stringtranslate.com

Гироскоп с полусферическим резонатором

Гироскоп с полусферическим резонатором (HRG)

Гироскоп с полусферическим резонатором (HRG), также называемый гироскопом-рюмкой или грибовидным гироскопом , представляет собой компактный, малошумный, высокопроизводительный датчик угловой скорости или вращения. HRG изготавливается с использованием тонкой твердотельной полусферической оболочки, закрепленной на толстом стержне. Эта оболочка приводится в изгибный резонанс электростатическими силами, создаваемыми электродами, которые нанесены непосредственно на отдельные структуры из плавленого кварца, окружающие оболочку. Гироскопический эффект достигается за счет инерционного свойства изгибных стоячих волн. Хотя HRG является механической системой, он не имеет движущихся частей и может быть очень компактным.

Операция

HRG использует небольшую тонкую твердотельную полусферическую оболочку, закрепленную толстым стержнем. Эта оболочка приводится в изгибный резонанс специальными электростатическими силами, генерируемыми электродами, которые нанесены непосредственно на отдельные плавленые кварцевые структуры, окружающие оболочку.

Для цельной конструкции (т. е. полусферическая оболочка и стержень образуют монолитную часть [1] ), изготовленной из высокочистого плавленого кварца , можно достичь добротности более 30-50 миллионов в вакууме, таким образом, соответствующие случайные блуждания чрезвычайно малы. Добротность ограничена покрытием (чрезвычайно тонкой пленкой золота или платины) и потерями в креплении. [2] Такие резонаторы должны быть точно настроены с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или лазерной абляции, чтобы быть идеально динамически сбалансированными. После покрытия, настройки и сборки в корпусе добротность остается более 10 миллионов.

Применительно к оболочке HRG силы Кориолиса вызывают прецессию вибрационных паттернов вокруг оси вращения . Это вызывает медленную прецессию стоячей волны вокруг этой оси с угловой скоростью, которая отличается от входной. Это эффект инерции волны , открытый в 1890 году британским ученым Джорджем Хартли Брайаном (1864–1928). [3] Поэтому при вращении вокруг оси симметрии оболочки стоячая волна не вращается точно вместе с оболочкой, но разница между обоими вращениями тем не менее совершенно пропорциональна входному вращению. Затем устройство способно ощущать вращение.

Электроника, которая воспринимает стоячие волны, также способна управлять ими. Таким образом, гироскопы могут работать либо в «режиме полного угла», который воспринимает положение стоячих волн, либо в «режиме восстановления баланса сил», который удерживает стоячую волну в фиксированной ориентации относительно гироскопа.

Первоначально использовавшийся в космических приложениях (системы ориентации и управления орбитой космических аппаратов), [4] в настоящее время HRG используется в современных инерциальных навигационных системах , в системах ориентации и направления , а также в гирокомпасах HRG . [5]

Преимущества

HRG чрезвычайно надежен [6] [7] из-за его очень простого оборудования (два или три куска обработанного плавленого кварца). Он не имеет подвижных частей; его ядро ​​состоит из монолитной части, которая включает полусферическую оболочку и ее стержень. [8] Они продемонстрировали исключительную надежность с момента их первого использования в 1996 году на космическом аппарате NEAR Shoemaker . [9] [10]

HRG обладает высокой точностью [8] [11] и не чувствителен к внешним возмущениям окружающей среды. Резонирующая оболочка весит всего несколько граммов и идеально сбалансирована, что делает ее нечувствительной к вибрациям, ускорениям и ударам.

HRG демонстрирует превосходные характеристики SWAP (размер, вес и мощность) по сравнению с другими технологиями гироскопов.

HRG не генерирует ни акустического, ни излучаемого шума, поскольку резонирующая оболочка идеально сбалансирована и работает в условиях вакуума.

Материал резонатора, плавленый кварц , естественно устойчив к радиации в любой космической среде. [12] Это придает резонатору HRG внутреннюю устойчивость к вредным эффектам космической радиации. Благодаря чрезвычайно высокому коэффициенту добротности резонирующей оболочки, HRG имеет сверхнизкий угловой случайный блуждание [9] и чрезвычайно низкое рассеивание мощности.

В отличие от оптических гироскопов ( волоконно-оптических гироскопов и кольцевых лазерных гироскопов ) HRG имеет инерционную память: если питание пропадает на короткий промежуток времени (обычно на несколько секунд), чувствительный элемент продолжает интегрировать входное движение (угловую скорость), так что при возобновлении питания HRG сигнализирует об угле поворота, который был пройден при отключенном питании.

Недостатки

HRG — это очень высокотехнологичное устройство, требующее сложных производственных инструментов и процессов. Управляющая электроника, необходимая для восприятия и управления стоячими волнами, сложна. Этот высокий уровень сложности ограничивает доступность этой технологии; лишь немногие компании смогли ее произвести. В настоящее время производством HRG занимаются три компании: Northrop Grumman , [9] Safran Electronics & Defense [13] и Raytheon Anschütz . [14]

Классический HRG относительно дорог из-за стоимости прецизионных шлифованных и полированных полых кварцевых полусфер. Эта стоимость производства ограничивает его использование в приложениях с высокой добавленной стоимостью, таких как спутники и космические аппараты. [9] Тем не менее, стоимость производства может быть значительно снижена за счет изменений в конструкции и инженерного контроля. Вместо того, чтобы наносить электроды на внутреннюю полусферу, которая должна идеально соответствовать форме внешней резонирующей полусферы, электроды наносятся на плоскую пластину, которая соответствует экваториальной плоскости резонирующей полусферы. В такой конфигурации HRG становится очень экономически эффективным и хорошо подходит для высококачественных, но чувствительных к стоимости приложений. [15]

Приложения

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Резонатор, полусферический резонаторный гироскоп". Архивировано из оригинала 2017-12-08 . Получено 2017-12-08 .
  2. ^ Сарапулофф С.А., Ри Х.-Н. и Пак С.-Дж. Предотвращение внутренних резонансов в сборке полусферического резонатора из плавленого кварца, соединенного индиевым припоем // Труды 23-й ежегодной весенней конференции KSNVE (Корейское общество по шумовой и вибрационной инженерии). Город Йосу, 24–26 апреля 2013 г. – С.835-841.
  3. ↑ Брайан Г. Х. О биениях в колебаниях вращающегося цилиндра или колокола // Труды Кембриджского филологического общества 1890 г., 24 ноября. Т. VII. Ч. III. - С. 101-111.
  4. ^ "Корпус, полусферический резонаторный гироскоп (HRG)". Архивировано из оригинала 2017-07-31 . Получено 2017-07-31 .
  5. ^ "Safran Electronics & Defense регистрирует заказы на 3000 инерциальных навигационных систем на основе HRG в 2016 году, новый рекорд". Safran Group . 2 мая 2017 г. Архивировано из оригинала 27.11.2021 . Получено 27.11.2021 .
  6. ^ "Высоконадежный резонаторный гироскоп Northrop Grumman отработал 25 миллионов часов в космосе". Northrop Grumman Newsroom . Получено 06.12.2018 .
  7. ^ "Hemispherical Resonator Gyro компании Northrop Grumman достиг 50 миллионов часов работы в космосе". Northrop Grumman Newsroom . Получено 14 августа 2019 г.
  8. ^ abc Rozelle, David M. "The Hemispherical Resonator Gyro: From Wineglass to the Planets" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2013-09-21 . Получено 2014-02-26 .
  9. ^ abcd "Scalable SIRU™ Family" (PDF) . Northrop Grumman > Что мы делаем > Воздух > Навигационные системы . Архивировано (PDF) из оригинала 2023-05-13 . Получено 2023-05-13 .
  10. ^ "Гироскоп с полусферическим резонатором компании Northrop Grumman достиг рекордных 30 миллионов часов непрерывной работы". 19 февраля 2015 г.
  11. ^ Delhaye, Fabrice (2018). «HRG by SAFRAN: The game-changening technology». Международный симпозиум IEEE 2018 по инерциальным датчикам и системам (INERTIAL) . стр. 1–4. doi :10.1109/ISISS.2018.8358163. ISBN 978-1-5386-0895-1. S2CID  21660204.
  12. ^ Жеребец, Сергей А. «Оценка гироскопов для миссии к Юпитеру».
  13. ^ "HRG Crystal". 22 марта 2018 г.
  14. ^ "Standard 30 MF - Maintenance-Free Gyro Compass". Архивировано из оригинала 2019-08-21 . Получено 2019-08-21 .
  15. ^ "HRG от Sagem от лаборатории до массового производства". ResearchGate . Получено 2019-06-13 .
  16. ^ «Часто задаваемые вопросы для ученых по телескопу Уэбба/НАСА».
  17. ^ "REGYS 20 | Программы ARTES ЕКА".
  18. ^ "Навигационная система SpaceNaute компании Safran выбрана для новой ракеты-носителя Ariane 6". 30 ноября 2016 г.
  19. ^ "Horizon MF Gyro Compass (HRG)". Архивировано из оригинала 2014-02-27 . Получено 2014-02-26 .
  20. ^ ab "Sagem представит широкий спектр военной продукции на выставке Defexpo 2014".
  21. ^ "На выставке Euronaval компания Sagem представила BlueNaute — корабельную инерциальную навигационную систему нового поколения". 30 октября 2012 г.
  22. ^ "EURONAVAL 2018: Новое семейство военно-морских инерциальных навигационных систем от Safran". 24 октября 2018 г.
  23. ^ "Safran Vectronix AG | Оптоэлектронное оборудование и лазерные дальномеры". Safran Vectronix . Получено 26.02.2020 .
  24. ^ Sagem выиграла новый заказ на навигаторы SIGMA 20 для систем вооружения «земля-воздух» MBDA
  25. ^ "Sagem поставит оптоэлектронику для головок самонаведения и огневых точек для новой ракеты средней дальности MMP компании MBDA". Архивировано из оригинала 2015-10-07 . Получено 2015-10-05 .
  26. ^ Тран, Пьер (2018-06-08). "Eurosatory: Эта навигационная система от Safran не нуждается в GPS". Defense News . Получено 2018-06-12 .
  27. ^ "Safran представляет инерциальную навигационную систему Geonyx для гарантированного PNT | Jane's 360". www.janes.com . Получено 29.10.2018 .
  28. ^ Sagem представляет инерциальную навигационную систему SkyNaute
  29. ^ "Sagem проводит первые летные испытания навигационной системы на основе HRG для коммерческих самолетов". 21 ноября 2014 г.

Библиография