Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование системы термостатирования прецизионного измерителя вектора угловой скорости на поплавковых гироскопах), страница 3

Приводится сравнение экспериментальных результатов с теоретическими расчётами СТС, полученными при помощи аналитической тепловой модели. Даётся оценка стабильности нулевого сигнала измерительного канала ГИВУС при внешних воздействиях. Изложены исследования зависимости нулевого сигнала измерительного канала от магнитных полей, наводимых током в нагревательных элементах ЧЭ, на основании которых предлагаетсямодернизировать СТС – ввести адаптируемую температуру настройки одного изконтуров. Представлены результаты моделирования модернизированного варианта СТС.12В процессе проведения работы получены следующие положения, выносимые на защиту:1.

Для достижения стабильности независящего от ускорения нулевого сигнала измерительных каналов гироскопического измерителя вектора угловой скорости на уровне 0,002 °/ч необходимо термостатировать поплавковые чувствительные элементы с точностью 0,01 °С и стабилизировать мощность тепловыделения в их нагревательных элементах с точностью 0,1 Вт.2. Основной вклад в изменение нулевого сигнала чувствительного элементапри температурных воздействиях на гироскопический измеритель вектора угловой скорости вносит влияние на чувствительный элемент магнитных полей, обусловленных током, протекающим в нагревательных элементах 2-го контура термостатирования, расположенных на корпусе чувствительного элемента.3. Для стабилизации мощности тепловыделения в нагревательных элементах чувствительного элемента с сохранением точности его термостатирования,необходимо применение специального алгоритма работы 1-го контура термостатирования с адаптируемой температурой настройки, стабилизирующего температуру элементов конструкции, окружающей чувствительный элемент.Научная новизна работы:1.

Показана возможность реализации ГИВУС на поплавковых гироскопах,обладающего стабильностью независящего от ускорения нулевого сигнала науровне 0,002 °/ч в условиях температурных воздействий на ГИВУС и изменениянапряжения первичного электропитания, за счёт применения индивидуальнойдвухконтурной системы термостатирования для каждого ЧЭ прибора.2.

Выявлено значительное влияние на нулевой сигнал поплавковых ЧЭ магнитных полей, обусловленных током, протекающим в нагревательных элементахЧЭ. Установлено, что кардинальным решением уменьшения влияния магнитныхполей является магнитное экранирование ЧЭ и стабилизация мощности тепловыделения в его нагревательных элементах.3. Представлен способ стабилизации мощности тепловыделения в нагревательных элементах 2-го контура термостатирования, расположенных на корпусе13ЧЭ, путём введения специального алгоритма работы 1-го контура термостатирования с адаптируемой температурой настройки, стабилизирующего температуруэлементов конструкции, окружающей ЧЭ.Практическая значимость работы:1.

Разработанная аналитическая тепловая модель ЧЭ с СТС, позволяет анализировать работу СТС и прогнозировать стабильность нулевого сигнала измерительного канала ГИВУС при различных параметрах СТС и температурных условиях эксплуатации прибора. Тепловую модель целесообразно использовать в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИ ПМ им. акад.

В.И. Кузнецова» при разработкеприборов на поплавковых гироскопах.2. Концепция двухконтурной системы термостатирования ЧЭ с адаптируемой температурой настройки одного контура повышает точностные характеристики ЧЭ и может быть использована ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ФГУП «НПЦ Автоматики и приборостроения им.

акад. Н.А. Пилюгина».3. ГИВУС со стабильностью нулевого сигнала измерительных каналов впределах 0,002 °/ч в совокупности со своими высокими эксплуатационными характеристиками может быть использован в составе бортовых комплексов управления современных и перспективных космических аппаратов ПАО РКК «Энергия», ФГУП «МОКБ «Марс», АО «НПО им. С.А. Лавочкина», АО «ИСС им.

акад.М.Ф. Решетнёва».Достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительнымсоответствием результатов, полученных математическим моделированием, результатам экспериментальных исследований образца измерительного канала ГИВУС с предложенной СТС, проведенных в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИПМ имени академика В.И. Кузнецова» по разработанной методике.Внедрение результатов работыРезультаты работы использованы при модернизации конструкции поплавковых ЧЭ, разрабатываемых в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ имени академика В.И.

Кузнецова», что подтверждено актом внедрения. Магнитные экраны,являющиеся частью предложенной в работе модернизации гироскопических при-14боров, предназначены минимизировать влияние магнитных полей от токов, протекающих в нагревательных элементах системы термостатирования, на ферромагнитные массы поплавка и повысить стабильность нулевого сигнала ЧЭ. Такжерезультаты работы рекомендованы к использованию при разработке перспективных систем ориентации на базе прецизионных поплавковых гироскопических ЧЭдля космических аппаратов различного класса.Личный вклад автораРазработал аналитическую тепловую модель ЧЭ с СТС, позволяющую проводить расчёт работы СТС в динамическом и установившемся режимах; провёлэкспериментальные исследования измерительного канала ГИВУС с предложенной СТС, выполнил анализ полученных результатов, получил оценку взаимосвязипараметров СТС с точностью прибора; для достижения требуемых точностныххарактеристик ГИВУС разработал специальный алгоритм работы 1-го контураСТС с адаптируемой температурой настройки.Апробация работыОсновные положения диссертационного исследования были доложены иобсуждались на:– V Общероссийской молодёжной научно-технической конференции «Молодёжь.

Техника. Космос» БГТУ им. Д.Ф. Устинова (Санкт-Петербург, 2013);– VII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2014);– ХX научно-технической конференции молодых учёных и специалистовПАО «РРК «Энергия» им. С.П. Королёва» (Королёв, 2014);– XXXIX и XL академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти С.П. Королёва и других выдающихся отечественных учёных – пионеров освоения космического пространства МГТУ им. Н.Э.

Баумана (Москва, 2015, 2016).15ПубликацииОсновные результаты диссертации опубликованы в 13 научных работахобщим объемом 2,19 п.л, в том числе в 4 статьях в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.Автор выражает благодарность своему научному руководителю, сотрудникам кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации МГТУим. Н.Э. Баумана и сотрудникам филиала ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ имениакадемика В.И. Кузнецова», в особенности А.А. Волынцеву, Б.А. Казакову,И.Е. Шустову, В.И. Москвитину, В.В.

Козлову, И.В. Костюкову за поддержку ипомощь в научной работе.16Глава 1. Гироскопические приборы для измерения вектора угловой скоростикосмических аппаратов1.1 Типы гироскопических измерителей вектора угловой скоростиСовременная космическая отрасль с течением времени расширяет кругисвоей исследовательской деятельности, в том числе усложняются задачи решаемые КА. Перспективной задачей для КА типа космических обсерваторий являетсяэкспонирование снимков определённой области космического пространства длительностью до 10 часов. При этом необходимо обеспечить требуемую ориентацию КА с точностью 0,1 угл.с, а чтобы качество экспонированных снимков оказалось достаточно чётким, амплитуда колебаний КА в инерциальном пространствене должна превышать 0,03 угл.с. Для решения поставленной задачи ориентацииот контура управления КА, включающего в себя ГИВУС, требуются наведениеоптической оси телескопа в заданную область космического пространства с точностью 2500 угл.с и стабилизация угловой скорости КА до значения 10-4 – 10-5 °/с.Затем при помощи более точного контура управления КА, содержащего системудатчиков гида, осуществляется наведение и гидирование КА с точностью0,01 угл.с [8, 9, 73, 74].При использовании ГИВУС в контуре системы ориентации и стабилизацииКА дистанционного зондирования Земли, во время съёмки района земной поверхности КА должен быть ориентирован с точностью порядка 1 угл.мин и стабилизирован с точностью 10-3 – 10-5 °/с [38, 59, 72].Для выполнения представленных задач ориентации и стабилизации КА дистанционного зондирования Земли и космических обсерваторий, ГИВУС должениметь стабильность нулевого сигнала не хуже 0,002 °/ч.Основным параметром классификации ГИВУС является тип его чувствительных элементов, которые определяют точность прибора.В настоящее время наибольшее распространение получили следующие чувствительные элементы: волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), динамически17настраиваемые гироскопы (ДНГ), микромеханические вибрационные гироскопы(ММВГ) и поплавковые интегрирующие гироскопы.Приборы на волоконно-оптических гироскопахВОГ представляет собой длинный волновод в виде катушки оптическоговолокна и источника излучения.

Принцип действия ВОГ основан на эффектеСаньяка, который состоит в том, что разность фаз двух световых волн, распространяющихся по замкнутому контуру в противоположных направлениях, привращении контура вокруг оси, нормальной к его плоскости, пропорциональна угловой скорости вращения контура, который обходят встречные волны. При этом,чем больше длина оптического волокна, тем больше будет чувствительность ВОГк входной угловой скорости [10, 11].Приборы, построенные на ВОГ, обладают точностью порядка 10-2 – 10-3 °/ч[2], диапазоном измерения до 102 °/с и имеют следующие достоинства:- малое энергопотребление порядка 6 Вт на один измерительный канал;- высокая линейность на всем диапазоне измерения;- высокая прочность конструкции, позволяющая выдерживать механическиеперегрузки;- большой ресурс ввиду отсутствия подвижных механических частей;- возможность создавать ряд приборов различной точности (соответственнос различной массой и габаритами) за счет изменения длины волокна ВОГ.Наряду с достоинствами можно также выделить следующие недостатки,присущие приборам на ВОГ [75]:- влияние механических и акустических вибраций, а также ускорений имагнитных полей на точность измерения;- наличие зоны нечувствительности при малых угловых скоростях, котораятребует дополнительных алгоритмических или технических средств для ее минимизации;- зависимость точностных характеристик от температурных градиентов вобъеме катушки ВОГ;- зашумленность выходной информации;18- большие габариты и масса порядка 15 кг (для точных приборов), обусловленные габаритно-массовыми характеристиками катушек ВОГ.Таким образом, приборы, построенные на ВОГ, пока еще являются измерителями среднего класса точности и не применимы для высокоточной стабилизации КА.