波音747飞机中的Sperry垂直陀螺仪揭密

图说：Sperry垂直陀螺仪主要用来测量飞机两侧的角度(旋转)和姿态(俯仰角)，可说是实现飞翔与飞行自动化的关键元件。

当你下次搭乘飞机时请特别留意，可能会出现一种东西能够让你浑然忘却邻座传来的婴儿哭闹声或餐车不慎从你脚上辗过所带来的不悦──这就是陀螺仪(gyroscope)！陀螺仪适用于各类型航空器仪控的惯性导航系统和基本输入系统，可说是实现飞翔与飞行自动化的关键元件。但正如其它技术一样，事物总是持续地变化发展。因此，我们在这此打算揭密一款用于波音(Boeing) 747飞机的Sperry飞行系统垂直陀螺仪(Sperry Flight Systems Vertical Gyro)。

根据这款陀螺仪装置上所标示的1975年重测标签推测，它大约是在1970年左右波音747刚问世时所制造的。尽管尺寸和重量一向是飞行时最主要的考虑要件，但这个采用立方体外壳所设计的Sperry陀螺仪可是一点儿也不轻巧，它的边长约有25cm，重量接近10kg。虽然外壳和内部元件都尽量采用铝铸材质，但最后仍形成一款相当笨重庞大的航空设备。

基本上，这种垂直陀螺仪主要用来测量飞机两侧的角度(旋转)和姿态(俯仰角)。这项设备的名称源于其设计核心采用一个转轴呈垂直方向排列的旋转物体。本文将尝试解释这个Sperry陀螺仪的工作原理，并请技术专精的读者们不吝赐教。

内部架构

整个装置内部分成上、下两部份，上半舱容纳陀螺仪的机电设备，而下半舱则包含了所有的系统电子元件。这两半舱之间由陀螺仪基板分隔开来，并以一个DB-25连接器接合，再由另一款Cannon外部连接器连接到飞机上。

正如所预期的，二者的自由度约相当于两轴运动，而由旋转轴心支撑的平衡环可用于监测每个方向的变化(俯仰和旋转)。这些平衡环位于一个大型框架中，借由橡胶悬环安装于外壳中，推测它应该是为了减轻振动对于陀螺仪输出的影响而设。由于这个装置采用硬式安装于飞机中，因而必须对机舱中其它部位产生的噪音和振动进行隔离。

位于平衡环内部结构中的就是旋转物体(或称飞轮)，这就是陀螺仪的核心部份。利用一个电枢使飞轮转动，并持续其旋转动作，得以启动陀螺仪运作程序。这款飞轮设备相当的沈重，但它的确是一块精心打造的金属片，充满了各种不同大小的钻孔层，以便有助于在成形后实现最佳平衡。我不清楚飞轮的转速是多少，但它可能是相当高的(飞行员很清楚飞机陀螺仪特有的声响)，所以不管是多么轻微的失衡情况也不容发生。

在大多数的基本条件下，较大的外部平衡轴能够感测到旋转，而位于飞轮组内部的平衡环则可感测到俯仰角度。就像许多人从‘旋转自行车车轮’实验中所学到的，飞轮要保持一定的方向，而当飞机和硬式安装的陀螺仪设备经历俯仰和旋转变化时，飞轮都必须持续在应有的正确位置。

如何感测飞轮和旋转/俯仰平衡环之间的角度移位并不得而知。但两个平衡环中都有明显可见的线圈(标示为Gimbal Sense Coils)，可透过磁感应来侦测移位。更具体地说，这些线圈可能是同步器或解角器设备的一部份，可透过AC讯号驱动内部线圈，外部线圈组同时根据外层线圈中不同相位的感应电压来检测角度偏移。此处也看不到分压计，因此，同步器/解角器方案可能就是最好的位移测量方法。

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。飞轮电枢负责驱动电流，让同步器/解角器或其他可能的讯号得以通过自每个平衡环轴心延伸而出之特殊柱状体的纤细丝刷触点。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个连线，从而实现内部线束的连接。

类比技术

下半舱的电子元件必须完成所有的线圈驱动和角度移位检测工作，该装置内部的电路板全部都是类比元件。其中一块板上的功率电晶体显示驱动电枢可旋转飞轮；而另一块(两块相同板子之一)看起来像是一种多通道放大器，可能用于振幅/相位检测，以及从每个平衡轴上的同步器/解角器线圈进行移位输出。尽管这些板子在结构和元件密度方面当然都是传统旧式的，但它们却是类比技术的绝佳实例。

利用先进的工程技术虽可有效地整合这一系统，但飞机维修人员也必须确保飞机得以持续飞行状态，因而该设备上标示有确保仔细无误完成安装的外部标记。设备顶部标示着自动驾驶控制和一组极化安装点，以确保飞机俯仰和旋转不至于错置，并使爬升/俯冲/左倾/右倾指示均能维持正确定向。其它还有一些标示着安装必须谨慎的标签，诸如‘谨慎操作’、‘精密设备’和‘小心轻放’等标示，均明白显示这一设备的脆弱特性。

虽然旋转物体陀螺仪或许仍运用在许多飞机上，但这个Sperry设备现已除役了，应该是被环形雷射陀螺仪或其它改善重量和精密度的升级版产品所取代了。甚至基于MEMS的陀螺仪也正开始进入航空领域，特别是这些产品理论上能够避免现有传统技术的机械或光学复杂性。

此外，虽然Sperry陀螺仪已逐渐被淘汰，但其机电技术的卓越品质，包括其中大量的手动焊接和精心连接的线束，至今仍令人惊叹不已。

作者：David Carey

总裁

Portelligent公司