴偏离地垂线一个很小的角度。而且，当飞机线加速度或盘旋角速度超过一定值时，会自动切断相应的修正电路，以消除错误修正，提高抗干扰能力。仪表起动前陀螺自转轴处于随意位置，为使自转轴快速重现地垂线，起动时可加大修正力矩或靠锁定装置把自转轴锁在地垂线方向上。

陀螺外环轴平行于飞机纵轴安装。飞机俯仰或倾侧时，仪表壳体随之转动，而陀螺自转轴仍然重现地垂线，通过指示机构中飞机标志相对地平线的位置，直观而形象地显示出飞机的姿态。为了防止俯仰角为90°时外环轴与自转轴重合而使陀螺仪表失去正常工作条件，歼击机地平仪中增设了随动环，将陀螺转子和内外环都安装在随动环上，而随动环轴平行于飞机的纵轴安装。飞机作任何姿态的机动飞行，随动环都能保证自转轴、内环轴和外环轴三者正交，从而使俯仰角和倾侧角的显示范围均可达到360°。

航空陀螺地平仪在中国的教材中一般称其为"仪表之王"，它保证了飞行员及时了解和掌握飞机俯仰、倾斜的角度，以便正确操纵飞机2。原理见图如下：

分类苏联的航空陀螺地平仪主要介绍二战之后的，这个时期才是苏联陀螺地平仪真正有特色的发展阶段，尤其50-60年代研发的几款地平仪更是经典设计，广泛装备当时苏联主导的华约组织、中国等国家的各型号军民用飞机。

二战时期的飞机机载设备还相对简单，陀螺地平仪大多为纯机械陀螺，陀螺马达旋转主要靠机上的高压气源驱动气动马达转子高速旋转，可靠性不是很好；随着机上电源技术的进步，稳定的400hz电源保证了那个时代新开发的三相异步陀螺马达的稳定运转，从而苏联诞生了一批应用精巧思维设计的陀螺地平仪等一系列机电仪表，座舱仪表自此实现基本的电气化。由此航空陀螺地平仪主要分为直读地平仪和远读地平仪2。

直读式直接通过表的指示机构表示飞机姿态。远读式通过装在陀螺仪上的传感元件输出飞机姿态信号，由远距传输系统送到地平指示器进行显示。这种带有信号传感元件的陀螺仪称为垂直陀螺，它作为姿态传感器可向各机载系统提供飞机俯仰和倾侧角信号。歼击机用直读式地平仪，在飞机爬升时，飞机标志移到地平线下方，俯冲时则相反，不符合直观感觉，远读式地平仪则能克服这一缺点。

注意事项飞行姿态对于飞机的运动状态和保证飞行安全都有重要的意义，因此，陀螺地平仪或指引地平仪作为首要的飞行仪表，通常被安装在仪表板中间最显著的位置上。