第4章飞行器机载设备

第 4章飞行器机载设备

飞机、航天飞机和宇宙飞船等载人飞行器上的飞行员需要不断地了解飞行器的飞行状态、发动机的工作状态和其他分系统 (如座舱环境系统、武器系统、供电系统等 )的工作状况，以便飞行员按飞行计划操纵飞行器完成飞行任务；各类自动控制系统需要检测控制信息，以便实现自动控制。这些都是由机载设备完成的。

机载设备是各种测量传感器、各类显示仪表和显示器、导航系统、雷达系统、通讯系统、自动控制系统、电源电气系统等设备和系统的统称。机载设备将飞行器的各个组成部分连接起来，相当于飞行器的大脑、神经和指挥系统。它能帮助飞行员安全地、及时地、可靠地、精确地操纵飞行器；保障飞行器的各项任务功能、战术技术性能的实现；自动地完成预定的飞行任务 (如自动导航，自动着陆等 )；完成某些飞行员无法完成的操纵任务 (如高难度的特技飞行动作、危险状态的自动改出等 )。

4 ． 1 传 感器、 飞 行器 仪 表与 显 示系 统

从控制飞行方式来分飞行器可分为有人驾驶和无人驾驶两种。但它们在机载设备方面是基本相同的。主要区别在于，有人驾驶的飞行器需要仪表显示系统，提供给飞行员观察和判断飞行状态，以做出正确的操纵控制指令。而无人驾驶飞行器则不需要显示。 通常飞行器通过传感器测量各种直接参数，由机载计算机计算得到间接参数，经系统处理转变为可显示的参数，由显示系统以指针、数字或图形方式显示出来，或将这些参数传输给自动控制系统，产生控制指令，直接操纵飞行器改变飞行状态或对外部事件作出反应。 所需要测量的飞行器状态参数可归结为以下几类：

(1) 飞行参数一一飞行高度、速度、加速度、姿态角和姿态角速度等；

(2) 动力系统参数———发动机转速、温度、燃油量、进气压力、燃油压力等； (3) 导航参数——位置、航向、高度、速度、距离等；

(4) 生命保障系统参数一—座舱温度、湿度、气压、氧气含量、氧气储备量等； (5) 飞行员生理参数——飞行员脉搏、血压、睡醒状态等；

(6) 武器瞄准系统参数——目标的距离、速度、高度、雷达警告、攻击警告等； (7) 其他系统参数——电源系统参数、设备完好程度、结构损坏程度等。 4 ． 1． 1 飞行器参数测量的基本方法 各类航空器和航天器所测量的参数种类很多，主要测量的物理量有力、压力、速度、加速度、角度、温度、转速、流量、容量和频率等；还有电气参数如电压、电流等数值。这些物理量主要是通过不同的传感器进行测量的，传感器就是直接感受物理量的器件，这里仅介绍几种主要的测量传感器。 1 ．压力传感器

这里指的压力实际上是流体介质的压强，在工程上一般称为压力。测量压力由许多方法，最常用的有：变形测量和特性参数测量两种。变形测量是将膜片、膜盒、波纹管、包端管等弹性元件作为压力敏感元件，在受到流体介质的压力后，这些元件产生变形 (变形量一般很小 )，将变形的位移放大后转变成指针的指示，也可通过电位计转变为电压信号，以数字方式显示出来。特性参数测量是将单晶硅膜片、振动膜片、振动筒等作为敏感元件，在其受到压力后，自身的电阻或固有振动频率发生变化，测量这些变化就可间接得到压力数值。 如图 4— 1所示为一种压阻式压力传感器。硅膜片受到压力变化时，贴在其上的四个应变电阻的阻值发

图 4-1压阻式压力传感器

生变化，使电桥电路产生与压力呈一定函数关系的输出电压，检测电压的大小便可得到压力的数值。应变电阻易受温度的影响，引起测量误差，需要采取温度补偿措施。

如图 4— 2所示为一种谐振式压力传感器。它用合金膜片感受压力的变化，压力不同膜片的应力状态不同，就具有不同的固有频率。我们在膜片的一端通过压电谐振器给予激励，膜片则按固有频率振动，通过另一端的拾振器检测它的固有频率，就可得到压力数值。将拾振器的输出信号放大后正反馈到压电谐振器，以维持膜片在固有频率下振动。谐振式压力传感器抗干扰能力强，测量精度高，是目前使用较多的一种压力传感器。

图 4-2 谐振式压力传感器

2 ．温度 传 感器

测量温度只能采用间接的方法，一般通过某些物体与温度有关的一些性能参数或状态参数来测量。如物体的体积、密度、弹性模量、导电率、导磁率等的变化与温度有确定的函数关系，当该物体与被测介质处于热平衡状态时，即可通过测量这些参数而间接得到被测的温度值。这里介绍两种最常用的温度传感器。 (1) 电阻式温度传感器

金属导体的电阻随温度升高而增大；半导体的电阻有的随温度升高而增大，有的随温度升高而减小。电阻值与温度都有确定的函数关系，因此测量其电阻值就可以测量温度。前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。 (2) 热电偶式温度传感器

两种不同导体的两端牢靠地接触在一起组成一个封闭回路，如图 4— 3(a)所示，当两端接触点温度不相同时，回路中就产生电动势。温差越大电动势越大。组成回路的材料不同，所产生的电动势也不同。这种现象叫热电效应。两种导体所组成的回路称为热电偶。热电偶中温度高的一端叫热端 (工作端 )，另一端叫冷端 (自由端 )。热电偶方式比较适合于高温测量，例如活塞发动机汽缸头温度、喷气发动机排气温度等大都采用这种方式测量，如图 4— 3(b)所示。

（ a）工作原理 （ b）测量发动机排气的探头

图 4-3 热电偶温度传感器

航空上常用的镍铬—镍硅材料的热电偶，其测量温度为 -40℃～ 1300℃。 3 ． 转 速 传 感器

磁敏电阻脉冲传感器是一种非接触式数字化传感器，它是将机械运动中的物体表面粘贴上磁敏条，通过检测其移动或转动产生的脉冲，并将其转变为脉冲电信号的基础元器件。可用于测量转速、位移、频率、液面位置等参数，还可以作为接近开关应用于钢铁部件的定位、限位和行程开关等方面。特别适合于像发动机主轴等高速运转部件的非接触式测量。

4 ．加速度 传 感器

加速度是飞行器非常重要的一个参数。其测量原理是：要使物体产生加速度必须给它施加一个力，通过测量力的大小可以计算出加速度的值，而力是通过测量弹性物体的变形或位移间接得到的。如图 4— 4所示为一个摆式加速度计的原理图，其敏感元件是一个摆锤。当飞行器在 x轴方向有加速度时，摆锤将受到与加速度方向相反的惯性力，摆锤在惯性力作用下绕转轴 y转动一个角度，并与弹簧扭力和重力矩的合力相平衡，弹簧的作用是尽量减小重力的影响，减小摆锤的转角。这样通过测量转轴的转角即可得到运动的加速度。实际的摆式加速度计为了减小机械摩擦、提高精度，将摆锤放在液体中悬浮起来，如图 4— 5所示是一个具有平衡回路的液浮摆式加速度汁，它用信号器测量转轴的转角，并提供反馈信号给力矩器，力矩器产生恢复力矩抵消惯性力矩，使摆锤回到原位，通过测量力矩器的电压或电流，换算成加速度。

图 4-4 摆式加速度计原理 图 4-5 液浮摆式加速度计

5 ．迎角 传 感器

飞行中需要测量的角度可分为两种：一是相对气流方向的角度——迎角，另一个是相对惯性空间的角度——姿态角。

迎角传感器是测量飞机轴线相对气流的夹角的传感器。其基本构造如图 4— 6所示。在飞行器外安装有可转动方向的小叶片，叶片象风标一样总是转向顺气流方向，叶片的偏转产生了与机体的偏角并带动内部连接的平衡电桥电位计，电桥的电信号传输到姿态指示仪，显示出当时机体与气流的夹角。为避免气流在飞行器周围绕流产生的流动方向误差，一般迎角传感器都安装在飞行器的前端。当采用两个互相垂直的叶片时，可同时测量俯仰角和侧滑角，水平叶片测量俯仰角，垂直叶片测量侧滑角。

图 4-6 迎角传感器

4 ． 1 ． 2 主要 飞 行状 态 参数的 测 量

飞行状态参数包括线运动参数和角运动参数。线运动参数包括飞行高度、速度和线加速度；角运动参数包括姿态角、姿态角速度和姿态角加速度。 1 ．飞行高度的测量

飞行高度是指飞行器的重心相对于某一基准面的垂直距离。按照所选择的基准面的不同飞行高度可分为如下 4种高度，如图 4— 7所示： 绝对高度——距实际海平面的垂直距离；

相对高度——距选定的参考面 (如起飞或着陆的机场地平面 )的垂直距离； 真实高度——距飞行器正下方地面的垂直距离；

标准气压高度——距国际标准气压基准平面的垂直距离。 在不同的 场 合会用到不同的高度，如起 飞 着 陆 使用起降 场 地的相 对 高度， 执 行低空 飞 行、 轰 炸、照相等任 务时 使用真 实 高度，空中交通管制分 层飞 行使用 标 准气 压 高度， 飞 行性能描述使用 绝对 高度等。

图 4-7 4种高度的描述

飞 行高度的 测 量最常用的方法有气 压测 高和无 线电测 高，另外 还 有激光 测 高、直 线 加速度 积 分 测 高和同位素 测 高等方法。 这 里主要介 绍 气 压测 高和无 线电测 高。

(1) 气 压 式高度表

在地球重力 场 中，大气 压 力随高度的增加而减小，并且有确定的函数 关 系。 这 个函数 关 系由国 际标 准大气 给 定 ( 见 第二章 )。气 压测 高法就是通 过测 量 飞 行器所在位置的大气 压 力，通 过换 算 间 接得到 飞 行高度的。

如 图 4 — 8所示 为 气 压 式高度表内部构造示意 图 。它主要的元件是一个真空膜盒式 压 力 传 感器。另外 还 有放大 传动 机构、指 针 、刻度 盘 等元件。真空膜盒内部是抽真空的，高度表壳内接通大气静 压 。真空膜盒受到的 压 力，与膜盒的 弹 性相平衡。随着高度的 变 化，作用在真空膜盒上的气 压 也同 时发 生 变 化， 变 化后的 压 力使真空膜盒 产 生 变 形，以达到新的平衡。杠杆和 齿轮 将 这种变 形放大，并 带动 指 针转动 ，在刻度 盘 上就可指示出高度数 值 。

图 4-8 气压式高度表测量原理

飞行器上实际使用的气压式高度表，如 图 4 — 9所示的刻度盘是可以调 整的。表 盘上有一个小窗口， 调 整刻度 盘 的同 时 指 针 相 应转动 。将其中的刻度 调 整到 标 准气 压 基准 时 (760 mmHg) ，此 时 指 针 指示的是当地 标 准气 压 高度；如果将指 针调 至零位，那 么 随着高度的 变 化，指 针 将指示相 对 高度。另外采用双指 针 是 为 了提高 显 示精度，它就像 时钟 的 时针 和分 针 一 样 ， 长针 一圈指示高度 为 1 000 m ，此 时 短 针 走一小格， 这 个高度表的量程是 20 000 m。

图 4-9 气压式高度表盘

气 压 式高度表会受到当地天气 变 化的影响，而 产 生高度 测 量 误 差。在高度 较 小 时 ( 100 m 以下 )，由于膜盒 变 形很小，加上机械 传动 的 间 隙等因素，气 压 式高度表的灵敏度 较 差。 (2) 无 线电 高度表

飞 行器通 过 天 线 向地面 发 射无 线电 波，到达地面后会 产 生反射， 飞 行器上的接收机接收反射波，通 过计 算就可以确定高度了。常用的无 线电 高度表有两 类 ，一 类 是脉冲式。脉冲式无 线电 高度表， 发 射的是 宽 度很窄的脉冲 (脉冲 宽 度在 10 -9s量 级 ) ，接收机接收到反射波，并 计 算出 电 波往返于 飞 行器与地面之 间 的 时间

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2baf.html