“轉(zhuǎn)載一篇非常有意思的文章，Ken Shirriff 大佬逆向工程了 F-4 戰(zhàn)斗機(jī)的三軸姿態(tài)指示儀。”

我們最近獲得了一臺(tái) F-4 戰(zhàn)斗機(jī)使用的姿態(tài)指示儀，這種儀器通過(guò)旋轉(zhuǎn)球體顯示飛行器的姿態(tài)與航向。常規(guī)飛行器的人工地平儀僅顯示雙軸姿態(tài)（俯仰與橫滾），但 F-4 的指示儀通過(guò)旋轉(zhuǎn)球體實(shí)現(xiàn)了三軸姿態(tài)顯示，額外增加了方位角（偏航）維度。令我困惑的是：這個(gè)球體如何能在三軸上自由旋轉(zhuǎn)？它既要實(shí)現(xiàn)全向轉(zhuǎn)動(dòng)，又要保持與儀表的機(jī)械連接，這究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？

姿態(tài)指示儀。字母“W”構(gòu)成一個(gè)風(fēng)格化的飛行器圖案，在此例中表示飛行器正處于輕微爬升狀態(tài)。照片來(lái)自CuriousMarc。

我們拆解了該指示儀，對(duì)其1960年代的電路進(jìn)行了逆向工程，修復(fù)了若干故障，并成功使其恢復(fù)旋轉(zhuǎn)。下方視頻片段展示了指示儀圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)。本文將詳細(xì)解析該指示儀的機(jī)械構(gòu)造與電氣系統(tǒng)。（簡(jiǎn)而言之：球體實(shí)際上是由兩個(gè)空心半球殼體通過(guò)"極點(diǎn)"與內(nèi)部機(jī)構(gòu)連接；殼體旋轉(zhuǎn)時(shí)，"赤道"環(huán)帶保持靜止。）

F-4 戰(zhàn)斗機(jī)

該指示儀用于F-4"鬼怪II"戰(zhàn)斗機(jī)，使飛行員在高速機(jī)動(dòng)中能持續(xù)掌握飛行姿態(tài)。F-4作為超音速戰(zhàn)斗機(jī)于1958年至1981年間生產(chǎn)，總產(chǎn)量逾5000架，成為美國(guó)歷史上量產(chǎn)最多的超音速戰(zhàn)機(jī)。越戰(zhàn)期間，它作為美軍主力艦載戰(zhàn)斗機(jī)參戰(zhàn)。直至1990年代海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，F(xiàn)-4仍以"野鼬"角色執(zhí)行防空壓制任務(wù)。該機(jī)型具備核炸彈搭載能力。

F-4G"鬼怪II"野鼬電子戰(zhàn)飛機(jī)。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家檔案館

F-4為雙座型戰(zhàn)機(jī)，后座雷達(dá)攔截官負(fù)責(zé)操控雷達(dá)與武器系統(tǒng)。前后座艙均配備儀表密集的主操作面板，側(cè)方另有輔助儀表與控制裝置。如圖所示，飛行員主面板中央位置——略低于泛紅的雷達(dá)顯示屏下方——安裝有三軸姿態(tài)指示儀，彰顯其重要地位。（后艙則配備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的雙軸姿態(tài)指示儀。）

F-4C“鬼怪”II戰(zhàn)斗機(jī)的駕駛艙，姿態(tài)指示器位于面板中央。點(diǎn)擊此照片（或其他照片）可查看大圖。照片來(lái)自美國(guó)空軍國(guó)家博物館。

姿態(tài)指示儀機(jī)械結(jié)構(gòu)

指示儀內(nèi)部球體通過(guò)三軸顯示飛行器姿態(tài)。橫滾軸表征飛行器沿飛行軸線左右側(cè)傾的角度；俯仰軸表征飛行器上仰或下俯的角度；方位軸則通過(guò)飛行器左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)（偏航）顯示航向羅盤(pán)方位。該指示儀還配有活動(dòng)指針與狀態(tài)標(biāo)志，但本文重點(diǎn)解析旋轉(zhuǎn)球體結(jié)構(gòu)。

指示儀采用三臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)球體運(yùn)動(dòng)。橫滾電機(jī)（下圖）固定于儀表框架，而俯仰電機(jī)與方位電機(jī)則內(nèi)置于球體內(nèi)部。球體由橫滾框架固定，該框架通過(guò)頂部與底部的樞軸點(diǎn)連接球體機(jī)構(gòu)。橫滾電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫滾框架及球體進(jìn)行順時(shí)針/逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，橫滾控制變壓器提供位置反饋。注意橫滾框架上密集的線纜，這些線纜與球體內(nèi)部機(jī)構(gòu)相連。

拆解外殼后的姿態(tài)指示儀

下圖展示了移除球體半球殼體后的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。當(dāng)橫滾框架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此機(jī)構(gòu)隨之同步旋轉(zhuǎn)。俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)繞俯仰軸（圖示為水平方向）轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸沿"赤道"環(huán)帶固定。方位電機(jī)與控制變壓器位于俯仰組件后方，本圖未予展示。方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，球體的兩個(gè)空心半球殼體分別連接于該軸頂部與底部。由此，方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)球殼繞方位軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)構(gòu)本身保持靜止?fàn)顟B(tài)。

球體機(jī)構(gòu)組件

球體旋轉(zhuǎn)時(shí)線纜為何不會(huì)纏繞？解決方案是采用兩組滑環(huán)實(shí)現(xiàn)電氣連接。下圖展示了第一組滑環(huán)組件，其負(fù)責(zé)處理橫滾軸旋轉(zhuǎn)的電氣連接。該滑環(huán)組件將儀表的固定部分與旋轉(zhuǎn)的橫滾框架相連。黑色底座與垂直導(dǎo)線固定于儀表本體，中部條紋狀軸體則隨球體組件外殼同步旋轉(zhuǎn)。軸體內(nèi)部導(dǎo)線從環(huán)形金屬觸點(diǎn)延伸至橫滾框架。

球體內(nèi)部的第二組滑環(huán)組件

球體內(nèi)部第二組滑環(huán)負(fù)責(zé)橫滾框架線纜與球體機(jī)構(gòu)間的電氣連接。下圖展示了連接至這些滑環(huán)的線纜（滑環(huán)本體位于內(nèi)部不可見(jiàn)），其負(fù)責(zé)處理俯仰軸（本圖中為水平方向）的旋轉(zhuǎn)電氣連接。組件外伸的軸體繞方位（偏航）軸旋轉(zhuǎn)，球體半球殼體固定于金屬圓盤(pán)之上。由于方位軸僅驅(qū)動(dòng)球殼旋轉(zhuǎn)而電子部件保持靜止，故無(wú)需額外滑環(huán)裝置。

第二組滑環(huán)的連接

伺服回路

本節(jié)將闡釋電機(jī)如何通過(guò)伺服回路實(shí)現(xiàn)控制。該姿態(tài)指示儀由外部陀螺儀驅(qū)動(dòng)，接收表征橫滾、俯仰與方位角位置的電氣信號(hào)。遵循1960年代航電系統(tǒng)慣例，這些信號(hào)通過(guò)同步器傳輸——其利用三線制傳輸角度信息。姿態(tài)指示儀內(nèi)部電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至三軸角度與輸入信號(hào)匹配。

每個(gè)電機(jī)均由如下圖所示伺服回路控制。目標(biāo)是將輸出軸旋轉(zhuǎn)至與輸入角完全匹配的位置，輸入角由三線同步信號(hào)定義。核心裝置為控制變壓器，其接收三線輸入角信號(hào)與物理軸旋轉(zhuǎn)量，生成表征目標(biāo)角度與實(shí)際角度偏差的誤差信號(hào)。放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿正確方向旋轉(zhuǎn)，直至誤差信號(hào)歸零。為提升伺服回路動(dòng)態(tài)響應(yīng)，測(cè)速儀信號(hào)作為負(fù)反饋電壓輸入。此設(shè)計(jì)確保系統(tǒng)趨近目標(biāo)位置時(shí)電機(jī)減速，從而避免過(guò)沖與振蕩現(xiàn)象。（其原理近似于現(xiàn)代PID控制器。）

伺服回路結(jié)構(gòu)示意圖，反饋回路確保輸出軸旋轉(zhuǎn)角度與輸入角度精確匹配 具體而言，外部陀螺儀單元內(nèi)置同步發(fā)射器：一種將軸體的角位移轉(zhuǎn)換為三線制交流信號(hào)的小型裝置。下圖展示了典型同步器結(jié)構(gòu)，頂端為輸入軸，底部引出五根線纜：兩根供電線，三根信號(hào)輸出線。

同步發(fā)射器

同步發(fā)射器內(nèi)部設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組，由400Hz交流電驅(qū)動(dòng)。三組固定的定子繞組產(chǎn)生三路交流輸出信號(hào)。當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出信號(hào)的相位與電壓隨之變化，從而編碼角度信息。（同步器看似奇特，但在1950-1960年代，其作為角度信息傳輸裝置廣泛應(yīng)用于船舶與航空器。）

同步發(fā)射器/接收器的原理圖符號(hào)

姿態(tài)指示儀采用控制變壓器處理輸入信號(hào)?？刂谱儔浩髟谕庥^與構(gòu)造上與同步器相似，但接線方式不同。其三組定子繞組接收輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)子繞組則輸出誤差信號(hào)。若同步發(fā)射器與控制變壓器的轉(zhuǎn)子角度一致，信號(hào)相互抵消，誤差輸出為零。但兩者軸角偏差增大時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組將產(chǎn)生誤差信號(hào)，其相位表征偏差方向。

下一關(guān)鍵組件是電機(jī)/測(cè)速儀——航電伺服回路中常用的特種電機(jī)。該電機(jī)結(jié)構(gòu)較常規(guī)電機(jī)更為復(fù)雜：其主驅(qū)動(dòng)采用115伏、400赫茲交流電，但僅憑此無(wú)法啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)另設(shè)兩路低壓交流控制繞組，通過(guò)激勵(lì)不同控制繞組可實(shí)現(xiàn)正/反轉(zhuǎn)控制。

電機(jī)/測(cè)速儀單元還集成測(cè)速儀用于轉(zhuǎn)速測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)反饋回路。測(cè)速儀由另一組115伏交流繞組驅(qū)動(dòng)，生成與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的低壓交流信號(hào)。

與姿態(tài)指示儀內(nèi)電機(jī)/測(cè)速儀類似（但非同一型號(hào)）的組件 上圖展示了移除轉(zhuǎn)子后的電機(jī)/測(cè)速儀組件。由于含有多組繞組，該組件引出大量線纜。其轉(zhuǎn)子由兩個(gè)鼓形部件構(gòu)成：左側(cè)帶有螺旋紋的鼓體為電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，采用"鼠籠式轉(zhuǎn)子"設(shè)計(jì)——通過(guò)感應(yīng)電流實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)子無(wú)直接電氣連接，鼓體通過(guò)磁場(chǎng)與繞組相互作用）；右側(cè)鼓體為測(cè)速儀轉(zhuǎn)子，通過(guò)渦流效應(yīng)在輸出繞組中生成與轉(zhuǎn)速成正比的信號(hào)。測(cè)速儀信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻（400Hz），相位隨旋轉(zhuǎn)方向變化呈現(xiàn)同相或180度反相狀態(tài)。（關(guān)于此類電機(jī)/發(fā)電機(jī)工作原理的詳細(xì)解析，可參閱我的拆解報(bào)告。） 放大器組件 該電機(jī)系統(tǒng)由放大器組件驅(qū)動(dòng)，該組件內(nèi)含三個(gè)獨(dú)立誤差放大器，分別對(duì)應(yīng)三軸控制。為使指示儀正常工作，我們需對(duì)此放大器組件進(jìn)行逆向工程。該組件安裝于姿態(tài)指示儀背部，通過(guò)圓形接口與之連接。需注意放大器組件左下角的切口設(shè)計(jì)，其功能是為背部第二個(gè)接口提供操作空間。飛行器通過(guò)該第二接口連接指示儀，而指示儀則經(jīng)由圖示接口將輸入信號(hào)傳輸至放大器組件。

放大器裝配圖 該放大器組件包含三塊放大器板（對(duì)應(yīng)橫滾、俯仰與方位軸）、一塊直流電源板、一臺(tái)交流變壓器及一個(gè)微調(diào)電位器。照片如下所示，放大器組件安裝于儀表背部。左側(cè)交流變壓器生成電機(jī)控制電壓并為垂直安裝在右側(cè)的直流電源板供電。組件內(nèi)設(shè)三塊結(jié)構(gòu)相同的放大器板；中間板已拆卸以展示內(nèi)部元件。放大器通過(guò)變壓器下方的圓形接口連接至儀表。左上角圓形接口屬于儀表殼體（非放大器組件），用于飛行器與儀表間的信號(hào)傳輸。

放大器組件背部安裝詳圖。左上角接口接入測(cè)試信號(hào)

如圖所示，放大器組件安裝于儀表背部，我們通過(guò)左上角接口注入測(cè)試信號(hào)。

下圖展示了三塊放大器板中的一塊。其構(gòu)造頗為獨(dú)特：部分元件采用層疊安裝以節(jié)省空間，部分元件引腳較長(zhǎng)并套有透明塑料護(hù)套。該電路板通過(guò)左側(cè)可見(jiàn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)線束與放大器組件其他部分連接。中央圓形脈沖變壓器引出五根彩色線纜，右側(cè)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制繞組的兩枚晶體管，二者之間配有兩枚電容。晶體管安裝于散熱片上，散熱片通過(guò)螺釘固定于放大器組件外殼以實(shí)現(xiàn)散熱。整塊電路板覆蓋防護(hù)涂層，防止受潮或污染。

三塊放大器板之一 每塊放大器板的核心功能是依據(jù)輸入誤差信號(hào)生成兩路控制信號(hào)，使電機(jī)按正確方向旋轉(zhuǎn)。放大器同時(shí)利用電機(jī)單元的測(cè)速輸出信號(hào)，在誤差減小時(shí)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，防止過(guò)沖現(xiàn)象。放大器輸入為400Hz交流信號(hào)，其相位表征誤差正負(fù)；輸出則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩路控制繞組，決定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。

下方為放大器板原理圖。左側(cè)兩枚晶體管對(duì)誤差信號(hào)與測(cè)速信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器工作。脈沖變壓器輸出相位相反的信號(hào)，分別在400Hz交流周期的正負(fù)半周觸發(fā)輸出晶體管。當(dāng)某晶體管處于正確相位時(shí)導(dǎo)通，將電機(jī)控制交流信號(hào)接地，另一晶體管則處于截止?fàn)顟B(tài)。由此，特定控制繞組將在對(duì)應(yīng)半周被激活，驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。

三塊放大器板之一的原理圖。（點(diǎn)擊查看大圖。） 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該姿態(tài)指示儀存在兩種版本，其放大器設(shè)計(jì)互不兼容。我認(rèn)為新型號(hào)指示儀的電機(jī)采用單控制繞組而非雙繞組設(shè)計(jì)。所幸兩種版本的連接器采用差異化鍵位設(shè)計(jì)，可物理性防止誤接放大器。第二種放大器（下圖所示）外觀稍顯現(xiàn)代（1980年代風(fēng)格），采用雙面電路板設(shè)計(jì)，并以更多分立元件取代了脈沖變壓器。

第二塊放大器板 俯仰配平電路 該姿態(tài)指示儀右下角設(shè)有俯仰配平旋鈕（但本機(jī)缺失該部件）。俯仰配平調(diào)節(jié)機(jī)制設(shè)計(jì)頗為復(fù)雜：在平飛狀態(tài)下，飛行器可能需要略微抬高或壓低機(jī)頭以維持最佳攻角。飛行員期望姿態(tài)指示儀顯示水平飛行狀態(tài)（即便機(jī)體存在微幅俯仰角），此時(shí)可通過(guò)俯仰配平旋鈕進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)執(zhí)行90度垂直爬升等極端機(jī)動(dòng)時(shí)，指示儀需如實(shí)反映實(shí)際姿態(tài)，此時(shí)應(yīng)忽略配平調(diào)整量。 經(jīng)查證1957年專利文件，其解決方案為：當(dāng)飛行器偏離水平飛行時(shí)，配平調(diào)整量將"淡出"。此功能通過(guò)俯仰角控制的多區(qū)段電位器實(shí)現(xiàn)。 下方原理圖展示了配平信號(hào)生成機(jī)制：特殊俯仰角電位器與飛行員配平調(diào)節(jié)協(xié)同工作。與多數(shù)信號(hào)類似，俯仰配平信號(hào)采用400Hz交流制式，相位表征正負(fù)極性。暫不考慮俯仰角變量時(shí)，變壓器輸入端將接收交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其分繞組結(jié)構(gòu)將生成正/負(fù)相位信號(hào)。飛行員調(diào)節(jié)配平電位器時(shí)，可使配平信號(hào)在正→零→負(fù)區(qū)間連續(xù)變化，從而對(duì)指示儀施加所需修正量。

基于專利的俯仰配平電路示意圖。 如圖所示，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的俯仰角電位器由交替分布的電阻段與導(dǎo)電段構(gòu)成，兩側(cè)分別輸入反相交流信號(hào)。（注：+AC與-AC表征相位關(guān)系，非電壓極性。）由于各電阻段阻值相等，在電位器頂端與底端區(qū)域交流信號(hào)相互抵消，輸出電壓為零。：若飛行器大致處于水平狀態(tài)，電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)將拾取正相位交流信號(hào)，經(jīng)變壓器傳輸形成前文所述的配平修正量。當(dāng)飛行器接近垂直爬升時(shí)，滑動(dòng)觸點(diǎn)進(jìn)入零電壓區(qū)域，配平調(diào)整功能自動(dòng)失效。在中間角度范圍內(nèi)，電位器阻值變化使配平信號(hào)平滑衰減。若飛行器以陡峭角度俯沖，滑動(dòng)觸點(diǎn)移至底端零電壓區(qū)，同樣禁用配平修正。當(dāng)飛行器倒飛時(shí)，滑動(dòng)觸點(diǎn)捕獲負(fù)相位交流信號(hào)，配平修正量將反向施加。

結(jié)論

姿態(tài)指示儀作為飛行器的核心儀表，在低能見(jiàn)度飛行時(shí)尤為重要。F-4 的指示儀突破常規(guī)飛行器人工地平儀的雙軸顯示框架，通過(guò)第三軸實(shí)時(shí)反饋航向信息。盡管三軸支持極大提升了儀表的復(fù)雜度，但拆解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)即可揭示球體實(shí)現(xiàn)全向旋轉(zhuǎn)時(shí)仍保持機(jī)械連接的奧秘。 現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)已摒棄復(fù)雜的機(jī)電式儀表系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而采用"玻璃化座艙"設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)字屏幕集成飛行數(shù)據(jù)。例如F-35駕駛艙以全景觸摸屏取代傳統(tǒng)儀表，彩色界面動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)多維信息。然而，即便機(jī)械式儀表存在實(shí)用性局限，其精密的機(jī)械互動(dòng)仍彰顯獨(dú)特的工業(yè)美學(xué)價(jià)值。

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