1、第 07 章 仪表和电子系统直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统7.1 电子仪表概述7.1.1 航空仪表的分类 航空仪表分为飞行仪表、发动机仪表和其他系统仪表。p 飞行仪表 提供的数据，帮助飞行员驾驶直升机完成安全经济的飞行。 位于正、副飞行员的仪表板上。 飞行仪表用于测量直升机的各种运动参数。飞行仪表包括大气数据仪表、姿态系统仪表、航向仪表和指引仪表。大气数据系统仪表有高度表、升降速度表、指示空速表、大气静温表和空气总温表等；姿态系统仪表有地平仪、转弯仪和侧滑仪等；航向系统仪表有磁罗盘、陀螺罗盘和陀螺磁罗盘等；指引系统仪表有姿态指引仪、水平指引仪等。p 发动机仪表 位于中央仪表板上， 发动
2、机仪表是指发动机工作系统中的各种参数测量仪表，如转速表、扭矩表、排气温度表、燃油压力表、滑油压力表、滑油温度表、燃油油量表、燃油流量表和滑油油量表等。精品资料 你怎么称呼老师？ 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？ 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ 教师的教鞭 “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘 ” “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早”直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 其他系统仪表 是指在直升机的其他系统或设备中使用的测量仪表，如直升机液压系统、灭火系统的各种压力表；此外，还有起落架收放位置指示器和直升机电气
3、设备使用的电流表、电压表等。 它们通常位于驾驶舱的顶板上。7.1.2 航空仪表的发展历程与布局p 航空仪表发展5 个阶段机械仪表阶段仪表的初创时期，多数仪表为单个整体直读式结构，也称为直读式仪表。即传感器和指示器组装在一起的单一参数测量仪表。表内敏感元件、信号传送和指示部分均为机械结构，例如早期的空速表和高度表。这种表的最大优点是结构简单、工作可靠、成本低廉。它的缺点是灵敏度较低、指示误差较大。电气仪表阶段此时的仪表称为远读式仪表，如远读式磁罗盘、远读式地平仪等。所谓“远读”是指仪表的传感器和指示器没有装在同一个表壳内，它们之间的控制关系是通过电信号的传输实现的，因相距较远，故称为远读式仪表。
4、优点：用电气传输代替机械传动，可以提高仪表的反应速度、准确度和传输距离。将仪表的指示部分与其他部分分开，使仪表板上的仪表体积大为缩小，改变了因仪表数量增多而出现的仪表板拥挤状况。另外，仪表的敏感元件远离驾驶舱，减少了干扰，提高了敏感元件的测量精度。缺点：整套仪表结构复杂、部件增多、重量增加。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统机电式伺服仪表阶段能够自动调节的小功率伺服系统仪表，即机电式伺服仪表。伺服系统又称为随动系统。是一种利用反馈原理来保证输出量与输入量相一致的信号传递装置。对仪表信号，采用伺服系统方式来传送，信号能量得到放大，提高了仪表的指示精度和带负载能力，可以实现一个传感器带动几个指
5、示器，有利于仪表的综合化和自动化。综合指示仪表阶段把功能相同或相关的仪表指示器有机地组合在一起，形成统一指示的综合仪表。例如，综合罗盘指示器、组合地平仪和各种发动机仪表的相互组合等都是一表多用的结构形式。电子综合显示仪表阶段电子飞行仪表的第一代产品：主要仪表的显示部分已广泛采用衍射平视仪和彩色多功能显示器，出现了EFIS（电子飞行仪表系统）和EICAS（发动机指示和机组警告系统），但是综合程度有限，仍配置有较多的机电仪表和备用仪表。电子飞行仪表的第二代产品：彩色电子显示系统有了进一步的发展，出现了高综合的电子飞行仪表系统，其特点是驾驶舱用大屏幕CRT 显示器显示数据，仅配置很少的备用仪表。电子
6、飞行仪表的第三代产品：即平板显示系统问世。仪表数据显示用液晶显示器（LCD）取代了彩色阴极射线管（CRT），它的显示亮度大且分辨率高，特别是体积小（无须电子枪，法向长度短）、重量轻、耗电量小。优点：显示灵活多样，可以显示字符、图形、表格等，采用不同的颜色显示；容易实现信号的综合显示，减少了仪表数量，仪表板布局简洁，便于观察；电子式显示器的显示精度高；采用固态器件，寿命长，可靠性高；价格不断下降，性能价格比高；符合机载设备数字化的发展方向。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统 总之，航空仪表的发展过程是从机械指示发展到电子显示，信号处理单元从纯机械到数字、计算机系统，仪表的数量经历了从少到多，
7、又从多到少的发展过程。 在现代屏幕显示的驾驶舱中，仍然保留了陀螺地平仪、气压式高度表、空速表等若干块指针式备用仪表，如图71 所示。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统 在直升机上，老式的空速表是模拟式测量仪表，指针在刻度盘上连续地指示出空速值。飞行员使用模拟式测量仪表具有获得准确数值慢，获得数值变化趋势快的特点。 现代航空仪表均采用数字技术，而数据以数字和模拟两种方式显示，这样，飞行员既可以较快地得到准确的数据，又可以较快地获得该数据的变化趋势，这是现代数字式仪表的特点。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统7.1.3 航空仪表显示数据的基本“T”形格式p 分离式仪表显示数据的基本“T”形
8、格式 该仪表板是正飞行员的飞行仪表板，从仪表板上粗黑线框出的形状可以看出，左边的马赫空速表，中间的姿态指引仪（ADl），右边的气压式高度表，下边的水平状态指示器（HIS）或称航道罗盘构成了“T”形格式。 即使小型直升机驾驶舱中的飞行参数也以上述格式显示。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 电子式仪表显示数据的基本“T”形格式 如图 74 所示，该显示器称为主飞行显示器（PFD）。 从显示器上粗黑线框的形状同样可以看出，左边的空速带、中间的姿态指示球、右边的气压式高度带、下边的航向带，也都构成“T”形格式。7.2 全静压系统及仪表7.2.1 全压和静压 大气流动形成的气压，称为动压； 任何
9、高度的大气层所具有的气压，称为静压。 动压和静压的总和称为全压。p 概述直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 常用气压探头（1）组合气压探头 前端全压孔张开连接到全压管路。 静压管路连接到探头内部静压腔，该腔通过探头旁边的静压口或静压孔探测直升机外部静压。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统 静压由安装于直升机机身上的静压盘上的孔探测。两个静压孔安装于机身左右两边，并且连接到相同的静压管路。 全压管路直接与全压腔相连，敏感大气全压。（2）空速管/静压口直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 交替系统 空速管、组合探头或静压口可以交替使用。 飞行员可以选择由哪一个空速管、静压管或静压口提
10、供到仪表端口。当系统一部分故障时，这些系统可以给飞行员提供选择的机会。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 加热 在直升机飞行中，气压管或空速管可能会结冰，它会干扰气体的流动，当全压或静压管完全堵塞时，将导致全静压系统不能测量出正确的压力值。 加热丝安装于空速管前沿末端，加热可以防止整个空速管表面结冰。p 气压误差 空气流过直升机会在机身周围形成紊流，这会造成由全静压探头和静压口探测的静压与实际机身周围的静压存在误差。 为了减小这一误差，静压口一般开在机身结构上紊流干扰较小的地方。厂家通过飞行实验确定这一位置。当校验全静压仪表时，将一起计算这些误差。7.2.2 全静压系统与管路p 全静压系
11、统 直升机的全静压系统由全压管、静压孔以及备用静压孔组成（见图 79）。 正常情况下，全压管向左仪表板上和右仪表板上的空速表提供全压信号，而静压却采取并联供压的形式，即来自左右侧的静压并联后再同时向左/右仪表板上的所有大气数据仪表提供静压，以减小飞机姿态改变时可能出现的误差。 如果使用了备用静压源选择装置，左/右仪表板上的静压都来自备用静压孔。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 全静压管路（1）管路连接 管道通过带有橡胶衬套的特殊的螺帽连接到适配器。 螺帽靠衬套的摩擦力防止松脱（见图710）（2）识别 管路的末端和中间用胶带标记着“气压仪表”。它们也
12、可用标准颜色代码“橙色/灰色”表示，以及标准信号代码“白底黑线”表示。除此之外，也可以用系统进行识别，如带有厂家代码的全压或静压标签，这在直升机手册中有所描述（见图711）。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统（4）衬套 橡胶衬套只能一次性使用，任何时候断开连接处，需使用新的衬套。螺帽不要拧得过紧，因为拧得过紧容易引起气压渗漏，还可能使管道产生凹痕或变形，导致阻碍气流的流动。（5）管路排水 为了排掉管路中的水分，一般在系统最低处安装排水孔，它允许在不干扰系统管路的情况下进行排水（见图712）。（3）安装 管路需在适当的位置用“P”形夹子支撑，并与其他结构进行有条理的安装。在特殊位置上也要求有
13、电气连接。如果排水装置内积满水，水将会在管路中流动。如果水还没有结冰，就会在管路中前后流动。这种运动将会使水像活塞作用一样，使仪表上的气压不规则变化。总压管中有水会引起空速表指示不规则。静压管中有水会引起所有仪表读数不规则。如果水结冰，就可能完全堵塞仪表的管路，导致在高度表上指示固定读数，在升降速度表上指示0。如果全静压管路都堵塞，空速表指示固定读数，也会出现多指或少指，这取决于哪个系统堵塞。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 气压探头的检查（1）装机前气压探头的气密性检查目视检查损坏、氧化和腐蚀，确保所有的孔没有堵塞；使用气密性测试仪作为气压源和标准空速表，用橡胶管密封静压槽，连接到探
14、头，用手指将排水孔堵住；缓慢增压直到 130kn 或150mile/h；50s 后读数的下降不超过10，13kn 或15mile/h；将连接到静压探头的软管夹紧密封，从排水孔将手指移开，空速表指针平缓地回到零，证明排水孔是干净的。（2）气压探头电气检查检查完探头气密性后，需按照以下程序检查加热丝的绝缘电阻：使用500V兆欧表，将兆欧表的一个表笔连接加热丝，另一表笔连接管道探头的金属部分，接通兆欧表，最小读数为20M。断开兆欧表，然后把安培表串联到加热管路，使系统提供正常电压。接通供电电路，注意工作电流会使探头很热，不能用手触摸。记录电流大小计算加热丝的功率。断开电源，断开供电电路，并重新连接兆
15、欧表。兆欧表立即工作，最小读数为 20M。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统7.2.3 高度表p 简介 机械式高度表基本上是一种测量气压的无液式气压表。任一指定高度获得的气压值必须等于ICAO （注：International Civil Aviation Organization缩写）标准气压下所得的高度值。ICAO 标准大气表规定了气压值对应的基准高度。这种机械式高度表的工作依赖于一种假设，假设温度变化率和空气密度与ICAO 标准大气状况一致。机械式高度表就是通过测量大气压力，然后将气压值转化为高度值的。p 气压设置 如果天气状况变化，气压也会随之变化，就可能使指示高度存在较大误差。为
16、克服这一问题，可以给精密高度表设置一个校准的“气压设置刻度”，它以毫巴或水银英寸为单位。仪表的气压刻度设置范围为850mb1050mb。在地面时，可通过设置旋钮调整仪表机构，使指针指示正确读数。在飞行中，可以通过给高度表提供地面、海平面或其他直升机基准来修正读数。为使这种修正有效，一般参照 ICCL 国际通信代码中的3 种气压值。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 高度的概念 直升机的飞行高度是指直升机在空中距某一个基准面的垂直距离。 测量高度的基准面不同，得出的飞行高度也不同。飞行中使用的飞行高度大致可分为以下4 种，如图713 所示。（1）绝对高度直升机从空中到平均海平面的垂直距离，
17、称为“绝对高度”。（2）相对高度直升机从空中到某一既定机场场面的垂直距离，称为“相对高度”。（3）真实高度直升机到正下方最高点水平面（如地面、水面、山顶等）的垂直距离。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统（4）标准气压高度直升机从空中到标准气压海平面（即大气压力等于760mmHg 的气压面）的垂直距离，称为“标准气压高度”。标准气压高度是国际上通用的高度，直升机在飞入航线时使用的高度。其主要目的是：防止同空域、同一航线上的直升机在同一气压面上飞行时两机发生相撞。p 精密高度表的结构 精密高度表有一个圆柱形的密封塑料表壳连接到直升机的静压系统。因此，该表壳内存在外界静压。 铍铜膜盒压力传感器有
18、 3 层夹缝，静压作用于膜盒。当静压减小时，膜盒膨胀；而静压增加时，膜盒收缩。精密高度表的结构如图714所示。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统p 伺服高度表 伺服高度表的基本工作原理与简单的灵敏高度表相同。当气压改变时，膜盒压力传感器便产生相应的压缩和膨胀，以此测量相应的高度。 在伺服高度表中，膜盒直接连到电磁感应装置上，感应信号的输出传到放大器，放大器将该信号放大驱动马达旋转，马达带动指针和计数系统转动。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统 该设备由高度表本身和一个放大器两个主要部件构成。放大器用于自身指示并将高度信号传输给外部系统。 在较低高度时，伺服高度表指示很精确。这是由于伺服
19、高度表由马达驱动，即使在每分钟6000ft 的上升和下降率情况下，指示也不存在延迟。 伺服高度表的原理简图如图 715 所示。系统的中心部件是交流变压器，膜盒的膨胀和压缩改变它的输出，而输出信号与伺服环路连接，这样，反馈信号便逐渐驱动电磁感应装置到中立位。 该系统对气压的微小变化非常敏感，马达可提供足够的扭矩来驱动指示和反馈机构。7.2.4 空速表p 空速表原理（1）空速表（ASI）指示直升机在飞行中相对于气流的速度，它是一种压差表，通过比较全压和静压，利用动压指示出直升机的飞行速度（见图716） 伺服高度表的优点是：放大器中有特殊的装置可调整仪表的气压误差。例如，有一些仪表是通过螺钉驱动来调
20、整的，也可用来调零。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统在有风的情况下，空速表指示的不是地速。地速需通过计算气流的强度和方向才能得到。如果风向与飞行方向在一条直线上，也就是简单的顺风或者逆风，那么计算时只需简单的相加或相减（见图717）。如果风有一定角度，就需用向量图进行计算。（2）空速修正空速表单位为：每小时英里（mile/h）、每小时公里或每小时海里（n mile/h），有时也会在一个仪表上标有两种单位，即1 mile=5280ft；1 n mile=6080ft1 mile=0.868 n miles；1 n mile=1.15 miles。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统（3）
21、指示气压是空速表（ASI）指示的不是真空速（TAS），而是指示空速（IAS）。通过对IAS 进行校准仪表误差修正和直升机气压误差修正，就可以得到校正空速（CAS）。再利用外界大气温度和高度修正大气密度，就可以得到真空速（TAS）。（4）仪表刻度盘标记一些仪表使用彩色圆弧和半径标线作为“范围标记”（见图718），用来定义仪表刻度范围的各个点，确保飞行员安全操纵直升机。标记可能刻在刻度盘上，也可能刻于玻璃上。如果是刻在玻璃上，做标记时必须准确定位。一般的标记如下：红色半径标线=最大和最小限制速度黄色圆弧=警惕范围绿色圆弧=正常工作范围白色圆弧=指示范围偏低（5）结构与其他仪表一样，虽然不同生产厂家
22、的不同类型存在差异，但所有的ASI 基本原理是相同的。仪表内部的全压和静压作用于铍铜折皱膜盒上，全压作用于膜盒内部，静压在密封表壳的内部作用于膜盒的外部。根据两者的压差，使膜盒产生膨胀和压缩。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统膜盒的形变幅度行程较小，需由传送机构放大才可使指针工作。膜盒的膨胀和压缩对应指针的运动行程。传送机构由推杆、行程杆、摇摆轴、第二行程杆、扇形轮、小齿轮组成。小齿轮用于驱动指针轴。游丝连接到齿轮来吸收指针后冲（见图719）。 空速开关（见图720） 它与空速表工作原理相同，但是，其结构比较简单。 它用于实现开关功能。空速开关没有指示器。在直升机飞行中，它用于接通电路，如
23、空速管加热组件。在直升机停留于地面时，用于断开电路。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统7.2.5 升降速度表p 简介 由于压差表非常灵敏，因此，将其用于测量直升机的升降速度，升降速度表以英尺/每分钟（ft/min）为单位，它指示直升机的爬升和下降率。 典型的直升机升降速度表如图721 所示。p 工作原理 在密封的酚醛塑料表壳内装有一种非常灵敏的铍铜膜盒，膜盒连接到直升机的静压管路，测量组件（毛细管）也允许静压进入表壳。在地面或者平飞时，静压管路、膜盒内部气压等于表壳内气压，膜盒内外没有压差，仪表指针指零。直升机周围的气压会随着高度的改变而改变，膜盒内部随时探测到直升机周围气压的任何变化，但
24、由于毛细管阻碍了气流，使表壳内气压的变化会以一定的速率延迟，这样就在膜盒内部与表壳之间产生了压差。 膜盒的膨胀与收缩驱动指针指示出直升机的升降速度（见图722）。直升机结构与系统第七章 仪表和电子系统 结构（1）传送机构膜盒的膨胀和压缩通过推杆、摇摆轴、扇形轮、小齿轮驱动指针，其中小齿轮驱动指针轴，指针轴上的游丝吸收齿轮的后冲。该传送机构会放大膜盒的膨胀和压缩。（2）刻度盘的刻度指针的零位一般设置在刻度盘上 90位置，爬升和下降的指示范围从0 到某个值。刻度盘上的每个数字点分为相等的5 小格。传送机构可进行排列，因此指针的运动对应爬升和下降率是线性的，于是可以在刻度盘上的每个标点给出相同的刻度
25、。在某些情况下，传送机构的排列给出一个指针的对数移动，这需在较小值时给出更大的间隔和在较大值时给出较小的间隔，使VSI （Vertical Speed Indicator）更精确以及在低刻度时易读。（3）机械止动这一功能一般安装在英国直升机上，防止仪表指针的运动超过最大量程。这主要通过限制推杆的行程来实现，但允许膜盒膨胀和压缩时超过正常范围。（4）仪表延迟仪表需要膜盒内部和表壳有压差产生，带动膜盒给出爬升或下降的读数。实际上压差产生前直升机已经改变了高度，因此指示有轻微的延迟。在大多数情况下，该延迟是很小，可以忽略不计。可是，对于直升机和高性能滑翔机，就要求同步指示。这可在静压接口的毛细管中加
26、入一个或两个作动筒来实现，这个作动筒包括一个螺钉控制的活塞。（5）温度补偿与其他膜盒仪表一样，在温度变化时，膜盒的弹性发生变化，影响读数。为了消除这一影响，行程杆由不变钢和黄铜制成。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统7.3 陀螺仪7.3.1 地平仪工作原理p 地平仪工作原理 地平仪是一种陀螺仪表，它可以指示直升机的俯仰和横滚姿态，其指示不会出现延迟。 利用地平仪中直升机符号与水平杆的相对位置，飞行员可以一目了然地知道直升机的俯仰和横滚姿态。 地平仪利用一个垂直陀螺固定在一个万向支架上，支架的外框可围绕直升机的纵轴转动，内框可围绕直升机的横轴转动。图723 所示为一个简单的结构原理图。直升
27、机结构与系统 第七章 仪表和电子系统（1）俯仰指示如果直升机在俯仰方向上改变姿态，仪表的外盒会随直升机姿态的改变而绕YY1 轴转动，所以，相应地，直升机标识就会相对水平杆上下移动。直升机抬头：外环随直升机向上倾斜，而陀螺旋转轴要保持垂直，所以固定在内环的动作杆相当于一个支点将水平杆向下带动。直升机低头：外环随直升机向下倾斜，水平杆向上移动。（2）横滚指示当直升机横滚姿态发生改变时，仪表的外盒和直升机标识随直升机绕纵轴ZZl 转动，并和水平杆成一定角度，同时，倾斜刻度盘也随直升机移动，所以横滚指针就可以相对地指示出倾斜角。 另外，所有的陀螺地平仪中都有个校准装置，它用以保持陀螺的旋转轴一直在垂直
28、方向。p 电动地平仪 电动地平仪的陀螺转子由一个三相鼠笼式感应马达组成。在结构上，鼠笼部分构成转子，在垂直轴上绕定子线圈转动。这种构造使转子的重量都尽可能集中在周边，从而尽可能取得最大的转动惯量。 陀螺的静子接上 115V、三相、400 Hz 交流后产生24000rpm 的旋转磁场，转子的实际转速大约22500rpm，其转差率为6。 电源可以来自直升机的主电源系统，只要频率保持恒定；也可以来自一个直流转三相交流的变流机。另外，当地平仪作为应急备用仪表时，机上电源系统只能提供单相交流。因此，需要利用静变流机将单相交流电转为三相交流电供地平仪使用。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统 陀螺转子
29、转轴的漂移问题通过液体摆启动修正系统来修正，图 724（a）所示为一个水银开关。两个液态水银平衡开关控制两个修正马达。横滚水银开关控制位于万向节外框和内框之间的力矩马达，俯仰水银开关控制位于外环和壳体之间的力矩马达。 当水银开关探测陀螺转轴距离垂直位置的偏差时，接通相应的力矩马达控制电路，陀螺在马达的作用下产生进动，使转轴重新回到垂直位，水银开关也回到水平位，切断向力矩马达的供电，使陀螺的进动停止，如图724（b）所示。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统l 协调转弯仪 在一些小型和早期的直升机上会用到这类仪表，它用来代替转弯侧滑仪。 协调转弯仪的机械构造和转弯侧滑仪类似，不同的是在协调转
30、弯仪里陀螺的万向框是倾斜放置的，与直升机纵轴大约成30角。这种构造使得陀螺在直升机转弯和直升机横滚倾斜时都会产生进动。 当直升机进入转弯时，直升机在横滚方向上发生倾斜，在协调转弯仪上，直升机符号会移动，从而指示出直升机倾斜的方向；飞行员根据直升机符号指示的外圈刻度来控制直升机到达所需的转弯率，如图725 所示，图中的一个刻度代表RATE1每分钟180。转弯的协调性由曲形管内的小球的中立位为指示。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统7.3.2 转弯侧滑仪和速率陀螺p 转弯侧滑仪 通过对陀螺仪表的介绍，我们知道速率陀螺是一种单自由度陀螺，它用来测量直升机围绕垂直轴转动的速率，单位为度/分（/m
31、in），而不是测量转动的度数。 转弯侧滑仪由两部分组成，转弯指示部分由陀螺机构控制，而侧滑指示部分可以是重力操作指针，也可以是比较多见的曲形管球装置，如图726 所示。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统p 速率陀螺 陀螺转子绕其自转轴旋转，它支撑在内框上。内框连接到仪表的结构上，这样使转子绕内框轴有一个自由度。转弯率的测量运用了陀螺的进动性，用一根弹簧来限制内框的移动。 当陀螺静止时，由于弹簧的限制力，陀螺保持旋转轴水平，因此，对于速率陀螺不需要一个专门的启动机构；同样，速率陀螺的转子不需要很高的转速，一般在40005000rpm。当然，维持转速在适当的值同样重要，因为陀螺的进动性直接与
32、转速成正比。 假设直升机向左转弯，左转弯使得内框前端向左移动，这相当于在转子上施加了一个垂直于旋转平面的力，这个力与直升机的转弯速率成正比。于是，陀螺的进动性将会使内框带指针转动定读数。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统 如果没有限制弹簧，对于一个稳定的力 F，陀螺的旋转轴将一直转动，直到与力的输入轴重合为止。由于弹簧的存在，陀螺的进动力与弹簧的力将会达到一个平衡，内框将维持在一定的角度，从刻度盘上得到一个直升机转弯率的指示。 各种仪表有不同的刻度盘，但它们都有一个相同的标准，RATE l 代表每分钟180，RATE 2 代表每分钟360，RATE3 代表每分钟540，RATE4 代表每
33、分钟720，不是所有的仪表都有这4 个刻度，通常在零刻度左右两边各有一个刻度，并且刻度下面标有“两分钟转弯”，这代表指针指在一个刻度时直升机完成360 转弯需要2min。p 倾斜指示 转弯侧滑仪的另一个指示是倾斜指示（或者叫侧滑指示）。在某些仪器中利用钟摆锤，某些使用曲形球管装置。当直升机水平直飞时，小球或钟摆在重力作用下处在中间位置，在转弯时小球或钟摆的位置由重力和离心力的合力决定，小球或钟摆的移动都有阻尼力，以防止不必要的摇摆。如图728 所示，直升机处于水平直飞状态，钟摆在重力的作用下处在中心位置，指针读数为零。直升机向左转弯，侧滑仪的外壳也随直升机偏离垂直线，这使得钟摆也企图偏离外壳的
34、中心线。由于转弯的离心力同样作用在钟摆上，所以最终钟摆仍停留在仪表的中心线上，这说明钟摆的重力和离心力相平衡。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统7.4 罗盘7.4.1 地磁p 简介地球本身可以看成是一个巨大的磁铁，它的磁极位于地理两极的附近。在两极之间的磁力线通过地球的表面以及地表以上的大气；在地表上的磁力线相对较弱，磁力线并不和地表平面平行，它们和地表平面成一个角度；这个角度在赤道附近基本可以忽略，而在两极附近非常明显。p 磁差由于地球的磁极与地理两极位置并不相同，所以地球的磁力线并不与地理上的经线平行。如图729 所示，它们之间成一个角度，这个角度被称为“磁差”，它对直升机的全球导航
35、非常重要。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统可以用图表来表示某个地区的磁差角，把图中所有磁差角相同的点连起来，就可以得到图730 中所示的曲线，这些曲线称为等偏角线，它们相当于磁经线，不太规则。所有偏差角为零的线定义为无偏差线。p 罗盘构造 直升机的罗盘基本上就是一个永久磁铁，它通过某种方式悬挂起来，使得自己可以与地球的磁场方向一致，磁铁的北极总是指向地球的磁北极。p 磁倾角 由于地球的磁场作用在整个地球表面，在赤道上，磁力线基本和地表平行，越接近磁极，磁力线和地表的角度越大，到达磁极，磁力线以90的直角进入地表。如图731 所示。 一个自由悬挂的磁铁主要受到两个力的作用，一个是水平方向
36、上的，我们称为H分量；一个是垂直方向上的，我们称为Z 分量，它们的合力称为T，合力T 使得磁铁磁极的指向和水平面成一个角度，这个H 和T 之间的角度称为磁倾角。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统 由于磁倾角的存在，必须想办法尽量减少它对直读式罗盘的影响，尤其是当直升机在高纬度的地区作业时。磁倾角接近90，罗盘磁针将不能正确指示。 为了克服磁倾角的影响，使罗盘只对地球磁场的水平分量做出反应，其中一种办法就是把罗盘的磁铁做成垂摆式。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统p 直升机磁场以及它对直升机罗盘的影响 直升机本身会产生一个磁场，磁场的大小也不稳定，这对直升机罗盘的设计者来说是一个难题
37、，这个磁场对罗盘的指示来说是一潜在的误差源而无法避免。 不过，通过对这个磁场的分析，可以将它分类，或者也可以把它分解成在规定方向上的分量，这样就可以采取相应的措施来减少这些分量引起的误差。p 直升机磁场磁特点（1）永久性。由于使用在直升机结构、动力装置或其他设备上的铁质、钢质的部件引起的；这些材料在建造的时候，或者直升机长时间在一个航向上飞行时，被地球磁场磁化而具有磁性。（2）暂时性。由于直升机的金属部件被地球的磁场“软性”磁化而引起的；这类磁场的大小由航向、直升机的姿态以及地理位置决定。 直升机上有大量的磁性材料，一些是硬铁材料，具有永久磁铁的特性；另一些是软铁材料，可以被感应出磁性，但是当
38、感应磁场移开后，它的磁性也消失。7.4.2 直升机磁场直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统p 罗差 直升机本身的磁场对罗盘的影响使得罗盘指针的指向略微地偏离磁北极；实际的磁北与罗盘所指示的北极之间的差别被称为罗差。p 符号的规定 从磁北的指向顺时针计算的罗差规定角为“正值+”或者称为“向东”，从磁北的指向逆时针计算的罗差规定为“负值-”或者称为“向西”。 磁差是从真北到磁北的角度，罗差是从磁北到罗盘北极的角度。如图 732 所示，直升机上的罗盘读数为104，也就是从罗盘北极顺时针到直升机航向之间是104；图中的偏移角是+5，或称为向东5；直升机的磁航向即为罗盘读数加上偏移角104+ 5=1
39、09。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统p 直升机磁场的影响 由直升机的磁性材料产生的磁场可以分解为3 个部分（见图733）：分量 P 作用在前后方向（纵轴）；分量 Q 作用在左右方向（横轴）；分量 R 作用在上下方向（垂直轴）。 如果这些分量吸引罗盘的指针向前、向右、向下，我们规定为“正”，如果这些分量吸引罗盘的指针向后、向左、向上，我们规定为“负”。 尽管硬铁材料产生的磁场比较恒定，但是经过很长一段时间后它仍会发生改变，这样，罗盘的罗差就改变了，罗盘就需要重新校验找到新的罗差；罗盘校验的周期在直升机的手册中都有规定。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统7.4.3 直读式罗盘 直读
40、式磁罗盘是最先被引用到直升机上的导航飞行辅助装置，它的主要功用是指示直升机相对地球磁方位的航向。不过在现代直升机上，使用更为精确的远读罗盘系统、飞行指引系统提供直升机的方位参考，直读式罗盘只作为备用。 直读式罗盘的工作是以磁场的基本原理为基础，根据一个自由悬挂的磁铁与地球的磁场的相互作用提供指示。 直读式罗盘是一个自主式的部件，不需要其他外部的传感器，也不需要电源，在现代直升机上一般作为备用仪表。 除了前面提到的下倾角对罗盘的读数造成困难外，还有几个其他的外力会对罗盘造成误差，比如机械误差、动态误差、偏移，简介如下： 机械误差主要是由仪表的构造造成的误差。 为了克服下倾角对读数的影响，把罗盘中
41、的磁铁系统做成垂摆型，磁铁的重心与它的支点不重合；而这一点又给罗盘带来另一个问题动态误差。 偏移是由直升机本身的磁场造成的，是磁北极和罗盘北极之间的夹角；需要注意的是它的正负号的规定。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统7.4.4 远读式罗盘和陀螺磁罗盘p 远读式罗盘 直读式罗盘只能放在飞行员可以很容易看到的地方，而不能随意选择一个受直升机磁场于扰较小的地方。 远读式罗盘，就可以将指示部分安装在容易看到的地方，将探测部分安装在受直升机磁场干扰较小的地方，比如翼尖、尾鳍；指示部分主要就是一个罗盘卡，它受一个同步或不同步的电气机构控制；控制信号来自探测部分；探测部分由线圈环组成，探测地球的磁场
42、，把这个转化为控制罗盘卡转动的信号；探测装置也需要像直读式罗盘一样被校准。p 陀螺磁罗盘 现代的磁罗盘系统尽管不可避免转弯误差和加速误差，不过在长时间的稳定飞行中确实能提供很准确的航向信息；而一个方位陀螺并不受直升机的姿态移动的影响，不过它在长时间的飞行中会有漂移的问题。 如果能够把磁罗盘和方位陀螺结合起来就能做出一个更准确的系统。称它为陀螺磁罗盘。 陀螺磁罗盘比较陀螺与磁探测器（磁流阀）的输出，它们的误差信号用来带动陀螺的进动马达，使陀螺能够修正它的漂移误差。基本的陀螺磁罗盘的方框图如图734 所示。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统p 磁流阀磁
43、流阀是用来探测地球磁场的方向与直升机前后轴之间的相对位置，它的大致结构如图735 所示。整个探测机构是被悬挂在一个密封的盒子里的，当直升机的姿态改变时，感应元件一直保持水平；当直升机转弯时，感应元件随直升机转，这样就相当于它在地球的磁场里转动，从而输出信号。p 方位陀螺方位陀螺是一个三自由度陀螺，根据陀螺的原理，当直升机的航向改变时，陀螺的外框可以绕垂直轴自由转动，从而保持陀螺旋转轴的空间位置，那么陀螺的外框和固定外壳之间的相对移动就可以反应出直升机的航向（见图736）在图中可以看到陀螺的旋转轴是被一个外框上的力矩马达控制而保持旋转轴水平的，而马达的信号来自内框上的一个重力液体水平开关。当液体
44、开关探测到旋转轴不水平时，它会接通力矩马达的电路。根据陀螺的进动特性，当力矩马达在外框施力矩时，内框会发生进动，从而使陀螺的旋转轴回到水平位置。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统l 课堂参考资料：陀螺与进动课堂参考资料：陀螺与进动直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统7.5 自动飞行7.5.1 自动飞行控制系统（AFCS）的组成和基本功能p 自动飞行控制系统（AFCS）的组成 一般自动飞行控制系统包括：自动驾驶仪（A/P）、飞行指引系统（F/D）、自动配平系统。 目前许多现代直升机都装有自动飞行控制系统（AFCS）。另外，最新一代直升机甚至还装有飞行管理系统（FMS），该系统的输出信号
45、加到自动飞行控制系统，完成直升机的制导。p 基本功能 自动驾驶仪主要通过自动地控制直升机的飞行，减轻飞行员的工作负担，它还可以在恶劣的气象条件下完成直升机的自动着陆。 现代直升机还装备有飞行管理系统（FMS），它为直升机完成最佳飞行，进行导航和飞行剖面的计算。FMS 的输出信号控制自动飞行控制系统的工作，并对其进行监视。这样就防止了直升机在不正常条件下的自动飞行。7.5.2 自动驾驶仪（AP）p 自动驾驶仪功用 当自动驾驶仪投人工作后，可以实现的主要功能列举如下：直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统自动保持直升机沿 3 个轴的稳定（姿态角的稳定）；接受飞行员的输入指令，替飞行员操纵直升机以
46、达到希望的俯仰角、航向角；接受飞行员的设定，控制直升机按预定高度、预定航向飞行；与飞行管理系统耦合，执行飞行计划，实现按预定飞行轨迹的飞行；与仪表着陆系统（ILS）耦合，实现直升机的自动着陆（CAT I、等）。p 自动驾驶仪的基本原理 任何自动驾驶仪，尽管其传感器、伺服系统有所不同，但其基本工作过程都是误差敏感、误差纠正和桨距随动的过程，即闭环自动控制过程。 自动驾驶仪属于闭环工作系统，它包含两个反馈回路，一个称为内回路，另一个称为外回路（见图737）。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统 通过操纵控制面板上相应的控制旋钮或开关，可以实现自动驾驶仪的衔接、脱开和工作方式之间的转换。 自动驾
47、驶仪通常以两种常见形式衔接，即飞行员操作方式和指令方式。当自动驾驶仪以飞行员操作方式衔接时，自动驾驶仪的作用原理是：驾驶盘上飞行员的操作量作为输入指令，被转换成电信号后送到计算机，计算机再输出信号至控制液压作动器，这时自动驾驶仪仅起助力器的作用。当自动驾驶仪以指令方式衔接时，计算机会自动计算输出指令，然后通过液压作动器控制直升机的相应操纵，实现直升机的自动控制。 由于不同直升机上安装的自动驾驶仪系统各不相同，所以可能的工作方式有：高度保持、航向保持和速度保持。 直升机的自动配平系统，就是改变操纵系统的基准点，使系统回到中立位置或在中立位置附近工作，从而使直升机保持某种稳定飞行姿态。7.6 通信
48、系统7.6.1 通信系统组成和功用 现代直升机通信系统主要用以实现直升机与地面之间、直升机与直升机之间的相互联络，还包括机内通话、广播、驾驶舱内话音记录等。该系统可以分为机内通话系统、无线电通信系统和直升机事故调查设备三部分。如图738 所示。直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统 机内通话系统用于直升机内部的通话，主要包括内话系统和旅客广播系统。内话系统可使驾驶舱与客舱之间建立通信联络。在维修期间，维护人员可以通过勤务内话完成机舱内部与外部的通话。旅客广播系统用于飞行员向旅客播放通告。 无线电通信系统包括 VHF 系统、HF 系统、选择呼叫系统。VH
49、F 通信系统通过无线电信号完成通信任务。其最大作用距离可达200 n miles。例如，该系统可与空中交通管制一起工作完成交通管制，它还用于与其他直升机的通话联络。HF 通信系统可以完成长距离的通信任务，因为HF 无线电信号采用电离层的反射进行传播。选择呼叫系统用于供地面塔台通过高频或甚高频通信系统对指定直升机或一组直升机进行呼叫联系。 事故调查设备包括驾驶舱话音记录器和紧急定位发射机。驾驶舱话音记录器（CVR）记录所有机组人员的通话信号，在意外事件发生之后，用其记录的信号进行事故原因的调查。紧急定位发射机（ELT）可以帮助搜寻人员，确定失事直升机的位置。 VHF 通信系统用于与地面台或直升机
50、之间实现短距离的话音与数据通信（见图7-39）。 VHF 通信系统的工作频率范围是117.975 MHz137MHz。注意：121.5MHz 是国际上规定的紧急频率。在航空器上紧急定位发射机使用这频率，所以通信系统不用。7.6.2 甚高频（VHF）通信系统直升机结构与系统 第七章 仪表和电子系统 现代直升机上一般都装有两套独立的VHF 系统。左（L）系统通常用于正驾驶的话音通信，右（R）系统用于副驾驶的话音通信。 每一套 VHF 通信系统都具有收发机和天线。两部天线分别安装于机身不同的部位，并且机型不同，其安装的位置不同。 一般情况下，一部甚高频控制板上有两个频率读数，分别由其相应的选择旋钮控
