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发表时间 : 2018-1-5 14:21:48 | 浏览 : 19950    评论 : 0

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本帖最后由 航空报告厅 于 2018-1-5 14:27 编辑

(本文严谨度较高,可以作为航空教学的辅助材料,亦可为航空爱好者提供必要的科普信息。由于是地面理论基础知识,并不限定机型,固定翼直升机和其他配备此器件的飞行器均适用)

导语——之前在知乎上,我回答了关于直读式水平磁罗盘的误差问题,获得了一些点赞和感谢。同时,也有网友留言表示想要深入了解。这个问题,也曾经困扰过我,后来经过探索和交流才搞懂了这个问题,那么我就来详细说一下吧。

1. 定义。

航空磁罗盘其实就是指南针,英文说法是compass,(严谨地讲是magnetic compass),是飞行器相对于地面方向的指向工具。

2. 分类。

较传统的航空磁罗盘有一般分两类:其一是直读式,其二远读式。

2.1 直读式磁罗盘的所有元件都在机舱内,飞行人员根据附着于磁体的指向即可获得。其优点是简单可靠,缺点是误差较大。

2.2 远读式磁罗盘则是依赖于安装在驾驶舱外的磁航向传感器,相关信号传输到驾驶舱的仪表板上显示,其优点是可把磁传感器安装在机上磁干扰较小的位置。

3. 磁罗盘误差的来源,主要有三类:

3.0. 磁罗盘转向内部遭受的摩擦力(可忽略);

3.1. 地磁场的因素;

3.2. 机身磁场的因素;

3.3. 磁体配重导致的误差。

对于远读式磁罗盘,可以认为只有地磁场的因素干扰(3.1),而直读式磁罗盘(严格说是水平直读式磁罗盘),则同时具有上述三种(3.13.23.3)误差因素的影响。我们主要研究3.3——磁体配重导致的误差。

4. 为什么要加装磁体配重?

【临云行】·通航飞行员讲议#水平磁罗的转向与加速误差(直升机固定翼通用)

通航飞行员讲议#水平磁罗的转向与加速误差(直升机固定翼通用)  蓝天学堂 141913qr10xitzx0mpafiz 临云行 通用航空飞行员社区

(图一:造成下沉误差的机理)

这是因为,水平直读式磁罗盘在接近地磁极的地方,会有一个下沉误差(DIP ERROR),我画了个草图,大家凑合着看啊:在南北地磁极附近,由于磁感线并非平行地面,而是斜向下,也就是说*地磁极(图中五角星,Magnetic Pole)给磁罗盘(Compass,图中这个大箭头代表磁罗盘)的磁吸引力也是向下的,偏离了水平(图中虚线)。这就导致水平式磁罗盘容易因此产生误差,即下沉误差。为了克服这个误差,人们就在磁罗盘的磁体上的原理地磁极指示端(即大箭头的尾部)加了一个配重。

*1:中国早期的教科书上,定义地磁南极地理北极(北冰洋)附近,把地磁北极定义在地理南极附近(南极洲)附近——至今搜索百度百科依旧如此,而这一定义和美国是相反的。近年来,部分地改为地磁北极在地理北极附近,地磁南极在地理南极附近。这是个定义问题,但也容易导致大家混淆。鉴于航空仪表和相关规范主要起源于美国,我国民航规则体系也是和美国体系一致,本文中统一定义:地磁北极在地理北极附近,地磁南极在地理南极附近(即美国标准)。

不难理解,在北半球使用的磁罗盘是加在**S指示处,南半球使用的磁罗盘是加在N极指示处(当然这种南北半球相区别的应对措施也会带来跨半球飞行的麻烦,所以如今的磁罗盘大都改进了)。

**2:本文图示的所有S指示处,均代表地理方向,而地理方向和磁罗盘读数是南北相反的,所以S指示处的最终视觉读数为北。
按下葫芦浮起瓢,配重的添加解决了下沉误差,但是又导致了新的误差,不仅仅是跨半球飞行不方便,更有一个显著的问题——由于这个配重的存在,加速和转弯才有偏转误差(延迟偏转、加速偏转、反向偏转),这就是我们今日主要讨论的点,我们往下继续讲。

5. 磁体配重导致的误差详解与分析。

磁体配重的存在,导致磁罗盘的重心并不在旋转轴上(图一大箭头的中心大黑点),而是在更靠近大箭头尾部(也就是北半球S向指示端)。了解了这个重心偏离的点,理解一系列误差就容易了。

后面的讨论,我们全部以北半球为例(南半球很容易类推),看几个情况:

【临云行】·通航飞行员讲议#水平磁罗的转向与加速误差(直升机固定翼通用)

通航飞行员讲议#水平磁罗的转向与加速误差(直升机固定翼通用)  蓝天学堂 141925cojq4pro1rjyooud 临云行 通用航空飞行员社区

(图二)
5.1. 图二所示,是一架向东加速飞行的飞行器,加速度(a)向东,运动速度(ν)向东,此处以俯视的直升机示意。磁罗盘的偏转轴在大箭头的黑点处,但实际重心在圆圈处。不难看出,这种加速下,磁罗盘会在惯性作用下顺时针偏转,在飞行员-机舱视角看来,就是方位读数减小,向北读数(请注意,磁罗盘读数和此处实际指向相反,所以北读数即图中的S指示处)偏移。

5.2. 如果是一架减速向西飞行的飞行器,其加速度方向依然是向东加速(高中物理知识),磁罗盘相对于地面的偏转方向依然是顺时针。但是请注意,由于此时是向西飞行,ν是反过来的,座舱角度发生改变,在飞行员-机舱视角看来,就是方位读数减小,向南读数(即图中的N指示处)偏移。

5.3. 如果是一架由向北飞行的飞行器,开始右转向东飞行,此时磁罗盘对地就会有一个向东的加速度(东西方向速度从零变为向东)。对地而言,这个过程里磁罗盘会顺时针旋转,但从正在转向的飞行员-机舱视角来看,磁指向就变得瞬时反向偏转指示,当转向结束变为匀速向东飞行之后,磁指向才会回复正常。

5.4. 同理,向南飞行的飞行器,开始左转向向西飞行,此时飞行员-机舱视角来看就是同向但加速是偏转,当转向结束之后,磁指向才会回复正常。
类似的情况其实蛮多,一共是八种情况会导致这类偏转——向东加速飞行、向西加速飞行、向东减速飞行、向西减速飞行、从北转向东,从北转向西,从南转向东,从南转向西。如果加上南北半球的差别,就是16种不同情况。本文无法尽述,所以需要总结,请往下看——

6. 总结:

如果用高中物理的知识进行提炼,判断的方法就简单很多——当水平直读式磁罗盘相对于地面的运动有东西方向的加速度时,由于惯性的作用,磁罗盘的实际重心倾向于保持原有运动状态,从而抵抗加速度的趋势产生滞后性偏转,再根据座舱视角,即可得出磁罗盘的误差情况。这个结论从理论上概括了所有因此产生的偏转误差情况。

(高中的知识,对于飞行来说是重要的基础,我猜这就是飞行执照最低要求高中学历的原因之一吧)

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(小桓推演讲述磁罗盘误差时的照片,2017,洛杉矶)

7. 展望。

由于磁罗盘在飞机作上述非匀速飞行或转弯时,会产生较大的误差,也不适宜在跨南北半球飞行和高纬度地区使用,因此,飞行器上的水平直读式磁罗盘已由性能较完善的陀螺磁罗盘或航向系统所取代。但是针对老式磁罗盘的考题还是在的,且老式磁罗盘依旧在用,因此对这一问题依旧需要掌握。

或许本文写的比较复杂,还有大量注释,但该问题的实际情况就是如此,为了严谨表达,只能老实陈述。想要简单化,直接背结论亦可,但我个人还是推荐充分理解为宜。

8.后记(和我同航校毕业的朋友们请留意):

在我学习飞行教员执照的时候,遇到了这个话题。在地面课上,我认为航校的ppt写错了(转向误差和南北极用错了匹配)。一开始,授课的美国总飞老师不太相信用了这么多年的ppt会错,所以对我的说法比较谨慎,让我陈述理由。经过细致的陈述,并和法国校长反复讨论推演(上面那张照片就是我推演时候的场景),他们确定我说得是对的,而且坦率地承认ppt的确不小心写错了。我是哪个航校的圈内朋友大致清楚,在我之前毕业的各位学长学姐请留意此处错误。校长和总飞老师两位大佬,能够坦率接受我这个菜鸟的质疑,在此表达敬意,这个务实态度值得我学习。
如需进一步讲解,或者需要使用英文讲解(中英文表达逻辑和术语有所差异),欢迎留言互动或私聊。

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