Диссертация (1026291), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В перспективе с развитием технологии производства ВОГ можно ожидать повышение их класса точности и приближение приборов, построенные на ихбазе, по величине стабильности нулевого сигнала, к поплавковым гироскопическим приборам [76].Приборы на динамически настраиваемых гироскопахДНГ представляет собой трехстепенной гироскоп с вращающимся внутренним упругим кардановым подвесом. В отличие от трехстепенного гироскопа с наружным кардановым подвесом двигатель ДНГ расположен на корпусе прибора.Упругий подвес ДНГ обеспечивает кинематическую связь ротора с двигателем пооси собственного вращения и две степени свободы углового движения относительно вала двигателя и соответственно две оси чувствительности ДНГ. Роторможет вращаться вокруг своей оси, как в шарикоподшипниковой опоре, так и сиспользованием газодинамической опоры [17, 18, 66].Применение в ДНГ упругого карданова подвеса исключает сухое трение вопорах подвеса, что повышает его точность.
При вращении ротора с подвесом упругие моменты подвеса компенсируются центробежными инерционными моментами кольца подвеса, что приближает ДНГ к свободному гироскопу. Эта компенсация обеспечивается при определенной скорости собственного вращения гироскопа, поэтому он называется динамически настраиваемым [6].Измерители угловой скорости, построенные на ДНГ, имеют точность порядка 10-1 – 10-2 °/ч [2], диапазон измерения до 102 °/с и им присущи следующиедостоинства:- возможность применения ДНГ с газодинамической опорой ротора, чтосущественно повышает ресурс прибора по сравнению с шарикоподшипниковыманалогом;19- средняя себестоимость среди приборов построенных на ВОГ, ММВГ иПИГ и относительно простая технология изготовления;- две оси чувствительности для каждого ДНГ;- относительно малые габариты и масса до 5 кг;У приборов на ДНГ есть следующие недостатки:- зависимость точностных параметров от температуры и температурныхградиентов;- невысокая вибропрочность и нагрузочная способность ДНГ (необходимавиброзащита);Устранение приведенных недостатков приборов на ДНГ существенно сказывается на их габаритно-массовых характеристиках, а точность приборов не позволяет их использовать в составе бортовых комплексов управления космическихаппаратов, рассматриваемых в настоящей работе и требующих высокоточнуюстабилизацию.
Тем не менее, приборы на ДНГ активно применяются в КА менеетребовательных к ГИВУС, например, на спутниках навигации серии "ГЛОНАСС",спутниках связи и телерадиовещания серии "ЭКСПРЕСС" [19].Приборы на микромеханических вибрационных гироскопахММВГ строится на базе кремниевого кристалла с помощью технологиитравления и представляет собой чувствительный элемент (инерционную массу) вупругом подвесе, имеющий две степени свободы и совершающий по этим осямпоступательные или угловые механические колебания.
Система возбуждения соспециальным приводом создаёт колебания чувствительного элемента гироскопа,которые называются первичными или колебаниями по оси возбуждения. Вращение основания ММВГ с абсолютной угловой скоростью приводит к возникновению кориолисовых сил инерции, разворачивающих вектор колебаний чувствительного элемента в плоскости, перпендикулярной измеряемой угловой скорости.В результате возникают так называемые выходные (вторичные) колебания чувствительного элемента или колебания по оси съема. Выходной сигнал гироскопаопределяется по параметрам выходных колебаний чувствительного элемента иимеет гармонический вид [20, 41].20Основные достоинства приборов на базе ММВГ:- малый вес и размеры;- малая потребляемая мощность;- высокая механическая прочность;- большой температурный диапазон работы – от минус 40 до +80 °С;- большой диапазон измерения – до 500 °/ч [2];- низкая стоимость.Приборы на базе ММВГ обладают следующими недостатками:- невысокая точность до 2,5 ˚/ч [16];- зашумленность выходной информации.Таким образом, при наличии ряда достоинств, ММВГ имеют невысокуюточность и приборы, построенные на их базе, используются в системах управления, в качестве дополнительных источников информации [77].Приборы на поплавковых интегрирующих гироскопахОсновным чувствительным элементом высокоточных ГИВУС являетсядвухстепенный поплавковый интегрирующий гироскоп.
Подвижная часть ПИГпредставляет собой быстровращающийся ротор в кожухе, закреплённом в герметичной поплавковой камере. Камера располагается в герметичном корпусе, заполненном жидкостью на основе перфторполиэфиров, обладающей высокойплотностью и вязкостью, и во время работы гироскопа находится в состоянии нулевой плавучести [1, 5, 6].Основными преимуществами современных ГИВУС на ПИГ являются:- высокая точность – случайная составляющая скорости дрейфа порядка10-3 – 10-4 °/ч;- большой ресурс – 15 лет (при использовании ПИГ с газодинамическойопорой ротора);- малая дискретность выходной информации порядка 10-3 угл.с;- виброустойчивость.Приборы на базе ПИГ имеют и ряд недостатков:- малый диапазон измерения до 2 °/с;21- большая масса до 13 кг;- большое энергопотребление в диапазоне от 60 до 100 Вт;- зависимость точностных параметров от внешней температуры;- время точностной готовности порядка 3 часов;- сложность изготовления и высокая себестоимость ЧЭ;Указанные недостатки приборов на ПИГ не являются существенными длясферы их применения: в составе бортовых комплексов управления КА, для которых необходимы высокая точность угловой ориентации, стабилизации КА прискорости управления не превышающей 2 °/с.В целом, во всех конструкциях российских прецизионных ГИВУС былиприменены 3 модификации поплавковых ЧЭ, разработанных в филиале ФГУП«ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ имени академика В.И.
Кузнецова» - КИ99-110, КИ79-132,КИНД99-003, которые представлены на Рис. 1.1 [7].К И 9 9 -1 1 0К И 7 9 -1 3 2К И Н Д 9 9 -0 0 3ПрименениеП р и м е н евнприборах:ие в БИ Б:К И 3 4 -2 АК И 3 4 -3К И 3 4 -6 АК И Н Д 3 4 -0 1 1К И Н М 3 4 -0 0 1К И Н Д 3 4 -0 2 0К И Н Д 3 4 -0 2 7К И Н М 3 4 -0 0 2Рис. 1.1. Разновидность поплавковых ЧЭ и их применениеЭволюция характеристик поплавковых ЧЭ с течением времени и приборов,построенных на их основе, представлена на Рис.
1.2 [7], где также показана последняя модификация ЧЭ – КИНД99-003М, имеющая ряд доработок, позволяющих увеличить диапазон измерения разрабатываемых прецизионных ГИВУС [42].22Поплавковый ЧЭ типа КИНД99-003 имеет показатель отношения величиныдиапазона измеряемой угловой скорости к «чувствительности», близкий к 106, чтоотносит его к измерительным приборам высокого класса точности [24]. Поэтомуданный тип гироскопа является оптимальным вариантом для создания ГИВУС сповышенной точностью, за счёт совершенствования СТС, предназначенного длясовременных и перспективных КА.δω, °/чКИ79-132КИ99-110ВКИНД99-003КИНД99-003МВес = 550 гВес = 550 г0,030,01Вес = 1150 гВес = 850 г0,0030,0021980-1990 г.г.1997 г.2003 г. Времясоздания ЧЭРис. 1.2. Совершенствование характеристик поплавковых ЧЭ иприборов построенных на их основеδω – стабильность нулевого сигнала приборов1.2 Технические особенности систем термостатирования современныхпрецизионных ГИВУСНа сегодняшний день самыми точными ГИВУС серийно производимыми вРоссийской Федерации являются приборы типа КИНД34-020 и его модификации,разработанные в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ имени академика В.И.Кузнецова» и используемые в составе КА серий «Ямал», «Экспресс», «Спектр»,«Электро» и на российском модуле «Звезда» международной космической станции [43].
Основными элементами прибора являются четыре поплавковых ЧЭ –двухстепенные интегрирующие гироскопы с газодинамической опорой ротора исистемой магнитного центрирования поплавка. Особенностью ЧЭ является зави-23симость его точностных параметров, в частности стабильности нулевого сигнала,от температуры корпуса. Одной из основных причин влияния температуры наточность гироскопа является наличие в нём жидкости, которая меняет свои физические характеристики в зависимости от изменения температуры.
Температурныеградиенты в слое жидкости вызывают конвекционные потоки и соответственновозмущающие моменты вокруг выходной оси гироскопа, влияя на величину нулевого сигнала. Также изменение температуры сказывается на деформации корпусаЧЭ, что также влияет на перемещение жидкости [1].Система термостатирования, применённая в приборе КИНД34-020 обеспечивает точность поддержания температуры ЧЭ на уровне 0,1 °С при изменениитемпературы под основанием прибора в диапазоне от 0 до +35 °С, что обеспечивает стабильность нулевого сигнала ГИВУС на уровне 0,005 °/ч [72].В статье [7] приводится пример реализации СТС прибора КИНД34-020, которая является двухконтурной и служит для точного поддержания температурыЧЭ.
В подобных системах помимо основного контура, который термостабилизирует температуру ЧЭ, имеется внешний контур, обеспечивающий минимальноеизменение температуры элементов конструкции вокруг ЧЭ. Схема компоновкиприбора с подобной СТС представлена на Рис. 1.3.поплавковыеЧЭгерметичныйкожухоснование блокачувствительныхэлементовэлектронныеустройстватеплоразвязы-тепловойэкранвающие опоры ЧЭэлементы Пельтьекорпустеплопроводящаяпаста«теплоотводящееоснование КАРис.
1.3. Схема компоновки ГИВУС КИНД34-020Первый контур термостатирует общее основание, на котором размещаютсячетыре ЧЭ в два яруса, а вся конструкция закрывается тепловым экраном, образуяблок чувствительных элементов. Рабочая температура контура +50 °С со стабиль-24ностью поддержания 1 °С. Исполнительными элементами СТС основания являются охладители твердотельные термоэлектрические (элементы Пельтье), работающие релейно в режиме нагрева при внешней температуре от 0 до +20 °С и врежиме охлаждения при внешней температуре от +20 до +35 °С.Второй контур термостатирует индивидуально каждый ЧЭ и состоит издвух нагревательных элементов работающих в двух режимах:- форсированном при начальном разогреве прибора;- линейном в установившемся режиме на рабочей температуре +60 °С состабильностью поддержания 0,1 °С.Коммутацию между этими режимами обеспечивает блок реле.Недостатками конструктивного исполнения и построения тепловой системыприбора КИНД34-020 являются:- тепловое взаимовлияние ЧЭ, проявляющееся при включении и выключении одного из четырех измерительных каналов прибора, так как все ЧЭ закреплены на общем термостатируемом основании;- отказ первого контура термостатирования приводит к нештатной работевторого контура термостатирования всех ЧЭ прибора;- недостаточная технологичность монтажа-демонтажа конструкции не позволяющая в случае необходимости обеспечить оперативную замену ЧЭ, так какпотребуется демонтировать из прибора блок чувствительных элементов, содержащий все четыре ЧЭ;- влияние релейного режима работы исполнительных элементов первогоконтура СТС на выходную информацию измерительных каналов;- наличие элементов Пельтье, со свойственными им недостатками, описанными во введении.1.3 Постановка задач исследованияДля выполнения космическими аппаратами дистанционного зондированияЗемли и космическими обсерваториями своих целевых задач (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
