一些飞行仪器利用陀螺仪的特性进行操作。 包含陀螺仪的最常见仪器是转弯协调器、航向指示器和姿态指示器。 要了解这些仪器的工作原理，需要了解仪器的动力系统、陀螺仪原理和每种仪器的操作原理。

7.2.1 陀螺原理 #

任何旋转物体都表现出陀螺特性。 设计和安装用于利用这些特性的车轮或转子称为陀螺仪。 仪表陀螺仪的两个重要设计特征是其尺寸或高密度的重量大，以及低摩擦轴承的高速旋转。

有两种一般类型的安装件； 使用的类型取决于使用陀螺仪的属性。 自由或普遍安装的陀螺仪可以在任何方向绕其重心自由旋转。 这样的轮子据说有三个自由平面。 车轮或转子在相对于底座的任何平面上自由旋转，并平衡，以使陀螺轮处于静止状态，它保持在其放置的位置。 受限或半刚性安装的陀螺仪是那些安装的，使得自由平面之一相对于底座保持固定。

陀螺仪动作有两个基本特性：空间刚性和进动。

7.2.2 空间刚性 #

空间刚性是指陀螺仪在旋转的平面中保持固定位置的原理。 空间刚性的一个例子是自行车车轮。 随着自行车车轮的速度增加，它们在旋转平面上变得越来越稳定。 这就是为什么自行车在低速时非常不稳定且非常可操纵，在高速时非常稳定且难以机动。

通过在一组万向节环上安装这个轮子或陀螺仪，陀螺仪能够在任何方向上自由旋转。 因此，如果万向节环倾斜、扭曲或以其他方式移动，则陀螺仪仍保留在其最初旋转的平面中。 [Figure 7-18]

7.2.3 进动 #

进动是响应于偏转力的陀螺仪的倾斜或转动。 对这种力的反应不会发生在施加它的点； 相反，它发生在旋转方向上 90° 后的点。 该原理允许陀螺仪通过感测方向变化产生的压力量来确定转弯速率。 陀螺进动的速率与转子的速度成反比，与偏转力成比例。

以自行车为例，进动作用在车轮上，以使自行车转动。 以正常速度骑行时，无需将车把转向所需转弯的方向。 骑手只是倾向于他或她想要去的方向。 由于从自行车的右侧观察车轮以顺时针方向旋转，因此如果骑手向左倾斜，则向左侧施加力。 该力在旋转方向上实际上起90°的作用，这具有对轮胎前部施加力的作用，导致自行车向左移动。 由于缓慢转动的陀螺仪的不稳定性，需要在低速转动车把，并且还需要提高转弯速度。

进动还可以在某些仪器中产生一些小错误。 [Figure 7-19] 进动会导致自由旋转的陀螺仪通过轴承摩擦等从其预期的旋转平面上移位。某些仪器可能需要在飞行过程中进行校正重新调整，例如航向指示器。

7.2.4 电源 #

在一些飞机中，所有的陀螺仪都是真空、压力或电动操作的。 在其他飞机中，真空或压力系统为航向和姿态指示器提供动力，而电气系统为转向协调器提供动力。 大多数飞机至少有两种电源，以确保在一种电源故障时至少有一种银行信息来源可用。 真空或压力系统通过将空气流吸引到转子叶片以高速旋转转子来旋转陀螺仪，就像水轮或涡轮机的操作一样。 仪器运行所需的真空或压力量不同，但通常在 4.5 英寸和 5.5 英寸的 Hg 之间。

陀螺仪的真空源之一是安装在发动机附件外壳上的叶片式发动机驱动泵。 根据陀螺仪的数量，不同飞机的泵容量不同。

典型的真空系统由发动机驱动的真空泵、溢流阀、空气过滤器、压力表和完成连接所需的管道组成。 仪表安装在飞机仪表板中，指示系统中的压力量（真空度以低于环境压力的汞英寸为单位测量）。

如图 7-20 所示，发动机驱动的真空泵将空气吸入真空系统。 它首先通过过滤器，防止异物进入真空或压力系统。 然后空气通过姿态和航向指示器移动，在那里它导致陀螺旋转。 溢流阀防止真空压力或吸力超过规定的限度。 之后，空气被排出或用于其他系统，例如充气除冰靴。

在飞行过程中监测真空压力很重要，因为当吸入压力低时，姿态和航向指示器可能无法提供可靠的信息。 真空或吸力量规通常被标记为指示正常范围。 一些飞机配备了一个警告灯，当真空压力降至低于可接受水平时，它会亮起。

当真空压力低于正常工作范围时，陀螺仪仪器可能会变得不稳定和不准确。 定期交叉检查仪器是养成的好习惯。

7.2.5 转向指示灯 #

飞机使用两种类型的转向指示器：转向和滑移指示器和转向协调器。 由于陀螺仪的安装方式，转动和滑移指示器仅显示以度为单位的转速。 转弯协调器以一定角度或倾斜安装，因此它最初可以显示滚动速率。 当滚动稳定时，它表示转弯速率。 这两种工具都指示转向方向和质量（协调），并且在态度指示器出现故障时也可作为银行信息的备用来源。 协调是通过参考倾角计来实现的，它由一个带有球体的液体填充弯曲管组成。 [Figure 7-21]

7.2.6 转滑指示器 #

旋转滑移指示器中的陀螺仪在垂直平面上旋转，对应于飞机的纵向轴。 单个云台限制陀螺仪可以倾斜的平面，弹簧试图将其返回中心。 由于进动，偏航力导致陀螺仪向左或向右倾斜，从飞行员座椅观察。 转向滑移指示器使用称为转向针的指针来显示方向和转弯速度。 由于限制弹簧，转动和滑移指示器无法从其旋转轴上“翻滚”。 当向陀螺仪施加极端力时，陀螺仪从其正常旋转平面位移，使其指示无效。 某些仪器具有特定的音高和坡度限制，会导致陀螺仪的翻滚。

7.2.7 转向协调员 #

回合协调员中的万向节是倾斜的； 因此，它的陀螺仪可以感知滚动率和转速率。 由于回合协调员在训练飞机中更为普遍，因此本次讨论集中在该仪器上。 当滚进或转弯时，微型飞机在飞机的滚动方向上倾斜。 快速的滚动速度使微型飞机比缓慢的滚动速度更陡峭地倾斜。

通过将微型飞机的机翼与转弯指数对齐，转弯协调器可用于建立和维持标准速率转弯。 图 7-22 显示了转弯协调器的图片。 仪器正面的每一侧（左侧和右侧）有两个标记。 第一个标记用于引用机翼水平零转速率。 仪器左侧和右侧的第二个标记用于指示标准转弯率。 标准速率转弯定义为每秒 3° 的转弯速率。 转弯协调器仅指示转弯速率和方向； 它不显示银行的特定角度。

7.2.8 测斜仪 #

倾角仪用于描绘飞机机头的左右运动。 在协调的直线和水平飞行期间，重力使球停在管子的最低部分，居中位于参考线之间。 通过保持球居中来维持协调飞行。 如果球没有居中，则可以使用方向舵将其居中。

要使球居中，请在球偏转的一侧施加方向舵压力。 使用简单的规则“踩到球”，以记住要踩下哪个方向舵踏板。 如果在转弯期间副翼和方向舵协调一致，则球保持在管中的中心位置。 如果空气动力学力不平衡，则球从管子的中心移开。 如图 7-22 所示，在滑动中，弯道的转弯速度太慢，球的角度对于弯道的内侧移动。 在滑行中，弯道的转弯速度太大，无法进行坡度，球移动到转弯的外侧。 要纠正这些条件并提高转弯质量，请记住“踩到球”。 改变堤岸的角度也可以帮助从滑倒或打滑中恢复协调的飞行。 纠正滑差，减少银行和/或提高转弯率。 要校正滑行，请增加银行和/或降低转弯率。

7.2.9 偏航字符串 #

可以添加到飞机上的另一个工具是偏航绳。 偏航绳只是连接到挡风玻璃中心的一根绳子或一根纱线。 在协调飞行时，弦线会直线回落在挡风玻璃的顶部。 当飞机打滑或打滑时，偏航弦会根据滑动或打滑的方向向右或向左移动。

7.2.10 仪器检查 #

在飞行前，检查测斜仪是否充满液体，没有气泡。 球也应该在其最低点休息。 滑行时，转弯协调器应指示正确方向的转弯，而球与转弯方向相反。

7.2.11 姿态指示器 #

姿态指示器及其微型飞机和地平线条显示了飞机的姿态图片。 微型飞机与地平线条的关系与真实飞机与实际地平线的关系相同。 该仪器可以瞬间指示即使是最小的态度变化。

姿态指示器中的陀螺仪安装在水平平面上，并取决于其操作的空间刚度。 地平线条代表真正的视野。 该杆固定在陀螺仪上并保持在水平面上，因为飞机围绕其横向或纵向轴倾斜或倾斜，表明飞机相对于真实地平线的姿态。 [Figure 7-23]

陀螺仪在水平平面上旋转并抵抗旋转路径的偏转。 由于陀螺仪依赖于空间的刚性，因此飞机实际上围绕旋转的陀螺仪旋转。

提供了一个调整旋钮，飞行员可以将微型飞机上下移动以使微型飞机与地平线条对齐以适应飞行员的视线。 通常，微型飞机被调整，以便当飞机处于直线和水平巡航飞行时，机翼与地平线重叠。

音高和银行限制取决于仪器的品牌和型号。 银行平面的限制通常为 100° 至 110°，间距限制通常为 60° 至 70°。 如果超过任一限制，仪器将翻滚或溢出，并在重新调整之前给出不正确的指示。 许多现代态度指标不会翻滚。

每个试点都应该能够解释图 7-24 中所示的银行规模。 工具顶部的大多数银行规模指标与飞机实际银行的方向相同的方向移动。 其他一些模型的移动方向与飞机实际倾斜的方向相反。 如果使用指标来确定银行的方向，这可能会使导频混淆。 该尺度应仅用于控制所需银行的程度。 微型飞机与地平线条的关系应用于指示银行的方向。

姿态指示器是可靠的，是仪表板上最逼真的飞行仪表。 它的迹象非常接近飞机的实际姿态。

7.2.12 航向指示器 #

航向指示器基本上是一种机械仪表，旨在便于使用磁罗盘。 磁罗盘中的误差很多，使直飞和精确转向难以实现的航向，特别是在湍流空气中。 然而，航向指示器不受使磁罗盘难以解释的力的影响。 [Figure 7-25]

调整旋钮用于将航向指示器与磁罗盘对齐。

航向指示器的操作取决于空间刚性的原理。 转子在垂直平面上转动并固定在转子上的是罗盘卡。 由于转子在空间中保持刚性，因此卡上的点相对于陀螺仪的垂直平面在空间中保持相同的位置。 飞机实际上围绕旋转的陀螺仪旋转，而不是相反。 由于仪表壳和飞机围绕陀螺仪的垂直轴旋转，卡片提供清晰准确的航向信息。

由于摩擦引起的进动，航向指示器从设置的航向中爬行或漂移。 除其他因素外，漂移量主要取决于仪器的状况。 如果轴承磨损、变脏或润滑不当，则可能会产生过多的漂移。 航向指示器中的另一个错误是由于陀螺仪在太空中定向，地球在空间中以 15° 的速度旋转 1 小时。 因此，由于摩擦引起的折叠进动，航向指示器每小时可能会显示高达 15° 的误差。

一些被称为水平状态指示器 (HSI) 的航向指示器从磁性奴隶变送器接收磁北参考，通常不需要调整。 磁性从机称为磁力计。

7.2.13 姿态和航向参考系统（AHRS） #

电子飞行显示器已经用固态激光系统取代了自由旋转的陀螺仪，这些系统能够以任何姿态飞行而不会翻滚。 这种能力是态度和航向参考系统 (AHRS) 的发展的结果。

AHRS 向 PFD 发送态度信息，以生成姿态指示器的音高和库信息。 航向信息源自磁力计，它感测地球磁通量线。 然后处理此信息并将其发送到 PFD 以生成航向显示。 [Figure 7-26]

7.2.14 磁通门罗盘系统 #

如前所述，地球磁场中的磁通线具有两个基本特征：磁体与它们对齐，并且在它们交叉的任何电线中感应或产生电流。

驱动从动陀螺仪的磁通门罗盘使用电流感应的特性。 磁通阀是一个小的分段环，如图 7-27 中的一个，由软铁制成，易于接受磁通量线。 一个电线圈缠绕在三个腿的每个腿上，以接受由地球磁场感应的环中感应的电流。 缠绕在框架中心的铁垫圈周围的线圈具有 400 Hz 的交流电 (AC) 流过它。 在这个电流达到峰值的时间，在每个循环中有两次，这个线圈产生的磁性如此之多，以至于框架无法接受来自地球场的磁通线。

当电流在峰值之间反转时，它会对帧进行退磁，因此它可以接受来自地球场的通量。 当这个磁通穿过三个线圈中的绕组时，它会导致电流流入其中。 这三个线圈的连接方式使得流入其中的电流随着飞机航向的变化而变化。 [Figure 7-28]

三个线圈连接到仪器外壳内的同步器中的三个相似但较小的线圈。 同步旋转无线电磁性指示器 (RMI) 或 HSI 的转盘。

7.2.15 遥控指示罗盘 #

开发了远程指示指南针以补偿旧类型航向指示器的错误和限制。 典型系统的两个面板安装组件是图象导航指示器和奴隶控制和补偿器单元。 [Figure 7-29] 图片导航指示器通常称为 HSI。

奴隶控制和补偿器单元有一个按钮，提供一种选择“从机”或“自由陀螺”模式的方法。 该装置还有一个奴隶仪表和两个手动方向盘按钮。 Slaving Meter 指示显示的航向和磁性航向之间的差异。 右偏转表示罗盘卡顺时针错误； 左偏转表示逆时针错误。 每当飞机转弯并且卡片旋转时，奴隶仪表显示一侧或另一侧的完全偏转。 当系统处于“自由陀螺”模式时，可以通过按下适当的航向驱动按钮来调整罗盘卡。

一个单独的单元，磁性从器远程安装，通常在翼尖中，以消除磁干扰的可能性。 它包含通量阀，它是系统的方向感应装置。 磁力线的集中在放大后，成为中继到航向指示器单元的信号，它也被远程安装。 该信号在航向指示器单元中运行扭矩电机，该电机处理陀螺仪单元，直到它与发射器信号对齐。 磁性从机电连接到HSI。

远程指示罗盘有多种设计； 因此，这里仅介绍系统的基本功能。 仪表飞行员必须熟悉飞机中设备的特性。

随着仪表板变得越来越拥挤并且飞行员可用的扫描时间因更重的飞行甲板工作量而减少，仪表制造商一直在努力将仪器组合起来。 一个很好的例子是图 7-30 中的 RMI。 罗盘卡由来自磁通阀的信号驱动，两个指针由自动测向器 (ADF) 和非常高频率 (VHF) 的全向无线电范围 (VOR) 驱动。

没有这种自动北寻功能的航向指示器称为“自由”陀螺仪，需要定期调整。 经常检查指示（大约每 15 分钟）并在需要时重新设置航向指示器以将其与磁罗盘对齐非常重要。 将航向指示器调整到飞机直线和恒定速度水平时的磁罗盘航向，以避免罗盘错误。

航向指示器的库和间距限制随特定的设计和仪器制造而变化。 在轻型飞机中发现的一些航向指示器上，其限距约为 55° 俯仰和 55° 坡度。 当超过任一姿态限制时，仪器会“翻滚”或“溢出”，直到复位才给出正确的指示。 溢出后，可能会用固定旋钮复位。 许多使用的现代仪器的设计方式使其不会翻滚。

由于陀螺仪的旋转速度不够快以保持其对齐，可能会出现额外的进动错误。 当真空系统停止产生足够的吸力以保持陀螺仪速度时，航向指示器和姿态指示器陀螺仪开始减速。 当它们变慢时，它们变得更容易偏离旋转平面。 一些飞机有警告灯，表明发生了低真空情况。 其他飞机可能只有指示吸力的真空计。

7.2.16 仪器检查 #

随着陀螺仪的线轴升高，请确保没有异常声音。 滑行时，仪器应指示正确方向的转弯，并且进动不应异常。 在怠速功率设置时，使用真空系统的陀螺仪器可能无法达到运行速度，并且进动速度可能比飞行期间发生得更快。