“轉載一篇非常有意思的文章，Ken Shirriff 大佬逆向工程了 F-4 戰斗機的三軸姿態指示儀。”

我們最近獲得了一臺 F-4 戰斗機使用的姿態指示儀，這種儀器通過旋轉球體顯示飛行器的姿態與航向。常規飛行器的人工地平儀僅顯示雙軸姿態（俯仰與橫滾），但 F-4 的指示儀通過旋轉球體實現了三軸姿態顯示，額外增加了方位角（偏航）維度。令我困惑的是：這個球體如何能在三軸上自由旋轉？它既要實現全向轉動，又要保持與儀表的機械連接，這究竟是如何實現的？

姿態指示儀。字母“W”構成一個風格化的飛行器圖案，在此例中表示飛行器正處于輕微爬升狀態。照片來自CuriousMarc。

我們拆解了該指示儀，對其1960年代的電路進行了逆向工程，修復了若干故障，并成功使其恢復旋轉。下方視頻片段展示了指示儀圍繞三軸旋轉的工作狀態。本文將詳細解析該指示儀的機械構造與電氣系統。（簡而言之：球體實際上是由兩個空心半球殼體通過"極點"與內部機構連接；殼體旋轉時，"赤道"環帶保持靜止。）

F-4 戰斗機

該指示儀用于F-4"鬼怪II"戰斗機，使飛行員在高速機動中能持續掌握飛行姿態。F-4作為超音速戰斗機于1958年至1981年間生產，總產量逾5000架，成為美國歷史上量產最多的超音速戰機。越戰期間，它作為美軍主力艦載戰斗機參戰。直至1990年代海灣戰爭，F-4仍以"野鼬"角色執行防空壓制任務。該機型具備核炸彈搭載能力。

F-4G"鬼怪II"野鼬電子戰飛機。圖片來源：美國國家檔案館

F-4為雙座型戰機，后座雷達攔截官負責操控雷達與武器系統。前后座艙均配備儀表密集的主操作面板，側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——略低于泛紅的雷達顯示屏下方——安裝有三軸姿態指示儀，彰顯其重要地位。（后艙則配備結構較為簡單的雙軸姿態指示儀。）

F-4C“鬼怪”II戰斗機的駕駛艙，姿態指示器位于面板中央。點擊此照片（或其他照片）可查看大圖。照片來自美國空軍國家博物館。

姿態指示儀機械結構

指示儀內部球體通過三軸顯示飛行器姿態。橫滾軸表征飛行器沿飛行軸線左右側傾的角度；俯仰軸表征飛行器上仰或下俯的角度；方位軸則通過飛行器左轉或右轉（偏航）顯示航向羅盤方位。該指示儀還配有活動指針與狀態標志，但本文重點解析旋轉球體結構。

指示儀采用三臺電機驅動球體運動。橫滾電機（下圖）固定于儀表框架，而俯仰電機與方位電機則內置于球體內部。球體由橫滾框架固定，該框架通過頂部與底部的樞軸點連接球體機構。橫滾電機驅動橫滾框架及球體進行順時針/逆時針運動，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，這些線纜與球體內部機構相連。

拆解外殼后的姿態指示儀

下圖展示了移除球體半球殼體后的內部機械結構。當橫滾框架轉動時，此機構隨之同步旋轉。俯仰電機驅動整個機構繞俯仰軸（圖示為水平方向）轉動，該軸沿"赤道"環帶固定。方位電機與控制變壓器位于俯仰組件后方，本圖未予展示。方位電機驅動垂直軸轉動，球體的兩個空心半球殼體分別連接于該軸頂部與底部。由此，方位電機驅動球殼繞方位軸旋轉時，機構本身保持靜止狀態。

球體機構組件

球體旋轉時線纜為何不會纏繞？解決方案是采用兩組滑環實現電氣連接。下圖展示了第一組滑環組件，其負責處理橫滾軸旋轉的電氣連接。該滑環組件將儀表的固定部分與旋轉的橫滾框架相連。黑色底座與垂直導線固定于儀表本體，中部條紋狀軸體則隨球體組件外殼同步旋轉。軸體內部導線從環形金屬觸點延伸至橫滾框架。

球體內部的第二組滑環組件

球體內部第二組滑環負責橫滾框架線纜與球體機構間的電氣連接。下圖展示了連接至這些滑環的線纜（滑環本體位于內部不可見），其負責處理俯仰軸（本圖中為水平方向）的旋轉電氣連接。組件外伸的軸體繞方位（偏航）軸旋轉，球體半球殼體固定于金屬圓盤之上。由于方位軸僅驅動球殼旋轉而電子部件保持靜止，故無需額外滑環裝置。

第二組滑環的連接

伺服回路

本節將闡釋電機如何通過伺服回路實現控制。該姿態指示儀由外部陀螺儀驅動，接收表征橫滾、俯仰與方位角位置的電氣信號。遵循1960年代航電系統慣例，這些信號通過同步器傳輸——其利用三線制傳輸角度信息。姿態指示儀內部電機持續旋轉，直至三軸角度與輸入信號匹配。

每個電機均由如下圖所示伺服回路控制。目標是將輸出軸旋轉至與輸入角完全匹配的位置，輸入角由三線同步信號定義。核心裝置為控制變壓器，其接收三線輸入角信號與物理軸旋轉量，生成表征目標角度與實際角度偏差的誤差信號。放大器驅動電機沿正確方向旋轉，直至誤差信號歸零。為提升伺服回路動態響應，測速儀信號作為負反饋電壓輸入。此設計確保系統趨近目標位置時電機減速，從而避免過沖與振蕩現象。（其原理近似于現代PID控制器。）

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

同步發射器

同步發射器內部設有可旋轉的轉子繞組，由400Hz交流電驅動。三組固定的定子繞組產生三路交流輸出信號。當輸入軸旋轉時，輸出信號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用于船舶與航空器。）

同步發射器/接收器的原理圖符號

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

下一關鍵組件是電機/測速儀——航電伺服回路中常用的特種電機。該電機結構較常規電機更為復雜：其主驅動采用115伏、400赫茲交流電，但僅憑此無法啟動運轉。電機另設兩路低壓交流控制繞組，通過激勵不同控制繞組可實現正/反轉控制。

電機/測速儀單元還集成測速儀用于轉速測量，以實現反饋回路。測速儀由另一組115伏交流繞組驅動，生成與電機轉速成正比的低壓交流信號。

與姿態指示儀內電機/測速儀類似（但非同一型號）的組件 上圖展示了移除轉子后的電機/測速儀組件。由于含有多組繞組，該組件引出大量線纜。其轉子由兩個鼓形部件構成：左側帶有螺旋紋的鼓體為電機驅動單元，采用"鼠籠式轉子"設計——通過感應電流實現旋轉（轉子無直接電氣連接，鼓體通過磁場與繞組相互作用）；右側鼓體為測速儀轉子，通過渦流效應在輸出繞組中生成與轉速成正比的信號。測速儀信號與驅動信號同頻（400Hz），相位隨旋轉方向變化呈現同相或180度反相狀態。（關于此類電機/發電機工作原理的詳細解析，可參閱我的拆解報告。） 放大器組件 該電機系統由放大器組件驅動，該組件內含三個獨立誤差放大器，分別對應三軸控制。為使指示儀正常工作，我們需對此放大器組件進行逆向工程。該組件安裝于姿態指示儀背部，通過圓形接口與之連接。需注意放大器組件左下角的切口設計，其功能是為背部第二個接口提供操作空間。飛行器通過該第二接口連接指示儀，而指示儀則經由圖示接口將輸入信號傳輸至放大器組件。

放大器裝配圖 該放大器組件包含三塊放大器板（對應橫滾、俯仰與方位軸）、一塊直流電源板、一臺交流變壓器及一個微調電位器。照片如下所示，放大器組件安裝于儀表背部。左側交流變壓器生成電機控制電壓并為垂直安裝在右側的直流電源板供電。組件內設三塊結構相同的放大器板；中間板已拆卸以展示內部元件。放大器通過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傳輸。

放大器組件背部安裝詳圖。左上角接口接入測試信號

如圖所示，放大器組件安裝于儀表背部，我們通過左上角接口注入測試信號。

下圖展示了三塊放大器板中的一塊。其構造頗為獨特：部分元件采用層疊安裝以節省空間，部分元件引腳較長并套有透明塑料護套。該電路板通過左側可見的點對點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，右側為驅動電機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，散熱片通過螺釘固定于放大器組件外殼以實現散熱。整塊電路板覆蓋防護涂層，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輸入誤差信號生成兩路控制信號，使電機按正確方向旋轉。放大器同時利用電機單元的測速輸出信號，在誤差減小時降低電機轉速，防止過沖現象。放大器輸入為400Hz交流信號，其相位表征誤差正負；輸出則驅動電機的兩路控制繞組，決定電機旋轉方向。

下方為放大器板原理圖。左側兩枚晶體管對誤差信號與測速信號進行放大，驅動脈沖變壓器工作。脈沖變壓器輸出相位相反的信號，分別在400Hz交流周期的正負半周觸發輸出晶體管。當某晶體管處于正確相位時導通，將電機控制交流信號接地，另一晶體管則處于截止狀態。由此，特定控制繞組將在對應半周被激活，驅動電機沿目標方向旋轉。

三塊放大器板之一的原理圖。（點擊查看大圖。） 經研究發現，該姿態指示儀存在兩種版本，其放大器設計互不兼容。我認為新型號指示儀的電機采用單控制繞組而非雙繞組設計。所幸兩種版本的連接器采用差異化鍵位設計，可物理性防止誤接放大器。第二種放大器（下圖所示）外觀稍顯現代（1980年代風格），采用雙面電路板設計，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 該姿態指示儀右下角設有俯仰配平旋鈕（但本機缺失該部件）。俯仰配平調節機制設計頗為復雜：在平飛狀態下，飛行器可能需要略微抬高或壓低機頭以維持最佳攻角。飛行員期望姿態指示儀顯示水平飛行狀態（即便機體存在微幅俯仰角），此時可通過俯仰配平旋鈕進行校準。然而，當戰斗機執行90度垂直爬升等極端機動時，指示儀需如實反映實際姿態，此時應忽略配平調整量。 經查證1957年專利文件，其解決方案為：當飛行器偏離水平飛行時，配平調整量將"淡出"。此功能通過俯仰角控制的多區段電位器實現。 下方原理圖展示了配平信號生成機制：特殊俯仰角電位器與飛行員配平調節協同工作。與多數信號類似，俯仰配平信號采用400Hz交流制式，相位表征正負極性。暫不考慮俯仰角變量時，變壓器輸入端將接收交流驅動信號。其分繞組結構將生成正/負相位信號。飛行員調節配平電位器時，可使配平信號在正→零→負區間連續變化，從而對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，復雜結構的俯仰角電位器由交替分布的電阻段與導電段構成，兩側分別輸入反相交流信號。（注：+AC與-AC表征相位關系，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域交流信號相互抵消，輸出電壓為零。：若飛行器大致處于水平狀態，電位器滑動觸點將拾取正相位交流信號，經變壓器傳輸形成前文所述的配平修正量。當飛行器接近垂直爬升時，滑動觸點進入零電壓區域，配平調整功能自動失效。在中間角度范圍內，電位器阻值變化使配平信號平滑衰減。若飛行器以陡峭角度俯沖，滑動觸點移至底端零電壓區，同樣禁用配平修正。當飛行器倒飛時，滑動觸點捕獲負相位交流信號，配平修正量將反向施加。

結論

姿態指示儀作為飛行器的核心儀表，在低能見度飛行時尤為重要。F-4 的指示儀突破常規飛行器人工地平儀的雙軸顯示框架，通過第三軸實時反饋航向信息。盡管三軸支持極大提升了儀表的復雜度，但拆解其內部結構即可揭示球體實現全向旋轉時仍保持機械連接的奧秘。 現代戰機已摒棄復雜的機電式儀表系統，轉而采用"玻璃化座艙"設計，通過數字屏幕集成飛行數據。例如F-35駕駛艙以全景觸摸屏取代傳統儀表，彩色界面動態呈現多維信息。然而，即便機械式儀表存在實用性局限，其精密的機械互動仍彰顯獨特的工業美學價值。

原文轉載自https://www.righto.com/2024/09/f4-attitude-indicator.html，經過翻譯及校對。