飞机在空中怎么辨别方向？

有人脱口而出：指南针呀！

是的。老祖宗发明了指南针，这是中国人的骄傲，后来在此基础上还产生了磁罗盘，广泛地运用于地面出行和海上航行。飞机发明之后，磁罗盘也被用于空中指示航向，后来才有了陀螺罗盘、陀螺磁罗盘等，空中的指向工具也在不断完善。

一、磁罗盘

航空磁罗盘

磁罗盘，古称司南，是古老的指向工具，东汉时期便有“司南之杓，投之于地，其柢指南”的记载。

地球是一个大磁体，磁针在地磁场的作用下可以自由转动，并保持在磁子午线的切线方向上。借助于这一点，古人发明了指南针。

磁罗盘指示飞机航向

航空磁罗盘的基本组成

飞机诞生之后，人们便将磁罗盘带上了飞机，用于指示航向。为了适应空中使用，在航空磁罗盘中，一对永久磁棒吊挂在浮球下，呈下摆式结构，使磁棒能保持水平。而浮球用轴尖支承在宝石碗座上，并悬浮在悬浮液（乙醇、轻煤油或其他罗盘油）中，一是减少与支承部分的摩擦，提高罗盘的灵敏性；二是增大阻尼，保持航向指示的稳定性。与磁棒和浮球连在一起的有一方位刻度环。代表机头方向的航向标线相对于方位刻度环的读数，就是飞机的航向。

磁罗盘结构简单、使用方便，但也存在着易受周围磁场干扰，磁针不稳定，指示误差大等问题。特别是在飞机加减速和转弯时，上述问题更严重。

二、陀螺罗盘

针对磁罗盘的问题，人们尝试着将陀螺仪用于空中方向指示，发明了陀螺罗盘，也称航向陀螺仪。

陀螺罗盘

相比于陀螺地平仪，航向陀螺仪具有下列结构特点：

1. 航向陀螺仪自转轴水平放置，仅用于指示航向，不考虑飞机俯仰和倾斜姿态变化；

2. 航向刻度环与外环一体；

3.自转轴初始指向可以人工调整。

航向陀螺仪结构原理图

航向陀螺仪的工作有两个特点：一是起动后，陀螺转子高速旋转，自传轴最终稳定在某一方向，虽然不能自寻地理方位，但可以通过旋钮设定其初始方位。二是飞机转弯时，陀螺转子指向不变，内环、外环及航向刻度盘位置不变，陀螺仪壳体及标线随着飞机转向，其相对航向刻度盘转过的角度就是飞机航向的变化角。

三、陀螺磁罗盘

陀螺罗盘解决了磁罗盘航向指示不稳定和不能精确指示航向变化角度的问题，但存在着不能自寻地理方位的不足，于是人们将两种罗盘组合在一起，发明了陀螺磁罗盘。

陀螺磁罗盘

陀螺磁罗盘，以磁传感器测定航向，以陀螺机构起到稳定作用，融合了二者的优点，弥补了各自的不足。在飞机综合显示系统出现之前，陀螺磁罗盘是指示飞机航向的重要仪表，地位仅次于陀螺地平仪，通常安装在地平仪下方。

陀螺磁罗盘主要由磁传感器、陀螺机构和航向指示器等组成。其中，磁传感器用来测定飞机的磁航向，输出磁航向信号。陀螺机构受磁传感器控制，向航向指示器输出稳定的航向信号。航向指示器用来指示磁航向和转弯角度。

陀螺磁罗盘是在磁传感器和航向指示机构之间，加入了陀螺机构，起到了稳定磁航向和指示转弯角度的双重作用。

飞机平飞时，可以把陀螺磁罗盘和陀螺地平仪做一个类比，陀螺磁罗盘相当于用磁传感器取代了陀螺地平仪的液体开关，并依据陀螺仪自转轴与磁子午线的偏差控制力矩电机，产生外力矩作用于陀螺仪的内环轴或外环轴，产生进动，进而使陀螺仪自转轴靠近并最终平行于磁子午线，同时通过航向指示机构指示飞机的磁航向。

飞机转弯时，切断磁传感器信号，由陀螺自转轴保持飞机的磁航向，并依据陀螺外环、壳体等围绕内环轴、外环轴的转动情况，指示飞机的转弯角度。

不难看出，从磁罗盘到陀螺罗盘，再到陀螺磁罗盘，飞机指向工具经历了从简单到复杂、从单一到综合、从不完善到逐渐完善的发展过程。目前，随着机电技术和航电技术的发展，座舱综合显示系统已经成为先进飞机座舱显示的标配。但是，传统仪表依然会在中、小型飞机上大量使用，一些重要仪表也会做为大型飞机的备份设备而长期存在，更为重要的是一些传统仪表的基本原理依然是普遍适用的，仍将伴随着飞机的发展演变而长期存在。