Автореферат (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах)

На правах рукописиУДК 629.7.05БОРДАЧЕВ Дмитрий АнатольевичТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕСИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННОГОИЗМЕРИТЕЛЯ ВЕКТОРА УГЛОВОЙ СКОРОСТИНА ПОПЛАВКОВЫХ ГИРОСКОПАХСпециальность 05.11.03 - Приборы навигацииАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательскийуниверситет)».Научный руководитель:Подчезерцев Виктор Павловичкандидат технических наук, доцентОфициальные оппоненты: Никифоров Виталий Меркурьевичдоктор технических наук, профессор, академикАНУД, начальник отдела организационнометодической координации научных функцийФГУП «НПЦ Автоматики и приборостроения им.акад.

Н.А. Пилюгина»Панкратов Владимир Михайловичдоктор технических наук, профессор, заведующийлабораторией анализа и синтеза возмущенныхдинамических систем в прецизионной механикеФГБУН Институт проблем точной механики иуправления Российской академии наукВедущая организация:Публичное акционерное общество «Московскийинститут электромеханики и автоматики»,г. МоскваЗащита диссертации состоится «27» сентября 2017 г.

в 10:00 часов назаседании диссертационного совета Д 212.141.19 при федеральномгосударственном бюджетном образовательном учреждении высшегообразования «Московский государственный технический университет имениН.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» по адресу:105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д.

5, стр. 1.С диссертацией можно ознакомитьсяН.Э. Баумана и на сайте www.bmstu.ru.вбиблиотекеМГТУим.Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовойпечатью организации, просим направлять на имя ученого секретарядиссертационного совета Д 212.141.19 по адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-яБауманская, д.

5, стр. 1, МГТУ имени Н.Э. Баумана.Автореферат разослан «___» ________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советак.ф.-м.н.Семеренко Д.А.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыВ настоящее время в Российской Федерации ведется разработка космических аппаратов (КА) для дистанционного зондирования Земли (например КАсерии Электро) и космических обсерваторий (Спектр-УФ, Спектр-М, Гамма400). Угловая ориентация КА подобных классов должна выдерживаться в инерциальном пространстве с достаточно высокой точностью – порядка 0,1 угл. сек,и стабильностью 10-3–10-5 °/с при движении КА по орбитальной траектории.Для решения задач управления ориентацией и стабилизации КА он должен иметь в своем составе прецизионный измеритель вектора угловой скорости.В современных КА преимущественно используются бесплатформенныегироскопические измерители вектора угловой скорости (ГИВУС) в силу простоты их конструкции, малого энергопотребления, небольших габаритномассовых характеристик.

Также их применение стало возможным благодарядостаточной вычислительной мощности бортовых цифровых вычислительныхмашин КА для обработки первичной информации, поступающей с измерительных датчиков, и расчета ориентации КА. Главными достоинствами ориентирования по гироскопическим измерителям является автономность, не требующаяиспользования внешних источников информации, и соответственно высокаяпомехозащищённость.ГИВУС должен обеспечивать свои точностные параметры с высокой степенью повторяемости в реальных условиях эксплуатации. На борту КА температура окружающей среды вокруг ГИВУС может меняться в диапазоне от 0 до+35 °С, а флуктуации напряжения первичного электропитания находятся в диапазоне от 25 до 29 В.

Диапазон рабочих температур прибора определяется параметрами системы терморегулирования КА, представляющей собой, как правило, совокупность пассивных и активных подсистем терморегулирования.Диапазон напряжения первичного электропитания прибора определяется параметрами бортовой энергетической установки КА, для которой основными источниками электроэнергии являются солнечные батареи, работающие совместно с буферными аккумуляторными батареями. В силу ограниченной электрической емкости современных аккумуляторных батарей, максимальная мощность,потребляемая ГИВУС, не должна превышать 100 Вт.Точность системы ориентации и стабилизации КА в условиях невесомости определяется стабильностью компоненты скорости дрейфа ГИВУС, не зависящей от ускорения, которую принято называть «нулевым сигналом». Стабильность нулевого сигнала прибора должна быть не хуже 0,002 °/ч при заданных изменениях температуры окружающей среды и напряжения первичногоэлектропитания.

Временной интервал, в течение которого должна обеспечиваться стабильность нулевого сигнала, составляет 24 часа и определяется периодичностью калибровки ГИВУС, выполняемой 1-2 раза в сутки по показаниям оптических астродатчиков, установленных на КА.На сегодняшний день самыми точными ГИВУС, производимыми в Российской Федерации, являются приборы типа КИНД34-020, разработанные в1филиале ФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИ ПМ им.

акад. В.И. Кузнецова», у которыхслучайная составляющая нулевого сигнала не превышает 0,001 °/ч (оценка по1σ). Однако нестабильность нулевого сигнала подобных приборов при внешнихтемпературных воздействиях может достигать 0,005 °/ч, что обусловлено использованием в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) приборов двухстепенных поплавковых интегрирующих гироскопов.Одним из недостатков гироскопов указанного типа является зависимостьстабильности их скорости дрейфа от:– температуры корпуса гироскопа;– тепловыделения в элементах конструкции гироскопа;– внешних и внутренних магнитных полей.Повышение точности ГИВУС до уровня, соответствующего требованиямсовременных и перспективных КА, помимо совершенствования гироскопических ЧЭ и разработки инерциальных ЧЭ, работающих на новых принципах,может быть также обеспечено применением более совершенных систем термостатирования (СТС) серийных гироскопических ЧЭ и снижением их чувствительности к магнитным полям.Значительный вклад в создание СТС приборов для инерциальных навигационных систем внесли Джашитов В.Э., Громов Д.С., Пылаев Ю.А.,Голиков А.В., Панкратов В.М.

В их работах показано, что даже для идеальноизготовленного инерциального прибора имеет место тепловой дрейф, доля которого в суммарном дрейфе может достигать для некоторых типов приборов от30 до 40 % и более. По мнению авторов, уменьшение этого дрейфа для достижения инерциальных точностей навигационных приборов с температурозависимыми ЧЭ можно обеспечить путём применения активных реверсивных двухконтурных СТС, обеспечивающих как нагрев, так и охлаждение элементов конструкции приборов. В подобных СТС первый контур используется для термостатирования общих для всех ЧЭ конструктивных узлов прибора, а второй дляиндивидуального термостатирования каждого ЧЭ.Однако вопрос о необходимой и достаточной точности термостатирования поплавковых гироскопов в настоящее время не имеет однозначного ответа.В известных публикациях говорится об оптимальной точности термостатирования на уровне от 0,01 до 0,1 °С, но при этом не приводится её связь со стабильностью скорости дрейфа гироскопов.

Для определения достаточной точноститермостатирования ЧЭ необходимо исследовать взаимосвязь работы и параметров СТС со стабильностью нулевого сигнала ГИВУС.В связи с вышесказанным, актуальной задачей является создание системытермостатирования ГИВУС, позволяющей оптимизировать параметры температурной стабилизации ЧЭ, для обеспечения требуемых точностных характеристик прибора в заданных условиях его эксплуатации. Учитывая собственное(без учета СТС) энергопотребление ГИВУС на поплавковых гироскопах, непревышающее 65 Вт, потребление СТС четырёх измерительных каналов прибора не должно превышать 35 Вт, исходя из энергетических возможностей КА.2Цель работыОпределение схемы построения, алгоритма работы и точности поддержания температуры системы термостатирования ГИВУС на поплавковых гироскопах для достижения стабильности независящего от ускорения нулевого сигнала прибора на уровне 0,002 °/ч при его эксплуатации в составе КА.Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:1.

Разработана концепция построения СТС ГИВУС, способной обеспечить требуемую точность ГИВУС и стабильность поддержания температурыкорпуса поплавкового гироскопического ЧЭ на уровне 0,01 °С.2. Разработана аналитическая тепловая модель СТС ГИВУС, с помощьюкоторой проведены теоретические исследования, подтвердившие требуемыеточностные и эксплуатационные характеристики СТС.3.

Разработана методика экспериментальных исследований точностныххарактеристик измерительного канала ГИВУС с СТС.4. Проведены экспериментальные исследования измерительного каналаГИВУС с СТС и получены оценки точности термостатирования корпуса ЧЭ,стабильности нулевого сигнала измерительного канала и их взаимосвязи притемпературных воздействиях на прибор.5. Выполнена верификация аналитической тепловой модели путем сравнения результатов моделирования СТС ГИВУС с результатами экспериментальных исследований.6.