导语：飞机地平仪有什么用？

人类生活在地面，早已习惯了“上为天、下为地”。如果在一个黑房子里，把你固定在一个装置上，蒙上双眼，让你在空中翻腾几圈，你还分得出“上”和“下”吗？极大可能你已经失去了空间方位感，产生了错觉。

飞机地平仪

在空中飞行，由于没有地面景物参照，尤其是在穿云、夜航和复杂气象条件下，飞行员很容易产生错觉，甚至空地倒错，导致飞行事故。因此，必须给飞行员提供可靠的空地指示，帮助飞行员保持正确的空间方位感。地平仪应运而生，天空是蓝色的，大地是棕色的，用于指示飞机相对于基准水平线的俯仰和倾斜姿态，是飞机上最重要的仪表，号称是仪表之王，安装在飞机仪表板中央最醒目的位置。

飞机地平仪，全称是飞机陀螺地平仪，由二自由度陀螺仪、修正控制机构、指示机构等组成。要了解飞机地平仪，还得从陀螺仪的物理特性讲起。

一、陀螺仪的物理特性

陀螺，很多小朋友都玩过。但是，你可知道，这个小小的玩具到了科学家和工程师们的手里，却被开发出了许多新功能和新用途。陀螺仪就是其中之一，而且堪称经典。

陀螺玩具

陀螺仪包括二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪。陀螺仪的自由度是指陀螺自转轴相对于基座的自由度。以下介绍二自由度陀螺仪的定轴性和进动性。

二自由度陀螺仪

（一）定轴性

当陀螺转子高速旋转时，如果没有外力矩作用，陀螺仪自转轴的指向将保持不变，始终指着一个固定方向。这种现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。

稳定性的影响因素：

（1）转子转动惯量愈大，稳定性愈好；

（2）转子角速度愈大，稳定性愈好。

（二）进动性

当陀螺转子高速旋转时，如果外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动，下图（a）；如果外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动,下图（b）。其转动角速度方向与外力矩作用方向相互垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。

进动性的影响因素：

（1）外界作用力愈大，其进动角速度也愈大；

（2）转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小；

（3）转子的角速度愈大，进动角速度愈小。

陀螺仪进动角速度方向

陀螺仪进动角速度方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。可以用右手准则判定：伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与四指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。

“反重力”陀螺

特殊地，当陀螺的自转轴与支座成90度夹角时，会出现某些商家热炒的“反重力”现象。其实，这只是陀螺在重力作用下产生了进动，使得陀螺沿水平面绕支座逆时针转动。

二、陀螺地平仪的基本组成

陀螺地平仪由二自由度陀螺仪、修正控制机构、指示机构等组成。

其中，为了建立人工地平线，二自由度陀螺仪增加了一个随动环（也称摇杆），随动环与陀螺内环、外环随动。

修正控制机构，利用液体摆的地垂特性对二自由度陀螺仪进行修正，使其自转轴始终与地垂线一致。

指示机构包括倾斜刻度盘、倾斜指针、俯仰刻度盘、飞机符号等。其中，倾斜刻度盘、飞机符号与地平仪壳体一体联动，倾斜指针与陀螺外环一体联动，俯仰刻度盘与陀螺随动环一体联动。

陀螺地平仪原理示意图

三、陀螺地平仪的工作原理

将陀螺仪用于地平仪有两个关键：一是建立人工地垂线，利用陀螺的进动性使陀螺的自转轴与其平行；二是利用陀螺的定轴性，保持陀螺的自转轴始终与地垂线平行，这样就可以用陀螺感知飞机的俯仰和倾斜变化。

简要工作过程是这样的：

起动时，修正控制机构工作。液体摆（液体开关）视陀螺仪自转轴位置控制力矩电机，力矩电机对陀螺仪内环轴或外环轴施加外力距，通过进动使陀螺仪自转轴趋向并最终平行于地垂线，建立起稳定的人工地垂线。此时，陀螺的自转轴、内环轴、外环轴分别与飞机的立轴、横轴和纵轴相平行。

陀螺地平仪示意图

当飞机俯仰姿态变化时，由于陀螺仪的稳定性，陀螺仪的自转轴及内环保持不变，外环等围绕内环轴转动，随动环就可以带动俯仰刻度盘转动，指示飞机俯仰状态。

当飞机滚转姿态变化时，同样由于陀螺仪的稳定性，陀螺自转轴以及内、外环均保持不变，壳体等围绕外环轴转动，就可以带动倾斜刻度盘相对倾斜指针转动，指示飞机倾斜状态。

不难看出，在地平仪的工作中，陀螺仪发挥了不可或缺的关键核心作用，修正控制机构的主要作用在于帮助陀螺仪建立并保持地垂线，指示机构则提供了便于飞行员接受的飞机俯仰与倾斜姿态信息，三者共同实现了陀螺地平仪的功能。

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