Полусферический резонаторный гироскоп
Гироскоп с полусферическим резонатором (HRG), также называемый гироскопом-рюмкой или грибовидным гироскопом , представляет собой компактный, малошумящий, высокопроизводительный датчик угловой скорости или вращения. HRG изготовлен с использованием тонкой твердотельной полусферической оболочки, закрепленной толстым стержнем. Эта оболочка приводится в изгибный резонанс под действием электростатических сил, создаваемых электродами, которые наносятся непосредственно на отдельные структуры из плавленого кварца, окружающие оболочку. Гироскопический эффект достигается за счет инерционного свойства изгибных стоячих волн. Хотя HRG представляет собой механическую систему, она не имеет движущихся частей и может быть очень компактной.
Операция
[ редактировать ]В HRG используется небольшая тонкая твердотельная полусферическая оболочка, закрепленная толстым стержнем. Эта оболочка приводится в изгибный резонанс за счет специальных электростатических сил, создаваемых электродами, которые наносятся непосредственно на отдельные структуры из плавленого кварца , окружающие оболочку.
Для цельной конструкции (т.е. полусферическая оболочка и форштевень образуют монолитную деталь) [1] высокой чистоты ), изготовленные из плавленого кварца , в вакууме можно достичь добротности более 30-50 миллионов, поэтому соответствующие случайные блуждания чрезвычайно малы. Добротность ограничивается покрытием (чрезвычайно тонкая пленка из золота или платины) и потерями в креплении. [2] Такие резонаторы должны быть точно настроены с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или лазерной абляции, чтобы быть идеально динамически сбалансированными. После нанесения покрытия, настройки и сборки в корпусе добротность остается более 10 миллионов.
Применительно к оболочке HRG силы Кориолиса вызывают прецессию колебаний вокруг оси вращения . Это вызывает медленную прецессию стоячей волны вокруг этой оси с угловой скоростью, отличной от входной. Это эффект волновой инерции , открытый в 1890 году британским учёным Джорджем Хартли Брайаном (1864–1928). [3] Следовательно, при вращении вокруг оси симметрии оболочки стоячая волна не вращается точно вместе с оболочкой, но разница между обоими вращениями, тем не менее, совершенно пропорциональна входному вращению. После этого устройство способно распознавать вращение.
Электроника, распознающая стоячие волны, также способна управлять ими. Таким образом, гироскопы могут работать либо в «режиме полного угла», который определяет положение стоячих волн, либо в «режиме перебалансировки сил», который удерживает стоячую волну в фиксированной ориентации относительно гироскопа.
Первоначально использовался в космических приложениях (системах управления ориентацией и орбитой космических кораблей), [4] HRG теперь используется в современных инерциальных навигационных системах , в системах ориентации и курса , а также в гирокомпасах HRG . [5]
Преимущества
[ редактировать ]HRG чрезвычайно надежен [6] [7] из-за очень простого оборудования (два или три куска обработанного плавленого кварца). У него нет движущихся частей; его ядро выполнено из монолитной части, включающей полусферическую оболочку и форштевень. [8] Они продемонстрировали выдающуюся надежность с момента их первого использования в 1996 году на космическом корабле NEAR Shoemaker . [9] [10]
HRG очень точен [8] [11] и нечувствителен к внешним возмущениям окружающей среды. Резонирующая оболочка весит всего несколько граммов и идеально сбалансирована, что делает ее нечувствительной к вибрациям, ускорениям и ударам.
HRG демонстрирует превосходные характеристики SWAP (размер, вес и мощность) по сравнению с другими технологиями гироскопов.
HRG не создает ни акустического, ни излучаемого шума, поскольку резонирующая оболочка идеально сбалансирована и работает в вакууме.
Материал резонатора, плавленый кварц , естественно, радиационно устойчив в любой космической среде. [12] Это придает резонатору HRG внутреннюю невосприимчивость к вредному воздействию космической радиации. Благодаря чрезвычайно высокой добротности резонирующей оболочки HRG имеет сверхмалое угловое случайное блуждание. [9] и чрезвычайно низкая рассеиваемая мощность.
HRG, в отличие от оптических гироскопов ( волоконно-оптического гироскопа и кольцевого лазерного гироскопа ), имеет инерционную память: если питание пропадает на короткий период времени (обычно несколько секунд), чувствительный элемент продолжает интегрировать входное движение (угловое скорость), так что при возобновлении подачи питания HRG сигнализирует об угле, повернутом при отключении питания.
Недостатки
[ редактировать ]HRG — это очень высокотехнологичное устройство, требующее сложных производственных инструментов и процессов. Управляющая электроника, необходимая для обнаружения и управления стоячими волнами, сложна. Такой высокий уровень сложности ограничивает доступность этой технологии; немногие компании смогли его произвести. В настоящее время три компании производят HRG: Northrop Grumman , [9] Сафран электроника и оборона [13] и Raytheon Anschütz . [14]
Классический HRG относительно дорог из-за стоимости прецизионно отшлифованных и полированных полых кварцевых полусфер. Эта стоимость производства ограничивает его использование приложениями с высокой добавленной стоимостью, такими как спутники и космические корабли. [9] Тем не менее, производственные затраты могут быть значительно снижены за счет изменений в конструкции и инженерного контроля. Вместо того, чтобы наносить электроды на внутреннее полушарие, которое должно идеально соответствовать форме внешнего резонирующего полушария, электроды наносятся на плоскую пластину, соответствующую экваториальной плоскости резонирующего полушария. В такой конфигурации HRG становится очень экономически эффективным и хорошо подходит для высококачественных, но чувствительных к затратам приложений. [15]
Приложения
[ редактировать ]- Космос – внутри автобуса космического корабля в космическом телескопе Джеймса Уэбба [16] и другие спутники и космические корабли [8] [17] [18]
- Море – Морские необслуживаемые гирокомпасы [19] [20] а также системы ориентации и направления . [21] Системы морской навигации для надводных кораблей и подводных лодок. [22]
- Земля – локаторы целей, [23] системы наземной навигации, [20] [24] [25] и артиллерийское наведение [26] [27]
- Air – HRG планируется использовать в навигационных системах коммерческого воздушного транспорта. [28] [29]
См. также
[ редактировать ]- Волоконно-оптический гироскоп
- Гироскоп
- гирокомпас HRG
- Инерционная единица измерения
- Квантовый гироскоп
- Кольцевой лазерный гироскоп
- Гироскоп с вибрирующей структурой, также известный как вибрационный гироскоп Кориолиса.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Резонатор, Полусферический резонатор ГИРО» . Архивировано из оригинала 8 декабря 2017 г. Проверено 8 декабря 2017 г.
- ^ Сарапулов С.А., Ри Х.-Н. и Парк С.-Дж. Предотвращение внутренних резонансов в сборке полусферического резонатора из плавленого кварца, соединенного индиевым припоем //Материалы 23-й ежегодной весенней конференции KSNVE (Корейское общество шумовой и вибрационной инженерии). Йосу, 24–26 апреля 2013 г. – С.835–841.
- ^ Брайан Г.Х. О ритмах вибраций вращающегося цилиндра или колокола // Proc. Кембриджского Фил. Соц. 1890, 24 ноября. Том VII. Ч.III. - С.101-111.
- ^ «Корпус полусферического резонаторного гироскопа (HRG)» . Архивировано из оригинала 31 июля 2017 г. Проверено 31 июля 2017 г.
- ^ «Safran Electronics & Defense зарегистрировала заказы на 3000 инерциальных навигационных систем на базе HRG в 2016 году, что является новым рекордом» . Группа Сафран . 2 мая 2017 г. Архивировано из оригинала 27 ноября 2021 г. Проверено 27 ноября 2021 г.
- ^ «Высоконадежный резонаторный гироскоп компании Northrop Grumman проработал в космосе 25 миллионов часов» . Отдел новостей Northrop Grumman . Проверено 6 декабря 2018 г.
- ^ «Гироскопический полусферический резонатор компании Northrop Grumman проработал в космосе 50 миллионов часов» . Отдел новостей Northrop Grumman . Проверено 14 августа 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Розелл, Дэвид М. «Полусферический резонатор-гироскоп: от рюмки к планетам» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2013 г. Проверено 26 февраля 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д «Семейство масштабируемых SIRU™» (PDF) . Northrop Grumman > Чем мы занимаемся > Воздух > Навигационные системы . Архивировано (PDF) из оригинала 13 мая 2023 г. Проверено 13 мая 2023 г.
- ^ «Гироскопический полусферический резонатор компании Northrop Grumman проработал рекордные 30 миллионов часов непрерывной работы» . 19 февраля 2015 г.
- ^ Делэй, Фабрис (2018). «HRG от SAFRAN: технология, меняющая правила игры». Международный симпозиум IEEE по инерциальным датчикам и системам (INERTIAL) 2018 . стр. 1–4. дои : 10.1109/ISISS.2018.8358163 . ISBN 978-1-5386-0895-1 . S2CID 21660204 .
- ^ Жеребец, Сергей А. «Оценка гироскопа для миссии на Юпитер» .
- ^ «ХРГ Кристалл» . 22 марта 2018 г.
- ^ «Standard 30 MF — необслуживаемый гирокомпас» . Архивировано из оригинала 21 августа 2019 г. Проверено 21 августа 2019 г.
- ^ «HRG от Sagem: от лаборатории к массовому производству» . Исследовательские ворота . Проверено 13 июня 2019 г.
- ^ «Часто задаваемые вопросы для ученых Телескопа Уэбба / НАСА» .
- ^ «REGYS 20 | Программы ARTES ЕКА» .
- ^ «Навигационная система Safran SpaceNaute выбрана для новой ракеты-носителя Ariane 6» . 30 ноября 2016 г.
- ^ «Гироскопомпас Горизонт МФ (HRG)» . Архивировано из оригинала 27 февраля 2014 г. Проверено 26 февраля 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Sagem представит широкий спектр военной продукции на выставке Defexpo 2014» .
- ^ «На выставке Euronaval Sagem представила BlueNaute, корабельную инерциальную навигационную систему нового поколения» . 30 октября 2012 г.
- ^ «EURONAVAL 2018: Новое семейство морских инерциальных навигационных систем Safran» . 24 октября 2018 г.
- ^ «Safran Vectronix AG | Оптронное оборудование и технологии лазерных дальномеров» . Сафран Вектроникс . Проверено 26 февраля 2020 г.
- ^ Sagem выигрывает новый заказ на навигаторы SIGMA 20 для систем зенитного вооружения MBDA.
- ^ «Sagem поставит оптику ГСН и огневых постов для новой ракеты средней дальности MMP компании MBDA» . Архивировано из оригинала 7 октября 2015 г. Проверено 5 октября 2015 г.
- ^ Тран, Пьер (08 июня 2018 г.). «Eurosatory: Эта навигационная система Safran не нуждается в GPS» . Новости обороны . Проверено 12 июня 2018 г.
- ^ «Safran представляет инерциальную навигационную систему Geonyx для гарантированного PNT | Jane's 360» . www.janes.com . Проверено 29 октября 2018 г.
- ^ Sagem представляет инерциальную навигационную систему SkyNaute
- ^ «Sagem проводит первые летные испытания навигационной системы на базе HRG для коммерческих самолетов» . 21 ноября 2014 г.
Библиография
[ редактировать ]- Lynch DD HRG Development в Delco, Litton и Northrop Grumman. Материалы юбилейного семинара по твердотельной гироскопии (19–21 мая 2008 г., Ялта, Украина). - Киев-Харьков. ОВД Украины. 2009.
- Л.Роселлини, Дж.М. Карон - REGYS 20: Перспективный ИДУ на базе HRG для космического применения - 7-я Международная конференция ЕКА по системам наведения, навигации и управления. 2–5 июня 2008 г., Трали, графство Керри, Ирландия.
- Д. Роберфруа, И. Фолопе, Ж. Ремилье (Sagem Défense Sécurité, Париж, ФРАНЦИЯ) - HRG и инерциальная навигация - Инерциальные датчики и системы - Симпозиум Gyro Technology 2012
- А. Карре, Л. Роселлини, О. Прат (Sagem Défense Sécurité, Париж, Франция) HRG и North Finding - 17-я Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 31 мая – 2 июня 2010 г., Россия
- Ален Жанрой; Жиль Гроссе; Жан-Клод Гудон; Фабрис Деле - HRG от Sagem от лаборатории к массовому производству - Международный симпозиум IEEE по инерционным датчикам и системам, 2016 г.
- Александр Ленобль, Томас Руйо - SWAP-ориентированные IMU для различных приложений - Инерционные датчики и системы (ISS), 2016 DGON - Карлсруэ, Германия
- Фабрис Делэ - HRG от Safran - Технология, меняющая правила игры - Международный симпозиум IEEE по инерционным датчикам и системам 2018 г. - Озеро Комо, Италия
- Фабрис Дельэ; Жан-Филипп Жиро - SpaceNaute®, технологический прорыв HRG для усовершенствованной инерциальной системы отсчета космической ракеты-носителя - 25-я Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 31–29 мая 2018 г., Россия
- Б.Дело, Ю.Ленуар - Самый маленький, самый точный и надежный в мире чисто инерциальный навигатор: ONYX™ - Инерциальные датчики и системы 2018, Брауншвейг - 12 сентября 2018 г., Германия
- Ю. Фолоппе, Ю.Ленуар - HRG CrystalTM DUAL CORE: Перезагрузка революции INS - Inertial Sensors and Systems 2019, Брауншвейг - 10 сентября 2019 г., Германия
- Ф. Делэй, Ч. Де Лепревье - SkyNaute от Safran – Как технологический прорыв HRG способствует созданию революционной IRS (инерциальной системы отсчета) для коммерческих самолетов - Inertial Sensors and Systems 2019, Брауншвейг - 11 сентября 2019 г., Германия