航空仪表：座舱里的“全息窗口”
■宋 茹 周 乐 周笑玥
今年5月，国外一家航空仪表公司宣布，该公司研发出一款适用于多种机型的机载防撞系统。该系统能够有效检测到飞机周围环境变化情况，并通过航空仪表盘显示各种符号和颜色，帮助飞机用最佳方案规避危险。
作为战机飞行状态信息的真实 “记录者”，仪表能够引导飞行员在各种飞行环境下做出正确的判断和操作，为安全飞行提供有力支撑。自一战以来，随着科技快速发展，航空仪表不断更新迭代，从最早的机械仪表一步步发展为电子综合显示仪表。
航空仪表虽然个头不大，但设计制造要求极为精密，其关键核心技术考验着一个国家航空电子工业制造水平。站在世界维度看航空仪表发展，它有哪些核心功能？制造难点是什么？后期又该如何维修保养？请看本文为您一一解读。
国外某型战机仪表。资料照片
记录信息脉搏——
“一表多用”一目了然
现代战机逐渐朝着高速度、高机动性和多任务性演变，飞行环境也愈发复杂。如何在复杂飞行条件下精确掌握战机的飞行状态，航空仪表的作用至关重要。
早期，人类飞行还处于探索阶段，科学家并没有为战机设计专门的仪表。莱特兄弟首次飞行时，“飞行者一号”飞机上只有一块秒表、一个风速计和一个转速表，只能反馈出极其简单的飞行参数，需要飞行员结合自身经验判断飞行状态变化。
战争催生新装备诞生。一战时，英国S.E.5型战机上安装了3种专门的飞行仪表和4种发动机仪表。但飞行员仍然主要依靠目视观察飞行环境，仪表仅作为一种功能非常有限的飞行辅助工具，并没有发挥太多实质性作用。
这样的飞行方式没有持续太久，随着战机飞行速度、高度不断增加，科学家发现，仅依靠肉眼观察，飞行员很难在短时间内对飞行状态做出判断，遇到大雾、雷雨等恶劣天气时，甚至会因误判引发飞行事故。他们意识到，利用仪表飞行已经迫在眉睫。
1929年，航空仪表终于迎来“高光”时刻。美国飞行员杜立特尔用帆布盖住座舱，在看不见外界飞行环境的情况下，完全根据仪表数据进行飞行试验。这段“盖罩”仪表飞行，堪称奇迹，成为航空科技发展史上一座新的里程碑。
这一时期的仪表以机械式和电气式为主，受到技术能力限制，其灵敏度较低、指示误差较大、抗震稳定性差等问题逐渐暴露，倒逼着科学家绞尽脑汁开始了新一轮的创新工作。
20世纪50年代，航空仪表发展到第二代，出现了各种机电式伺服航空仪表及传感器，故障率更小、精度更高、传输信号更强。
不过，第二代航空仪表也暴露出一个致命问题——随着机载设备日益增多，仪表数量大幅增加，仪表板变得拥挤不堪，对飞行员读取数据造成了极大干扰。于是，将功能相关仪表巧妙组合在一起，成为航空仪表发展的必然趋势。
“一表多用”理念很快应用到第三代仪表的研发工作中。没过多久，以综合罗盘指示器、组合地平仪为代表的机电式综合仪表成功问世，并一直沿用至20世纪60年代末。
技术催生变革，航空仪表的科技化趋势于此时萌发。随着电子技术快速发展，液晶显示器、发光二极管等新型光电元件相继问世，航空仪表技术跨入第四代。在第三代“一表多用”理念基础上，科学家通过信息数据集成研发出电子显示屏幕，并逐渐成为仪表盘上的新主角。例如，美军F-35战机首次采用整块大尺寸多功能的触摸式彩色液晶显示屏，各种关键信息飞行员可以实现“一目了然”。
先进的屏显技术让航空仪表成为战机上最精密、造价最高的设备之一，也成为判断战机先进性的显著标志。
仪表遇上“黑科技”——
引领时代的“潮品”
随着战机性能迭代提升，飞行员需要掌握的飞行参数越来越多，这对航空仪表的输出功能提出更高要求。
现代航空仪表“家族”庞大繁多，按照功用划分，可以分为4大类——指示战机飞行参数的飞行仪表、检测发动机工作状态的发动机仪表、指示飞机相对地球位置的导航仪表、指示战机操作和空调电源液压系统运行情况的状态仪表。
仪表之间配合默契，能够提供庞大的飞行数据。“超级大黄蜂”战机的显示器上能够呈现出62种画面、600余种不同符号，排列组合起来超过1000多种信息，为战机飞行安全提供重要保障。
作为战机飞行数据的真实“记录者”，仪表最重要的性能之一是要保证显示参数的准确性。现代航空仪表集合了传感技术、量子力学技术、智能化技术等一系列“黑科技”，成为战机最核心的系统之一。
以陀螺仪为例，它是战机上最精密、科技含量最高的仪表之一，能够为飞行员提供战机精确的方位、俯仰、位置、速度等一系列信息，其重要性不言而喻。自陀螺仪诞生以来，其研发制造工艺一直是尖端核心技术。目前，世界上只有少数国家具备陀螺仪的研发和生产制造能力。
早期陀螺仪多为机械式，之后发展为光学陀螺仪，为满足航空装备性能监测需要，各种先进技术被应用于陀螺仪研发工作中。经过科学家多年研究，一种名为微电子机械系统（MEMS）的陀螺仪成功诞生。
顾名思义，“微”系统内部将传感器、信号处理和电路等一系列部件，集成在一个小型系统中，具备智能化、微型化、集成化等诸多方面优势，非常适用于大批量生产，很快受到各国军工企业的青睐。
那么，MEMS陀螺仪是如何生产的呢？
以国外某MEMS陀螺仪为例，与多数人想象中的“陀螺”形状不同，它将先进的微电子技术和微加工技术相结合，采用半导体生产中的成熟工艺，通过制作电路、键合、退火等一系列工序，将机械装置和电子线路集成在几乎只有指甲大小的硅质芯片上；再经信号测试校准等一系列严格测试后，才能正式投入使用。
此外，为了防止内部高温湿热和一些高速飞行的污染物进入，设计师通常会选择密封圈、橡胶管等材料，通过封胶、焊接等工艺，对产品进行密封，延长其使用寿命、防止材料腐蚀。
MEMS陀螺仪不仅在战机等军事领域大显身手，而且在智能手机、智能驾驶、无人机等民用领域得到广泛应用。随着人类对智能电子设备需求不断增大，MEMS陀螺仪逐渐成为引领时代的“潮品”。
从“疑似”到“确诊”——
战机健康的“晴雨表”
航空仪表作为飞行员的“得力助手”，在战争中扮演着极为重要角色。然而，航空仪表的功用远不止于此。回到地面，仪表又摇身一变，成为战机维修人员调试战机的重要工具。可以说，它是战机健康的“晴雨表”。
在大修厂，当一架战机进入总装调试阶段，“战机医生”常常依据仪表显示参数，对异常指标进行调试修理。一架战机想要重返蓝天，必须经过仪表“同意”，才能够办理“出院”手续。
显然，无论飞行员还是维修人员，都要依据航空仪表反馈数据来判断战机性能状态。如果航空仪表自身“带病上岗”，就会提供错误参数，按照错误的参数调试和操纵飞机，极易引发重大事故。
在这种情况下，确保航空仪表“健康”就变得尤为重要。现代航空仪表结构复杂、电路精密，极易因部件老化、运输颠簸等原因发生故障，区别于机械系统，电路信号看不见、摸不着，“病灶”发生位置判断极为不易，这给检修工作带来不小挑战。
在实际应用过程中，科研人员与维修人员对航空仪表检修方法的探索从未停止，在长期实践与摸索中，逐渐形成了系统检修方法，并归纳为以下三步：
第一步重现故障。当航空仪表出现故障后，为了快速精准地识别故障信息，维修人员通常会模拟电子仪表的正常工作环境，还原故障发生的场景，寻找“病情原因”，防止“误诊”情况发生。
第二步隔离故障。对“病情原因”初步判断分析后，维修人员会将疑似问题进行标识和隔离，切断与其他元器件的联系，避免局部故障造成更大面积的“并发症”。在隔离区域内，维修人员将逐步排查，进一步缩小“病情”范围。
第三步排除故障。“病情”范围缩小后，根据仪表的工艺特点、内部结构、故障表现进行地毯式排查，维修人员将通过更换元器件、检查电路焊点等方式，将“疑似”变为“确诊”，采取针对性“治疗”，直到故障彻底消除。
故障消除就代表战机恢复健康了吗？当然不是。
为了确保万无一失，在战机起飞前，维修人员、飞行员还要对仪表和设备再次检测和调试，逐项排查各种隐患，经过一系列“复诊”，所有指标检测合格后，战机才能顺利出厂。