[科普中國]-航空儀表

介紹

為飛行人員提供有關(guān)飛行器及其分系統(tǒng)信息的設(shè)備。飛行器儀表與各種控制器一起形成人－機(jī)接口，使飛行人員能按飛行計劃操縱飛行器。儀表提供的信息既是飛行人員操縱飛行器的依據(jù)，同時又反映出飛行器被操縱的結(jié)果。

簡史飛行器儀表的發(fā)展與飛行器的發(fā)展密切相關(guān)。早期飛機(jī)上沒有專門設(shè)計的儀表。萊特兄弟首次飛行時，飛機(jī)上只有一塊秒表、一個風(fēng)速計和一個轉(zhuǎn)速表。早期裝在飛機(jī)上的還有其他一些地面用的簡陋儀表，如指示高度用的真空膜盒式氣壓計、指示航向用的磁羅盤、指示飛機(jī)姿態(tài)用的氣泡式水平儀。1909年，法國飛行員L.布萊里奧第一次駕機(jī)飛越英吉利海峽時，機(jī)上仍沒有任何專門的飛機(jī)儀表。那時人們主要靠肉眼觀察，在能見度許可的情況下飛行。第一次世界大戰(zhàn)期間飛機(jī)儀表有了較大的發(fā)展。1916年英國皇家空軍的S.E. 5型飛機(jī)的儀表板上已裝有3種較為可靠的飛行儀表及4種發(fā)動機(jī)儀表。1927年，美國飛行員C.A.林白駕機(jī)飛越大西洋，除上述主要儀表外，他的飛機(jī)還裝備了羅盤、傾側(cè)和俯仰角指示器、轉(zhuǎn)彎傾斜儀和時鐘。1929年9月，美國飛機(jī)駕駛員J.H.杜立特憑借儀表和無線電導(dǎo)航設(shè)備安全完成首次盲目飛行，即儀表飛行，開創(chuàng)了儀表發(fā)展的新階段。從30年代開始，一些國家相繼規(guī)定飛機(jī)上必須配備能完成盲目飛行的一定數(shù)量的基本儀表，其中包括空速表、高度表、陀螺地平儀、航向陀螺儀、升降速度表和轉(zhuǎn)彎傾斜儀。隨著大型、多發(fā)動機(jī)、高速飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)逐漸增多，儀表需求量也日益增長。30～50年代，飛機(jī)儀表有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了遠(yuǎn)讀儀表、伺服儀表等新式儀表。這一時期最重大的進(jìn)展是出現(xiàn)了各種機(jī)電型綜合儀表，最有代表性的是指引地平儀、航道羅盤、大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)。60～70年代電子技術(shù)、尤其是包括微處理機(jī)在內(nèi)的微電子技術(shù)的發(fā)展以及彩色陰極射線管和其他新型電光元件(液晶顯示器、發(fā)光二極管等)的相繼問世，為儀表數(shù)字化、小型化、綜合化和智能化提供了條件。數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)、捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等帶微型計算機(jī)的數(shù)字測量系統(tǒng)和以平視顯示器為代表的電子綜合顯示儀的出現(xiàn)，標(biāo)志著飛行器儀表進(jìn)入一個新的發(fā)展階段。

材料用作分立式航空儀表的電子顯示器件有：半導(dǎo)體發(fā)光二極管、液晶顯示器、等離子顯示器、場致發(fā)光顯示器等幾種。半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有亮度高、壽命長、能與TTL集成電路相容等優(yōu)點，但發(fā)光效率低、功耗較大。液晶顯示器是一種被動發(fā)光器件，需要外界（包括自然環(huán)境）照明才能顯示字符, 但它具有對比度好、功耗低、能與MOS 集成電路相容等優(yōu)點。這兩種顯示元件均已成功地應(yīng)用于電子式航空儀表中。綜合電子顯示器目前主要采用單色或彩色陰極射線管。陰極射線管作顯示器具有可顯示的信息量大、通用性好、能實現(xiàn)有亮度變化的多層次顯示和彩色顯示等優(yōu)點, 它的缺點是要求控制功率大、有高壓電源等。此外， 由液晶、等離子、半導(dǎo)體發(fā)光二極管等發(fā)光元排列成的矩陣發(fā)光屏以及激光全息成像技術(shù)在航空電子顯示儀表中的應(yīng)用也正在研究之中。

分類飛行器儀表分為飛行儀表、導(dǎo)航儀表、發(fā)動機(jī)儀表和系統(tǒng)狀態(tài)儀表4大類。

飛行儀表指示飛行器在飛行中的運動參數(shù)（包括線運動和角運動）的儀表，駕駛員憑借這類儀表能夠正確地駕駛飛機(jī)。這類儀表主要有：利用大氣特性的各種氣壓式儀表、利用陀螺特性的各種陀螺儀表和利用物體慣性的加速度（過載）儀表等。

導(dǎo)航儀表用于顯示飛行器相對于地球或其他天體的位置，為飛行員或飛行控制系統(tǒng)提供使飛行器按規(guī)定航線飛向預(yù)定目標(biāo)所需要的信息。定位和定向是導(dǎo)航中的兩大問題。導(dǎo)航儀表包括導(dǎo)航時鐘、各種航向儀表和各類導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)按工作原理分為：航位推算導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及它們有機(jī)結(jié)合、互相校正的組合導(dǎo)航系統(tǒng)（見飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)）。航位推算導(dǎo)航系統(tǒng)按原始信息的性質(zhì)又分為：利用真實空速推算的自動領(lǐng)航儀、利用地速推算的多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)和利用加速度推算的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

發(fā)動機(jī)儀表用于檢查和指示發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的儀表。按被測參數(shù)區(qū)分，主要有轉(zhuǎn)速表、壓力表、溫度表和流量表等?，F(xiàn)代發(fā)動機(jī)儀表還包括振動監(jiān)控系統(tǒng)，用于指示發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)不平衡性和預(yù)告潛在的故障。燃油是直接供發(fā)動機(jī)使用的，故指示燃油油量的油量表通常也歸屬于發(fā)動機(jī)儀表。

組成原理 按照組成原理，飛行器儀表可分為直讀儀表、遠(yuǎn)讀儀表、伺服儀表和綜合儀表。

直讀儀表很多早期的儀表都屬此類，如氣壓式高度表、空速表、升降速度表、磁羅盤、航向陀螺儀等。直讀儀表通常由敏感元件(直接感受被測物理量的元件)、放大傳動機(jī)構(gòu)和指示裝置組成，如氣壓式儀表等。有的直讀儀表則直接由敏感元件來帶動指示裝置，如磁羅盤和航向陀螺儀。這類儀表簡單、可靠，不僅仍大量用于一些低空飛行的輕型飛機(jī)上，而且?guī)缀踉谒酗w機(jī)上都還用它們作為應(yīng)急儀表。

遠(yuǎn)讀儀表通常由傳感器和指示器兩部分組成。傳感器遠(yuǎn)離儀表板，指示器則在儀表板上。大多數(shù)發(fā)動機(jī)儀表均屬此類，如發(fā)動機(jī)排氣溫度表用熱電偶式感溫頭作為傳感器，用毫伏表作為指示器。還有一些儀表利用遠(yuǎn)距同步傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)遠(yuǎn)讀的功能。

伺服儀表利用伺服系統(tǒng)原理構(gòu)成的儀表，也稱閉環(huán)儀表。采用伺服機(jī)構(gòu)能減小摩擦力矩對敏感元件的影響，進(jìn)行力矩放大，提高儀表測量和指示精度，輸出多路信號供各系統(tǒng)使用。伺服儀表也具有遠(yuǎn)讀的特點。

綜合儀表也稱為組合儀表。儀表的綜合化有兩條平行的途徑：一為傳感器綜合化，二為顯示器綜合化。

傳感器綜合化又分為兩種方式。一種方式是把原理不同而功用類似的幾個傳感器組合在一起，以達(dá)到互相校正和提高儀表性能的目的。由磁羅盤和航向陀螺儀組成的陀螺磁羅盤是這種綜合方式的典型例子。另一種方式是把少量公用的原始信息傳感器集中起來，通過計算機(jī)計算，輸出為數(shù)眾多的不同的信號。這方面的典型實例是大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)。這種傳感器綜合化方式的優(yōu)點是大大減少了設(shè)備的重復(fù)性，減小了體積和重量，又能采用較完善的測量原理，進(jìn)行多種誤差補償而提高了參數(shù)測量精度。

顯示器綜合化是把有關(guān)的參數(shù)集中在一個顯示器內(nèi)顯示，這樣做不僅能有效地減少儀表數(shù)量、減輕儀表板的擁擠程度、減輕飛行員的目視負(fù)擔(dān)，而且還能得到用單一參數(shù)指示器所不能得到的有用信息。早期的組合式高度表、組合式航向儀表，后來的機(jī)電型指引地平儀、航道羅盤以及現(xiàn)代的電子綜合顯示儀都是顯示綜合化的實例。

發(fā)展航空儀表的第一代是機(jī)械式儀表與簡單電氣式儀表，大約有四十年之久。雖然從儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝與材料等各方面曾作過許多改進(jìn)與提高， 但仍擺脫不了摩擦、遲滯等因素所造成的誤差大，抗震穩(wěn)定性差等缺點。要想再進(jìn)一步補償某些原理誤差， 結(jié)構(gòu)上也受到了限制。到五十年代前后， 航空儀表發(fā)展到第二代、即出現(xiàn)了各種伺服式航空儀表及傳感器， 如伺服式高度表、伺服式真空速傳感器、伺服式馬赫數(shù)傳感器等等。伺服式儀表的出現(xiàn)，大大地豐富了航空儀表的設(shè)計內(nèi)容有效地克服了第一代儀表中所存在的嚴(yán)重缺陷，輸出信號的能力更是大大地提高了。航空儀表的第三代標(biāo)志是綜合化，一些參數(shù)互有聯(lián)系的儀表或傳感器,相互統(tǒng)一而成為一個完整的系統(tǒng)，但仍屬于機(jī)電模擬式的儀表。屬于這一代的典型產(chǎn)品是各種機(jī)電模擬的大氣數(shù)據(jù)中心儀、組合式自動領(lǐng)航儀等。到了六十年代的中后期， 在先進(jìn)的電子技術(shù)支援下， 航空儀表技術(shù)跨入了電子化、數(shù)字化的新階段— 第四代， 出現(xiàn)了用集成電路和其它電子器件組成的電子式分立參數(shù)航空儀表、數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)中心儀以及采用數(shù)字技術(shù)的平視儀等。特別應(yīng)當(dāng)指出的是，近幾年來受到人們極大重視的微型計算機(jī)，正在推動著航空儀表系統(tǒng)向著更加智能化的方向發(fā)展， 以適應(yīng)在更復(fù)雜的環(huán)境條件下完成更準(zhǔn)確、更可靠的測量與監(jiān)控任務(wù)1。

采用先進(jìn)的電子顯示技術(shù)，是航空儀表的必然發(fā)展趨向。隨著原始參數(shù)傳感器和信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理裝置的電子化、數(shù)字化后，舊式機(jī)械傳動的圓形表盤、垂直刻度以及機(jī)械計數(shù)器等顯示方法已經(jīng)完全不相適應(yīng)了，必須采用與電子電路相容的電子顯示器件， 以顯示出數(shù)字或者更形象的符號、刻度標(biāo)尺、曲線以至逼真的圖象等1。

80年代的航空儀表的特點是利用先進(jìn)的數(shù)字電子技術(shù)，進(jìn)一步向高度綜合化和智能化方向發(fā)展，并以微型計算機(jī)和多路傳輸數(shù)據(jù)總線為紐帶，把傳感器、顯示器、控制器與飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、火力控制系統(tǒng)等有機(jī)地交聯(lián)在一起，以實現(xiàn)飛行器各系統(tǒng)之間的高度綜合化。采用完善的自檢和故障監(jiān)控、故障告警手段，提高信息測量的精度和可靠性。