航空仪表(一) -- 基础仪表

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起因

最近几乎所有的业余时间都用来飞微软的模拟飞行10(FSX), 学习作为一个飞行员如何理解航空设备. 这边做一些记录和翻译的工作, 把我学到过的航空仪表的功能记录下来. 驾驶的感觉需要训练, 但这些硬知识还是得靠死记硬背.

大部分内容是从这篇翻译过来的, 加上一些维基百科上的资料, 以及一些自己的理解.

当前商务机或者大型机上的飞行员操作面板都是如下图这样的显示屏, 或者叫玻璃面板(Glass Panels).

但在那以前的飞机和在现在的小型飞机上, 基本都是像下面这个图一样的仪表面板.

密密麻麻的仪表中, 最基础的有6块表. 英文叫six pack(6块腹肌也叫这个词)他们分别是:

The SIX PACK:

  1. 空速表 (Airspeed Indicator or ASI)
  2. 姿态仪 (Attitude Indicator or AI)
  3. 高度表 (Altimeter)
  4. 垂直速度表 (Vertical Speed Indicator or VSI)
  5. 航向表 (Heading Indicator or HI)
  6. 转弯协调仪 (Turn Coordinator or TC)

下图是我们在FSX中学习飞行开的Cessna 172的6块基础仪表, 号码与上面的列表对应.

下面单独讲讲每块表的工作原理和使用方法.

工作原理

从数据采集方式上, 这六块表可以飞为两类. 其中3块表(高度表, 空速表, 垂直速度表)连接在动静压系统(Pitor Static Pressure System). 另外三块(姿态仪, 航向表, 转弯协调仪表)属于使用陀螺仪的一类仪表.

动静压系统

动静压系统(Pitot Static System)依赖于两个数据源. 一个是皮托管(Pitot Tube), 用来测量飞机向穿过空气产生的动态压力. 一个是静压空(Static Vents), 用来测量由于飞机海拔高度变化而产生的不同的静态大气压. 下图是工作原理示意图.

陀螺仪类仪表

一个陀螺仪(Gyroscope)是(以下从维基百科抄的)一种用来感测与维持方向的装置. 基于角动量守恒的理论设计出来的. 陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成. 陀螺仪一旦开始旋转, 由于转子的角动量, 陀螺仪有抗拒方向改变的趋向. 陀螺仪通常是由真空泵或者电力驱动. 在角动量守恒的原则下, 陀螺仪具有两个基本特性: 一为定轴性(inertia 或 rigidity), 另一是逆动性(precession). 定轴性是指当陀螺转子以极高速度旋转时, 其转动得以维持并保持其轴指向一个相对固定的方向的这种物理现象, 也叫转动惯性. 逆动性是指在运转中的陀螺仪, 如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上, 则旋转轴并不沿施力方向运动, 而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动的物理现象. 下图是陀螺仪的原理示意图.

定轴陀螺仪 偏轴陀螺仪

Six Pack

#1 空速表

一般空速表如图

空速表测量的是飞机穿过空气时相对空气的速度. 这里有几个知识点需要提前搞清楚.

第一个是速度单位, 由于历史原因, 飞机上提到的速度单位是海里(Nautical Miles)每小时也叫节(Knots). 1节约等于1.85公里每小时, 约等于1.15英里每小时.

第二个是我们提到空速其实是有4种不同的空速, 包括指示空速(Indicated airspeed, IAS), 校准空速(Calibrated airspeed, CAS), 当量空速(Equivalent airspeed, EAS), 真空速(True airspeed, TAS). 飞行员在飞行中主要使用指示空速(IAS), 航空器飞行手册和使用手册中. 性能图表上所使用的速度也是IAS. 所以以后提到的空速都是指IAS. 注意空速表不会告知对地速度, 但风速的航向分量跟空速相加等于对地速度.

看懂空速表需要了解如下飞机速度参数.

  • \(V_A\)=maneuvering, 也就是只有这个速度以下才能使用较激烈的操作, 比如急转, 紧急下降等.
  • \(V_{FE}\)=flap extend, 在此速度以下能够安全的放襟翼.
  • \(V_{LE}\)=landing gear extended, 在此速度以下可以放起落架.
  • \(V_{LO}\)=landing gear operating, 在此速度下起落架能正常的运作.
  • \(V_{NO}\)=max structural cruising speed, 最大结构巡航速度. 意思是说除非在平稳气流中, 不能超过这个速度. 如果超过必须保持警惕.
  • \(V_{NE}\)=never exceed speed, 任何时间都不能超过的速度.
  • \(V_S\)=stall clean configuration, 没有放襟翼的失速速度.
  • \(V_{SO}\)=stall landing configuration, 放了襟翼的失速速度.
  • \(V_X\)=best angle, 最佳爬升角度的速度(在一定的距离内能够爬升最多高度)
  • \(V_Y\)=best rate, 最佳爬升速率的速度(在一定的时间内内能够爬升最多高度)

再来看空速表有白绿黄三个弧, 和一条红线.

  • 绿弧是常规操作时使用的, 最小点是\(V_S\), 最大点是\(V_{NO}\)
  • 白弧是打开襟翼之后时使用的, 最小点是\(V_{SO}\), 最大点是\(V_{FE}\)
  • 黄弧是在平稳气流中才能使用的速度, 最小点是\(V_{NO}\), 最大点是\(V_{NE}\)
  • 红线是\(V_{NE}\), 超过飞机可能损坏.

#2 姿态仪

姿态仪也叫陀螺水平仪. 这个仪器显示的是飞机相对于水平面的位置.

我们知道飞行员的操作很大一部分是控制飞机的三个方向的行为, 通过升降舵(elevator)控制俯仰(pitch), 通过副翼(aileron)滚转(roll), 通过方向舵(rudder)控制飞机偏航(yaw). 姿态仪可以描绘俯仰和滚转这两个维度上飞机的状态. 这个表是基本是飞控的核心仪表, 飞行员大部分时间都会盯着这个表进行控制. 观察表面可以知道, 蓝色代表天空, 棕色代表地面, 中间的界限就是代表水平面. 表面上还有些刻度. 关于俯仰的刻度, 水平面上下短线代表5度, 长线代表10度. 关于滚转时的侧倾(bank)的刻度, 最上面代表天空的地方可以看到一些长短线刻度, 短线代表10,20度, 长线代表30,60度. 水平线以下的四条斜线代表15,45度.

#3 高度表

高度表测量的是海拔高度.

注意, 地面的海拔高度差别很大, 所以高度表读数并不能测量对地高度, 而是相对于海平面的高度. 飞行员必须知道当地的地面海拔, 然后计算出飞机对地的相对高度.

类似于一个钟表, cessna 172的高度表有三个指针. 转得最快的指针的读数是百英尺(100 feet). 最短的指针的读数是千英尺. 最长的指针也是移动最慢的指针的读数是万英尺. (不同的高度表的指针的长短代表的含义不同) 配图里的读数是海拔1410英尺.

高度表的读数是通过测量大气压获得的. 但大气压是一直在变化的, 这就需要在每次飞行之前, 对高度表拔定值(altimeter setting)进行设置. 或者在飞行中你飞行的区域大气压发生变化了, 也需要调整高度表的拔定值. 高度表拔定值就是飞机所在地的海平面气压, 就是图中刻度2和3中间的数字.

#4 垂直速度表

垂直速度表(VSI)测量的是爬升或者下降的速率. 读数的单位是每分钟百英尺(100 FPM).

垂直速度表也链接到静态压系统. 当海拔变化时, 大气压也会按照一定规律变化. 对这种变化的标准比率进行校准就可以用来测量飞机的海拔高度的变化率.

飞行员以来高度表和垂直速度表来监控飞机的高度和高度变化. 飞行员只需要用余光扫一眼这个表, 就可以知道飞机是否在一个稳定的高度飞行, 或者是否在爬升或者下降, 并知道每分钟的变化是多少英尺.

#5 航向表

航向表(HI)是另外一个陀螺仪飞行仪表. 有时候也叫做方向陀螺仪(Directional Gyro)或者航向陀螺仪(Heading Gyro). 顾名思义, 这个仪表告知飞行员飞行的方向.

航向表是陀螺稳定的, 而不是磁性罗盘. 磁性罗盘的读数会被滚转倾角, 转弯, 和速度变化影响. 陀螺稳定的航向表则不会. 每次起飞前, 航向表必须根据磁性罗盘的读数进行校准. 并且由于陀螺仪会积累误差, 所以当平飞, 并且飞行稳定的时候, 航向表要根据磁性罗盘经常性的进行校准. 以约15分钟的固定间隔校准到磁性罗盘, 以消除进动误差(Precession error).

看这个表的面板上会有一个飞机的轮廓, 周围一圈是360度的刻度. 上面有东南西北的英文首字母的标记, 长线代表10度, 短线代表5度.

#6 转弯协调仪

这又是一个陀螺仪仪表. 这个仪表给出两种信息, 上半部分的信息是关于转弯的方向和转弯的速率的, 下半部分显示了转弯是否在协调飞行中飞行.

先说下半部分的协调转弯. 试想开车的时候转弯, 如果道路是水平的, 人会有向外甩的感觉. 而且由于向心力都是靠轮胎的摩擦力提供的, 如果离心力大于车轮的摩擦力, 车子就会向外打滑. 但如果道路是倾斜的, 地面的压力提供里一个向心的分量来做向心力, 如果车速跟地面倾斜角度配合得好, 人是可以完全没有向外甩的感觉的. 这就叫协调转弯. 飞行中由于没有摩擦力, 转弯的向心力都是由于飞行员操作副翼, 使飞机产生倾角(bank), 让升力提供一个向心力完成的, 但如果这个向心力跟飞机转弯的角度和速率不匹配, 飞机就不是协调飞行. 此时转弯协调仪底部的小球(也叫测斜仪 inclinometer)将不会居中, 代表了飞机在转弯时向一侧打滑. 飞行员必须使用方向舵调整机头方向以纠正这个侧滑. 直到小球保持居中, 就是协调转弯了.

然后说一下上半部分, 两对白线分别代表水平位置和标准速度转弯(Standard Rate Turn)的倾角. 在这个倾角下, 飞机将以3度每秒的标准速率进行转弯. 因此360度转弯需要花2分钟. 这就允许飞行员通过时间来决定转弯的角度. 例如, 飞行员调整好飞机姿态以标准速率转弯飞行60秒后, 就能够确认飞机转弯了180度. 这个在飞行员开始仪表飞行的时候将变得尤其重要.