“蓝天王国”奇遇记（十一）——陀螺仪

总结出什么规律了吗？

这是因为不同深度的水中压力不一样，所以在压力大的深水区域，橡皮膜凹陷得更厉害。

是呀，在天空中也是同样的道理。大气层就像水一样覆盖在地面上，低空相当于深水区域，高空相当于浅水区域，所以飞行高度越高，大气压就越低。

非常正确，这样我们就可以凭借测量得到的大气压来判断我们的飞行高度了。

有趣的陀螺仪

在飞行过程中，我们不但需要知道自己飞得多高多快，还要知道自己处于什么姿态。

飞机的姿态指的是什么呢？

那我先问你们一个问题，你们坐过过山车吗？

上次在游乐园坐过一次，实在是太刺激了，就是有点儿头晕。

你们在过山车上感到头晕，主要是因为头部的姿态改变得太快，一般人很难适应这样的快速姿态变化。飞行员经过前庭训练后，可以克服这种眩晕感。不过你们的大脑也是靠着这种感知能力知道自己处于什么样的空间角度的。比如在倒立的时候，你是可以感觉到自己处于倒着的姿态的。

哦，那么飞机是怎么知道自己处在什么样的姿态呢？

这就要借助一个永远姿态不变的物体作为参考，飞机相对于这个物体旋转的角度就是飞行姿态角了。

说着容易，世界上哪有永远姿态不变的东西呀。那可不一定，既然飞行仪表可以显示这些姿态参数，就说明存在这样的物体呀！

小菲的逻辑有点儿像“人存定理”，都是用现象的存在，反证成立条件存在。不过这个物体确实存在，它就是陀螺仪。

我说对了吧。不过这个陀螺仪和我们平时玩的陀螺一样吗？

陀螺仪的基本原理和大家平时玩的陀螺是一样的，你们有没有发现陀螺在高速旋转的时候，姿态可以保持基本不变。是呀，不过我们那叫“抽汉奸”，哈哈！别打岔，现在说陀螺仪呢。

这个旋转方向保持不变的特性叫作脱落的定轴性。陀螺仪也有一个高速旋转的部分，叫作“转子”。将转子安装在可以自由活动的支架内就构成了一个机械陀螺仪。这个活动的支架一般分为内环和外环，转子可以自由地沿着内环和外环的轴转动，都不受外面框架姿态变化的影响。

飞速旋转的静电陀螺

这外面的支架一点儿也不会影响陀螺的旋转方向吗？

这个问题问得好，其实一点儿不影响是不可能的，比如转轴的摩擦就会破坏陀螺的姿态。所以人们要尽量去减少这种影响，比如把转子悬浮在液体中制成“液浮陀螺”。不过更好的方式是让陀螺悬浮在真空中，这样几乎没有摩擦力。因此人们又设计出了“静电陀螺”。

这个静电陀螺是带电的吗？

没错。这种陀螺仪利用三对高压电极把转子“托起来”，飘在真空的转子室里。这样可以很大程度地減小摩擦。静电陀螺中的转子转速非常快，可以达到每分钟十万转。由于摩擦力小，高速旋转的转子经过一次驱动可以连续转上十几天呢。那真是太厉害了。

不过这种陀螺仪构造非常复杂，造价也非常高。目前使用更广泛的是“激光陀螺”。

“以静制动”的激光陀螺

激光陀螺是可以发射激光的吗？可是激光也不能旋转啊。

是的。激光陀螺其实并没有一个真实的转子，而是利用激光光路设计来实现测量飞行参数的目的。在激光管发出激光后，如果飞机姿态没有变化，激光通过左右两个反射镜走过的两条路线是一样长的；如果飞机在这个方向上有角度偏转，那么激光在左右两条光路上走过的路程长度就不一样了，两束激光将发生“干涉”效应，这时候就会产生一种现象，类似我们在滴了油的水面上看到的各种颜色的条纹一样。测量这些条纹的移动速度可以得到飞机的姿态角变化。

这个听起来有点儿复杂。

没关系，等你学习了更高深的知识就会明白了。原来陀螺仪还有这么多种类啊。

是的，陀螺仪是个精密的先进仪器，需要很多精细的设计方法和制造工艺。在科学家的不断努力下，陀螺仪发展了一代又一代，功能越来越强大，重量不断减轻，体积不断缩小，测量精度和可靠性也在提高。陀螺仪不仅可以用在飞机上，也是运载火箭、导弹、舰船上不可或缺的重要仪器呢！（后面的故事，我们下期接着讲）

知识链接

我国著名陀螺仪专家——林士谔

林士谔（1913-1987），著名航空航天自动控制学家和教育家，我国航空自动控制学科和陀螺惯导学科奠基人。1937、1939年在美国麻省理工学院分别获得硕士、博士学位，期间提出解算高阶特征方程根的方法，在国际上被誉为“林氏法”。1939年回国投身抗日战争，期间创制膜盒式真空速度表等。1946-1951年任厦门大学航空系主任，后调任清华大学。1952年作为奠基人之一，参加了北京航空学院的创建。1958年始，领导了我国第一个液浮陀螺、动力调谐陀螺等的成功研制及其基础理论研究。他一生矢志爱国，题有并笃行“爱我中华、志在航天”。

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