陀螺原理

陀螺之所以具有如此奇特的性能，是因為陀螺在旋轉時所產生的陀螺力矩。陀螺在繞兩個不平行的軸高速旋轉的時候就會產生陀螺力矩，其力矩大小與陀螺旋轉的動量矩和牽連角速度的乘積成正比，而牽連角速度矢量沿陀螺儀自轉的方向轉90°就是陀螺力矩矢量的方向。

陀螺儀表

陀螺按結構可分為二自由度陀螺和三自由度陀螺兩大類，由這兩種陀螺可以組成不同功能的航空儀表。飛機上的陀螺儀表主要用來測量飛機的姿態角、航向角、角位移和角速度等參量，如陀螺地平儀，可用于指示飛機的姿態角；陀螺磁羅盤，可用于指示飛機的航向角；而垂直陀螺儀，則用于測量飛機的姿態信息。

1.姿態儀表

飛機飛行中的姿態信息非常重要，必須及時準確的被飛行員掌握，陀螺儀可以精確測量飛機的姿態變化，并將其轉換為電信號在儀表上進行顯示。其原理如圖3所示。由于高速旋轉的陀螺具有穩定性，其自轉軸保持在一個空間方位。當飛機上仰或者傾斜時，陀螺自轉軸的方向卻是不變的，飛機縱軸與陀螺自轉軸之間的夾角即可表示飛機的仰角，飛機橫軸與陀螺自轉軸之間的夾角可表示飛機的傾斜角。通過此原理顯示飛機姿態信息的陀螺儀表的種類及數量很多，本文以垂直陀螺儀和陀螺地平儀為例，對飛機的陀螺儀表的工作原理進行分析。

1)垂直陀螺儀垂直陀螺儀

在現代飛機上應用非常普遍，它可以精確測量飛機的姿態角并輸出與姿態角成比例的電信號，提供給計算機，最終在儀表上顯示。其結構如圖4所示。為了測量和輸出飛機的姿態信號，垂直陀螺儀上安裝了俯仰同步器和傾斜同步器，分別輸出俯仰角和傾斜角電信號。而為了減小縱向加速度誤差，垂直陀螺儀安裝了俯仰直立和水平修正斷開電門，在存在縱向加速度時切斷陀螺儀的俯仰修正；為了減小盤旋誤差，垂直陀螺儀安裝了傾斜直立和水平修正斷開電門，在盤旋傾斜時切斷陀螺儀的傾斜修正。

2)陀螺地平儀

現代飛機上的陀螺地平儀有很多種，但其工作原理基本相同，均是利用陀螺使儀表中的空地指示球相對當地水平面穩定，以此為標準，表中小飛機標志則表示飛機機體的狀態，通過小飛機和指示球地平線之間的相對位置關系，測量飛機機體的俯仰角和傾斜角。地平儀指示器的結構如圖5所示(圖略)。當地平儀未通電時，指示球停在任意狀態，當儀表通電后，陀螺儀通過自動修正或手動調整，設置在地垂線位置。儀表正常工作時，陀螺轉子高速旋轉，在內部修正機構的作用下，利用陀螺的穩定性和進動性，使指示球始終穩定在當地地垂線方向，并以此為標準，通過小飛機與指示球之間的相對位置關系，測量飛機機體的姿態角。

2.航向儀表

利用陀螺儀在空間方位的穩定性和跟蹤基準的進動性，還可以將其自轉軸置于水平位置，作為航向基準線，制作成飛機航向儀表，它所指示的航向稱為陀螺航向。本文以陀螺半羅盤和陀螺磁羅盤兩種航向儀表為例，對陀螺儀在飛機航向儀表中的應用加以分析。

1)陀螺半羅盤

普通的磁羅盤易受地球磁場的干擾，在指示過程中容易出現航向角誤差，陀螺半羅盤則不存在地磁場的影響。利用陀螺儀的穩定性和進動性，把陀螺儀的自轉軸穩定在水平指北方向，作為航向測量基準，則可以準確指示飛機的航向。之所以稱其為半羅盤，則是因為陀螺儀不具備自動指北的特性，需對其自轉軸進行人工調整才能正常工作。如圖6所示，陀螺半羅盤的航向指標代表飛機的機頭方向，固定在表殼上，刻度盤上的0°-180°線代表航向基準線，航向指標所對應的刻度即飛機的航向角。同時陀螺半羅盤內部裝有水平修正器和方位修正器，二者可以產生水平修正力矩和方位修正力矩，利用陀螺儀的進動性，使陀螺儀的自轉軸始終保持在水平狀態和航向基準線位置，又可以給陀螺儀施加控制力矩，使陀螺儀進動到新的航向基準方位。陀螺半羅盤不受地磁場的影響，穩定性極好，但存在不能自動指北的缺點，需要進行航向人工校正，使用不是很方便，所以飛機航向指示通常會使用到另外一種陀螺儀表-陀螺磁羅盤。

2)陀螺磁羅盤陀螺磁羅盤是將普通磁羅盤和陀螺儀相結合的航向儀表，同時具有兩者的優點，既能感應地球磁場自動指北，又具有陀螺儀的穩定性，在現代飛機上得到廣泛應用。其結構原理如圖7所示。陀螺磁羅盤通過磁傳感器感應地磁場，以此來測量飛機的磁航向，同時利用內部安裝的羅差修正器，消除由于飛機機電設備的磁場所造成的羅差，將航向信號輸出，控制方位陀螺儀輸出航向角信息，使指示器指示出飛機的磁航向。陀螺磁羅盤的信號傳輸過程可以看作是三步協調來完成的。第一步：陀螺磁羅盤中磁傳感器和磁航向修正器對應連接，使磁傳感器測出的磁航向和磁航向修正器輸出的航向相協調。第二步：通過同步器使磁航向修正器和陀螺儀對應連接，使陀螺儀穩定的航向和磁航向修正器輸出的航向相協調。第三步：陀螺儀中的同步器對應連接指示器中的同步器，指示出陀螺儀穩定的航向供飛行員讀取。

結束語

陀螺是一種有生命力和吸引力的裝置，從古代的玩具，到現代的精密測試儀器，它一直吸引著人們對它展開研究，陀螺儀在航空領域的應用已得到飛速的發展，出現了如光纖陀螺等更為精密的儀器。陀螺儀的潛力有待進一步發掘，隨著科學技術的發展，及對陀螺特性研究的不斷深入，陀螺儀也必將在工業生產、道路運輸、國防軍事等其他領域大放異彩。

本文作者：周鵬輝 宋吉 單位：三亞航空旅游職業學院