eng
Выпуск #2/2014
Д.Лукьянов, Ю.Филатов, Ю.Голяев, В.Курятов, В.Виноградов, К.-У.Шрайбер, М.Перлмуттер
50 лет лазерному гироскопу. Часть II
50 лет лазерному гироскопу. Часть II
Просмотры: 10554
Оптические гироскопы по-прежнему сохраняют лидирующие позиции на рынке навигационных систем и систем тактического наведения. Если в области сенсоров низкой точности доминируют МЭМС-датчики в силу их дешевизны и компактности, то в области стратегической навигации доля лазерных гироскопов велика, несмотря на активную конкуренцию со стороны волоконно-оптических и микромеханических гироскопов. Статью завершает обзор состояния рынка лазерных гироскопов.
Теги: kaser gyroscopes navigation tactical targeting systems лазерные гироскопы навигация системы тактического наведения
Технологии Лазерных Гироскопов в 70-е годы
Одним из недостатков, присущих ранним моделям ЛГ, являлось большое время выхода на рабочий режим. При этом большинство потенциальных применений требовало, чтобы датчик был готов к работе в течение нескольких минут после старта. Также неудовлетворительной была потребляемая мощность. Борьба с этими недостатками стала одной из ключевых задач для американских ученых в 70-е годы [9].
Основным компонентом, над которым велась работа, являлся резонатор. Его чувствительность к температуре приводила к большому времени готовности и требовала наличия нагревателей. Последние являлись основным потребителем энергии в ЛГ. Решением поставленной задачи стал переход от алюминия к стеклокерамике. Обладая практически нулевым коэффициентом температурного расширения, такой материал позволил регулировать периметр при помощи пьезопреобразователей на зеркалах и отказаться от нагревателей.
Другим элементом, подверженным температурной зависимости, были призмы полного внутреннего отражения (ППВО). На их место пришли многослойные диэлектрические зеркала. К тому времени технологии их производства сделали шаг вперед, и стало возможным изготавливать зеркала с коэффициентом отражения более 0,999.
Также была подвергнута замещению и фарадеевская ячейка. Вместо нее были применены специальные магнитооптические зеркала. Их принцип работы основывался на эффекте Керра [18]. Такое зеркало под воздействием магнитного поля вносило невзаимные фазовые сдвиги в падающие на него лучи. Внедрение всех вышеперечисленных инноваций, а также совершенствование газоразрядной трубки позволили создать новое поколение ЛГ, время готовности которых было на уровне нескольких минут. Структурная схема и внешний вид одного из таких датчиков приведены на рис.10.
В середине 70-х усилиями компании Sperry (отделение Lockheed Martin) был разработан целый ряд инерциальных измерительных модулей (ИИМ) с тремя и более осями. Монолитная конструкция резонатора позволяла значительно уменьшить погрешность, вызванную неортогональностью осей по сравнению с конструкцией из трех одноосных ЛГ в одном корпусе, а также существенно уменьшить размеры блока. Некоторые примеры таких датчиков приведены на рис.11.
В Советском Союзе в этот период в разработку ЛГ активно включается КБ "Арсенал", г.Киев. Обладая собственной производственной базой, предприятие имело возможность как заниматься развитием теории ЛГ и разработкой новых концепций их построения, так и оттачивать технологический аспект производства. Эта работа велась в тесной кооперации с ведущими научно-исследовательскими и технологическими организациями Советского Союза по следующим основным направлениям:
разработка многослойных зеркал;
разработка невзаимных элементов на основе эффекта Фарадея;
создание технологии вакуумной обработки резонаторов ЛГ;
разработка специальных ситаллов со сверхнизким коэффициентом линейного расширения;
разработка холодных катодов;
создание исследовательской, производственной и испытательной базы на ПО "Арсенал";
разработка математического обеспечения и аппаратных средств для обработки информации ЛГ и др.
С 1974 года начато серийное производство ЛГ типа КОГ-1 со следующими характеристиками:
выход на режим – менее 60 мс;
удароустойчивость – более 4g (с 1976 года – более 60g);
погрешность измерения – 0,5 град/ч.
Прибор выполнен в виде массивного ситаллового блока, в котором размещены три идентичных ЛГ, оси чувствительности которых совпадают. В каждом ЛГ используется дифференциальный невзаимный элемент. Внешний вид изделия КОГ-1 показан на рис.12а.
В 1976 году начаты серийные поставки хранителя опорного направления на базе КОГ-1. С 1978 года выпускается модифицированная серия КОГ-2, способных работать в условиях радиационных и сейсмических воздействий до 40–120g c погрешностью не хуже 0,01 ˚/ч и временем выхода на рабочий режим менее 20 мс.
В 1978–1981 годы разработаны новые ЛГ "Фанза" для наземных подвижных объектов, которые обеспечивали режим гирокомпасирования. Как и в первых конструкциях, использовался дифференциальный невзаимный элемент. ЛГ работал с реверсом вокруг вертикальной оси. Погрешность компасирования составила σ ≤ 8´ за 10 мин работы. В режиме измерения текущей ориентации погрешность по углам курса, тангажа и крена составляла σ = 0,3 град/ч. Внешний вид прибора показан на рис.12б. На базе этого прибора в 1978–1981 годы был разработан трехосный блок ЛГ (рис.12в).
В Европе развитие ЛГ происходило аналогично, и в середине 70-х компании Sagem (Франция) и Marconi (Великобритания) начали разработку БИНС на ЛГ. Однако своего расцвета эти работы достигли только в следующем десятилетии, которое некоторые исследователи называют "декадой лазерной гироскопии" [10].
80-е годы
С годами системы на основе ЛГ находили себе все новые и новые применения. При этом некоторые из них требовали от датчиков высокой стойкости к вибрациям и ударам. Как показали исследования, применяемый резонаторный блок из стеклокерамики не выдержит расчетных нагрузок. Необходимыми прочностными характеристиками обладал металлический блок. Однако он имел ряд очевидных недостатков:
металл является проводником, т.е. в нем невозможно организовать газоразрядную трубку,
металлический резонатор обладает высоким температурным коэффициентом.
При этом переход к металлическому резонатору являлся по сути возвращением к первоначальной модели образца середины 60-х годов (см. рис.4). Однако именно он оказался путем к решению задачи. Модульная структура ЛГ позволила вынести газоразрядную трубку за пределы металлического резонатора. Температурные же эффекты, как оказалось, в данном случае не важны, так как время работы прибора мало настолько, что температура резонатора не успевает измениться. Таким образом, в начале 80-х разработчикам из Lockheed Martin удалось изготовить вибро- и ударопрочный ЛГ на основе резонатора из металла (рис.13).
Помимо выбора материала резонатора перед разработчиками стояли и другие задачи. Сверхмалое время работы датчика подразумевало и необходимость практически мгновенного выхода на режим. При этом принцип действия газоразрядной трубки требовал порядка нескольких минут для того, чтобы прошла первая искра [19]. Для решения этой задачи в газоразрядную трубку ЛГ был добавлен небольшой радиоизотоп, который служил источником постоянной ионизации среды. В результате время готовности ЛГ снизилось до нескольких миллисекунд.
В СССР в этот период одной из основных решаемых задач являлось повышение точности ЛГ. Этого удалось достичь за счет улучшения компоновки гироскопа и сопутствующей электроники, перехода к стеклокерамическим материалам (ситалл и др.). Не был исключением и завод "Арсенал" со своим ЦКБ. В Киеве с середины 80-х годов разрабатывались ЛГ с "пустым" (без невзаимного элемента) резонатором для навигационных систем. Они использовали традиционную виброподставку и обеспечивали дрейф нуля до 0,03 град/ч.
К началу 90-х годов ПО "Арсенал" и ЦКБ располагали всем спектром технологий, позволяющих выпускать различные модификации ЛГ. В качестве примера можно привести мелкосерийный выпуск специальных ЛГ треугольной конфигурации, на базе которых совместно с Ленинградским электротехническим институтом был организован выпуск динамических лазерных гониометров, получивших широкое применение не только в СНГ, но и за рубежом [20].
В Великобритании в начале 80-х вновь была проведена демонстрация ЛГ на полигоне в г.Фарнборо. На сей раз свои разработки демонстрировали уже две компании: British Aerospace и Ferranti. Каждая представила свою систему на основе ЛГ с периметром 30 и 43 см соответственно. В результате правительство заключило с каждой из фирм по контракту на 1 млн. фунтов. Компании должны были представить к январю 1986 года по две новые БИНС для авиационного применения. Следует отметить, что компания British Aerospace опиралась на американские патенты, полученные при покупке отделения Sperry Gyroscope, в то время как в Ferranti занимались собственными разработками [21].
ЛГ второго поколения
Начало 1990-х годов ознаменовалось в первую очередь распадом Советского Союза и окончанием холодной войны. Это привело к резкому снижению финансирования военных разработок с обеих сторон. Ключевым стал гражданский рынок. Американские компании активно реформировались, поглощая друг друга. Тем не менее, существующие и вновь разрабатываемые ЛГ уже могли обеспечить устойчивый выпуск продукции на их основе: инерциальные модули, БИНС и интегрированные навигационные системы. На рынках сбыта начинают появляться законченные образцы управляющих и навигационных систем, примеры которых приведены на рис.14.
Многие из этих систем остаются актуальными и на сегодняшний день. В частности, ИНС SIGMA 40 установлена на кораблях 35 флотов стран Европы. Британская система FIN3110 (BAE Systems) планируется к установке на минометы Agrab Mk.2 для вооруженных сил ОАЭ в 2013 году [22].
В России, несмотря на сложную экономическую ситуацию, разработки ЛГ продолжались в направлении повышения точности, создания интегрированных навигационных систем и БИНС. В 1990–1994 годы продолжаются разработки новых ударопрочных и двухрежимных ЛГ. Идет поиск новых концепций построения ЛГ для наземных подвижных объектов, решающих задачи гирокомпасирования и текущей ориентации. Одним из заметных достижений лазерно-гироскопического направления в 90-е годы является создание интегрированных БИНС НСИ-2000 на лазерных зеемановских гироскопах. Некоторые примеры серийных ЛГ, выпускаемых НИИ "Полюс", представлены на рис.15. Характеристики наиболее употребительных современных зарубежных и отечественных ЛГ, а также систем на их основе, приведены в табл.1–4.
Современное состояние рынка ИИМ на ЛГ
Сегодня производители ЛГ редко поставляют на рынок отдельные ЛГ. Как правило, конечным продуктом является инерциальный измерительный модуль (ИИМ) или готовая система. Рассмотрим подробнее рынок ИИМ, опираясь на исследования Yole Développement [23]. Производство инерциальных измерительных модулей является крупным сектором промышленности, где традиционно доминируют оборонные и аэрокосмические применения. 2011 год был стабильным годом для ИИМ с объемом рынка 1,75 млрд. долл. (рис.16).
Как видно из рис.16а, наибольшая часть современного рынка ИИМ обеспечивается небольшим числом ведущих зарубежных компаний: Honeywell, Northrop Grumman и Sagem, которые являются явными лидерами. Однако входят на рынок и другие новые производители, предлагая, прежде всего, недорогие ИИМ на базе МЭМС.
Класс высокоточных инерциальных датчиков, к которым относится в первую очередь ЛГ, является динамичным сегментом рынка, так как все большее число конечных приложений требует наличия систем стабилизации, наведения или навигации. В 2011 году рынок высокоточных гироскопов был оценен в 1,29 млрд. долл., показав рост на 4,3% годовых, и, как ожидается, достигнет 1,66 млрд. долл. к 2017 году (рис.16б). Стоит отметить, что такой прирост во многом обеспечивается популярностью ВОГ и МЭМС-гироскопов, которые из года в год улучшают свои характеристики. Для того чтобы определить место ЛГ среди всего многообразия сенсоров, предлагаемых на рынке, обратимся к гистограмме на рис.17.
Как видно, в настоящее время оптические гироскопы по-прежнему доминируют на рынке с большим отрывом. В частности, ЛГ широко используются в навигационных системах и системах тактического наведения. При этом с повышением класса точности доля ЛГ значительно возрастает. Если в области сенсоров низкой точности доминируют МЭМС-датчики в силу их дешевизны и компактности, то в области стратегической навигации доля ЛГ составляет более 60%.
Сверхбольшие
лазерные гироскопы
Несмотря на то, что большие усилия инженеров-гироскопистов связаны с уменьшением размеров датчиков, существует и противоположное направление – разработка и создание сверхбольших ЛГ, открывающих совершенно новые области их использования.
В середине 80-х годов группа ученых из Кентерберийского университета (г.Крайстчерч, Новая Зеландия) занялась разработкой лазерного гироскопа, способного улавливать различные эффекты, проявляющиеся при вращении Земли. Для достижения требуемых значений чувствительности было решено увеличить периметр резонатора по сравнению с обычными гироскопами. Первый образец такого датчика был изготовлен к 1989 году. Он назывался C-I и имел квадратный резонатор со стороной 85 см. С его помощью удалось измерить скорость вращения Земли, а также показать возможность построения ЛГ с большим периметром.
В дальнейшем было построено еще несколько установок с различными периметрами. Наиболее успешным является проект, реализованный в геофизической обсерватории, г. Ветцель, Германия. Структура установки, расположенной в этой лаборатории, приведена на рис.18 [24].
Здесь гироскоп имеет квадратный резонатор со стороной 4 м, выполненный из церодура. Конструкция в сборе размещается на массивном бетонном основании на глубине нескольких метров под Землей (рис.19а).
В лаборатории приняты все меры для исключения паразитного влияния на ЛГ внешних факторов. В результате получился сверхпрецизионный прибор, способный измерять вращение Земли с высокой точностью. С его помощью удалось зафиксировать суточные колебания Земной оси (период ~24 ч, амплитуда 5–60 см), чандлеровские колебания (период 433 дня, амплитуда ~9 м), приливные колебания. Особую роль устройства подобного рода играют в сейсмологии. Благодаря высокой чувствительности большие лазерные гироскопы способны улавливать сигнал от удаленных землетрясений (рис.19б).
Сегодня существует целый ряд подобных устройств, расположенных в различных странах и преследующих различные цели: обнаружение сейсмической активности, исследование движения Земли, оценка колебаний опор здания, обнаружение смещений в конструкции детектора гравитационных волн и др. Наибольшим периметром (39,7×21 м) сегодня обладает гироскоп UG-2, расположенный в Кашмирской пещерной лаборатории (Новая Зеландия). Данный проект направлен на оценку возможности дальнейшего увеличения периметра лазерных гироскопов. Как отмечают исследователи, такие макеты показали, что при увеличении размеров нестабильность масштабного коэффициента растет значительно быстрее, чем чувствительность.
Заключение
ЛГ своим появлением в 1962 году не только открыл новую эру волновых гироскопов, но и создал условия для бурного развития бесплатформенных инерциальных и, впоследствии, интегрированных навигационных систем. За 50 лет ученые всего мира проделали большую работу для того, чтобы сегодня мы могли смело заявить: "Лазерный гироскоп – ключевое звено в современных системах навигации, ориентации и стабилизации". К сожалению, невозможно в одной статье упомянуть всех ученых и все фирмы, причастные к развитию ЛГ, поэтому в работе в качестве примеров приводятся компании, информация о которых присутствует в открытых источниках.
Вот уже много лет лазерная гироскопия удерживает звание "критических технологий". Приведенный обзор рынка показывает, что несмотря на активную конкуренцию со стороны ВОГ и микромеханических гироскопов, ЛГ сохраняют сегодня лидирующие позиции в области высокоточных БИНС. Полностью оправдывается прогноз, сделанный академиком В.Г.Пешехоновым в работе [1]: "Высокоточные и среднеточные БИНС будут строиться на оптических волновых гироскопах и выпускаться крупными партиями".
Лазерные гироскопы по праву относятся к числу самых наукоемких и уникальных лазерных приборов, производство которых аккумулирует и стимулирует развитие новейших технологий, включая нанотехнологии. Сегодня ведущим отечественным предприятием в области лазерной гироскопии является ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха". Руководитель НПК-470, ответственного за разработку Зеемановских ЛГ, Ю.Д.Голяев отмечает рост как спроса на ЛГ, так и объемов их производства. Существующее отставание России в области производственной базы постепенно ликвидируется. Этот процесс может быть ускорен за счет привлечения зарубежных технологий, как это делается в области МЭМС или в автомобильной промышленности. Уже сегодня предприятия, объединяя усилия оптических, электронных и других производств, обеспечивают индустрию ЛГ лучшими образцами современной технологической и испытательной аппаратуры для кардинального перевооружения производственной базы. Эти шаги и имеющийся научный задел по созданию и совершенствованию новых образцов ЛГ должны обеспечить повышение качества выпускаемых приборов и систем на их основе.
Литература
Пешехонов В.Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем. – Гироскопия и навигация, 2011, №1, c.72.
Einstein A. Zur elektrodynamik bewegter körper. – Annalen der physic, 1905, т. 322, №10,
с.891– 921.
Sagnac G. – Compt. rend., 1913, v.157, №708, p.1410.
Берштейн И.Л. Опыт Саньяка на радиоволнах. – Доклады Аакдемии наук СССР, 1950, Т. LXXV, №5, с.635.
Rosenthal A. – J.Opt.Soc.Amer., 1962, v.52, p.1143.
Macek W.M., Davis J.D. Rotation rate sensing with traveling-wave ring lasers. – Applied Physics Letters,1963, v.2, №3, p.67–68.
Loukianov D.P. et al. The History of Laser Gyro Development in the Former Soviet Union. – Proceedings of the 57th Annual Meeting of the Institute of Navigation, 2001, p.225–237.
Лукьянов Д.П. Лазерные и волоконно-оптические гироскопы: состояние и тенденции развития. – Гироскопия и Навигация, 1998, №4(23), с.23–45.
Abdale J., Benischek V., Macek W. History of Ring Laser Gyroscope Development at Lockheed Martin (Formerly Sperry). – Proceedings of the 57th Annual Meeting of The Institute of Navigation, 2001, p. 176–187.
King A.D. Inertial navigation-forty years of evolution. – GEC review, 1998, v.13, №.3,
p.140–149.
Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. – М.: Сов. радио, 1975.
Виноградов В.И., Захаров М.А., Таушан Б.А. Лазерный гироскоп с естественным невзаимным элементом. – Авиакосмическое приборостроение, 2006, №10, c.23–27.
Лукьянов Д.П. Устройство для создания начального сдвига частот в кольцевом оптическом квантовом генераторе. Авт. свид. №274871 –
БИ, 1970, №21.
Лукьянов Д.П. Рогачев А.Ф. Устройство для создания невзаимного фазового сдвига линейно поляризованных колебаний. Авт. свид. №373806. – БИ, 1973, №14.
De Lang H. Eigenstates of polarization in lasers. – Phillips Res. Repts, 1964, v.19, p.429–440.
Пат. 3862803 США. Differential Laser Gyro System. Yntema G.B. – 1975.
Volk C.H., Gillespie S.C., Mark J.G., Tazartes D.A. Multioscillator ring laser gyroscopes and their applications. – Optical Gyros and their Applications. NATO RTO AGARDograph 339, May 1999.
Jenkins F.A. and White H.E. Fundamentals of Optics. Fourth Edition. – McGraw-Hill Inc., New York, NY, 1976, p.691.
Meek J.M. and Craggs J.D. Electrical Breakdown of Gases. – Oxford University Press, London, 1953, p.111–118, 348–349, 355–359.
Filatov Yu., Loukianov D.P., Probst R. Angle measurement by means of a ring laser goniometer. – Metrologia, 1997, v.34, p.343–350.
Warwick G. UK follows laser path. – Flight International, 1985, v.127, p.257.
http://www.army-guide.com/eng/product4037.html.
Robin L., Perlmutter M. Gyroscopes and IMUs for Defence Aerospace and Industrial. – Report by Yole Développemen, 2012.
Schreiber K.U., Klugel T., Velikoseltsev A. et al. The large ring laser g for continuous earth rotation monitoring. – Pure and Applied Geophysics, 2009, v.166 (8–9), p.1485–1498.
Одним из недостатков, присущих ранним моделям ЛГ, являлось большое время выхода на рабочий режим. При этом большинство потенциальных применений требовало, чтобы датчик был готов к работе в течение нескольких минут после старта. Также неудовлетворительной была потребляемая мощность. Борьба с этими недостатками стала одной из ключевых задач для американских ученых в 70-е годы [9].
Основным компонентом, над которым велась работа, являлся резонатор. Его чувствительность к температуре приводила к большому времени готовности и требовала наличия нагревателей. Последние являлись основным потребителем энергии в ЛГ. Решением поставленной задачи стал переход от алюминия к стеклокерамике. Обладая практически нулевым коэффициентом температурного расширения, такой материал позволил регулировать периметр при помощи пьезопреобразователей на зеркалах и отказаться от нагревателей.
Другим элементом, подверженным температурной зависимости, были призмы полного внутреннего отражения (ППВО). На их место пришли многослойные диэлектрические зеркала. К тому времени технологии их производства сделали шаг вперед, и стало возможным изготавливать зеркала с коэффициентом отражения более 0,999.
Также была подвергнута замещению и фарадеевская ячейка. Вместо нее были применены специальные магнитооптические зеркала. Их принцип работы основывался на эффекте Керра [18]. Такое зеркало под воздействием магнитного поля вносило невзаимные фазовые сдвиги в падающие на него лучи. Внедрение всех вышеперечисленных инноваций, а также совершенствование газоразрядной трубки позволили создать новое поколение ЛГ, время готовности которых было на уровне нескольких минут. Структурная схема и внешний вид одного из таких датчиков приведены на рис.10.
В середине 70-х усилиями компании Sperry (отделение Lockheed Martin) был разработан целый ряд инерциальных измерительных модулей (ИИМ) с тремя и более осями. Монолитная конструкция резонатора позволяла значительно уменьшить погрешность, вызванную неортогональностью осей по сравнению с конструкцией из трех одноосных ЛГ в одном корпусе, а также существенно уменьшить размеры блока. Некоторые примеры таких датчиков приведены на рис.11.
В Советском Союзе в этот период в разработку ЛГ активно включается КБ "Арсенал", г.Киев. Обладая собственной производственной базой, предприятие имело возможность как заниматься развитием теории ЛГ и разработкой новых концепций их построения, так и оттачивать технологический аспект производства. Эта работа велась в тесной кооперации с ведущими научно-исследовательскими и технологическими организациями Советского Союза по следующим основным направлениям:
разработка многослойных зеркал;
разработка невзаимных элементов на основе эффекта Фарадея;
создание технологии вакуумной обработки резонаторов ЛГ;
разработка специальных ситаллов со сверхнизким коэффициентом линейного расширения;
разработка холодных катодов;
создание исследовательской, производственной и испытательной базы на ПО "Арсенал";
разработка математического обеспечения и аппаратных средств для обработки информации ЛГ и др.
С 1974 года начато серийное производство ЛГ типа КОГ-1 со следующими характеристиками:
выход на режим – менее 60 мс;
удароустойчивость – более 4g (с 1976 года – более 60g);
погрешность измерения – 0,5 град/ч.
Прибор выполнен в виде массивного ситаллового блока, в котором размещены три идентичных ЛГ, оси чувствительности которых совпадают. В каждом ЛГ используется дифференциальный невзаимный элемент. Внешний вид изделия КОГ-1 показан на рис.12а.
В 1976 году начаты серийные поставки хранителя опорного направления на базе КОГ-1. С 1978 года выпускается модифицированная серия КОГ-2, способных работать в условиях радиационных и сейсмических воздействий до 40–120g c погрешностью не хуже 0,01 ˚/ч и временем выхода на рабочий режим менее 20 мс.
В 1978–1981 годы разработаны новые ЛГ "Фанза" для наземных подвижных объектов, которые обеспечивали режим гирокомпасирования. Как и в первых конструкциях, использовался дифференциальный невзаимный элемент. ЛГ работал с реверсом вокруг вертикальной оси. Погрешность компасирования составила σ ≤ 8´ за 10 мин работы. В режиме измерения текущей ориентации погрешность по углам курса, тангажа и крена составляла σ = 0,3 град/ч. Внешний вид прибора показан на рис.12б. На базе этого прибора в 1978–1981 годы был разработан трехосный блок ЛГ (рис.12в).
В Европе развитие ЛГ происходило аналогично, и в середине 70-х компании Sagem (Франция) и Marconi (Великобритания) начали разработку БИНС на ЛГ. Однако своего расцвета эти работы достигли только в следующем десятилетии, которое некоторые исследователи называют "декадой лазерной гироскопии" [10].
80-е годы
С годами системы на основе ЛГ находили себе все новые и новые применения. При этом некоторые из них требовали от датчиков высокой стойкости к вибрациям и ударам. Как показали исследования, применяемый резонаторный блок из стеклокерамики не выдержит расчетных нагрузок. Необходимыми прочностными характеристиками обладал металлический блок. Однако он имел ряд очевидных недостатков:
металл является проводником, т.е. в нем невозможно организовать газоразрядную трубку,
металлический резонатор обладает высоким температурным коэффициентом.
При этом переход к металлическому резонатору являлся по сути возвращением к первоначальной модели образца середины 60-х годов (см. рис.4). Однако именно он оказался путем к решению задачи. Модульная структура ЛГ позволила вынести газоразрядную трубку за пределы металлического резонатора. Температурные же эффекты, как оказалось, в данном случае не важны, так как время работы прибора мало настолько, что температура резонатора не успевает измениться. Таким образом, в начале 80-х разработчикам из Lockheed Martin удалось изготовить вибро- и ударопрочный ЛГ на основе резонатора из металла (рис.13).
Помимо выбора материала резонатора перед разработчиками стояли и другие задачи. Сверхмалое время работы датчика подразумевало и необходимость практически мгновенного выхода на режим. При этом принцип действия газоразрядной трубки требовал порядка нескольких минут для того, чтобы прошла первая искра [19]. Для решения этой задачи в газоразрядную трубку ЛГ был добавлен небольшой радиоизотоп, который служил источником постоянной ионизации среды. В результате время готовности ЛГ снизилось до нескольких миллисекунд.
В СССР в этот период одной из основных решаемых задач являлось повышение точности ЛГ. Этого удалось достичь за счет улучшения компоновки гироскопа и сопутствующей электроники, перехода к стеклокерамическим материалам (ситалл и др.). Не был исключением и завод "Арсенал" со своим ЦКБ. В Киеве с середины 80-х годов разрабатывались ЛГ с "пустым" (без невзаимного элемента) резонатором для навигационных систем. Они использовали традиционную виброподставку и обеспечивали дрейф нуля до 0,03 град/ч.
К началу 90-х годов ПО "Арсенал" и ЦКБ располагали всем спектром технологий, позволяющих выпускать различные модификации ЛГ. В качестве примера можно привести мелкосерийный выпуск специальных ЛГ треугольной конфигурации, на базе которых совместно с Ленинградским электротехническим институтом был организован выпуск динамических лазерных гониометров, получивших широкое применение не только в СНГ, но и за рубежом [20].
В Великобритании в начале 80-х вновь была проведена демонстрация ЛГ на полигоне в г.Фарнборо. На сей раз свои разработки демонстрировали уже две компании: British Aerospace и Ferranti. Каждая представила свою систему на основе ЛГ с периметром 30 и 43 см соответственно. В результате правительство заключило с каждой из фирм по контракту на 1 млн. фунтов. Компании должны были представить к январю 1986 года по две новые БИНС для авиационного применения. Следует отметить, что компания British Aerospace опиралась на американские патенты, полученные при покупке отделения Sperry Gyroscope, в то время как в Ferranti занимались собственными разработками [21].
ЛГ второго поколения
Начало 1990-х годов ознаменовалось в первую очередь распадом Советского Союза и окончанием холодной войны. Это привело к резкому снижению финансирования военных разработок с обеих сторон. Ключевым стал гражданский рынок. Американские компании активно реформировались, поглощая друг друга. Тем не менее, существующие и вновь разрабатываемые ЛГ уже могли обеспечить устойчивый выпуск продукции на их основе: инерциальные модули, БИНС и интегрированные навигационные системы. На рынках сбыта начинают появляться законченные образцы управляющих и навигационных систем, примеры которых приведены на рис.14.
Многие из этих систем остаются актуальными и на сегодняшний день. В частности, ИНС SIGMA 40 установлена на кораблях 35 флотов стран Европы. Британская система FIN3110 (BAE Systems) планируется к установке на минометы Agrab Mk.2 для вооруженных сил ОАЭ в 2013 году [22].
В России, несмотря на сложную экономическую ситуацию, разработки ЛГ продолжались в направлении повышения точности, создания интегрированных навигационных систем и БИНС. В 1990–1994 годы продолжаются разработки новых ударопрочных и двухрежимных ЛГ. Идет поиск новых концепций построения ЛГ для наземных подвижных объектов, решающих задачи гирокомпасирования и текущей ориентации. Одним из заметных достижений лазерно-гироскопического направления в 90-е годы является создание интегрированных БИНС НСИ-2000 на лазерных зеемановских гироскопах. Некоторые примеры серийных ЛГ, выпускаемых НИИ "Полюс", представлены на рис.15. Характеристики наиболее употребительных современных зарубежных и отечественных ЛГ, а также систем на их основе, приведены в табл.1–4.
Современное состояние рынка ИИМ на ЛГ
Сегодня производители ЛГ редко поставляют на рынок отдельные ЛГ. Как правило, конечным продуктом является инерциальный измерительный модуль (ИИМ) или готовая система. Рассмотрим подробнее рынок ИИМ, опираясь на исследования Yole Développement [23]. Производство инерциальных измерительных модулей является крупным сектором промышленности, где традиционно доминируют оборонные и аэрокосмические применения. 2011 год был стабильным годом для ИИМ с объемом рынка 1,75 млрд. долл. (рис.16).
Как видно из рис.16а, наибольшая часть современного рынка ИИМ обеспечивается небольшим числом ведущих зарубежных компаний: Honeywell, Northrop Grumman и Sagem, которые являются явными лидерами. Однако входят на рынок и другие новые производители, предлагая, прежде всего, недорогие ИИМ на базе МЭМС.
Класс высокоточных инерциальных датчиков, к которым относится в первую очередь ЛГ, является динамичным сегментом рынка, так как все большее число конечных приложений требует наличия систем стабилизации, наведения или навигации. В 2011 году рынок высокоточных гироскопов был оценен в 1,29 млрд. долл., показав рост на 4,3% годовых, и, как ожидается, достигнет 1,66 млрд. долл. к 2017 году (рис.16б). Стоит отметить, что такой прирост во многом обеспечивается популярностью ВОГ и МЭМС-гироскопов, которые из года в год улучшают свои характеристики. Для того чтобы определить место ЛГ среди всего многообразия сенсоров, предлагаемых на рынке, обратимся к гистограмме на рис.17.
Как видно, в настоящее время оптические гироскопы по-прежнему доминируют на рынке с большим отрывом. В частности, ЛГ широко используются в навигационных системах и системах тактического наведения. При этом с повышением класса точности доля ЛГ значительно возрастает. Если в области сенсоров низкой точности доминируют МЭМС-датчики в силу их дешевизны и компактности, то в области стратегической навигации доля ЛГ составляет более 60%.
Сверхбольшие
лазерные гироскопы
Несмотря на то, что большие усилия инженеров-гироскопистов связаны с уменьшением размеров датчиков, существует и противоположное направление – разработка и создание сверхбольших ЛГ, открывающих совершенно новые области их использования.
В середине 80-х годов группа ученых из Кентерберийского университета (г.Крайстчерч, Новая Зеландия) занялась разработкой лазерного гироскопа, способного улавливать различные эффекты, проявляющиеся при вращении Земли. Для достижения требуемых значений чувствительности было решено увеличить периметр резонатора по сравнению с обычными гироскопами. Первый образец такого датчика был изготовлен к 1989 году. Он назывался C-I и имел квадратный резонатор со стороной 85 см. С его помощью удалось измерить скорость вращения Земли, а также показать возможность построения ЛГ с большим периметром.
В дальнейшем было построено еще несколько установок с различными периметрами. Наиболее успешным является проект, реализованный в геофизической обсерватории, г. Ветцель, Германия. Структура установки, расположенной в этой лаборатории, приведена на рис.18 [24].
Здесь гироскоп имеет квадратный резонатор со стороной 4 м, выполненный из церодура. Конструкция в сборе размещается на массивном бетонном основании на глубине нескольких метров под Землей (рис.19а).
В лаборатории приняты все меры для исключения паразитного влияния на ЛГ внешних факторов. В результате получился сверхпрецизионный прибор, способный измерять вращение Земли с высокой точностью. С его помощью удалось зафиксировать суточные колебания Земной оси (период ~24 ч, амплитуда 5–60 см), чандлеровские колебания (период 433 дня, амплитуда ~9 м), приливные колебания. Особую роль устройства подобного рода играют в сейсмологии. Благодаря высокой чувствительности большие лазерные гироскопы способны улавливать сигнал от удаленных землетрясений (рис.19б).
Сегодня существует целый ряд подобных устройств, расположенных в различных странах и преследующих различные цели: обнаружение сейсмической активности, исследование движения Земли, оценка колебаний опор здания, обнаружение смещений в конструкции детектора гравитационных волн и др. Наибольшим периметром (39,7×21 м) сегодня обладает гироскоп UG-2, расположенный в Кашмирской пещерной лаборатории (Новая Зеландия). Данный проект направлен на оценку возможности дальнейшего увеличения периметра лазерных гироскопов. Как отмечают исследователи, такие макеты показали, что при увеличении размеров нестабильность масштабного коэффициента растет значительно быстрее, чем чувствительность.
Заключение
ЛГ своим появлением в 1962 году не только открыл новую эру волновых гироскопов, но и создал условия для бурного развития бесплатформенных инерциальных и, впоследствии, интегрированных навигационных систем. За 50 лет ученые всего мира проделали большую работу для того, чтобы сегодня мы могли смело заявить: "Лазерный гироскоп – ключевое звено в современных системах навигации, ориентации и стабилизации". К сожалению, невозможно в одной статье упомянуть всех ученых и все фирмы, причастные к развитию ЛГ, поэтому в работе в качестве примеров приводятся компании, информация о которых присутствует в открытых источниках.
Вот уже много лет лазерная гироскопия удерживает звание "критических технологий". Приведенный обзор рынка показывает, что несмотря на активную конкуренцию со стороны ВОГ и микромеханических гироскопов, ЛГ сохраняют сегодня лидирующие позиции в области высокоточных БИНС. Полностью оправдывается прогноз, сделанный академиком В.Г.Пешехоновым в работе [1]: "Высокоточные и среднеточные БИНС будут строиться на оптических волновых гироскопах и выпускаться крупными партиями".
Лазерные гироскопы по праву относятся к числу самых наукоемких и уникальных лазерных приборов, производство которых аккумулирует и стимулирует развитие новейших технологий, включая нанотехнологии. Сегодня ведущим отечественным предприятием в области лазерной гироскопии является ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха". Руководитель НПК-470, ответственного за разработку Зеемановских ЛГ, Ю.Д.Голяев отмечает рост как спроса на ЛГ, так и объемов их производства. Существующее отставание России в области производственной базы постепенно ликвидируется. Этот процесс может быть ускорен за счет привлечения зарубежных технологий, как это делается в области МЭМС или в автомобильной промышленности. Уже сегодня предприятия, объединяя усилия оптических, электронных и других производств, обеспечивают индустрию ЛГ лучшими образцами современной технологической и испытательной аппаратуры для кардинального перевооружения производственной базы. Эти шаги и имеющийся научный задел по созданию и совершенствованию новых образцов ЛГ должны обеспечить повышение качества выпускаемых приборов и систем на их основе.
Литература
Пешехонов В.Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем. – Гироскопия и навигация, 2011, №1, c.72.
Einstein A. Zur elektrodynamik bewegter körper. – Annalen der physic, 1905, т. 322, №10,
с.891– 921.
Sagnac G. – Compt. rend., 1913, v.157, №708, p.1410.
Берштейн И.Л. Опыт Саньяка на радиоволнах. – Доклады Аакдемии наук СССР, 1950, Т. LXXV, №5, с.635.
Rosenthal A. – J.Opt.Soc.Amer., 1962, v.52, p.1143.
Macek W.M., Davis J.D. Rotation rate sensing with traveling-wave ring lasers. – Applied Physics Letters,1963, v.2, №3, p.67–68.
Loukianov D.P. et al. The History of Laser Gyro Development in the Former Soviet Union. – Proceedings of the 57th Annual Meeting of the Institute of Navigation, 2001, p.225–237.
Лукьянов Д.П. Лазерные и волоконно-оптические гироскопы: состояние и тенденции развития. – Гироскопия и Навигация, 1998, №4(23), с.23–45.
Abdale J., Benischek V., Macek W. History of Ring Laser Gyroscope Development at Lockheed Martin (Formerly Sperry). – Proceedings of the 57th Annual Meeting of The Institute of Navigation, 2001, p. 176–187.
King A.D. Inertial navigation-forty years of evolution. – GEC review, 1998, v.13, №.3,
p.140–149.
Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. – М.: Сов. радио, 1975.
Виноградов В.И., Захаров М.А., Таушан Б.А. Лазерный гироскоп с естественным невзаимным элементом. – Авиакосмическое приборостроение, 2006, №10, c.23–27.
Лукьянов Д.П. Устройство для создания начального сдвига частот в кольцевом оптическом квантовом генераторе. Авт. свид. №274871 –
БИ, 1970, №21.
Лукьянов Д.П. Рогачев А.Ф. Устройство для создания невзаимного фазового сдвига линейно поляризованных колебаний. Авт. свид. №373806. – БИ, 1973, №14.
De Lang H. Eigenstates of polarization in lasers. – Phillips Res. Repts, 1964, v.19, p.429–440.
Пат. 3862803 США. Differential Laser Gyro System. Yntema G.B. – 1975.
Volk C.H., Gillespie S.C., Mark J.G., Tazartes D.A. Multioscillator ring laser gyroscopes and their applications. – Optical Gyros and their Applications. NATO RTO AGARDograph 339, May 1999.
Jenkins F.A. and White H.E. Fundamentals of Optics. Fourth Edition. – McGraw-Hill Inc., New York, NY, 1976, p.691.
Meek J.M. and Craggs J.D. Electrical Breakdown of Gases. – Oxford University Press, London, 1953, p.111–118, 348–349, 355–359.
Filatov Yu., Loukianov D.P., Probst R. Angle measurement by means of a ring laser goniometer. – Metrologia, 1997, v.34, p.343–350.
Warwick G. UK follows laser path. – Flight International, 1985, v.127, p.257.
http://www.army-guide.com/eng/product4037.html.
Robin L., Perlmutter M. Gyroscopes and IMUs for Defence Aerospace and Industrial. – Report by Yole Développemen, 2012.
Schreiber K.U., Klugel T., Velikoseltsev A. et al. The large ring laser g for continuous earth rotation monitoring. – Pure and Applied Geophysics, 2009, v.166 (8–9), p.1485–1498.
Отзывы читателей
