液体应急磁罗盘油的选择、灌注量计算及灌注工艺方法.pdf

运行与维护 Running and Maintenance 86 今日制造与升级 2023.6应急磁罗盘是航空飞行器必备的应急仪表，其中轴尖支承结构的应用最为广泛。应急磁罗盘主要工作原理是利用磁场的作用，通过内部的磁针指向地球磁场方向，从而确定飞行器的航向。罗盘油在其中的作用是减小摩擦力和振动干扰，保证磁针稳定指向地球磁场方向。在进行飞机大修时，如发现应急磁罗盘允许误差不满足要求，需分解应急磁罗盘杯体，修理内部零组件，恢复零组件性能后重新灌注罗盘油，密封壳体。1 液体应急磁罗盘基本原理1.1 基本原理液体应急磁罗盘的基本原理与普通应急磁罗盘相似，也是利用磁场的作用来确定飞行器的航向。不同之处在于，液体应急磁罗盘内部填充的是一种特殊的液体，称为罗盘油。该液体在罗盘内部形成一个稳定的磁场环境，使得磁针指向地球磁场方向更加稳定准确。液体应急磁罗盘的基本原理可以概括为以下几点。（1）罗盘油中含有磁性颗粒，这些颗粒会被磁场所影响并跟随磁场旋转。（2）罗盘油中的磁性颗粒会通过流体运动效应，将受到磁场作用的力传递到罗盘指针上。（3）当外界磁场对液体应急磁罗盘产生干扰时，磁性颗粒会受到干扰并发生偏移，通过流体运动效应，罗盘指针会随之改变方向，从而指示出正确的磁北极方向。（4）液体应急磁罗盘具有快速反应、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于航空、海洋、探矿等领域中对方位角度的测量。普通应急磁罗盘中，航空直读式应急磁罗盘中带有磁铁，其与地磁场相互作用，用于指示磁航向。在专门绘制的导航地图中注有各地的磁差修正量，用磁航向度数与磁差代数相加可得飞机的真实航向。受限于地磁场分布规律，磁罗盘不能在高纬度地区使用。由于飞机上钢铁构件和电气设备所形成的磁场干扰影响很大，必需采用补偿的方法以抵消飞机本身的磁场干扰。直读式磁罗盘在早期飞机上得到广泛应用，但因装在磁干扰较大的驾驶舱内，故误差较大。且在飞机作非匀速飞行或转弯时，会产生较大的误差，也不适宜在磁性异常地区和高纬度地区使用。因此近代飞机上远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。由于磁罗盘简单可靠的技术特点，现代飞行器依然采用其作为最后一级应急仪表，广泛装配于各型飞行器中为飞行员提供最基本的航向判断。以某型直读式应急磁罗盘为例，应急磁罗盘大体由杯体组件和罗差修正器组成。磁罗盘杯体组件内带有刻度盘组件、轴承座、红宝石轴承、弹簧、定位螺杆、上隔板、下隔板和堵塞。用于提供航向标线，支承刻度盘组件，使刻度盘实现其指示磁航向的性能。其中刻度盘组件包括刻度盘、轴尖、轴尖座、磁铁、固定片，用于实现磁罗盘指示航向的性能。另外，为了初始装配时保证刻度盘组件对磁航向的精确对准，在杯体组件上装有罗差修正器，可人工补偿磁场，以消除在装配过程中产生的误差。磁罗盘杯体组件的构成，如图1所示。1.2 功能分析磁罗盘总体功能为显示磁航向，通过杯体上的航向标线相对于方位刻线的读数来实现。1.2.1 刻度盘组件刻度盘组件的刻度盘上带有指示刻度，内部安装有一摘要液体应急磁罗盘是航空飞行器必备应急仪表，文章介绍液体磁罗盘大修中罗盘油灌注方法，操作简单易行，可有效完成飞机大修时应急磁罗盘内部零件修复后罗盘油的灌注。关键词应急磁罗盘；罗盘油；灌注中图分类号V241.6 文献标志码A液体应急磁罗盘油的选择、灌注量 计算及灌注工艺方法党艳慧，李根福，秦素文（大连长丰实业总公司，辽宁大连116000）运行与维护 Running and Maintenance 2023.6 今日制造与升级 87对磁铁，磁铁南极对应刻度盘的 n 字母，磁铁与地磁场相互作用，产生驱动刻度盘组件回转的力。刻度盘内带有轴尖，与宝石轴承接触承载，一起构成下摆式结构，即刻度盘组件的重心低于轴尖剪短，故带有磁铁的刻度盘组件能保持平衡并自由旋转。刻度盘组件悬浮在罗盘油中，罗盘油用来衰减刻度盘组件由于振动和冲击产生的剧烈摆动，并减小轴尖与轴承间的摩擦。为避免机载设备随飞机在空中做各项机动动作时，因倾覆脱出卡死，故要在倾覆时进行限位。刻度盘向上运动的基线为下隔板对应的平面，向下运动极限为轴承座（刻度盘向下的行程应小于弹簧的压缩行程）。刻度盘与侧壁之间的间距要满足刻度盘的摆动极限。刻度盘在杯体中可自由转动，倾斜后不与杯体侧壁发生干涉，当发生振动后刻度盘可以自行回到原位置与宝石轴承相配合。1.2.2 杯体固定定位螺杆以联接轴承座，盛满罗盘油，通过杯体视窗刻线读出磁罗盘示数，放置上、下隔板并保证下隔板与刻度盘的距离，磁罗盘不会与杯体侧壁相干涉。下端滑槽处连接灯罩并且对灯罩组件起到限位作用。上端连接罗差修整器。杯体中的罗盘油为刻度盘的运动提供一个稳定的环境，衰减刻度盘由于振动和冲击产生的剧烈摆动，并产生浮力以减少轴尖与轴承座间的摩擦。杯体组件中由上、下隔板组成气室，用来补偿环境温度变化时浮液体积变化。1.2.3 下隔板限制刻度盘的上自由度，下隔板在用胶与杯体粘接时不可有缝隙。1.2.4 上隔板密封磁罗盘，提供注油孔，上隔板在用胶与杯体粘接时不可有缝隙。1.2.5 堵塞将罗盘油注入杯体后将上隔板的注油孔封住。为了保障罗盘油不渗漏，将注油口留在杯体上方，这样能达到最佳密封效果。1.3 常见故障经对50余次故障的直读式应急磁罗盘进行统计，其中50次故障件，即在设备、机器或系统中出现故障或损坏的部件，均无法通过调整罗差修整器使罗盘允许误差满足技术要求。故障模式主要有：磁条磁感应强度下降，不满足技术要求；宝石轴承工作面粗糙度不满足技术要求，或宝石轴承碎裂；轴尖尖端球面变形，工作面摩擦力增大；长期使用后内部罗盘油变质；长期使用后杯体组件透明度下降或刻度盘读数模糊。宝石轴承损坏、刻度盘读数模糊、轴尖变形、磁条性能下降均需通过更换新轴尖组件或新宝石轴承实现。更换轴尖组件后需新的轴尖支承组合（刻度盘组件-宝石轴承）调整静平衡以保证产品工作性能。各零组件完成修复后需重新灌注罗盘油保证内部零件正常工作。2 液体应急磁罗盘罗差校正液体应急磁罗盘的罗差校正工作，简单来说是通过第三方手段对飞机无线电方位信息进行测量或设定，作为机载液体应急磁罗盘的对照标准，设置飞机感受0、45，315等特定位置的无线电方位信号，通过与标准方位进行比较获得各个位置的罗差，从而可以对罗盘进行校正并对校正后的结果进行验证，直至罗差符合设计指标要求。下面介绍飞机无线电信息测量或设定的方法。2.1 基于比较的无线电方位信息测量方法某一场地内已知一条无线电方位信息的参考线，通过测量手段获得飞机纵轴与参考线的相对角度信息，通过换算得到飞机的无线电方位信息，作为液体应急磁罗盘校正的对照标准。一般来说，在机场跑道上进行液体应急磁罗盘校正工作，导航台作为液体应急磁罗盘的信号源，布置在跑道中心线的延长线上，机场跑道中心线（指向导航台）无线电方位信息为0。通过方位标记法、观测罗盘法等方式测得飞机航向与跑道中心线的夹角，从而获得飞机的无线电方位信息；牵引飞机在跑道上绕行一圈，即可完成无线电方位信息0 360的定量测量与给定，从而完成罗差校正与复验工作。飞机绕圈运动当飞机纵轴与跑道中心线重合或者平行时，此时飞机的无线电方向为0。根据液体应急磁罗盘的工作原理可知，0位置应指向导航台方向，与理论方位存在系统误差。红宝石轴承定位螺杆弹簧磁铁堵塞轴尖杯体固定片轴承座上隔板下隔板刻度盘轴尖座罗盘油图1 磁罗盘杯体组件示意运行与维护 Running and Maintenance 88 今日制造与升级 2023.6（1）式中，R为绕圈半径，L为场地中心距导航台距离。由式（1）可知，绕圈半径越大，越大；L越大，越小，若要忽略运动半径造成的误差，导航台应该位于场地中心位置，即距离飞机和跑道中心线相等。2.2 基于坐标运算的无线电方位信息测量方法西飞公司提出一种罗盘校准方法（公告号：Cn102305624B），该方法用于飞机磁罗盘校准时飞机磁方位角的测量，作为飞机磁罗盘的校准基准。以校准场地地面的地理磁北为测量基准线建立测量磁坐标系，通过计算飞机纵轴在磁坐标系内与测量基准线的相对位置，从而获得飞机的磁方位角。借鉴该方法，假设校准场地内测量基准线的无线电方位角已知，利用该方法即可计算出飞机的无线电方位角，作为机载液体应急磁罗盘的校准基准，校准示意图见图2。地面固定目标建筑物参照物地面固定目标到飞机距离1000米 飞机停机方向铅垂线罗盘场电子经纬仪地球磁北方向N图2 基于坐标运算的液体应急磁罗盘校正示意图利用 gPs 测量设备提前测定导航台坐标、校正场地内2个以上参考点坐标。根据已知点进行全站仪设站，使2台全站仪与 gPs 为同一坐标系。2台全站仪分别跟踪测量飞机纵轴上2点坐标，根据无线电方位角定义，通过坐标计算获得的水平夹角，即为飞机的无线电方位角。该方法需提前测定导航台坐标信息，理论上可不上机场跑道完成液体应急磁罗盘校正工作，且飞机绕圈的运动半径对无线电方位角计算结果没有影响。结合某型飞机研制，在西飞厂区内部对该方法进行验证，校正后复验时多个位置超差且没有规律，无法消除罗差；重新进入机场跑道进行罗盘校正时，校正后的罗差能够满足设计指标要求。对比分析，造成罗差超差的原因可能为导航台与场地连线路径上的存在建筑物等障碍，造成电波传播方向改变引起误差。外场进行液体应急磁罗盘校正时一般采用机场导航台作为信号源；而采用机场导航台作为信号源时，为了避免电波传播方向改变造成校正结果超差，必须在跑道上完成液体应急磁罗盘校正工作。2.3 基于“行波线”的无线电方位信息测量方法液体应急磁罗盘出厂验收均采用“行波线”方式模拟无线电方位信号，此技术采用屏蔽室建立标准的行波场的方式，通过无线方式测定液体应急磁罗盘系统（含天线）的灵敏度、定向准确度等指标。实现机理为建立标准屏蔽室，在辐射天线连接标准信号源的情况下，通过终端电阻匹配方式，将感应的天线配置为行波线，从而为被测液体应急磁罗盘系统模拟出无线电方位信号。3 罗盘油选择目前常用罗盘油分别为1#罗盘油和4120传感器用油，2种油品性能对比见表1。表1 1#罗盘油和4120传感器用油性能对比油品供货方执行标准技术参数运动黏度酸值mg（KOM）/100mL凝点（）腐蚀比重1#罗盘油中国石油克拉玛依石化公司，抚顺市中展石化有限公司Q_2001 ZJHL 00220201.2（mm2/s）（20）0.3-60合格SH/T 01957844120传感器用油中国石化集团重庆一坪高级润滑油公司（现长城润滑油）Q/SH 303 169201020402240（mm2/s）（20），18701950（mm2/s）（25）0.05-65合格SH/T 01958501#罗盘油运动黏度在20时明显小于4120传感器用油，且1#罗盘油容易采购获得，更适用于液体应急磁罗盘的深修精修，4120传感器用油可作为备选方案。4 罗盘油灌注量计算根据查询资料所知，液体磁罗盘正常使用环境为飞机座舱，应在-50 70范围能够正常使用，故罗盘油所处环境温度也应为-50 70。液 体 在 不 同 温 度 时 体 积 不 同，液 体 膨 胀 方 程：VT=Vt1+（T-t）。其中，Vt为液体在 t时的体积，为液体在 t的膨胀系数，VT为液体在 T时的体积。假设应急磁罗盘杯体装配时灌注的罗盘油体积为 Vt，根据液体膨胀方程70时可膨胀灌注罗盘油的体积可膨胀为：Vt1+（70-t）。考虑高温时密封的应急磁罗盘杯体内液体膨胀对杯体产生较大压强可能会导致杯体密封性下降而产生罗盘油渗漏，故在磁罗盘杯体上部必须留有一部分气体，以补偿温运行与维护 Running and Maintenance 2023.6 今日制造与升级 89度升高时液体膨胀体积变化（因气体分子间距比液体大，故可补偿一部分体积，控制杯体组件内部压力在合理范围内变化）。起补偿作用的气体在浮力作用下储存在杯体组件上隔板与下隔板之间，形成气泡，并可在应急磁罗盘旋转和摆动时自由移动。预留起温度补偿作用的气泡，在倾斜20时，从观察窗不应看见气泡。实际测量方法为将应急磁罗盘安装在专用转台上，倾斜20，以36/s 的角速度旋转时，从观察窗不应观察到气泡。根据某型应急磁罗盘实际尺寸和观察窗位置测量计算可得，气泡大小为0.2mm3即可满足观察窗中观察不到气泡的要求。应急磁罗盘杯体装配时灌注的罗盘油体积为 Vt，根据液体膨胀方程70时可膨胀灌注罗盘油的体积可膨胀为Vt1+（70-t），且上方需留有0.2mm3的气泡，综合考虑补偿气泡大小和液体膨胀体积，因膨胀体积与灌注体积比较小，可以忽略其对灌注量的影响。因此，在实际操作中，可以按照灌注罗盘油的体积为 Vt0.98进行灌注，以保证气泡大小和液体膨胀体积的合理补偿。5 罗盘油灌注工艺方法为简化操作过程，杯体组件组装好后罗盘油灌注操作过程如下。（1）在应急磁罗盘各零组件修复完成后先将宝石轴承固定在轴承座中。（2）用镊子轻轻地将轴尖组件放置在宝石轴上，使轴尖处于宝石轴承窝中，注意不要使轴尖组件或轴承磨损或变形。（3）将下隔板放置在杯体的第二级台面上，用乐泰495将下隔板边缘与杯体组件粘接牢固，放置于阴凉通风处0.5h 以上。（4）将上隔板放置在杯体的第一级台面上，用乐泰495将下隔板边缘与杯体组件粘接牢固，放置于阴凉通风处0.5h 以上。（5）通过上隔板中央的注油孔向杯体组件内部注满1#罗盘油，并记录注油体积 Vt。（6）用注射器通过注油孔吸出 V=0.2+Vt（70-t）罗盘油。（7）用堵塞堵住注油孔并用乐泰495粘接牢固，放置于阴凉通风处0.5h 以上。（8）在大气压力为（101.32 2.49）kPa、温度为（-55 70）的条件下，检查杯体组件是否密封良好。6 结束语液体应急磁罗盘在航空领域具有重要的应用价值，对于保障飞机的安全和准确导航至关重要。文章介绍了液体应急磁罗盘的基本原理、各结构功能分析和常见故障，并详细介绍了三种液体应急磁罗盘罗差校正方法、罗盘油选择、灌注量计算和灌注工艺方法等内容。通过深入了解液体应急磁罗盘的相关知识和技术特点，可以更好地提高其工作效率和精度，为航空导航设备的发展和应用提供参考依据。参考文献1 朱新宇，胡焱，沈家庆，等.民航飞机电子电气系统M.成都：西南交通大学出版社，2016.2 张勇，谢宏，李寒，等.一种电子磁罗盘的动态修正方法：Cn106403919BP.2018-12-11.3 闻秋香，罗向前，孙君道.磁罗盘工程校准方法研究J.科学技术与工程，2011，11（28）：6936-6939.4 王蓉，杨新国，王蒋峰，等.实物仿真试验遥测信号异常频率问题分析J.制导与引信，2016，37（4）：44-47，57.5 薛卫欣.某型飞机航向判读性能改进研究J.技术与市场，2017，24（12）：223.6 章拔邦，郭星灿，张宏志.飞机综合应急仪表系统设计J.信息记录材料，2016，17（3）：21-23.7 李汉滨.利用gPs和救生艇磁罗盘的应急航行J.中国航海，1996（1）：89-90.作者简介党艳慧（1990），女，辽宁抚顺人，本科，工程师，主要从事航空机载设备修理技术工作。