Диссертация (1090422), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Этот способ фиксациизаготовок на приспособлениях при соответствующей точности последних позво-7ляет получать поверхности с отступлением от плоскостности N ≤ 0,1; ΔN ≤ 0,05, аих взаимное расположение выдерживается с точностью до 0,5 – 1,0’’.В настоящее время оптический контакт применяют также для соединения оптических деталей в узлы вместо склеивания в тех случаях, где необходимо исключить влияние клеящего слоя на оптические характеристики сборки, или там,где применение клея нежелательно из-за больших деформаций соединяемых клеем поверхностей.Для осуществления соединения подобным способом сопрягаемые поверхности должны удовлетворять достаточно жестким требованиям [4]: шероховатостьRz должна быть не более 0,05 по ГОСТ 2789-73 [5], чистота – не ниже III классапо ГОСТ 11141-84 [6].
Допустимые отклонения соединяемых поверхностей отплоскостности составляют: при диаметре соединяемых поверхностей 10-20 ммобщая ошибка N - 0,2 кольца (длина волны λ=0,6328 мкм), при диаметре 20-100мм – N = 0,3 кольца, при диаметре 100-250 мм – N = 0,5 кольца. Значение локальной неплоскостности ∆N не должно превышать 0,1 кольца.В реальности для контроля величины шероховатости поверхности в мире более распространено использование значения δ (rms) – среднеквадратичной шероховатости [7], которая рассчитывается по формуле (1):2 = √ ∙ ∑=1 (1)В этом случае профиль поверхности определяется вдоль линии длиной L.
Эталиния определяет средний уровень поверхности таким образом, что площади,ограниченные профилем, лежащие выше и ниже этой линии, оказываются равными друг другу. N – количество дискретных точек, расположенных на одинаковомрасстоянии вдоль линии L, в которых проводится измерение величины расстоянияZi от точек поверхности до среднего уровня поверхности.В настоящее время значение δ составляет величину порядка нескольких ангстрем. Что касается оптической чистоты, то при производстве ЛГ используют оп-8тические детали, поверхности которых удовлетворяют требованиям не ниже IIкласса. Требования к неплоскостности поверхностей могут составлять для некоторых оптических элементов до N/∆N = 0,7/0,5 кольца.Перед посадкой на ОК поверхности корпуса и соединяемых с ним зеркал иблока электродов, удовлетворяющие указанным выше требованиям, подвергаютхимобработке, затем очищенные поверхности соединяют с незначительным усилием.
При сближении поверхностей на расстояние в несколько десятков ангстремони прочно соединяются за счет сил молекулярного сцепления.Механическая прочность соединения составляет для оптических стекол от0,4 до 0,8 МПа. Зависит она от большого числа факторов, основными из которыхявляются чистота соединяемых поверхностей, физико-химические свойства поверхности, точность формы, качество обработки, длительность хранения соединения. Очевидно, что для обеспечения надежности ЛГ прочность ОК нужно повышать, для чего необходимо понимать физико-химическую модель соединения изнать, что происходит с оптическим контактом при воздействии повышенныхтемператур.Применяемая на оптических предприятиях России технология изготовлениякорпусов и оптических элементов лазерных гироскопов, включая материал, разрабатывалась и внедрялась в 70-х годах прошлого века.
Все составляющие технологии основывались на достижениях по материаловедению и оборудовании тоговремени, что сегодня накладывает некоторые ограничения при создании высокоточных и перспективных систем наведения и самонаведения.Создание современных высокоточных систем наведения и самонаведениялетательных аппаратов на базе ЛГ требует разработки технологии изготовлениякорпусов и других оптических деталей лазерных гироскопов с использованиемстеклокерамического материала со специальными свойствами, а также предъявляет повышенные точностные требования к геометрическим и оптическим параметрам вышеуказанных корпусов и деталей, обеспечивающим длительное время ихнепрерывной и стабильной работы в широком интервале температур.9Увеличение времени работы ЛГ может быть достигнуто сочетанием нескольких решений, важнейшим и определяющим из которых является использование в ЛГ стеклокерамического материала с ультранизким температурным коэффициентом линейного расширения.Применяемый в настоящее время ведущими фирмами России материал - ситалл СО-115М в качестве конструкционного в связи с возрастающими требованиями к системам наведения и самонаведения по точности, долговечности, временинепрерывной работы перестал удовлетворять по таким параметрам как свильность, однородность и пузырность.
Кроме того, диапазон изменения ТКЛР в интервале температур от минус 60°С до 100°С слишком велик для работы ЛГ в одномодовом режиме, к тому же направление изменения ТКЛР в рассматриваемомтемпературном диапазоне меняет знак, причем точка перехода через ноль колеблется от минус 60°С до 80°С в зависимости от партии ситалла.При производстве датчиков ЭК-104 ЛГ для их стабильной и долговременной работы ТКЛР материала должен быть стабильным, а его изменение должнобыть сведено к минимуму при изменении температуры от минус 60°С до 100°С.Подобный материал производят и поставляют на рынок несколько крупныхфирм в мире, это Zerodur фирмы Sсhott (Германия), Clearceram фирмы OHARA(Япония), ULE фирмы Corning и СО-115М производства АО "ЛЗОС" (Россия).В диссертации рассмотрены конструкционные материалы, отвечающие современным требованиям лазерной гироскопии, которые применяются отечественными и зарубежными фирмами при изготовлении лазерных датчиков.При выборе материала руководствуются следующими критериями, удовлетворяющими требованиям производства лазерных гироскопов:- ультранизкий ТКЛР для компенсации температурных уходов оптическогопериметра резонатора;- низкая газопроницаемость для обеспечения вакуумной плотности и герметичности внутреннего объема резонатора;- коэффициент пропускания для рабочих длин волн лазера должен превышать 80 % для обеспечения устойчивой генерации в резонаторе;10- химическая стойкость к агрессивным жидкостям для обеспечения возможности качественной очистки оптических поверхностей резонатора от полирующих композиций;- высокая твердость для обеспечения возможности качественной полировкиповерхности с прецизионной точностью.В диссертации подробно рассмотрена проблема влияния ТКЛР конструкционных материалов на технологические и эксплуатационные характеристики кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ) на основе датчика ЭК-104С.
Одним из основных проявлений негативного влияния температурного расширения материаловявляется случай нарушения соединения оптических элементов резонатора в результате температурного прогрева, входящего в технологический процесс изготовления датчика, из-за разности ТКЛР соединяемых деталей, поскольку при относительно массовом производстве ЛГ трудно обеспечить ситуацию, когда однаиз соединяемых поверхностей (корпус) и другая (например, зеркало) были бы изготовлены из ситалла одной варки, имеющего близкий ТКЛР. Такое нарушениеведет к разгерметизации внутреннего объема датчика и, следовательно, к нарушению генерации лазерного излучения.
В этом случае многие операции приходитсяпроводить заново, что существенно увеличивает время и стоимость изготовленияКЛГ.Другим проявлением является изменение длины оптического периметра резонатора в результате самопрогрева прибора и изменения окружающей температуры. Даже использование средств активной термокомпенсации, представляющейсобой систему с обратной связью, основными исполнительными элементами которой являются пьезокорректирующие устройства, не позволяет полностью нивелировать температурные приращения периметра. В случае превышения возможностей активной компенсации происходит кратковременное нарушение лазернойгенерации (пока система не изменит длину периметра на одну длины волны).
Такие нарушения недопустимы в современных ЛГ. Для квадратного лазерного гироскопа со стороной 4 см с использованием датчика ЭК-104С необходимая точностьподдержания длины периметра резонатора во всем интервале температур не пре-11вышает десяти ангстрем [8]. Поэтому при исследовании ТКЛР оптических ситаллов будет уместно определить его влияние на тепловые уходы длины периметрарезонатора лазерного гироскопа с целью создания более эффективной пассивнойтермокомпенсации.Исходя из вышеизложенного, тематика диссертационной работы определилась следующими задачами:1)определение влияния различных параметров поверхности и материалаоптических элементов на качество ОК и рассмотрение методов, улучшающих качество соединения;2)исследование ТКЛР используемых и перспективных материалов длялазерной гироскопии, в том числе с целью создания наилучшей пассивной термокомпенсации;3)разработка конструкции пьезокорректирующего устройства с элемен-тами пассивной термокомпенсации для парирования температурных приращенийоптического периметра ЛГ при использовании различных конструкционных материалов.Научная новизна результатов диссертации1)Определены допустимые значения разности температурных коэффи-циентов линейного расширения материалов оптических элементов при соединении корпуса датчика с прецизионными зеркалами для различных величин прочности оптического контакта, с целью обеспечения надежной работы прибора в широком интервале температур, и показаны пути улучшения качества соединения.2)Исследованы параметры ситалла СО-115М, используемого в серий-ном производстве ЛГ, в частности, ТКЛР, и показано, что разность средних значений ТКЛР для образцов из различных партий в интервале рабочих температурприбора (от минус 60 до 90°С) может превышать 5·10-7 1/°С, при этом точка изменения знака ТКЛР материала варьируется в диапазоне от минус 60 до 80°С, ипоказана острая необходимость разработки нового отечественного конструкционного материала для лазерной гироскопии.123)Разработана новая конструкция блока пьезоэлектрического с пассив-ной термокомпенсацией, который совместно с использованием стеклокристаллического материала с определенным видом температурной зависимости обеспечивает стабильную работу прибора в течение 4-х и более часов в широком интервале рабочих температур.Защищаемые положения1.Исследованы и определены параметры технологических процессов ихарактеристики сопрягаемых оптических поверхностей для обеспечения необходимой прочности ОК при изготовлении резонаторов ЛГ.2.Разработанный комплекс дополнительных требований к параметрамматериалов, используемых в лазерной гироскопии, позволил выбрать, опробоватьи рекомендовать к применению альтернативный конструкционный материал дляпроизводства ЛГ, а именно, Clearceram-Z Regular, фирмы OHARA (Япония), атакже содействовать разработке нового отечественного конструкционного материала.3.Модернизированный и опробованный в производстве метод пассив-ной компенсации температурных приращений периметра резонатора ЛГ обеспечивает непрерывную работу прибора без переключения моды во всем интервалерабочих температур.Практическая ценность результатов работы1.Внедрена в производство инструкция входного контроля основногоконструкционного материала для производства ЛГ.2.Рекомендован к применению в выпускаемых датчиках новый кон-струкционный материал Clearceram-Z Regular для производства оптических элементов ЛГ.3.Результаты работы позволили разработать техническое задание (ТЗ)для создания нового отечественного конструкционного материала, удовлетворяющего современным требованиям, предъявляемым к ЛГ, на основе которого была13поставлена и успешно завершена ОКР «Ситалл-ЛГ» с бюджетным финансированием на Лыткаринском заводе оптического стекла.4.Разработана конструкция термокомпенсирующего блока пьезоэлек-трического, который совместно с использованием нового конструкционного материала Clearceram-Z Regular или вновь разработанного в рамках ОКР «СиталлЛГ» отечественного материала обеспечил режим работы прибора без смены модыво всем интервале рабочих температур.5.Увеличено время непрерывной работы кольцевого лазерного гироско-па ЭК-104С в одномодовом режиме до четырех часов и более при сохраненииточностных параметров прибора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
