Полусферический резонаторный гироскоп - Hemispherical resonator gyroscope

Гироскоп с полусферическим резонатором (HRG)

В Гироскоп с полусферическим резонатором (HRG), также называемый винный гироскоп или же грибной гироскоп, представляет собой компактный, малошумный, высокопроизводительный датчик угловой скорости или 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

В HRG используется небольшая тонкая твердотельная полусферическая оболочка, закрепленная толстым штоком. Эта оболочка приводится в резонанс изгиба за счет специальных электростатических сил, создаваемых электродами, которые наносятся непосредственно на отдельные плавленый кварц структуры, окружающие оболочку.

Для цельной конструкции (т.е. полусферическая оболочка и шток образуют монолитную деталь[1]) из особо чистого плавленый кварц, можно достичь Добротность более 30-50 миллионов в вакууме, поэтому соответствующие случайные блуждания крайне низки. В Добротность ограничивается покрытием (очень тонкая пленка золота или платины) и потерями в арматуре.[2] Такие резонаторы должны быть точно настроены с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или лазерной абляции, чтобы они были идеально динамически сбалансированы. После нанесения покрытия, настройки и сборки внутри корпуса Добротность остается более 10 миллионов.

Применительно к оболочке HRG силы Кориолиса вызывают прецессия моделей вибрации вокруг ось вращения. Это вызывает медленную прецессию стоячая волна вокруг этой оси с угловой скоростью, отличной от входной. Это эффект волновой инерции, открытый в 1890 году британским ученым. Джордж Хартли Брайан (1864–1928).[3] Следовательно, при вращении вокруг оси симметрии оболочки стоячая волна не вращается точно вместе с оболочкой, но разница между обоими поворотами, тем не менее, полностью 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 использовался в космических приложениях (системы ориентации и орбиты космических аппаратов),[4] HRG теперь используется в продвинутых Инерциальная навигационная система, в системе отсчета отношения и заголовка и гирокомпас.[5]

Преимущества

HRG чрезвычайно надежен[6][7] из-за очень простого оборудования (два или три куска плавленого кварца). В нем нет движущихся частей; его сердцевина состоит из монолитной части, включающей полусферическую оболочку и ствол.[8] Они продемонстрировали выдающуюся надежность с момента их первого использования в 1996 году на NEAR_Shoemaker космический корабль.[9][10]

HRG очень точный[11][12] и не чувствителен 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 создает 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.[нужна цитата ]

Благодаря чрезвычайно высокой добротности резонирующей оболочки HRG имеет сверхнизкое угловое случайное блуждание.[14] и чрезвычайно низкое рассеивание мощности.

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

Недостатки

HRG - это высокотехнологичное устройство, которое требует сложных производственных инструментов и процессов. Управляющая электроника, необходимая для распознавания стоячих волн и управления ими, 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. Эти производственные затраты ограничивают 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 того, чтобы накладывать электроды на внутреннюю полусферу, 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

  • Пространство - внутри Автобус космического корабля в Космический телескоп Джеймса Уэбба[20] и другие спутники и космические корабли[8][21][22]
  • Море:
    • Морские гирокомпасы, не требующие обслуживания[23][24] а также системы определения отношения и заголовка[25]
    • Системы морской навигации как для надводных кораблей, так и для подводных лодок [26]
  • Земля - ​​Локаторы целей,[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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Резонатор, полусферический резонатор ГИРО".
  2. ^ Сарапулов С.А., Ри Х.-Н., 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 инженеров по шуму и вибрации). Йосу-сити, 24–26 апреля 2013 г. - P.835-841.
  3. ^ Брайан Г. О биениях при колебаниях вращающегося цилиндра или колокола // Тр. 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. Получено 2018-12-06.
  7. ^ "Гироскоп полусферического резонатора Northrop Grumman достигает 50 миллионов часов работы в космосе". Отдел новостей Northrop Grumman. Получено 2019-08-14.
  8. ^ а б Гироскоп с полусферическим резонатором: от рюмки до планет, Дэвид М. Розелле
  9. ^ Гироскоп с полусферическим резонатором
  10. ^ «Гироскоп с полусферическим резонатором Northrop Grumman достигает рекордных 30 миллионов часов непрерывной работы». 19 февраля 2015.
  11. ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Documents/hrg.pdf
  12. ^ Дели, Фабрис (2018). «HRG от SAFRAN: революционная технология». Международный симпозиум IEEE 2018 по инерционным датчикам и системам (INERTIAL). С. 1–4. Дои:10.1109 / ISISS.2018.8358163. ISBN  978-1-5386-0895-1.
  13. ^ "Оценка гироскопа для полета на Юпитер" (PDF).
  14. ^ «SIRU - Масштабируемый инерциальный эталонный блок для космоса». Northrop Grumman. Получено 2018-12-06.
  15. ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Pages/default.aspx
  16. ^ «HRG Кристалл». 22 марта 2018.
  17. ^ "Standard 30 MF - необслуживаемый гироскопический компас".
  18. ^ «SIRU - Масштабируемый инерциальный эталонный блок для космоса». Northrop Grumman. Получено 2018-12-06.
  19. ^ «HRG by Sagem от лаборатории до серийного производства». ResearchGate. Получено 2019-06-13.
  20. ^ "Часто задаваемые вопросы для ученых телескопа Уэбба / НАСА".
  21. ^ "REGYS 20 | Программы ЕКА ARTES".
  22. ^ «Для новой ракеты-носителя Ariane 6 выбрана навигационная система Safran SpaceNaute». 30 ноября 2016 г.
  23. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2014-02-27. Получено 2014-02-26.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  24. ^ а б «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. Получено 2020-02-26.
  28. ^ Sagem получила новый заказ на навигаторы SIGMA 20 для систем вооружения земля-воздух MBDA
  29. ^ Sagem поставит оптроники Seeker и Firing Post для новой ракеты средней дальности MMP компании MBDA
  30. ^ Тран, Пьер (2018-06-08). «Eurosatory: этой навигационной системе Safran не нужен GPS». Новости обороны. Получено 2018-06-12.
  31. ^ «Safran представляет инерциальную навигационную систему Geonyx для гарантированного PNT | Jane's 360». www.janes.com. Получено 2018-10-29.
  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

  • 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 - Инерциальные датчики и системы - Симпозиум Gyro Technology 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 Жанруа; 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, ориентированные на SWAP, для множества 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: Rebooting the INS Revolution - Inertial Sensors and Systems 2019, 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