Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах), страница 2

В.И. Кузнецова», у которых случайнаясоставляющая нулевого сигнала не превышает 0,001 °/ч (оценка по 1σ) [7]. Однако нестабильность нулевого сигнала подобных приборов при внешних температурных воздействиях может достигать 0,005 °/ч [72], что обусловлено использованием в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) прибора двухстепенных поплавковых интегрирующих гироскопов.Одним из недостатков гироскопов указанного типа является зависимостьстабильности их скорости дрейфа от:– температуры корпуса гироскопа;7– тепловыделения в элементах конструкции гироскопа;– внешних и внутренних магнитных полей.Одной из причин влияния температуры на точность поплавкового гироскопа является наличие в нём жидкости.

При отклонении температуры корпуса ЧЭ отноминального рабочего значения, жидкость меняет свою плотность, в результатечего создаваемая ею выталкивающая сила, действующая на поплавок, перестаёткомпенсировать силу тяжести, таким образом, нарушается режим нулевой плавучести поплавка, что приводит к изменению нулевого сигнала ЧЭ. Также в случаенеоднородной температуры корпуса ЧЭ могут возникать конвекционные потокижидкости, создающие возмущающий момент вокруг выходной оси ЧЭ [1, 5, 64].Еще одним параметром жидкости, зависящим от температуры и влияющим наточность ЧЭ, является вязкость, от величины которой зависит значение коэффициента демпфирования и, следовательно, значение коэффициента передачи ЧЭ[6].Повышение точности ГИВУС до уровня, соответствующего требованиямсовременных и перспективных КА, помимо совершенствования гироскопическихЧЭ и разработки инерциальных ЧЭ, работающих на новых принципах, можетбыть также обеспечено применением более совершенных систем термостатирования (СТС) серийных гироскопических ЧЭ и снижением их чувствительности кмагнитным 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.

[4, 39, 40, 56, 57, 58]. В их работах показано, что даже для идеально изготовленного инерциального прибора имеет место тепловой дрейф, долякоторого в суммарном дрейфе может достигать для некоторых типов приборов от30 до 40 % и более [15]. 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 термостати-8рования общих для всех ЧЭ конструктивных узлов прибора, а второй для индивидуального термостатирования каждого ЧЭ.Подобная схема построения двухконтурной системы термостатированияиспользуется и в приборах типа КИНД34-020, особенности которой, приведены вРазделе 3.2. В большинстве инерциальных приборов, первый контур термостатирования обеспечивает стабилизацию температуры основания, на котором устанавливаются ЧЭ, а второй контур термостабилизирует непосредственно корпусЧЭ.

Такая конфигурация двухконтурной системы термостатирования помимосвоих достоинств имеет ряд недостатков:– при отказе индивидуального контура термостатирования какого-либо ЧЭизменяется тепловой режим работы окружающих его ЧЭ и первого контура термостатирования;– при отказе первого контура термостатирования нарушается работа индивидуальных контуров термостатирования всех ЧЭ в приборе.Таким образом, измерительные каналы прибора не являются полностью независимыми друг от друга в тепловом плане, т.к. связаны через первый контурсистемы термостатирования, что ухудшает не только точность прибора, но и егонадежность.Так же в активных реверсивных двухконтурных системах термостатирования используются элементы Пельтье [4], которые имеют следующие недостатки[54, 69, 70]:– низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности по сравнению с обычными резистивными нагревательными элементами;– являются хрупкими элементами, что требует бережного к ним отношенияпри сборке прибора и ухудшает надёжность прибора при механических воздействиях;– неотъемлемой частью работы элементов Пельтье является температурныйградиент, между их рабочей стороной и противоположной, вследствие чего воз-9никает необходимость утилизировать тепловыделение на стороне, не задействованной в контуре термостатирования, что требует дополнительной мощности.Вопрос о необходимой и достаточной точности термостатирования поплавковых гироскопов в настоящее время не имеет однозначного ответа.

В известныхпубликациях говорится об оптимальной точности термостатирования на уровне от0,01 до 0,1 °С, но при этом не приводится её связь со стабильностью скоростидрейфа гироскопов. Для определения достаточной точности термостатированияЧЭ 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 характеристикприбора в заданных условиях его эксплуатации. Учитывая собственное (без учетаСТС) энергопотребление ГИВУС на поплавковых гироскопах, не превышающее65 Вт, потребление СТС четырёх измерительных каналов прибора не должно превышать 35 Вт, исходя из энергетических возможностей КА.В настоящей работе в приборе ГИВУС предлагается реализовать индивидуальную двухконтурную СТС для каждого ЧЭ, которая способна обеспечить болеевысокую точность поддержания температуры ЧЭ по сравнению с системой термостатирования в гироскопических измерителях типа КИНД34-020, при этом, исключая недостатки последней, описанные выше, и соответственно более высокуюточность прибора.В предлагаемой СТС первый контур поддерживает температуру элементовконструкции, окружающей корпус ЧЭ, а второй – обеспечивает термостабилизацию непосредственно корпуса ЧЭ с высокой точностью.

Нагревательные элементы первого контура термостатирования расположены на элементах конструкцииполностью окружающих цилиндрический корпус ЧЭ, что должно обеспечить равномерное температурное поле вокруг ЧЭ, тем самым снизив погрешности ГИВУСв том числе и при его наземных испытаниях. В условиях наземных испытаний изза наличия поля силы тяжести и при имеющемся неоднородном температурном10поле для поплавкового ЧЭ, в рабочем зазоре между поплавком и корпусом возникает конвективное течение поддерживающей жидкости, приводящее к возникновению уводящих моментов, действующих на поплавок, и соответствующих погрешностей гироскопического чувствительного элемента [5].Целью работы является определение схемы построения, алгоритма работыи точности поддержания температуры системы термостатирования ГИВУС на поплавковых гироскопах для достижения стабильности независящего от ускорениянулевого сигнала прибора на уровне 0,002 °/ч при его эксплуатации в составе КА.Объектом исследования является ГИВУС с измерительным каналом, содержащим индивидуальную двухконтурную систему термостатирования ЧЭ.Предметом исследования является взаимосвязь работы и параметров индивидуальной двухконтурной системы термостатирования ЧЭ со стабильностьюнулевого сигнала измерительного канала ГИВУС.Методы исследованияПри решении поставленных в работе задач использовались основы теориигироскопических приборов, теории теплообмена, методы статистической обработки результатов измерений, методы математического и компьютерного моделирования и методы экспериментальных исследований, основанные на методикахпрямых и косвенных измерений.Работа в структурном плане состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, приложения.Первая Глава посвящена анализу существующих вариантов ГИВУС, приводится их классификация по типу чувствительного элемента, сравниваются точностные характеристики, описываются достоинства и недостатки примененияразличных вариантов базовых чувствительных элементов.

Рассматривается и оценивается схема построения двухконтурной СТС наиболее точного производимогов Российской Федерации гироскопического измерителя вектора угловой скорости.Ставятся основные задачи настоящей работы.Во второй Главе описываются: принцип действия и конструкция ПИГ, егоуравнения движения и основные погрешности. Рассматриваются работа ПИГ в11режиме датчика угловой скорости (ДУС) и характеристики измерительного канала ГИВУС. Приводятся основные характеристики конкретной модели ЧЭ, выбранной для ГИВУС, и особенности ее конструкции, включающей элементы дляпостроения системы термостатирования.

Представлен метод построения аналитической тепловой модели СТС, основанный на комбинированной использованиипрограммной системы конечно-элементного анализа ANSYS и графической средыимитационного моделирования Simulink (Matlab) и содержащий в себе метод расчёта тепловых проводимостей и теплоёмкостей элементов тепловой модели.В третьей Главе приводится предлагаемая оптимальная конструкция двухконтурной системы термостатирования для каждого ЧЭ ГИВУС, описание принципа её работы, назначение отдельных элементов, алгоритмы управления двумяконтурами термостатирования.

Производится расчёт теплового поля для установившегося теплового состояния ЧЭ с разработанной конструкцией его системытермостатирования при помощи системы ANSYS. На основании данных, полученных в системе ANSYS, рассчитываются тепловые проводимости между элементами конструкции и на их основе строится аналитическая тепловая модельсистемы в среде Simulink (Matlab), приводится её расчёт в динамическом и установившемся режимах, как системы автоматического регулирования при различных температурных условиях эксплуатации ГИВУС.В четвёртой Главе описывается методика проведения экспериментальныхисследований разработанной индивидуальной двухконтурной СТС ЧЭ в составеизмерительного канала ГИВУС.