Диссертация (1026019), страница 4
Текст из файла (страница 4)
3. 20-. 4.,120Рисунок 1.6. Конструкция волнового твердотельного гироскопа разработкиОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»:1 – встроенный насос; 2 – одинарный гермоввод; 3 – внутренний корпус;4, 8 – электроды возбуждения; 5 – электроды для считывания информации;6 – наружный корпус; 7 – резонатор; 9 – кожух; 10 – коаксиальный гермовводЭлектроды системы съёма информации служат датчиками положенияпучностей стоячей волны на резонаторе. Соответствующая обработка сигналовэтих датчиков позволяет получать информацию о вращательном движенииоснования резонатора.Привращенииоболочкикартинастоячихволнповорачиваетсяотносительно неё с некоторой угловой скоростью, которая является функциейскорости вращения резонатора.
Зная время, за которое произошёл поворот,можно вычислить угол поворота, скорость и ускорение вращения объекта. Всоответствии с этим в различных гироскопических системах ВТГ работают какв режиме измерения угловой скорости (ВТГ-ДУС), так и в режимеинтегрирующего гироскопа (ВТГ-ИГ).От различных типов вибрационных гироскопов ВТГ отличает тот факт,что для выработки сигнала измерительной информации используется не тот21или иной отдельный параметр колебательного процесса чувствительногоэлемента (например, амплитуда колебаний), а свойства волн в целом, и, вотличие от волн электромагнитного характера, используемых в лазерныхгироскопах, эти волны возникают в упругом теле [17].Важным преимуществом ВТГ перед механическими гироскопамиявляется то, что ему не требуется времени на раскрутку чувствительногоэлемента. При этом, поскольку сам УЧЭ волнового твердотельного гироскопане вращается, не происходит затрат энергии на преодоление трения в опоре.Также, благодаря высокой добротности УЧЭ, он способен сохранятьинерциальную информацию о поведении объекта в течение нескольких минут вслучае аварийного отключения системы возбуждения.Преимущества ВТГ обусловили их чрезвычайно широкое применение,прежде всего, в космических исследованиях [18 – 28].
В частности, ВТГиспользуются в качестве датчиков угловой скорости в прецизионной системеуправления космическим телескопом Hubble [28], в бортовых навигационныхкомплексах межпланетного аппарата CASSINI (полёт к Сатурну) [28],MESSENGER (полёт к Меркурию) и спутников связи [28]. По данным NorthropGrummanCo.[29],волновыетвердотельныегироскопыуспешноэксплуатируются в системах более 145 космических аппаратов различногоназначения, наработав без отказов 30 млн гиро-часов в условиях космическогопространства, в том числе Дальнего космоса.В целом, всё более широкое применение ВТГ обусловлено следующимиего основными достоинствами:− низкиетребованиякобслуживаниювследствиевращающихся частей;− малая чувствительность к линейным перегрузкам;− компактность и малый вес;− низкое энергопотребление;− малое время готовности;− широкий диапазон рабочих температур;отсутствия22− устойчивость к прерыванию подачи электропитания;− высокая надёжность;− высокая радиационная стойкость;− высокое отношение точность/стоимость.Эти качества весьма востребованы, например, в морских приложениях,где также чрезвычайно большое значение имеет долгий срок службы приборов,не требующих специального техобслуживания.
В морской навигации ВТГможет применяться в следующих устройствах [16]:− компасы(спецификацииМеждународнойгидрографическойорганизации),− гирогоризонткомпасы разных классов точности,− инерциальные навигационные системы разных классов точности.Область применения волновых твердотельных гироскопов постояннорасширяется. Так, в последние годы в России и других странах увеличиваетсяобъём бурения горизонтальных и наклонных газовых и нефтяных скважин,проходка которых требует периодических замеров их кривизны. Измерениетраектории скважины кабельными инклинометрами трудоёмко и требуетнескольких часов на их спуск и подъём. Использование встроенного в буровуюколонну инклинометра позволяет определять траекторию скважины, непрерывая процесс бурения [30 – 32].
Измерение угловой ориентации скважиныосуществляется периодически, во время остановок буровой колонны приустановкенаращивающейдлинутрубы.ПрименениеВТГвсоставегироскопического инклинометра обеспечивает выполнение измерений вусловиях относительно высоких перегрузок, температур, сильных вибраций(включаяслучайные)иограниченногопространства(прибордолженпомещаться в трубу диаметром 38 – 42 мм) [30 – 37]. Также, в отличие отферрозондовых преобразователей, измеряющих проекции вектора магнитногополя Земли, волновой твердотельный гироскоп не чувствителен к егоискажению, вызванному использованием труб из магнитомягких материалов,ферромагнитными аномалиями и т.п.23Развитиескоростногожелезнодорожноготранспортасделалонеобходимым применение инерциальных систем в составе аппаратуры вагоновпутеизмерителей [38].
Цель системы контроля деформации рельс состоит вопределении угла деформации рельс и относительного положения стрелыпрогиба каждой рельсовой нити. Система безопасности для предотвращенияаварий на железной дороге может быть основана на системе спутниковойнавигации, устанавливаемой на локомотивах. Однако точность работыкомбинированной системы (спутниковой и ВТГ) выше, чем точность каждой изних по отдельности. Также ВТГ является единственным источникоминформации в зонах, где теряется сигнал, получаемый от спутников (тоннели иглубокие выемки) [38].Из приведённых примеров видно, что волновой твердотельный гироскоп,обладающий рядом преимуществ перед другими типами гироскопов, находитвсё более широкое применение в самых высокотехнологичных и ответственныхтехническихсистемах.Всвязисэтимужесточаютсятребованиякдинамическим рабочим характеристикам ВТГ.
Эти требования тем болеевысоки, что при современном состоянии электронной техники преобразованиеинформации, выдаваемой чувствительным элементом, может быть выполненопрактически с любой степенью точности, следовательно, качество всейсистемы (прибора) ограничивается, главным образом, качеством упругихэлементов датчиков первичной информации.1.2. Современные требования к точности работы оболочечныхчувствительных элементов волновых твердотельных гироскоповИз приведённых выше примеров видно, что волновые твердотельныегироскопы используются, как правило, в весьма ответственных системах,работающих, к тому же, в тяжёлых внешних условиях.По данным американских источников ВТГ широко применяются длянавигации воздушных судов, стратегических ракет, подземной навигации прибурении скважин, стабилизации коммуникационных спутников, прецизионного24целеуказания и навигации при полётах в Дальний космос [28, 39, 40].Унифицированные инерциальные навигационные блоки на базе ВТГ сталидатчиками «предпочтительного выбора» для всех наиболее сложных идорогостоящих космических полётов [28, 41, 42].Это определяет чрезвычайно высокий уровень требований к качествуВТГ, важнейшим показателем которого является точность.
При этом, как ужеотмечалось, само понятие точности измерительного преобразователя имеетпрактический смысл только в связи с теми или иными конкретными условиямиэксплуатации. Другими словами, задача достижения требуемого уровняточности, в сущности, эквивалентна задаче обеспечения так называемойметрологической надёжности, которая определяется как способность элементасохранять требуемый уровень точности в данных условиях эксплуатации [43 –45].Рассмотрим несколько примеров, наглядно характеризующих уровеньсовременныхтребованийкточностиответственныхинформационно-измерительных систем на базе ВТГ.Чрезвычайно высокими метрологическими характеристиками должныобладать чувствительные элементы ВТГ, используемых в ракетной икосмическойтехнике.Так,погрешностьнаведениянаобъектужеупоминавшегося комического телескопа Hubble не должна превышать ±0,01”[28, 46]. При этом, азимутальное отклонение оси телескопа от направления наобъект не должно выходить за пределы ±0,007” в течение 24 часов [28].При осуществлении полёта к Марсу зонда планеты, запускаемого спролётного космического корабля, среднеквадратичное значение ошибкиопределениянаправлениявектораскоростиаппаратанедолжнопревосходить 5” [47].Важно заметить, что от точности навигации космического аппаратазависит не только выполнение программы полёта, а в случае пилотируемогоаппарата – и безопасность экипажа, но и материальные затраты наосуществление полёта.
Повышение точности навигации может существенно25сказаться, например, на расходе энергии бортовых источников космическогоаппарата, не говоря об экономии топлива за счёт возможного сокращениявремени работы двигательной установки при выполнении коррекции. Этоособенно важно при осуществлении полётов в Дальний космос. Так, приуменьшении ошибки ориентации антенны космического аппарата с 0,5° до 0,1°достигается усиление 3,3 дБ, что эквивалентно снижению потребления энергиив 2,1 раза.
Разумеется, указанное уменьшение ошибки ориентации связано созначительными затратами, которые, однако, окупаются за счёт существеннойэкономиибортовыхэнергоресурсов.Вообще,следуетотметить,чтоэффективность капитальных вложений, направляемых на совершенствованиепервичных датчиков навигационных систем, весьма высока [48]. С этим внемалой степени связан опережающий рост требований к точности инадёжности таких датчиков.Таким образом, современная техника предъявляет чрезвычайно высокиетребования к точности информационно-измерительных систем на базе ВТГ.Суммируя эти требования применительно к упругим чувствительнымэлементам ВТГ, можно утверждать, что такие элементы в наиболееответственных и дорогостоящих навигационных системах при весьма сложныхусловиях эксплуатации должны обеспечивать точность порядка 10-3 – 10-4градуса в час (°/час) и вероятность отказа не более одной тысячной принепрерывной работе в течение не менее 15 лет [28, 49, 50].Для того, чтобы устанавливать объективные количественные требованияк точности резонаторов в динамических режимах работы, необходимоформализоватьсамиэтипонятия,ввестисистемуколичественныххарактеристик (критериев) динамической точности гироскопа.Как отмечалось выше, практический смысл понятий точности иметрологической надёжности, по существу, одинаков, следовательно такиехарактеристики могут одновременно служить критериями метрологическойнадёжности измерительных преобразователей.Упругий чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа26осуществляетизмерительноепреобразование,врезультатекоторогоустанавливается взаимно однозначное соответствие между входным сигналом(угол или угловая скорость поворота основания) и выходным сигналомизмерительной информации, в качестве которого выступает угол или угловаяскорость поворота упругой волны.
Функциональная зависимость, связывающаявходнойивыходнойтарировочнойсигналы,является,характеристикойпосуществу,измерительногосвоеобразнойпреобразователя,определяющей в решающей мере его метрологические характеристики.Важнейшая задача проектирования УЧЭ ВТГ состоит в обеспечениистабильности его тарировочной характеристики и минимизации влияния на неёразличных технологических и эксплуатационных факторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
