对于空中的飞行器(如飞机、火箭、导弹等) ,飞行过程中的方向和姿态可以用三个角度来描述:
1、飞行器头部的上仰下俯(即飞行器绕垂直于飞行方向的水平轴的旋转),可用俯仰角来表示;
2、飞行器头部左右的摆动(即绕铅直轴的转动) ,可用偏航角来表示;
3、飞行器绕其本身纵向轴线的转动,可用侧滚角来表示。
测出这三个角度至少要用两个陀螺仪,即绕铅直和水平轴转动的两个陀螺仪。由于高速转子的定轴性,无论飞行器如何运动,两轴线的方向都保持不变,因此两轴线可分别作为铅直和水平基准线。上述三个角度可分别通过陀螺仪的内,外框架与相应轴线、基座之间的夹角测得。
例如飞行器的侧滚角和俯仰角可根据以铅直基准线为转轴的陀螺仪测出,偏航角可以根据以水平基准线为转轴的陀螺仪测出 ,将测出的信号传送给计算机系统,就能发出指令,随时纠正飞行器飞行的方向和姿态。
从发明陀螺仪开始到以后很长的一段岁月里,由于电子技术还不发达,都是机械式的陀螺仪,机械装置虽然笨重,但他有着优于电子电路的抗干扰性能以及皮实可靠性。所以现代即使最先进的全集成液晶显示的飞行器里面,或多或少还装有几块机械式的老仪表,以应付不时之需。即便是作为备份的冗余设计,装几块不怕干扰和断电的老仪表也是很有必要的,正如摇把子电话在今天的战场上还有用一样。
初见这个不起眼的金属家伙,对他没有什么好的印象。但打开一看,里面的结构实在是巧夺天工,其精密的程度完全可以和瑞士手表相比,几十年的岁月只是给它的外表增加了点沧桑,其内心依然是曾明瓦亮的,甚至可以说性能是不减当年的。
这后面两个突出的两个轮子是和飞机链接的部分,飞机的飞行姿态参数就是从这传入到仪器内部,飞行员通过仪器的显示,知道飞机现实的状态,从而判断如何进行下一步的操作。右下边那个两腿的插座,是给陀螺仪供电的,电力在这个仪器里面只是起到照明作用,在外部光线良好是情况下该照明有无皆可。下面那一排6个气孔,就是控制该仪器的气体进出口,功能已经无从得知了,只知道右下那个稍大点的孔是陀螺轮的进气口,充气进去,能感觉到陀螺轮在高速的旋转,这时无论怎样变化仪器的方位,最中间的那个铝件始终恒定在一个方位,也就是那个白色的指针始终指示着飞机改变方位之前的状态。
陀螺仪的原理很简单,其基本原理和自行车能直立行走的原理一样,核心部件是一个能快速旋转的金属轮,就是靠这个快速旋转的轮子产生恒定的方向性,来指示或驱动或该变飞行器的飞行姿态,抽象理解原理较为复杂,百度视频里面有陀螺仪的动画原理,动画较语言表述容易理解的多,感兴趣的朋友可以搜索下看看。陀螺仪是靠陀螺轮高速旋转而工作的,驱动陀螺轮运转的方式有两种,电动和气动。飞行器用的机械式陀螺仪既有电动的也有气动的,本文介绍的这款陀螺仪是气动的。
气动的最大优势是磨损小,转速快且好控制,发热量小,体积也小,缺点是需要外部供应一路或多路稳定的干净的压缩气体。一旦气体管路发生泄漏或断裂,或者空气压缩机出故障了,仪器就完蛋了。当然,电路也容易出事,只是相对好点。
这是陀螺仪的核心部分,到此为止不敢拆下去了,其实这时已经可以看懂了,中间黑色的铸铝件里面是一个可以灵活转动的气动陀螺轮,高速旋转下产生了一个足以抵御外面支撑架旋转带来的阻力,从而忠实地记忆着它原始的状态,这种忠诚是不受外界干扰的,即便是强磁场也无法扰乱他的心,因为该仪器用料除了铝就是黄铜,它们天生对磁场不亲近,就连螺丝钉也多是黄铜做的。
顶着陀螺部件灵活运行的顶珠
这是调节用的蜗杆和齿轮
姿态指针,飞行员就靠他掌握飞机的姿态了。激烈的空战中,飞行员是没有时间看目标以外的参照物的。
军工的特点就是细致,看这红签标的多亮堂。
这是进气孔的外露部分,里面那棕色的密封圈是牛皮做的,听说是用5岁公牛的膝盖那块皮做的,还不能有伤。
驱动陀螺论旋转的动力就是通过进气管流到空气轴承里面,再由上图埋在铸铝框里面的气道,过一级空气轴承才进入陀螺轮的工作腔的,这样才能实现陀螺轮有两度空间的自由活动。猜想那个核心的陀螺轮应该是黄铜做的,或更高级的非磁感材料做的,它应该是不受地球磁场干扰的。这个实在不敢再拆下去了,很多地方需要专用的工具才能拆装,确实很精密,很复杂。
不管是仪器里面的生产序号,还是外部的使用标示,多以俄文标注,可见当时对老大哥的依赖程度,没办法的,建国初期军工只能这样。经过几十年的发展与沉淀,现代的机用仪器,应该早就摆脱苏联的模式了吧。
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