Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Гироскоп с полусферическим резонатором (HRG)

Полусферическая Резонатор гироскоп (HRG), также называемая рюмка гироскоп или грибов гироскопом , представляет собой компактный, низкий уровень шума, высокая производительность угловой скорость или датчик вращения. HRG изготовлен из тонкой твердотельной полусферической оболочки, закрепленной на толстой ножке. Эта оболочка приводится в изгибный резонанс электростатическими силами, создаваемыми электродами, которые наносятся непосредственно на отдельные структуры из плавленого кварца, которые окружают оболочку. Гироскопический эффект достигается за счет инерционности изгибных стоячих волн. Хотя HRG является механической системой, у нее нет движущихся частей, и она может быть очень компактной.

Операция [ править ]

В HRG используется небольшая тонкая твердотельная полусферическая оболочка, закрепленная толстым штоком. Эта оболочка приводится в резонанс изгиба специальными электростатическими силами, создаваемыми электродами, которые наносятся непосредственно на отдельные структуры из плавленого кварца, которые окружают оболочку.

Для моноблочной конструкции (т.е. полусферическая оболочка и шток образуют монолитную деталь [1] ) из плавленого кварца высокой чистоты можно достичь добротности более 30-50 миллионов в вакууме, таким образом, соответствующие случайные блуждания крайне низки. Добротность ограничена покрытие (очень тонкая пленка из золота или платины) , а также потери арматуры. [2] Такие резонаторы должны быть точно настроены с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или с помощью лазерной абляции, чтобы они были идеально динамически сбалансированы. При нанесении покрытия, настройке и сборке внутри корпуса добротность остается более 10 миллионов.

Применительно к оболочке HRG силы Кориолиса вызывают прецессию форм колебаний вокруг оси вращения . Это вызывает медленную прецессию стоячей волны вокруг этой оси с угловой скоростью, отличной от входной. Это эффект волновой инерции, открытый в 1890 году британским ученым Джорджем Хартли Брайаном (1864–1928). [3] Следовательно, 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. После этого устройство может определять вращение.

Электроника, улавливающая стоячие волны, также может управлять ими. Следовательно, гироскопы могут работать либо в «режиме полного угла», который определяет положение стоячих волн, либо в «режиме восстановления баланса сил», который удерживает стоячую волну в фиксированной ориентации относительно гироскопа.

Первоначально используемый в космических приложениях (системы ориентации и орбиты для космических аппаратов) [4] HRG теперь используется в усовершенствованной инерциальной навигационной системе , в системе координат и курса и гирокомпасе . [5]

Преимущества [ править ]

HRG чрезвычайно надежен [6] [7] из-за очень простого оборудования (два или три куска плавленого кварца, обработанного механической обработкой). В нем нет движущихся частей; его ядро ​​представляет собой монолитную часть, включающую полусферическую оболочку и ствол. [8] Они продемонстрировали выдающуюся надежность с момента их первоначального использования в 1996 году на космическом корабле NEAR_Shoemaker . [9] [10]

ГРГ обладает высокой точностью [11] [12] и нечувствителен к внешним воздействиям 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 вакууме.

Материал резонатора, плавленый кварц , естественно, радиационно стойкий в любой космической среде. [13] Это обеспечивает внутреннюю невосприимчивость к разрушительному воздействию космической радиации на резонатор HRG. [ необходима цитата ]

Благодаря чрезвычайно высокой добротности резонирующей оболочки, HRG имеет сверхмалое угловое случайное блуждание [14] и чрезвычайно низкую рассеиваемую мощность.

HRG, в отличие от оптических гироскопов ( FOG и RLG ), имеет инерциальную память: если мощность пропадает на короткий период времени (обычно несколько секунд), чувствительный элемент интегрирует входное движение (угловую скорость), так что при возврате мощности , HRG сигнализирует угол поворота в интервале потери мощности.

Недостатки [ править ]

HRG - это высокотехнологичное устройство, которое требует сложных производственных инструментов и технологического процесса. Управляющая электроника, необходимая для обнаружения и управления стоячими волнами, довольно сложна. Такой высокий уровень сложности сильно ограничивает распространение этой технологии, и лишь немногие компании смогли ее разработать. На данный момент только три компании производят HRG серийно: Northrop Grumman Corporation, [15] Safran [16] и Raytheon Anschutz. [17]

Классический HRG относительно дорог из-за стоимости прецизионных шлифованных и полированных полых кварцевых полусфер. Эта стоимость производства ограничивает его использование приложениями с высокой добавленной стоимостью, такими как спутники и космические корабли. [18] Тем не менее, производственные затраты могут быть значительно сокращены за счет изменений конструкции и технического контроля. Вместо размещения электродов на внутренней полусфере, которая должна идеально соответствовать форме внешней резонирующей полусферы, электроды накладываются на плоскую пластину, которая соответствует экваториальному плану резонирующей полусферы. В такой конфигурации HRG становится очень рентабельным и хорошо подходит для высококачественных, но чувствительных к стоимости приложений. [19]

Приложения [ править ]

  • Космос - Внутри космического корабля Автобус в космическом телескопе Джеймса Уэбба [20] и на других спутниках и космических аппаратах [8] [21] [22]
  • Море:
    • Морские гирокомпасы, не требующие технического обслуживания [23] [24], а также системы ориентации и курса [25]
    • Системы морской навигации как для надводных кораблей, так и для подводных лодок [26]
  • Земля - ​​указатели цели, [27] системы наземной навигации [24] [28] [29] и артиллерийское наведение [30] [31]
  • Air - HRG готовы к использованию в навигационных системах коммерческого воздушного транспорта [32] [33]

См. Также [ править ]

  • Кольцевой лазерный гироскоп
  • Гирокомпас HRG
  • Волоконно-оптический гироскоп
  • Гироскоп
  • Гироскоп с вибрирующей структурой
  • Квантовый гироскоп
  • Инерциальная единица измерения

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Резонатор, полусферический резонатор гироскопа" .
  2. ^ Sarapuloff С.А., Рхи H.-N. и Парк S.-J. Предотвращение внутренних резонансов в сборке полусферического резонатора из плавленого кварца, соединенного индиевым припоем // Труды 23-й ежегодной весенней конференции KSNVE (Корейское общество инженеров по шуму и вибрации). Йосу-сити, 24–26 апреля 2013 г. - P.835-841.
  3. ^ Брайан Г. Х. О биениях вращающегося цилиндра или колокола // Proc. Cambridge Phil. Soc. 1890, 24 ноября. Том VII. Ч.III. - С.101-111.
  4. ^ "Корпус, полусферический резонаторный гироскоп (HRG)" .
  5. ^ http://www.publicnow.com/view/601813DEDD48CD206D9593E2722478364FBC1BB7?2017-05-03-12:01:11+01:00-xxx5199
  6. ^ "Высоконадежный гироскоп-резонатор Northrop Grumman достигает 25 миллионов рабочих часов в космосе" . Отдел новостей Northrop Grumman . Проверено 6 декабря 2018 .
  7. ^ "Гироскоп полусферического резонатора Northrop Grumman достигает 50 миллионов рабочих часов в космосе" . Отдел новостей Northrop Grumman . Проверено 14 августа 2019 .
  8. ^ a b Гироскоп с полусферическим резонатором: от рюмки до планет, Дэвид М. Розелл
  9. ^ Полусферический резонаторный гироскоп
  10. ^ "Гироскоп полусферического резонатора Northrop Grumman достигает рекордных 30 миллионов часов непрерывной работы" . 19 февраля 2015.
  11. ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Documents/hrg.pdf
  12. ^ Делей, Фабрис (2018). «HRG от SAFRAN: технология, меняющая правила игры». 2018 Международный симпозиум IEEE по инерциальных датчиков и систем (инерциальной) . С. 1–4. DOI : 10.1109 / ISISS.2018.8358163 . ISBN 978-1-5386-0895-1.
  13. ^ "Оценка гироскопа для полета к Юпитеру" (PDF) .
  14. ^ "SIRU - Масштабируемый инерциальный эталонный блок для космоса" . Northrop Grumman . Проверено 6 декабря 2018 .
  15. ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Pages/default.aspx
  16. ^ "Кристалл HRG" . 22 марта 2018.
  17. ^ "Standard 30 MF - необслуживаемый гироскопический компас" .
  18. ^ "SIRU - Масштабируемый инерциальный эталонный блок для космоса" . Northrop Grumman . Проверено 6 декабря 2018 .
  19. ^ "HRG от Sagem от лаборатории до массового производства" . ResearchGate . Проверено 13 июня 2019 .
  20. ^ "Часто задаваемые вопросы для ученых телескопа Уэбба / НАСА" .
  21. ^ "REGYS 20 | Программы ЕКА ARTES" .
  22. ^ "Навигационная система Safran SpaceNaute выбрана для новой ракеты-носителя Ariane 6" . 30 ноября 2016 г.
  23. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2014-02-27 . Проверено 26 февраля 2014 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  24. ^ a b «Компания Sagem представит широкий спектр военной продукции на выставке Defexpo 2014» .
  25. ^ "На Euronaval Sagem представила BlueNaute, судовую инерциальную навигационную систему нового поколения" .
  26. ^ "EURONAVAL 2018: Новое семейство морских инерциальных навигационных систем от Safran" .
  27. ^ "Safran Vectronix AG | Оптико-электронное оборудование и технология лазерного дальномера" . Safran Vectronix . Проверено 26 февраля 2020 .
  28. ^ Sagem получает новый заказ на навигаторы SIGMA 20 для систем вооружения земля-воздух MBDA
  29. ^ Sagem поставит оптроники Seeker и Firing Post для новой ракеты среднего радиуса действия MMP компании MBDA
  30. ^ Тран, Пьер (2018-06-08). «Eurosatory: эта навигационная система Safran не требует GPS» . Новости обороны . Проверено 12 июня 2018 .
  31. ^ "Safran показывает инерциальную навигационную систему Geonyx для гарантированного PNT | Jane's 360" . www.janes.com . Проверено 29 октября 2018 .
  32. ^ Sagem представляет инерциальную навигационную систему SkyNaute
  33. ^ «Sagem проводит первые летные испытания навигационной системы на базе HRG для коммерческих самолетов» . 21 ноября 2014 г.

Библиография [ править ]

  • Линч Д. Д. Разработка HRG в Delco, Litton и Northrop Grumman // Материалы юбилейного семинара по твердотельной гироскопии (19–21 мая 2008 г., Ялта, Украина). - Киев-Харьков. АТС Украины. 2009 г.
  • Л. Розеллини, Дж. М. Карон - REGYS 20: многообещающий IMU на основе HRG для космического применения - 7-я Международная конференция ЕКА по системам наведения, навигации и управления. 2–5 июня 2008 г., Трали, графство Керри, Ирландия
  • Д. Роберфройд, Ю. Фолоп, Ж. Ремильё (Sagem Défense Sécurité, Париж, ФРАНЦИЯ) - HRG и инерциальная навигация - Инерционные датчики и системы - Симпозиум по гироскопическим технологиям 2012
  • A Carre, L Rosellini, O Prat (Sagem Défense Sécurité, Париж, Франция) HRG и North Finding - 17-я Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 31 мая - 2 июня 2010 г., Россия
  • Ален Жанрой; Жиль Гроссет; Жан-Клод Гудон; Fabrice Delhaye - HRG by Sagem от лаборатории до массового производства - Международный симпозиум IEEE по инерционным датчикам и системам 2016 г.
  • Александр Ленобль, Томас Руильо - IMU с ориентацией на SWAP для различных приложений - инерционные датчики и системы (ISS), 2016 DGON - Карлсруэ, Германия
  • Fabrice Delhaye - HRG от Safran - Технология, меняющая правила игры - Международный симпозиум IEEE 2018 по инерционным датчикам и системам - озеро Комо, Италия
  • Фабрис Дельэ; Жан-Филипп Жиро - SpaceNaute®, HRG - технологический прорыв в создании перспективной инерциальной системы отсчета для космической ракеты-носителя - 25-я Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 31 мая - 29 мая 2018 г., Россия
  • Б.Дело, Ю.Ленуар - Самый маленький, самый точный и надежный чисто инерциальный навигатор в мире: ONYX ™ - Инерциальные датчики и системы 2018, Брауншвейг - 12 сентября 2018 г., Германия
  • Y. Foloppe, Y.Lenoir - HRG CrystalTM DUAL CORE: перезагрузка революции INS - инерционные датчики и системы, 2019 г., Брауншвейг - 10 сентября 2019 г., Германия
  • F. Delhaye, Ch. Де Лепревье - SkyNaute от Safran - Как технологический прорыв HRG способствует разрушительной IRS (инерциальной системе отсчета) для коммерческих самолетов - инерционные датчики и системы, 2019 г., Брауншвейг - 11 сентября 2019 г., Германия