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第五节 飞机的神经系统航空仪表（第1页）

第五节飞机的神经系统——航空仪表

众所周知，飞机是目前最快捷的交通运输工具，但很多乘客上了飞机，在飞行中根本感觉不到飞机的速度，望向窗外，飞机好似一动不动地悬在空中。往下看，只觉得飞机有一定高度，具体有多高也看不出来，在高度较低时，和周围的障碍物比较，还往往产生视觉偏差，错误地判断高度。如果在夜间或在云中飞行，飞机的姿态也不好判断……而飞机的飞行速度、高度、姿态、航向等又与保障飞行安全和任务的完成密切相关，飞行员就必须借助一些设施来判断飞机的各种运动参数，这些设施我们称为航空仪表。

航空仪表的作用是感知外部情况，为飞行员提供飞行参数和飞机上各系统工作情况信息，为飞行员操纵飞机提供依据，同时又反映飞机对飞行员操纵作出反应的结果，帮助飞行员实施精确操纵，是飞机的“神经系统”。

航空仪表随着飞机的发展而发展。早期的飞机上仪表非常简单，莱特兄弟的“飞行者一号”上面只有一块秒表、一个风速表和发动机转速表。之后，飞机使用的仪表也非常简陋，并且这些仪表还是使用的地面机械设备，没有航空专用仪表，人们只能依靠肉眼观察，在气象条件许可的情况下进行目视飞行。

第一次世界大战促进了飞机的发展，也促进了航空仪表的发展。在战争期间出现了航空专用仪表，1916年，英国皇家空军的S。E。5型飞机已安装有4种发动机仪表和3种飞行仪表。1927年，美国人林白驾机成功飞越大西洋，成就了人类第一次跨洋飞行，他的飞机上已经装备了罗盘、倾斜和俯仰角指示器、转弯仪等仪表。1929年9月，美国人杜立特凭借航空仪表和无线电导航设备完成了人类的首次仪表飞行，开创了航空仪表发展的新阶段。

图2-91A-380驾驶舱

从20世纪30年代开始，许多飞机都安装了较完备的航空仪表，飞行员完全可以凭借仪表进行夜间和云中飞行，使飞行对天气的依赖程度大大降低。第二次世界大战期间，出现了综合仪表，将以前几个仪表指示的数据用一个仪表显示出来，使飞机仪表板布置更加简洁，飞行员注意力分配更方便。20世纪六七十年代，随着电子技术、微电子技术的发展，机载计算机得到了广泛应用，航空仪表也朝数字化、小型化、综合化方向发展，让航空仪表进入了一个新的发展阶段。这期间出现了电子综合显示仪，将常用的飞行信息用一块平视显示器显示出来，使飞机驾驶舱仪表板更加简洁（见图2-91）。

航空仪表按作用可分为飞行仪表、导航仪表、发动机仪表和系统状态仪表4大类，本节主要介绍指示飞机运动参数的飞行仪表和用于导航的导航仪表。飞行仪表和导航仪表都经历了机械式仪表到电子综合仪表的发展历程，导航仪表还使用了很多无线电技术，但无论现在的电子综合仪表多么直观方便，其指示信息的来源和采集方式都和机械式仪表完全一样。为便于理解仪表指示原理，本节主要介绍机械式仪表。

机械式仪表可分成根据气压指示的气压式仪表、依靠陀螺指示的陀螺仪表和依靠磁场指示的航向仪表三大类。

一、气压式仪表

气压式仪表利用飞机在飞行中测得的气压数据来指示飞行参数，它的核心部分是一个金属膜盒，根据气压的变化，这个金属膜盒会膨胀或收缩，带动指针在仪表上指示出相应的数据。常用的气压式仪表有高度表、空速表和升降速度表。

（一）高度表

飞机上的高度表主要有气压式高度表和无线电高度表两种，通常所说的高度表是指气压式高度表（见图2-92），无线电高度表将在后面介绍。

高度表是根据大气压随高度上升呈线性下降的原理来指示高度的，只要测出某一高度的气压值，就可以换算出高度值。高度表内有一个密闭的金属膜盒，膜盒外通大气压（静压）。当飞机高度升高时，外界气压降低，金属膜盒膨胀，推动指针向上指，刻度盘上按一定的比例刻上数值，指示出来的读数就是飞机的高度。飞机降低高度时，与外界连通的金属膜盒外的气压升高，金属膜盒将被压缩，带动指针往回指，指示出的读数降低。高度通常以米或英尺为单位。

常用的高度表一般有内外两圈刻度，有些类似于时钟的两根指针——时针与分针。短针指示内圈刻度，每一格表示1000米；长针指示外圈刻度，每个数字表示100米。表盘下方有一个调节旋钮，可以调节指针旋转，用于在起飞前将高度表“调零”、在飞行中调整到不同的基准面等（见图2-93）。

图2-92气压式高度表原理

图2-93高度表

平时所说的高度，是指飞机所在的水平面与预先选定的基准面（参照物）之间的高度差，如果选择的基准面不同，飞机在同一个水平面上所得到的高度值也不相同。飞行中常用的高度有：相对高度、绝对高度、真实高度、标准气压高度。它们之间的关系如图2-94所示。

图2-94飞行高度

相对高度通常指飞机相对于机场（起飞机场、着陆机场）地面之间的高度。飞机起飞、着陆时飞行员就是根据相对高度操纵飞机。在起飞前，飞行员通过调节旋钮将高度表指针调到“零”，起飞后指示的就是相对高度。高度表上还有个气压窗口，上面所显示的气压值（mmHg或inHg）就是基准面气压值，指针指示的就是飞机相对于这个基准面的高度，调节旋钮转动时，高度表指针和气压值都会相应变化。飞机着陆前，飞行员根据着陆机场通报的场压（机场表面气压）值，调整调节旋钮，将气压窗口示数调为该场压值，指针指示的读数就是飞机距着陆机场表面的高度。

绝对高度是指飞机相对于海平面的高度。绝对高度在理论上最为实用，参照绝对高度飞行，只要飞机高度超过最高障碍物标高，就不会和障碍物发生碰撞。但实际应用中由于海平面气压并不是一成不变的，高度表也有一定的误差，绝对高度用起来并不是很方便。

图2-95空速管

真实高度是指飞机和下方地面之间的垂直距离，飞行中，在任何情况下都必须保证有一定的真实高度，飞行安全才有保证。

标准气压高度是指飞机相对于标准气压面之间的高度。从前面的章节中我们已经知道标准大气压是人为规定、一成不变的，即这个参照面是固定的。在航行中，为确保飞机不与其他航空器发生接近和相撞危险，相向飞行的飞机都按照航行规则的要求选择高度层，保持一定的高度差。如果相向飞行的飞机没有选择相同的参照面，这个高度差也得不到保证。如果采用绝对高度，统一以海平面为参照面，这个高度差就能得到保证，但海平面气压并非一成不变，而高度表又是按气压指示的，因此，绝对高度并不适用。只有标准气压高的参照面是不变的，这个高度才适用于保持航行高度。因此，飞行员在执行飞行任务时，起飞前将高度表“调零”，使用起飞机场的相对高度；上升到一定高度加入航线时，调整高度表气压值到标准大气压（760毫米汞柱），使用标准气压高；着陆前再根据机场通报的场压，调整高度表，使用相对于着陆机场的相对高度。

（二）空速表

图2-96空速管结构

空速表结构与高度表略有不同，只是将高度表中闭合的金属膜盒内连接了从空速管采集来的全压，金属膜盒外仍连接静压，膜盒内外的压力差就是动压。飞行速度增大，动压增大，膜盒就会膨胀，推动指针上指；飞行速度减小，动压减小，膜盒收缩，带动指针下指（见图2-97）。按一定比例刻上刻度盘，就做成了空速表，指针就可以指示飞行速度了（见图2-98）。

但是刻空速表表盘的比例却不好掌握，因为膜盒测得的是动压，动压不仅仅与速度有关，还与空气密度有关，空气密度随高度的变化也要发生变化，即使高度不变，空气密度也并非一成不变。在刻空速表表盘时，选择的是海平面标准大气的密度，因此空速表指示出来的速度值并不一定和实际飞行速度一致。飞机相对于空气的运动速度叫真空速，也叫真速、空速、速度；空速表指示的速度值叫指示空速，也叫表速。表速和真速的差异是由空气密度不同造成的，可以根据空气密度随高度变化的规律，将不同高度的表速换算成真速。

图2-97空速表原理

图2-98空速表结构

飞机在空中除了相对于空气运动，还会随空气一起运动，有风的情况下，就会造成相对于空气的速度大小和方向与相对于地面的速度不同。飞机相对于地面的运动速度叫做地速。航线飞机从事航空运输，目的是将人或货物从地面某处运往地面另一处，因此在飞行中还须掌握飞机的地速。在操纵飞机时将表速换算成真速后，还需根据风力风向换算成地速。具体方法将在导航方法中介绍。

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空气流过飞机表面，速度大小和方向都将发生变化，导致压力发生变化。为了气压式仪表的指示数值能够反映飞行的真实情况，空速管必须采集未受到机体干扰的气流压力。因此，空速管普遍安装在机头最前端或者翼尖前方，使气流还未受到飞机体干扰时，就流进空速管的全压孔和静压孔。

机体对气流速度和压力的影响，随飞行速度的增大越来越明显，速度越大的飞机空速管就必须越长、离开机体越远，以避免受到干扰。而一些小型飞机由于速度很低，气流受机体的影响小，为了使空速管结构简单，只在机翼下方安装一只较短的全压管，静压则是在机身侧面开孔采集（见图2-99）。更简单的甚至就在机头前端开一个小孔作全压孔，静压部分就直接和座舱内部相通。

图2-99小型飞机的全压孔、静压孔

（三）升降速度表