解密波音747飞机中的Sperry垂直陀螺仪

2009年05月06日 16:05    李宽
关键词: Sperry , 波音747 , 垂直陀螺仪 , 飞机 , 解密
陀螺仪可用于各种类型航空仪表的惯性导航系统和基本输入系统,是实现飞行和飞行自动化的关键部件。这次我们的拆解对象就是一个用于波音747飞机的Sperry垂直陀螺仪。

根据这个陀螺仪外壳上标注的1975年再测试标签,估计它是1970年左右波音747刚面世时在什么地方制造的。尽管器件尺寸和重量一向是主要考虑事项,但这个立方形外壳设计的Sperry盒子可不算轻巧,其边长约25cm,重量接近10kg。虽然外壳和内部组件都尽量采用铸铝,但最终效果仍然是一个笨重的大家伙。这种垂直陀螺仪主要用来测量飞机的侧倾角度(横滚)和姿态(俯仰角)。其名称源于设计核心是一个转轴呈垂直方向的旋转体。

内部架构

整个装置内部分为上下两部分,上半舱容纳陀螺仪的机电设备,下半舱则包含了所有的系统电子器件。这两半部分由陀螺仪基板分隔,通过一个DB-25连接器相连,再通过一个外部Cannon连接器与飞机实现连接。

两个自由度相当于两轴运动,由旋转轴支撑的平衡环用于监测每个方向的变化(俯仰和横滚)。这些平衡环都位于一个大框架内,这个大框架通过橡胶悬挂点与外壳连接,估计是为了减轻振动对陀螺仪输出的影响。

位于内框架结构中的就是旋转体(或者调速轮),这是陀螺仪的核心部分。利用一个电枢来使调速轮旋转,并保持旋转,以此启动陀螺仪工作流程。调速轮装置很沉重,但的确是一块精妙的车削金属,充满了各种尺寸的转孔层,以便成形后实现完美的平衡状态。我不清楚调速轮的转速是多少,但它有可能相当高,所以即使轻微的失衡也是无法容忍的。

在大多数基本条件下,较大的外平衡环感测横滚,而内平衡环(位于调速轮装置中)感测俯仰角度。就像许多人从“旋转的自行车车轮”实验中所学到的,调速轮要保持一定的方向,在飞行器和陀螺仪经历俯仰和横滚变化时,调速轮必须处于恰当的位置。

如何感测调速轮和横滚/俯仰平衡环之间的角位移不得而知。每一个平衡环中都有明显可见的线圈绕组(图中标注为平衡环感应线圈),用来感应检测位移。更具体地说,这些线圈可能是同步器/分解器装置的一部分,同步器/分解器利用AC信号驱动内部线圈,同时有一个外部线圈根据不同相位外层绕组的感应电压来检测角偏移。由于看不到电位计,所以最可能的位移测量方法似乎是采用同步器/分解器方案。

由于所有的连接都必须由外部连接至旋转平衡环内侧,因此其本身的馈电量相当惊人。调速轮电枢负责驱动电流,让同步器/分解器或其它可能的信号得以通过从每个平衡环轴心伸出的柱状体的精细电刷触点。每个柱状体均具有专用接触带,在一个旋转触点中,能对应到柱状体上每个接触带的独立线路,以完成7个连接,从而实现内部线束的连接。

模拟艺术

下半舱的电子器件必须完成所有的线圈驱动和角位移检测工作,其中的电路板全都是纯模拟性的。其中一块板上的功率晶体管显示出驱动电枢可旋转调速轮;另一块电路板看起来是一个多路放大器,可能用于振幅/相位检测,以及每个平衡环轴上同步器/分解器线圈的位移输出。尽管这些板子在结构和元件密度上都是传统老式的,但它们却是模拟艺术的绝佳实例。

利用先进的工程技术可以把系统整合在一起,但航线维护人员必需确保飞机能够保持飞行状态,因此装置上标注有“确保仔细无误完成安装”的外部标识。装置顶部的自动驾驶仪控制通道对准标记和一组极化安装点,可确保飞机俯仰和横滚时不会错位,并使爬升/俯冲/左侧倾/右侧倾指示能够保持正确定向。还有一些标示安装必须谨慎的标签,诸如“谨慎操作”、“精密设备”和“操作小心”等都清楚表明了这个装置的脆弱特性。

虽然Sperry陀螺仪现已退役,但其机电技术的卓越品质,包括其中大量的手工焊接和精心捆绑的电缆束,至今仍令人赞叹不已。
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