“转载一篇非常有意思的文章，Ken Shirriff 大佬逆向工程了 F-4 战斗机的三轴姿态指示仪。” 我们最近获得了一台 F-4 战斗机使用的姿态指示仪，这种仪器通过旋转球体显示飞行器的姿态与航向。常规飞行器的人工地平仪仅显示双轴姿态（俯仰与横滚），但 F-4 的指示仪通过旋转球体实现了三轴姿态显示，额外增加了方位角（偏航）维度。令我困惑的是：这个球体如何能在三轴上自由旋转？它既要实现全向转动，又要保持与仪表的机械连接，这究竟是如何实现的？
姿态指示仪。字母“W”构成一个风格化的飞行器图案，在此例中表示飞行器正处于轻微爬升状态。照片来自CuriousMarc。 我们拆解了该指示仪，对其1960年代的电路进行了逆向工程，修复了若干故障，并成功使其恢复旋转。下方视频片段展示了指示仪围绕三轴旋转的工作状态。本文将详细解析该指示仪的机械构造与电气系统。（简而言之：球体实际上是由两个空心半球壳体通过"极点"与内部机构连接；壳体旋转时，"赤道"环带保持静止。） F-4 战斗机 该指示仪用于F-4"鬼怪II"战斗机，使飞行员在高速机动中能持续掌握飞行姿态。F-4作为超音速战斗机于1958年至1981年间生产，总产量逾5000架，成为美国历史上量产最多的超音速战机。越战期间，它作为美军主力舰载战斗机参战。直至1990年代海湾战争，F-4仍以"野鼬"角色执行防空压制任务。该机型具备核炸弹搭载能力。
F-4G"鬼怪II"野鼬电子战飞机。图片来源：美国国家档案馆
F-4C“鬼怪”II战斗机的驾驶舱，姿态指示器位于面板中央。点击此照片（或其他照片）可查看大图。照片来自美国空军国家博物馆。 姿态指示仪机械结构 指示仪内部球体通过三轴显示飞行器姿态。横滚轴表征飞行器沿飞行轴线左右侧倾的角度；俯仰轴表征飞行器上仰或下俯的角度；方位轴则通过飞行器左转或右转（偏航）显示航向罗盘方位。该指示仪还配有活动指针与状态标志，但本文重点解析旋转球体结构。 指示仪采用三台电机驱动球体运动。横滚电机（下图）固定于仪表框架，而俯仰电机与方位电机则内置于球体内部。球体由横滚框架固定，该框架通过顶部与底部的枢轴点连接球体机构。横滚电机驱动横滚框架及球体进行顺时针/逆时针运动，横滚控制变压器提供位置反馈。注意横滚框架上密集的线缆，这些线缆与球体内部机构相连。
拆解外壳后的姿态指示仪 下图展示了移除球体半球壳体后的内部机械结构。当横滚框架转动时，此机构随之同步旋转。俯仰电机驱动整个机构绕俯仰轴（图示为水平方向）转动，该轴沿"赤道"环带固定。方位电机与控制变压器位于俯仰组件后方，本图未予展示。方位电机驱动垂直轴转动，球体的两个空心半球壳体分别连接于该轴顶部与底部。由此，方位电机驱动球壳绕方位轴旋转时，机构本身保持静止状态。
球体机构组件 球体旋转时线缆为何不会缠绕？解决方案是采用两组滑环实现电气连接。下图展示了第一组滑环组件，其负责处理横滚轴旋转的电气连接。该滑环组件将仪表的固定部分与旋转的横滚框架相连。黑色底座与垂直导线固定于仪表本体，中部条纹状轴体则随球体组件外壳同步旋转。轴体内部导线从环形金属触点延伸至横滚框架。
球体内部的第二组滑环组件 球体内部第二组滑环负责横滚框架线缆与球体机构间的电气连接。下图展示了连接至这些滑环的线缆（滑环本体位于内部不可见），其负责处理俯仰轴（本图中为水平方向）的旋转电气连接。组件外伸的轴体绕方位（偏航）轴旋转，球体半球壳体固定于金属圆盘之上。由于方位轴仅驱动球壳旋转而电子部件保持静止，故无需额外滑环装置。
第二组滑环的连接 伺服回路 本节将阐释电机如何通过伺服回路实现控制。该姿态指示仪由外部陀螺仪驱动，接收表征横滚、俯仰与方位角位置的电气信号。遵循1960年代航电系统惯例，这些信号通过同步器传输——其利用三线制传输角度信息。姿态指示仪内部电机持续旋转，直至三轴角度与输入信号匹配。 每个电机均由如下图所示伺服回路控制。目标是将输出轴旋转至与输入角完全匹配的位置，输入角由三线同步信号定义。核心装置为控制变压器，其接收三线输入角信号与物理轴旋转量，生成表征目标角度与实际角度偏差的误差信号。放大器驱动电机沿正确方向旋转，直至误差信号归零。为提升伺服回路动态响应，测速仪信号作为负反馈电压输入。此设计确保系统趋近目标位置时电机减速，从而避免过冲与振荡现象。（其原理近似于现代PID控制器。）
伺服回路结构示意图，反馈回路确保输出轴旋转角度与输入角度精确匹配 具体而言，外部陀螺仪单元内置同步发射器：一种将轴体的角位移转换为三线制交流信号的小型装置。下图展示了典型同步器结构，顶端为输入轴，底部引出五根线缆：两根供电线，三根信号输出线。
同步发射器 同步发射器内部设有可旋转的转子绕组，由400Hz交流电驱动。三组固定的定子绕组产生三路交流输出信号。当输入轴旋转时，输出信号的相位与电压随之变化，从而编码角度信息。（同步器看似奇特，但在1950-1960年代，其作为角度信息传输装置广泛应用于船舶与航空器。）
同步发射器/接收器的原理图符号 姿态指示仪采用控制变压器处理输入信号。控制变压器在外观与构造上与同步器相似，但接线方式不同。其三组定子绕组接收输入信号，转子绕组则输出误差信号。若同步发射器与控制变压器的转子角度一致，信号相互抵消，误差输出为零。但两者轴角偏差增大时，转子绕组将产生误差信号，其相位表征偏差方向。 下一关键组件是电机/测速仪——航电伺服回路中常用的特种电机。该电机结构较常规电机更为复杂：其主驱动采用115伏、400赫兹交流电，但仅凭此无法启动运转。电机另设两路低压交流控制绕组，通过激励不同控制绕组可实现正/反转控制。 电机/测速仪单元还集成测速仪用于转速测量，以实现反馈回路。测速仪由另一组115伏交流绕组驱动，生成与电机转速成正比的低压交流信号。
与姿态指示仪内电机/测速仪类似（但非同一型号）的组件 上图展示了移除转子后的电机/测速仪组件。由于含有多组绕组，该组件引出大量线缆。其转子由两个鼓形部件构成：左侧带有螺旋纹的鼓体为电机驱动单元，采用"鼠笼式转子"设计——通过感应电流实现旋转（转子无直接电气连接，鼓体通过磁场与绕组相互作用）；右侧鼓体为测速仪转子，通过涡流效应在输出绕组中生成与转速成正比的信号。测速仪信号与驱动信号同频（400Hz），相位随旋转方向变化呈现同相或180度反相状态。（关于此类电机/发电机工作原理的详细解析，可参阅我的拆解报告。） 放大器组件 该电机系统由放大器组件驱动，该组件内含三个独立误差放大器，分别对应三轴控制。为使指示仪正常工作，我们需对此放大器组件进行逆向工程。该组件安装于姿态指示仪背部，通过圆形接口与之连接。需注意放大器组件左下角的切口设计，其功能是为背部第二个接口提供操作空间。飞行器通过该第二接口连接指示仪，而指示仪则经由图示接口将输入信号传输至放大器组件。
放大器装配图 该放大器组件包含三块放大器板（对应横滚、俯仰与方位轴）、一块直流电源板、一台交流变压器及一个微调电位器。照片如下所示，放大器组件安装于仪表背部。左侧交流变压器生成电机控制电压并为垂直安装在右侧的直流电源板供电。组件内设三块结构相同的放大器板；中间板已拆卸以展示内部元件。放大器通过变压器下方的圆形接口连接至仪表。左上角圆形接口属于仪表壳体（非放大器组件），用于飞行器与仪表间的信号传输。
放大器组件背部安装详图。左上角接口接入测试信号 如图所示，放大器组件安装于仪表背部，我们通过左上角接口注入测试信号。 下图展示了三块放大器板中的一块。其构造颇为独特：部分元件采用层叠安装以节省空间，部分元件引脚较长并套有透明塑料护套。该电路板通过左侧可见的点对点线束与放大器组件其他部分连接。中央圆形脉冲变压器引出五根彩色线缆，右侧为驱动电机控制绕组的两枚晶体管，二者之间配有两枚电容。晶体管安装于散热片上，散热片通过螺钉固定于放大器组件外壳以实现散热。整块电路板覆盖防护涂层，防止受潮或污染。
三块放大器板之一 每块放大器板的核心功能是依据输入误差信号生成两路控制信号，使电机按正确方向旋转。放大器同时利用电机单元的测速输出信号，在误差减小时降低电机转速，防止过冲现象。放大器输入为400Hz交流信号，其相位表征误差正负；输出则驱动电机的两路控制绕组，决定电机旋转方向。 下方为放大器板原理图。左侧两枚晶体管对误差信号与测速信号进行放大，驱动脉冲变压器工作。脉冲变压器输出相位相反的信号，分别在400Hz交流周期的正负半周触发输出晶体管。当某晶体管处于正确相位时导通，将电机控制交流信号接地，另一晶体管则处于截止状态。由此，特定控制绕组将在对应半周被激活，驱动电机沿目标方向旋转。
三块放大器板之一的原理图。（点击查看大图。） 经研究发现，该姿态指示仪存在两种版本，其放大器设计互不兼容。我认为新型号指示仪的电机采用单控制绕组而非双绕组设计。所幸两种版本的连接器采用差异化键位设计，可物理性防止误接放大器。第二种放大器（下图所示）外观稍显现代（1980年代风格），采用双面电路板设计，并以更多分立元件取代了脉冲变压器。
第二块放大器板 俯仰配平电路 该姿态指示仪右下角设有俯仰配平旋钮（但本机缺失该部件）。俯仰配平调节机制设计颇为复杂：在平飞状态下，飞行器可能需要略微抬高或压低机头以维持最佳攻角。飞行员期望姿态指示仪显示水平飞行状态（即便机体存在微幅俯仰角），此时可通过俯仰配平旋钮进行校准。然而，当战斗机执行90度垂直爬升等极端机动时，指示仪需如实反映实际姿态，此时应忽略配平调整量。 经查证1957年专利文件，其解决方案为：当飞行器偏离水平飞行时，配平调整量将"淡出"。此功能通过俯仰角控制的多区段电位器实现。 下方原理图展示了配平信号生成机制：特殊俯仰角电位器与飞行员配平调节协同工作。与多数信号类似，俯仰配平信号采用400Hz交流制式，相位表征正负极性。暂不考虑俯仰角变量时，变压器输入端将接收交流驱动信号。其分绕组结构将生成正/负相位信号。飞行员调节配平电位器时，可使配平信号在正→零→负区间连续变化，从而对指示仪施加所需修正量。
基于专利的俯仰配平电路示意图。 如图所示，复杂结构的俯仰角电位器由交替分布的电阻段与导电段构成，两侧分别输入反相交流信号。（注：+AC与-AC表征相位关系，非电压极性。）由于各电阻段阻值相等，在电位器顶端与底端区域交流信号相互抵消，输出电压为零。：若飞行器大致处于水平状态，电位器滑动触点将拾取正相位交流信号，经变压器传输形成前文所述的配平修正量。当飞行器接近垂直爬升时，滑动触点进入零电压区域，配平调整功能自动失效。在中间角度范围内，电位器阻值变化使配平信号平滑衰减。若飞行器以陡峭角度俯冲，滑动触点移至底端零电压区，同样禁用配平修正。当飞行器倒飞时，滑动触点捕获负相位交流信号，配平修正量将反向施加。 结论 姿态指示仪作为飞行器的核心仪表，在低能见度飞行时尤为重要。F-4 的指示仪突破常规飞行器人工地平仪的双轴显示框架，通过第三轴实时反馈航向信息。尽管三轴支持极大提升了仪表的复杂度，但拆解其内部结构即可揭示球体实现全向旋转时仍保持机械连接的奥秘。 现代战机已摒弃复杂的机电式仪表系统，转而采用"玻璃化座舱"设计，通过数字屏幕集成飞行数据。例如F-35驾驶舱以全景触摸屏取代传统仪表，彩色界面动态呈现多维信息。然而，即便机械式仪表存在实用性局限，其精密的机械互动仍彰显独特的工业美学价值。 |
