第4章飛行器機載設備

1、第4章飛行器機載設備,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng)§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng)§ 4.3 飛行器飛行控制系統(tǒng)§ 4.4 其他機載設備,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),飛行器通過傳感器測量各種直接參數，由機載計算機計算得到間接參數，經系統(tǒng)處理轉變?yōu)榭娠@示的參數，由顯示系統(tǒng)以指針、數字或圖形方式顯示出來，或將這些參數傳輸給自動控制系統(tǒng)，產生控制指令，直接操

2、縱飛行器改變飛行狀態(tài)或對外部事件作出反應。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),需要測量的飛行器狀態(tài)參數可歸結為以下幾類： (1)飛行參數—飛行高度、速度、加速度、姿態(tài)角和姿態(tài)角速度等； (2)動力系統(tǒng)參數—發(fā)動機轉速、溫度、燃油量、進氣壓力、燃油壓力等； (3)導航參數—位置、航向、高度、速度、距離等； (4)生命保障系統(tǒng)參數—座艙溫度、濕度、氣壓、氧氣含量、氧氣儲備量等； (5)飛行員

3、生理參數—飛行員脈搏、血壓、睡醒狀態(tài)等； (6)武器瞄準系統(tǒng)參數—目標的距離、速度、高度、雷達警告、攻擊警告等； (7)其他系統(tǒng)參數—電源系統(tǒng)參數、設備完好程度、結構損壞程度等。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.1 飛行器參數測量的基本方法1．壓力傳感器（1）壓阻式,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.1 飛行器參數測量的基本方法1．壓力傳感器（2）諧振式,

4、§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.1 飛行器參數測量的基本方法2．溫度傳感器(1)電阻式溫度傳感器 金屬導體的電阻隨溫度升高而增大；半導體的電阻有的隨溫度升高而增大，有的隨溫度升高而減小。電阻值與溫度都有確定的函數關系，因此測量其電阻值就可以測量溫度。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.1 飛行器參數測量的基本方法2.溫度傳

5、感器(2)熱電偶式溫度傳感器熱電偶中溫度高的一端叫熱端(工作端)，另一端叫冷端(自由端)。熱電偶方式比較適合于高溫測量，例如活塞發(fā)動機汽缸頭溫度、噴氣發(fā)動機排氣溫度等大都采用這種方式測量。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.1 飛行器參數測量的基本方法2.溫度傳感器(2)熱電偶式溫度傳感器,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),3．轉速傳感器 磁敏電阻脈沖傳感器是一種非接觸式

6、數字化傳感器，它是將機械運動中的物體表面粘貼上磁敏條，通過檢測其移動或轉動產生的脈沖，并將其轉變?yōu)槊}沖電信號的基礎元器件?？捎糜跍y量轉速、位移、頻率、液面位置等參數，還可以作為接近開關應用于鋼鐵部件的定位、限位和行程開關等方面。特別適合于像發(fā)動機主軸等高速運轉部件的非接觸式測量。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4．加速度傳感器,擺式加速度計 液浮式加速度機,

7、7; 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),5．迎角傳感器迎角傳感器是測量飛機軸線相對氣流的夾角的傳感器。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.2 主要飛行狀態(tài)參數的測量1．飛行高度的測量,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.2 主要飛行狀態(tài)參數的測量1．飛行高度的測量(1)氣壓式高度表 在地球重力場中，大氣壓力隨高度的增加而減小，并且有確定的函數關系。這個函數關

8、系由國際標準大氣給定(見第二章)。氣壓測高法就是通過測量飛行器所在位置的大氣壓力，通過換算間接得到飛行高度的。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.2 主要飛行狀態(tài)參數的測量1．飛行高度的測量(2)無線電高度表 飛行器通過天線向地面發(fā)射無線電波，到達地面后會產生反射，飛行器上的接收機接收反射波，通過計算就可以確定高度了。,§

9、4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.2 主要飛行狀態(tài)參數的測量2.飛行速度的測量 (1)氣壓式空速表,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),氣壓式空速表原理圖,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),組合式空速表原理圖,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),氣壓式升降速度表,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4．1．3 大氣數據系統(tǒng) 現代

10、飛行器的飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)和儀表顯示系統(tǒng)等需要準確的靜壓、動壓、溫度、密度、高度、高度變化率、指示空速、真實空速等信息，而上述這些參數只是空氣總壓、靜壓、總溫的函數，如果像采用氣壓式空速表等單個的傳感器和儀表系統(tǒng)各自提供這些信息，不僅增加體積、重量和成本，而且不便維護，同時影響這些信息的測量精度。 大氣數據系統(tǒng)就是提供一種綜合的、高精度的大氣數據信息系統(tǒng)。它由核心部件大氣數據計算機、壓力和溫度傳感器，迎角和側

11、滑角傳感器以及輸入、輸出接口和顯示器等幾部分組成。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4．1．4 飛行姿態(tài)角度的測量 1．陀螺儀 (1)機械陀螺,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4．1．4 飛行姿態(tài)角度的測量 1．陀螺儀 (2)靜電陀螺,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4．1．4 飛行姿態(tài)角度的測量 1．

12、陀螺儀 (3)激光陀螺,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4．1．4 飛行姿態(tài)角度的測量 2．磁羅盤,真航向、磁航角和磁偏角,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4．1．4 飛行姿態(tài)角度的測量 3．陀螺地平儀,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.5 飛行器顯示系統(tǒng) 1．機械儀表 飛行器上的機械式、電氣式和電動式機械儀表，均是利用顯示部件間的相對運動來顯示

13、被測參數值，如指針一刻度盤、指標一刻度帶、標記、圖形顯示、機械式計數器等。這類顯示器的優(yōu)點是結構相對簡單，顯示清晰。指針一刻度盤和指標—刻度帶的顯示過程能反映被測參數的變化趨勢。它們的缺點是部件間存在的摩擦影響顯示精度；壽命短、易受振動、沖擊的影響；在低亮度環(huán)境中需要照明；不易實現綜合 顯示。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.5 飛行器顯示系統(tǒng) 2.電子顯示系統(tǒng)表優(yōu)點是： (1)顯示靈活多樣，

14、形象逼真，顯示形式有字符、圖形、表格等，并可以用彩色顯示； (2)容易實現綜合顯示，所以減少了儀表數量，使儀表板布局簡潔，便于觀察； (3)由于消除了機械儀表因摩擦、振動等引起的附加誤差，顯示精度顯著提高； (4)采用固態(tài)器件，壽命長，可靠性高；(5)隨著集成化程度的提高，重量不斷減輕，價格不 斷下降。,§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.5 飛行器顯示系統(tǒng) 2.電子顯示系統(tǒng)表,

15、67; 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.5 飛行器顯示系統(tǒng) 3.頭盔顯示系統(tǒng)主要功用有： (1)控制直升機活動炮塔武器進行瞄準射擊； (2)跟蹤和截獲目標，給導彈攻擊指示目標； (3)傳遞目標數據(這里是指飛機之間、空地之間進行目標信息的非語言通訊聯(lián)絡)； (4)目視啟動控制裝置，例如飛行員的視線對準一個開關，這個開關便會顯亮，加上左手按壓專門的觸發(fā)按鈕，便可啟動這個開關；,§ 4

16、.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),§ 4.1 傳感器、飛行器儀表與顯示系統(tǒng),4.1.5 飛行器顯示系統(tǒng) 4.顯示系統(tǒng)發(fā)展趨勢隨著語音技術，觸摸屏技術的成熟，顯示器將發(fā)展為大屏幕全景顯示器。它將整個儀表板集成為一塊大的觸摸顯示屏，飛行員只需觸及屏幕某一位置，就可以相應地改變顯示格式，調出更多的數據信息，也可以發(fā)出指令使系統(tǒng)執(zhí)行任務。目前飛行員主要是通過視覺和觸覺進行飛行，在聽覺方面，除通訊對話外相對比較輕松。今后，顯示

17、系統(tǒng)可以通過語言來通報顯示信息，飛行員也可以通過語音進行指令控制，用以調動飛行員的聽覺，減輕視覺負擔。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.1 無線電導航系統(tǒng)(Radio Navigation System) 4.2.2 慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System)4.2.3 衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Satellite Navigation System)4.2.4 圖像匹配導航系統(tǒng)(Image

18、Matching Navigation System) 4.2.5 天文導航系統(tǒng)(CelestiaI Navigation System)4.2.6 組合導航技術(Combined Navigation System),§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.1 無線電導航系統(tǒng)1．測向無線電導航系統(tǒng)(1)自動測向器(Automatic Direction Finder簡稱ADF)自動測向器是在飛行器上用方向性天線

19、接收來自地面導航臺發(fā)射的無線電波，并確定電波來向相對于飛行器縱軸線的夾角的導航設備。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.1 無線電導航系統(tǒng)1．測向無線電導航系統(tǒng)(2)全向信標系統(tǒng)(VHF Omnidirectional Range 簡稱VOR）由全向信標臺和機上接收系統(tǒng)組成。地面全向信標臺發(fā)射的電波幅度是變化的(稱為調幅)，幅度的變化規(guī)律受兩個低頻余弦信號控制。其一稱為基準相

20、位信號，在所有方向上都同時達到最大值；而另一個稱為可變相位信號，在正北方與基準相位信號同時達到最大值(相位差為0°)，而在其他方向，它與基準相位信號的相位差與所在的方位角相一致。飛行器上的接收系統(tǒng)，接收來自導航臺的信號后，測量出基準相位信號與可變相位信號之間的相位差，就可以確定出飛行器位于地面導航臺哪個方位上。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.1 無線電導航系統(tǒng)2.測

21、距無線電導航系統(tǒng)DME系統(tǒng)工作在962～1213MH之間。飛行器上的詢問器以某一頻率每隔1／150 S 到1／24 S發(fā)射一次信號(即重復頻率為24 Hz到150 Hz之間)。發(fā)射電波的時間很短，而休止時間相對很長，這樣的信號稱為脈沖信號——詢問脈沖。地面導航臺接收到詢問器發(fā)出的信號，檢驗后以另一個頻率發(fā)射脈沖——應答脈沖。詢問器的接收機接收應答脈沖，測量出從發(fā)出詢問脈沖到應答脈沖之間的時間間隔，即可換算出飛行器到地面導航臺的斜距。

22、如果把VOR臺和DME應答器設置在同一個導航臺，則飛行員可以根據機上設備的指示，以極坐標的方式確定飛行器相對于導航臺的位置。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.1 無線電導航系統(tǒng)3．測距差無線電導航系統(tǒng),§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.2 慣性導航系統(tǒng)慣性導航是通過測量飛行器的加速度，經運算處理得到飛行器當時的速度和位置的一種綜合性導航技術。它的主要功能是：自動測量飛行器各種導航參數及飛行控制參數，

23、供飛行員使用或與其他控制系統(tǒng)配合，完成對飛行器的自動控制(駕駛)。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.2 慣性導航系統(tǒng) 1．慣性導航的組成和工作原理由牛頓第二定律可知，當物體受外力作同時，將會沿外力作用方向產生加速度，若已知的初始位置，初始速度和運動中的加速度，則通過兩次積分可以求得任一時刻的速度和位置。2．特點 慣性導航系統(tǒng)是由慣性器件構成的自主式導航設備；無需地面或空間其它任何輔助設備可自行獲得飛行導航參數

24、 由于存在測量誤差，而使定位誤差隨時間積累，制造精度要求高。 3．慣性導航系統(tǒng)的組成慣性測量組件（陀螺儀和加速度計） 慣導平臺 計算機 顯示器,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.2 慣性導航系統(tǒng),§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.2 慣性導航系統(tǒng) 2．兩類慣性導航系統(tǒng)平臺式慣性導航系統(tǒng)。特點：有慣導平臺，利用慣導平臺可以保證加速度計永處于慣性空間水平面內，并有確定的指向，不受地球重力加速度影響

25、，但構造復雜，造價昂貴。 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)。特點：沒有機電式慣性平臺，將加速度計直接安裝在飛行器上，測得軸直接與飛機機體軸一致。平臺的功能通過計算機計算來實現。形成“軟件平臺”。結構簡單是最大優(yōu)點。但對計算機要求較高。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.3 衛(wèi)星導航系統(tǒng)1.衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組成導航衛(wèi)星：24個衛(wèi)星分布在對赤道傾角為55°的六個軌道平面上，每個軌道上有四個星，在任何時間至少有四顆星在地平線

26、仰角7.5°以上，可供使用 。地面站：監(jiān)控站、主控站和上行注入站 用戶設備：GPS接收機,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.3 衛(wèi)星導航系統(tǒng),§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.3 衛(wèi)星導航系統(tǒng)2.導航原理：通過同時對四顆星測得偽距（根據自身的時鐘確定信號到達的時間和衛(wèi)星發(fā)出的信號時間即可確定相對的距離），則可以求得用戶的x, y, z坐標及時鐘差,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),

27、4.2.3 衛(wèi)星導航系統(tǒng),§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.4 圖像匹配導航系統(tǒng) 1．導航原理預先將飛行器經過的地域，通過大地測量、航空攝影、衛(wèi)星攝影或已有的地形圖等方法將地形數據(主要是地形位置和高度數據)制做成數字化地圖，存儲在飛行器的計算機中，這種地圖稱為原圖。飛行器在飛越已經數字化的預定空域時，其上的探測設備再次對該區(qū)域進行測量(錄取)，取得實際的地表特征圖像，將實時圖與預先存儲的原圖進行比較。由此可以確

28、定飛行器實際飛行的地理位置與標準位置的偏差，用以對飛行器進行導航。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4．2．4 圖像匹配導航系統(tǒng) 圖像匹配導航可分為地形匹配導航和景象匹配導航兩種。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),原圖 實時圖,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),2．數字地圖,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4．2．4 圖像匹配導航系統(tǒng)3. 地形匹配導航

29、一維匹配，適合于山區(qū)，用雷達高度表作為測量裝置。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4．2．4 圖像匹配導航系統(tǒng)4.景象匹配制導 二維控制，適合于平坦地區(qū)，用圖像成像裝置錄取目標附近和飛行軌跡的地貌。,§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.5 天文導航系統(tǒng)天文導航是通過觀測天體來確定飛行器的位置和航向的導航技術。天文學上為區(qū)分天體的亮度和強弱，采用“星等”來表示天體的相對亮度，例如北極星為2.1星等。,&#

30、167; 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.5 天文導航系統(tǒng),§ 4.2 飛行器導航系統(tǒng),4.2.6 組合導航技術 常見的組合導航方式有：慣性／無線電導航系統(tǒng)、慣性／衛(wèi)星導航系統(tǒng)、慣性／天文導航系統(tǒng)、慣性／圖像匹配導航系統(tǒng)、慣性／天文／無線電導航系統(tǒng)等。,§4.3 飛行器飛行控制系統(tǒng),飛行器的飛行操縱系統(tǒng)可分為人工操縱和自動控制兩類。人工操縱是指駕駛員通過操縱裝置操縱氣動舵面、發(fā)動機油門桿或閥門開關等方式控

31、制飛行器的飛行。自動控制是指通過飛行自動控制系統(tǒng)、自動完成對氣動舵面和發(fā)動機油門桿的操縱，駕駛員只進行監(jiān)控,§4.3 飛行器飛行控制系統(tǒng),4.3.1 飛行器飛行操縱系統(tǒng) 1．機械和助力操縱系統(tǒng) 2．電傳操縱系統(tǒng)電傳操縱系統(tǒng)是將飛行員的操縱動作通過微型操縱桿轉變?yōu)殡娭噶钚盘?，由電纜傳輸到信號處理系統(tǒng)處理后，再控制執(zhí)行機構(如液壓舵機)輸出力和位移，操縱氣動舵面來駕駛飛行器。電傳操縱系統(tǒng)主要是由電子器件構成，因此屬于

32、機載設備范疇。電傳操縱系統(tǒng)主要包括微型駕駛桿、桿力(或桿位移)傳感器、信號放大器、信號綜合處理和余度管理計算機、飛行參數傳感器(如高度、速度等)、執(zhí)行機構、助力器等部件。,§4.3 飛行器飛行控制系統(tǒng),2．電傳操縱系統(tǒng),§4.3 飛行器飛行控制系統(tǒng),4.3.2飛行器自動控制系統(tǒng) 1．自動駕駛儀飛行員駕駛飛機的過程,§4.3 飛行器飛行控制系統(tǒng),自動駕駛儀操縱飛機的過程,自動駕駛儀控制飛機的過程,

33、§4.3 飛行器飛行控制系統(tǒng),4.3.2飛行器自動控制系統(tǒng) 2．著陸控制系統(tǒng)（1）儀表著陸系統(tǒng),§4.3 飛行器飛行控制系統(tǒng),4.3.2飛行器自動控制系統(tǒng) (2)微波著陸系統(tǒng) 相應于儀表著陸系統(tǒng)的航向信標、下滑信標和指點信標，微波著陸系統(tǒng)設置有方位臺滯角臺和拉平臺。顯示系統(tǒng)與儀表著陸系統(tǒng)的類似。微波著陸系統(tǒng)的測量精度高于儀表著陸系統(tǒng)，也更適合于用自動駕駛儀進行自動精確著陸。,§4.4 其他

34、記載設備,4.4.1 雷達設備 雷達的基本工作原理 ：通過天線在空間的一定方向上發(fā)射無線電波，利用無線電波在不同介質表面會向各個方向散射一部分電波能量的物理現象，電波遇到目標后散射的電波能量中有一部分向雷達天線方向傳播回來形成目標回波。雷達到基本組成 ：由定時器、發(fā)射機、接收機、天線及饋電設備和終端設備組成。,§4.4 其他記載設備,4.4.1 雷達設備,§4.4 其他記載設備,4.4.2 近地警告系統(tǒng)

35、近地警告系統(tǒng)只是在起飛或進近著陸階段、且無線電高度低于750 m時才起作用。,§4.4 其他記載設備,4.4.3 防護和救生系統(tǒng)1.座艙環(huán)境控制系統(tǒng)在飛行器飛行的環(huán)境中，很大部分不適合人類生存，地球大氣隨高度增加而變得越來越稀薄，空勤人員要經受氣壓下降，氧氣減少，溫度降低等惡劣環(huán)境。載人航天器更是在高度真空和寒冷的條件下飛行。因此現代飛行器上都配有較好的座艙環(huán)境控制系統(tǒng)和氣密座艙。環(huán)境控制系統(tǒng)包括氧氣供應系統(tǒng)、溫度控制系

36、統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)等設備。,§4.4 其他記載設備,4.4.3 防護和救生系統(tǒng)2.飛行員個體防護系統(tǒng)個體防護系統(tǒng)包括飛行服、抗過載服、氧氣面罩、頭盔等設備。,§4.4 其他記載設備,4.4.3 防護和救生系統(tǒng)3.彈射救生系統(tǒng) 飛行器在飛行過程中有可能會出現故障，軍用飛機在作戰(zhàn)時會被武器擊中，甚至無法繼續(xù)飛行，因此必須有一套保證飛行員在起飛、飛行和著陸過程中出現緊急情況時能迅速離開飛行器，安全降落到地面或

37、水面的設備。,§4.4 其他記載設備,4.4.3 防護和救生系統(tǒng)3.彈射救生系統(tǒng),§4.4 其他記載設備,4.4.3 防護和救生系統(tǒng)4.航天救生設備 不同的飛行階段不同的措施： (1)在發(fā)射臺上和低空狀態(tài)時常用的救生方式有彈射座椅或逃逸塔。 (2)在軌道飛行階段出現故障或危險情況，只能中斷飛行計劃，提前返回地面。 (3)返回階段的救生在航天器設計時就進行了周密的考慮，如采用多個并聯(lián)制動