автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование конструктивно-технологических характеристик лазерного гироскопа с целью повышения его качества

На правах рукописи

Молчанов Алексей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО КАЧЕСТВА

Специальность 05.11.14. «Технология приборостроения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2005

Работа выполнена в ОАО «Московском институте электромеханики и автоматики»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ Суминов Вячеслав Михайлович.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Крютченко Олег Николаевич; кандидат физико-математических наук, с.н.с. Демиденков Юрий Васильевич.

Ведущая организация - ОАО «Раменский приборостроительный завод».

Зашита диссертации состоится «15» ноября 2005 года в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д.212.110.01 по специальности 05.11.14 (Технология приборостроения) в «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского по адресу: 109240 г. Москва, Берниковская набережная, д. 14, ауд. 602.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского'

Автореферат разослан « » оЬТ&^я2005 года.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.212.110.01, кандидат технических наук, профессор

Баранов П. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В современном авиационно-космическом приборостроении широкое применение находят пилотажно-навигационные комплексы и системы управления, построенные на бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС).

Специфика использования гироскопических датчиков в БИНС, характеризующаяся большими угловыми скоростями, измеряемыми при функционировании на борту летательного аппарата, определяет одинаково жесткие требования, как по стабильности собственного дрейфа гироскопа, так и по стабильности его масштабного коэффициента. Наибольшее распространение в качестве гироскопического датчика БИНС получил лазерный гироскоп (ЛГ) благодаря широкому диапазону измеряемых угловых скоростей - сотни °/сек, стабильности масштабного коэффициента - (1-10)10"6, стабильности собственного дрейфа - 0,005 ... 0,05 °Лас, удобству сопряжения с вычислительной техникой.

Перспективы развития БИНС на ЛГ связаны, с одной стороны, с увеличением числа потребителей (малые самолеты, наземный транспорт, малые суда), что требует улучшения их надежности и эксплуатационных характеристик при уменьшении габаритов и массы, а с другой стороны, с ужесточением требований со стороны традиционных потребителей. Опыт разработки ЛГ показывает, что основной погрешностью этих приборов, определяющей возможность их использования в качестве датчиков БИНС, является случайный дрейф. Другой проблемой является улучшение эксплуатационных характеристик, среди которых одной из важнейших является технический ресурс, определяемый основным элементом ЛГ - кольцевым гелий-неоновым лазером (КЛ). Решение проблемы создания ЛГ с улучшенными точностными и эксплуатационными характеристиками требует углубленного анализа механизмов влияния конструктор-ско-технологических параметров на г г игттп г пу и ,1 и I тгп гци; Пф п и ресурса, на

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ !

библиотек/

С Петербург'

09 ЗЕ^ал

основе которого могут быть разработаны технические решения, направленные на совершенствование конструкции и технологии изготовления ЛГ".

Таким образом, исследование факторов, определяющих погрешность ЛГ, разработка на этой основе конструкторско-технологических рекомендаций по повышению точности, а также создание эффективной методики, позволяющей определять ресурс КЛ на этапе его изготовления, является актуальной задачей

В данной работе рассмотрены вопросы доведения параметров лазерного гироскопа ЛГ-1 с вибрационной частотной подставкой, разработанного в ОАО "Московский Институт Электромеханики и Автоматики", до требований перспективных БИНС. Для этого разработана математическая модель основных параметров прибора, рассмотрены технологические аспекты конструкции данного гироскопа, на основании анализа которых предложены пути её модернизации и новые методы управления, позволяющие уменьшать случайную погрешность, а также реализована новая методика прогнозирования ресурса КЛ на этапе его изготовления.

Цель работы

Целью данной работы является реализация конструктивно-технологических решений, обеспечивающих повышение точности ЛГ с вибрационной частотной подставкой, а также создание новой методики, позволяющей прогнозировать ресурс КЛ гироскопа на этапе его изготовления.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- выявить параметры точности и надежности серийно выпускаемых лазерных гироскопов, не удовлетворяющие требованиям перспективных БИНС;

- исследовать конструктивно-технологические причины и проанализировать физическую природу образования доминирующей погрешности ЛГ;

- формализовать связи конструктивно-технологических параметров ЛГ с его погрешностями и ресурсными характеристиками;

- разработать алгоритм управления вибрационной системой ЛГ, позволяющий минимизировать накапливаемую составляющую случайного дрейфа;

- разработать и экспериментально проверить эффективность рекомендаций по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ;

- разработать методику прогнозирования ресурса КЛ, проводимого на этапе его изготовления;

- обосновать и сформулировать требования к автоматизированному рабочему месту для оценки ресурса КЛ по предлагаемой методике.

Положения, выносимые на защиту

На защиту в соответствии с целью работы выносятся следующие положения:

- уточненная математическая модель ЛГ, учитывающая связь между встречными волнами из-за рассеяния на диафрагме, дифракцию лазерного излучения на диафрагме, влияние примессй на устойчивость разряда и формализующая связи первичных конструктивно-технологических параметров элементов ЛГ с его погрешностями и техническим ресурсом;

-алгоритм управления вибрационной системой ЛГ, компенсирующий влияние зоны захвата на его выходной сигнал, позволяющий уменьшить примерно в 10 раз накапливаемую составляющую случайного дрейфа ЛГ;

- конструкторские и технологические рекомендации по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ, а также экспериментальная проверка их эффективности;

-методика определения технического ресурса КЛ, позволяющая по временному дрейфу характеристик реактивных колебаний в цепи разряда проводить индивидуальное прогнозирование на этапе изготовления, эффективность которой подтверждена экспериментально. ,

Методы исследования

Полученные результаты базируются на комплексном применении основных положений теории кольцевого лазера, теории колебаний, физики газового разряда, теории электрических цепей, теории точности производства, математических методах анализа, а также натурном и математическом моделировании.

Научная новизна

1. Создана уточненная математическая модель ЛГ, описывающая доминирующую погрешность и характеристики разряда ЛГ в его конструктивно-технологических параметрах;

2. Разработан компенсационный метод управления вибрационной системой, позволяющий минимизировать случайную погрешность, вызванную связью встречных волн в резонаторе ЛГ;

3. Разработаны теоретически обоснованные рекомендации по минимизации величин дифракционных потерь и зоны захвата в КЛ;

4. Разработана методика индивидуального контроля, позволяющая оценивать ресурс КЛ гироскопа на этапе его изготовления;

5. Сформулированы и обоснованы требования к автоматизированному рабочему месту для оценки ресурса КЛ гироскопа по предлагаемой методике.

Практическая ценность работы заключается в:

разработке технических решений по совершенствованию конструкции и технологического процесса изготовления ЛГ, обеспечивающих уменьшение его доминирующих погрешностей;

применении разработанной математической модели для выбора рациональных величин параметров контура управления вибрационной системой и обоснованных допусков на отклонение этих параметров с точки зрения обеспечения требуемой точности ЛГ;

разработке новой методики оценки ресурса КЛ гироскопа, обеспечивающей прогнозный контроль на этапе изготовления;

внедрении разработанных технических решений в конструкторскую документацию и технологический процесс изготовления серийно выпускаемого лазерного гироскопа ЛГ-1.

Апробация работы. Материалы представленные в данной диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях: 8, 9, 10, 11 Международных конференциях по интегрированным навигационным системам, г.

Санкт-ГТетербург - 2001, 2002, 2003, 2004 гг.; Сессии научного совета по проблемам управления движением и навигацией РАН, Москва - 2002 г.; Международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии», г. Минск -2003 г.; Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии», г. Санкт-Петербург - 2004 г.; Всероссийской НТК «Новые материалы и технологии», г. Москва - 2004; Международной конференции «Газовые разряды и их применение», г. Тулуза, Франция -2004 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, из них один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 137 наименований. Материал изложен на 172 страницах иллюстрированных 75 рисунками, графиками и 26 таблицами.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении рассмотрены актуальность и практическая ценность работы. Сформулированы цель работы, задачи и методы исследований, научная новизна, результаты апробации и внедрения данной работы. Приведена структура диссертации и краткое содержание основных разделов.

В первой главе на основании требований, предъявляемых к гироскопическим датчикам БИНС, проведен их сравнительный анализ. Рассмотрены поплавковые, динамически настраиваемые, волновые твердотельные, лазерные, микромеханические и волоконно-оптические гироскопические датчики.

Показано, что наиболее предпочтительным для использования в БИНС является лазерный гироскоп. Рассмотрены основные погрешности, различные схемы построения современных ЛГ, а также приведены их основные точностные и конструктивные параметры. Продемонстрировано, что синхронизация частот встречных волн в кольцевом резонаторе ЛГ определяет многообразие схем построения и возможность его практической реализации, а совершенствование технологии изготовления оптических элементов представляет собой тех-

нически весьма трудную и затратную задачу. Проанализированы различные методы управления, позволяющие снизить влияние синхронизации частот на выходной сигнал ЛГ, и показано, что наиболее перспективным должен стать способ, позволяющий компенсировать влияние синхронизации.

Подробно рассмотрены конструкция и технология изготовления лазерного гироскопа ЛГ-1, проведен анализ серийно выпускаемых приборов, на основании которого определены доминирующие, с точки зрения обеспечения качества изделия, характеристики: случайная погрешность дрейфа и технический ресурс Причинами этого являются два физических явления, характерных для ЛГ с газовой рабочей средой: наличие зоны синхронизации, обусловленной взаимной связью между противоположно распространяющимися в кольцевом резонаторе волнами, и изменение состава рабочей газовой среды КЛ.

Во второй главе разработана уточненная математическая модель, формализующая связи первичных конструктивно-технологических параметров элементов ЛГ с его случайной погрешностью и техническим ресурсом. Для этого проведено моделирование выходного сигнала ЛГ, распределения поля в резонаторе и положительного столба разряда.

Физические процессы появления информационного сигнала разностной частоты на выходе ЛГ описываются уравнением, содержащим производную по времени от мгновенной разности фаз у между двумя лучами. С целью исследования выходного сигнала при работе с вибрационной частотной подставкой предложена модификация классического уравнения ЛГ в виде:

+ = (1)

где Д. - зона захвата; Г2, - угловая скорость вращения основания; £Х(1) - угловая скорость колебаний резонатора

Формирование источников случайной погрешности ЛГ происходит на этапе сборки КЛ и определяется величиной зоны захвата, которая является

зонатора. Вибрационная система ЛГ рассматривается как колебательное звено второго порядка, находящееся под воздействием управляющего возмущения

Поскольку диафрагма находится в поле .шерного пччка, то на ней, как и на зеркалах резонатора, происходит обратное рассеяние встречных волн Оценка вклада обратного рассеяния лазерного пучка на диафрагме в величину коэффициента связи встречных волн, показала, что он определяется геометрическими размерами диафрагмы и шероховатостью ее внутренних стенок Коэффициент связи падающей и отраженной волны по амплитуде определяется как

, (2)

_ 2ж:(п:~ -п,"}( И 7 ~ 3/ V 2 а

1 +-'Л

2жфи: - 4л- («/ - п.-)

П)

где Л - длина волны: п> п:- показатели преломления среды и магерил ш ре юна тора: а, I И - ширина, длина и шероховатость диафрагмы

Задача расчета резонаторных мод сводится к поиску собственных значений Л и собственных функций интегрального уравнения-

Л£(х,у) = \\ К(х,х у,у')Е(х\у')сЬ:ау' (4)

в котором ядро преобразования К(хх',у,у') описывает изменения распределения поля в лазерном пучке при его дифракции, распространении в свобо щом пространстве, отражениях от зеркал.

Для резонаторной ¡йоды, соответствующей собственном) значению Л,„, дифракционные потери определяются соотношением-

^„(ТЕМ.....)- / -'Л,,,,,'"

Собственные значения Л найдены в форме с>ммы двух последовательных приближений метода возмущений путем разложения ноля резонаторной моды по модам Эрмита-Гаусса

£ (6)

m=0n=0 co o ~ m n exp(-i2m y/x-i2n i//v )

m=n*0

где y/x i - дополнительные фазовые набеги гауссовых пучков на периметре резонатора, ст„ - коэффициенты, характеризующие связь с основной модой высших мод Эрмита-Гаусса из-за дифракции излучения на диафрагме, hm „ - коэффициенты, характеризующие долю энергии, оставшуюся в данной моде Эрмита-Гаусса после прохождения диафрагмы.

Устойчивость электрической цепи двухплечевого разряда КЛ определяет система уравнений:

ímZp{o}0,JI)+lmZH{o}0) = 0, (7)

ReZp(u0,JJ)+ReZll{a0) = 0 (8)

относительно двух неизвестных величин: резонансной частоты он, и тока J¡. Двухплечевой разряд неустойчив при токах, меньших J¡. Комплексные сопротивления Zp замещают два идентичных положительных столба, а комплексное сопротивление внешней цепи Z» включает активную нагрузку - балластное сопротивление R6 и реактивную - монтажную емкость С.

Процесс газообмена в положительном столбе разряда КЛ представлен на

рис. 1

Примеси в газовой смеси. Np Примеси растворенные в ситалле. М.

-л-

Частотная зависимость комплексного сопротивления 2Р рассчитана с помощью модели положительного столба. Модель построена с учетом процессов прямой и ступенчатой ионизации, а также возбуждения атомов газа электронами, диффузии заряженных частиц и метастабильных атомов к стенке разрядного канала, хемоионизации при столкновениях метастабильных атомов, ионизации атомов посторонних примесей при столкновениях с метастабильными атомами гелия и неона (реакция Пеннинга) и описывается уравнениями:

где N0 - начальная концентрация легко ионизируемых газов, а, ¡3, у - постоянные времени процессов катафореза и диффузии, А^ , Л\,, - концентрация примесей в газовом объеме, в ситалле около поверхности разрядного канала, в объеме моноблока.

В третьей главе разработан алгоритм управления вибрационной системой ЛГ, обеспечивающий компенсацию влияния зоны захвата на выходной сигнал ЛГ. Проведенное математическое моделирование позволило определить погрешности ЛГ при компенсационном управлении вибрационной системой и сформулировать требования к величинам погрешностей получения информации о параметрах вибрационной системы ЛГ.

Компенсация влияния зоны захвата на выходной сигнал ЛГ обеспечивается детерминированным законом управления колебаниями резонатора, задаваемым как функция времени: ДД) =уь(0, и удовлетворяющим требованиям (рис. 2): прохождение последовательных зон захвата при разнос 1И фаз встречных волн, отличающихся на угол (2к - 1)-л\ стабилизация амплитуды колебаний вибрационной системы; симметрия верхней и нижней огибающих угла колебаний вибрационной системы.

; (9)

(Ю)

Целью алгоритма компенсационного управления (КУ) является подбор возмущений уь(1), при котором:

- Уы и уы обеспечивают необходимую разность амплитуд Л/ = Аз- А,;

- Ум и уы обеспечивают необходимую разность амплитуд А>= А4 - А2\

- Луь стабилизирует и ошумляет среднее значения амплитуд колебаний.

Реализация предлагаемых возмущений обеспечивает компенсацию погрешностей, вызываемых прохождением зон захвата, в моменты ^ - // и - Ь. Погрешность в точке г,-, компенсируется в следующем периоде колебаний.

Получены уравнения, позволяющие определять: необходимые величины возмущений уь, и Ауь\ амплитуду колебаний А,; декремент затухания и коэффициент передачи вибрационной системы; величину начальной амплитуды А/ и значение скорости вращения на данном интервале. Источником информации о перечисленных параметрах является выходной сигнал ЛГ, выраженный в количестве импульсов /V, подсчитанных на интервалах времени Л - гч . г( - Г, и т.д.

Проведено математическое моделирование точностных характеристик ЛГ с целью исследования алгоритма КУ: в "идеальном" случае; с учетом влияния инструментальных погрешностей получения исходной информации; а также погрешности БИНС при реализации алгоритма КУ. Результаты моделирования представлены в таблице 1.

Величины допустимых погрешностей измерения информативных параметров составили: 0,005% для декремента затухания; 0,01% для коэффициента

передачи. Сравнительный анализ полученных результатов показал, что применение алгоритма КУ колебаниями вибрационной системы позволяет снизить случайную погрешность ЛГ с 0,031 до 0,0024 7час.

Таблица 1

Способ управления вибрационной частотной подставкой Случайная погрешность ЛГ, сгщ, , °/час

Случайное ошумление колебаний 0,031

Алгоритм КУ (идеальный вариант) 0,0013

Алгоритм КУ (учет погрешностей) 0,0024

Эффективность предлагаемого метода управления была оценена моделированием погрешности БИНС в режиме «выставка», когда влияние случайной погрешности ЛГ имеет максимальный весовой коэффициент. В результате получено уменьшение погрешности выставки с 3-5 до 0,5 угл минут.

Четвертая глава содержит результаты расчетов кольцевого резонатора, позволивших обосновать требования к диафрагме, модернизировать технологию ее изготовления и разработать методику комплектации резонатора перед сборкой.

Рассмотрение распределения поля в приближении гауссового пучка приводит к эллиптической форме сечения, размер которого определя-/1г мм ется радиусом кривизны сферических зеркал К. На рис 3 иредств-лена зависимость размера лазерно! о пучка в меридиональной плоскости и„, от /? на половине длины резонатора А:.

Л мм

> Сферическое зеркало Рис. 3 Размер гауссовою пучка в резонаторе

Проведен анализ распределения поля в резонаторе с диафрагмой, который показал, что возмущение полей мод кольцевого резонатора приводит к росту дифракционных потерь относительно величин, рассчитанных в приближении эллиптического гауссового пучка. Полученные значения дифракционных потерь для мод ТЕМоо и ТЕМ] й, представленные в таблице 2, демонстрируют их рост в среднем на 30 %, что вызвано увеличением интенсивности лазерного пучка в областях, удаленных о г оптической оси (рис. 4).

Рис. 4 Распределение интенсивностей по сравнению с эллиптическим гауссовым пучком (штриховая линия)

Таблица 2

Дифракционные потери, % ТЕМоо ТЕМ,«

Приближение эллиптического гауссового пучка 0,024 0,240

Учет возмущающего действия диафрагмы 0,031 | 0,313

Показано, что определение абсолютной величины дифракционных потерь в кольцевом резонаторе с точностью не хуже 10'3 % обеспечивается при учете 100 мод Эрмита-Гаусса в разложении поля дифрагировавшего лазерного пучка.

Проведен анализ влияния отклонений геометрических размеров диафрагмы и зеркал от оптимальных величин. Показано, что существующие допуски приводят к значительным изменениям дифракционных потерь, что не обеспечивает стабильную воспроизводимость величины потерь в резонаторе.

Учет влияния шероховатости поверхности диафрагмы на распространяющиеся в резонаторе лучи, приводит к дополнительному коэффициенту связи между ними. При существующих требованиях к диафрагме этот коэффициент имеет такой же порядок величины, что и коэффициент связи на зеркалах. Сформулированы следующие функциональные требования к диафрагме:

- селекция высших резонаторных мод,

- минимальный коэффициент связи для встречных волн,

- воспроизводимость величины дифракционных потерь для основной моды резонатора на уровне 25 %,

позволившие обосновать требования к ее геометрическим параметрам. Требования представлены в таблице 3.

Таблица 3

Наименование параметра Требования документации

Без обоснования С обоснованием

Размер полуоси, а, мм 1,80 ±0,02 1,91 ±0,01

Размер полуоси, Ь, мм 1,52 ±0,02 1,61 ±0,01

Длина, 1, мм 2,0 ±0,2 1,0 ±0,2

Шероховатость, А, мкм не предъявлялись Яа 0,4

На основании предложенной модели и обоснованных допусков на геометрию диафрагмы создана методика комплектации резонатора перед сборкой. Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить индивидуальный расчет каждого резонатора и принимать решения о его комплектации элементами (корпусом и сферическими зеркалами) с рациональными параметрами.

Методика опробована на партии резонаторов и обеспечивает, в пределах существующих допусков на корпус и сферические зеркала, определение для ре-

зонаторов условий наилучшей комплектации с целью обеспечения селекции мод и минимального уровня дифракционных потерь для основной моды. Показано, что применение методики позволяет разделять комплектующие по группам, обеспечивающим наилучшие условия комплектации.

Анализ существующего технологического процесса получения диафрагмы показал, что требования по геометрическим размерам полуосей и шероховатости ее поверхности могут быть обеспечены методом химического травления.

Предложенный технологический процесс позволяет формировать поверхность диафрагмы в одной технологической операции, что обеспечивает требуемую шероховатость и снижение трудоемкости. Модернизированная технология формообразования диафрагмы внедрена в технологический процесс изготовления корпуса резонатора.

Полученные экспериментальные данные подтверждают, что выполнение диафрагмы с обоснованными допусками позволит, при прочих равных условиях, добиться минимизации зоны захвата в резонаторе.

В пятой главе разработана методика индивидуального прогнозирования ресурса кольцевых лазеров на этапе их изготовления,

Деградационные процессы в КЛ определяются устойчивостью: окисного покрытия катода к распылению и интерференционных покрытий зеркал к воздействию разряда; а также процессом газообмена в разряде. Поскольку интерференционные покрытия современных зеркал, полученные путем ионного напыления, обладают высокой устойчивостью, данный деградационый процесс исключен из рассмотрения. Поиск определяющего параметра для прогнозирования осуществлен на основе длительных испытаний КЛ с катодами, имеющими различные характеристики пористости окисного покрытия. Экспериментальные данные изменений величин пороговых токов лазерной генерации показывают возможность их использования в качестве прогнозирующего параметра лишь после 1 ООО - 2000 часов предварительной наработки. Обработка результатов позволила определить скорости роста пороговых токов, вызванные посте-

пенным уменьшением содержания неона в активной среде вследствие катодного распыления. Найденное отличие скоростей роста является индикатором различия качества катодов, установленных в эти приборы.

Неустойчивость электрической цепи разряда, порог которой определяется путем решения системы уравнений (7), (8), приводит к появлению реактивных колебаний. Анализ результатов долговременных испытаний по пороговому току появления реактивных колебаний позволил определить скорости его изменения в виде постоянных времени г экспоненциальных зависимостей, аппроксимирующих временные изменения порогового тока Результаты коррелируют с данными, полученными для скорости изменения пороговых токов лазерной генерации. Установлено, что отличие скоростей изменения пороговых токов реактивных колебаний в образцах КЛ с разными катодами, на начальной стадии испытаний, аналогично отличиям скоростей удаления неона из рабочей смеси вследствие катодного распыления.

Результаты моделирования электрической цепи и процессов газообмена в газовом разряде объясняют экспериментально обнаруженные изменения порогового тока реактивных колебаний. Сопоставление результатов моделирования и испытаний показывает, что пороговый ток реактивных колебаний обладает высокой чувствительностью к изменениям малой концентрации примесей в разрядном канале. Концентрация примесей оказывает влияние на величину порога неустойчивости и при непрерывной работе КЛ релаксирует к установившемуся значению по экспоненциальному закону, что является следствием катафореза, газоотделения из стенок канала и катодного распыления.

Для практической реализации методики прогнозирования ресурса использованы реактивные колебания, возникающие при неустойчивости стационарного состояния электрической цепи разряда. Для измерений КЛ переводится из рабочего режима Сток на катод 1,5 мА) в режим реактивных колебаний с фиксированной частотой путем уменьшения напряжения на выходе источника

Uq. Регистрируемыми величинами являются частота реактивных колебаний, средний ток на катод J и постоянное напряжение U0, подаваемое на аноды KJI.

Методика определения параметров разряда в режиме реактивных колебаний отработана в условиях серийного производства на партии KJ1. Результаты испытания KJI в этом режиме показали, что лучшая точность измерений достигается в случае, когда определяющим параметром является напряжение £/<>, а не величина порогового тока J,. Это связано с методической погрешностью измерений Ju вызванной жестким самовозбуждением реактивных колебаний

Экспериментальные данные для различных времен наработки аппроксимируются выражением:

U0{T)=U,+AU

1-expl

(11)

Результаты испытаний с результатами расчета скоростей откачки неона и прогнозируемый ресурс приборов, представлены в таблице 4.

Таблица 4

Номер КЛ 902 945 952 957 959

£/„В 948,7 898,2 912,0 960,5 922,0

Д(У,В 23,0 66,1 187,0 54,0 48,0

г, час 168 260 >1000 312 424

А],/Ли (А/ч) -10"9 60 43 <10 33 25

t, тыс. час 17 23 >80 24 32

Установленные экспериментально зависимости между пороговым током генерации и постоянной времени откачки легко ионизируемых примесей т позволяют ввести коэффициент пропорциональности С,х для пересчета г в скорость откачки неона: Сх = 1,04-1А. Зависимость для расчета скорости удаления неона:

^ 02)

/и т

где ЛЛ - изменение порогового тока генерации.

Временной дрейф постоянных составляющих тока и напряжения на разрядном промежутке при фиксированном периоде реактивных колебаний отражает изменения газовой смеси, вызванные распылением холодного катода. Значительные отличия в величине прогнозируемого ресурса в приведенной выше таблице вызваны различиями в скоростях распыления катодов разных КЛ.

Указанная методика и оборудование внедрены в производство и применяются для выборочного контроля серийно выпускаемых КЛ.

На основании результатов испытаний партии КЛ сформулированы требования к программному обеспечению и аппаратному составу автоматизированного рабочего места, позволяющего проводить накопления, экспрессную обработки и представление результатов измерений определяющего параметра в непрерывном измерительном цикле.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате проведенных в рамках данной диссертационной работы исследований получены следующие основные результаты:

1 Проведен анализ параметров серийно выпускаемых лазерных гироскопов, позволивший выявить доминирующие характеристики качества ЛГ-случайный дрейф и ресурс, а также определить возможные физические причины, формирующие эти характеристики

2 Разработана уточненная математическая модель ЛГ, обобщающая модели: выходного сигнала ЛГ, распределения поля в резонаторе и положительного столба разряда. Модель позволила установить, что:

- случайный дрейф ЛГ определяется величиной зоны захвата, которая является обобщенной характеристикой рассеяния лазерного излучения на элементах резонатора;

- учет дифракции лазерного излучения на диафрагме позволяет уточнять величины дифракционных потерь мод кольцевого резонатора;

- на связь встречных волн в кольцевом резонаторе влияют параметры не только зеркал, но и диафрагмы;

- временной дрейф порогового тока реактивных колебаний позволяет определять изменения состава газовой смеси, вызванные распылением катода;

- наличие легко ионизируемых примесей в газовом разряде оказывает влияние на величину порога неустойчивости стационарного состояния разряда.

3. В результате исследований, проведенных с помощью разработанной модели, сформированы требований к выбору номинальных параметров функциональных элементов резонатора и осуществлен рациональный выбор допусков на них, которые позволяют обеспечить- уменьшение величины дифракционных потерь для основной резонатор-

ной моды в 2 раза и воспроизводимость этой величины на уровне 25 %;

- снижение величины зоны захват в резонаторе на 28 %;

4. Найдены условия компенсации влияния зоны захвата на выходной сигнал, позволяющие построить алгоритм управления вибрационной системой ЛГ, уменьшающий накапливаемую составляющую случайного дрейфа ЛГ с 0,031 до 0,0024 °Лшс, что обеспечивает повышение точности выставки БИНС с 3-5 угл. минут до 0,5 угл. минут.

5. Разработана методика определения технического ресурса КЛ, позволяющая проводить индивидуальное прогнозирование на этапе его изготовления. Эффективность разработанной методики подтверждена экспериментально.

6. Разработанные в работе рекомендации по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ внедрены в конструкторскую документацию и технологические процессы серийного производства изделий: лазерного I ироскола ЛГ-1, блока лазерных I ироскопов БЛГ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Efimov B.V., Kremer V.I., Molchanov A.V., Polikovsky E.F. Compensation of random drift of a laser gyroscope // Proceedings of the 8th S-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems - S-Pb., 28-30 May 2001, pp. 113-114

Молчанов A.B., Суминов B.M., Чиркин M.B. Формирование доминирующей погрешности лазерного гироскопа // Авиакосмическое приборостроение, №9, 2004 стр. 12-19

Молчанов А.В , Суминов В.М., Чиркин М.В. Моделирование деградаци-онных процессов в разряде кольцевого гелий-неонового тгазера // Авиакосмическое приборостроение, № 9, 2004 стр. 20-24 Молчанов А В., Морозов Д.А , Ремизов Б.П., Чиркин М.В Способ определения прогнозируемого срока службы кольцевого гелий-неонового лазера Патент РФ № 2231858 Н 01 J 17/22, бюл. № 18 июнь 2004 Molchanov А. V., Osetrov I.V., Chirkin M.V. Problems of quality in laser gyro technology. // Proceedings of 10й1 S-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems - S-Pb., 26-28 May 2003, pp. 340 - 342 Chesnokov G.I., Polikovsky E.F., Molchanov A.V., Kremer V.I Some ways of improving the technical and operational characteristics of strapdown inertial navigation systems. // Proceedings of 10,h S-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems - S-Pb., 26-28 May 2003, pp. 277 - 285 Chirkin M.V., Filatov D.S., Molchanov A.V., Osetrov I.V. Suppressing instability in the electric circuit of screened glow discharge. // Proceedings of the 4th International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology" Belarus, Minsk, 15-19 September 2003, v. 1, pp. 84 - 87

Chirkin M.V., Filatov D.S., Molchanov A.V., Morozov D.A. Ignition of glow discharge and dynamic properties of ionized gas in the symmetric bilateral channel at a low pressure. // XV,h International Conference on Gas Discharges and Their Applications - Toulouse, France, 5-10 September 2004, v 1, pp 439442

9 Chirkin M.V.. Molchanov A.V., Morozov D.A., Osetrov I.V, Glow discharge monitoring with self-oscillation exciting in the discharge circuit // XVth International Conference on Gas Discharges and Their Applications - Toulouse, France, 5-10 September 2004, v.l, pp. 447-450

10 Молчанов A.B., Морозов Д.А., Филатов Д.С., Чиркин М.В. Ресурсные испытания кольцевых лазеров для лазерных гироскопов // Материалы 3'го Международного симпозиума «Аэрокосмические приборные технологии»

- С.-Пб, 2-4 июня 2004, стр. 26-28

11 Молчанов А.В., Поликовский Е.Ф. Исследование случайного дрейфа лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой // Материалы 3 го Международного симпозиума «Аэрокосмические приборные технологии»

- С.-Пб, 2-4 июня 2004, стр. 28-30

12 Kremer V.I., Molchanov A.V., Polikovsky E.F., Troitsky V.A. Using postprocessing methods for filtrations of signals. // Proceedings of the 9th S-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems - S-Pb., 27-29 May 2002, pp. 206 - 208

13 Molchanov A.V., Morozov D.A., Osetrov I.V., Chirkin M.V. Field reliability of ring lasers used in strapdown inertial navigation systems. // Proceedings of the 11th S-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems -S-Pb„ 24-26 May 2004, pp. 271 - 273

14 Ефимов Б.В., Кремер В.И., Молчанов A.B., Ремизов Б.П. ЛГ для БИНС самолетов гражданской авиации (опыт разработки). // Сессия «Лазерная гироскопия. Ее проблемы и перспективы развития» - М., ИПМ РАН, июнь 2002

15 Молчанов А.В., Чиркин М.В. Особенности прогнозирования ресурса кольцевых гелий-неоновых лазеров // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2004» - М., 17-19 ноября 2004, ь 2, сгр. 101

Подписано в печать 03 10 2005 Формат 60x84 1/16 Печать на ризографе Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 170

Отпечатано в типографии издательского центра МАТИ 109240. Москва. Берниковская наб . 14

»19183

РНБ Русский фонд

2006-4 17155

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи

1.1. БИНС на лазерных гироскопах и их характеристики

1.2. Анализ требования к гироскопическим датчикам БИНС

1.3. Лазерный гироскоп

1.3.1. Основные погрешности лазерного гироскопа

1.3.2. Анализ способов снижения влияния синхронизации частот на выходной сигнал ЛГ

1.4. Лазерный гироскоп ЛГ

1.4.1. Основные элементы лазерного гироскопа ЛГ

1.4.2. Технологический процесс изготовления ЛГ

1.5. Проблематика повышения качества в технологии ЛГ

1.6. Постановка задачи исследования

Глава 2. Разработка математической модели лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой

2.1. Модель выходного сигнала ЛГ с вибрационной частотной подставкой

2.2. Модель распределения поля в кольцевом резонаторе

2.3. Модель положительного столба газового разряда 2.3. Выводы

Глава 3. Разработка способа управления вибрационной частотной подставкой, компенсирующего влияние зоны захвата

3.1. Определение условий для компенсации влияния зоны захвата

3.2. Формирование компенсационного алгоритма управления вибрационной частотной подставкой

3.3. Получение исходной информации для управления

3.4. Результаты математического моделирования

3.4.1. Работа ЛГ в режиме вибрационной частотной подставки со случайным ошумлением

3.4.2. Работа ЛГ в режиме вибрационной частотной подставки с алгоритмом КУ

3.4.3. Учет влияния ошибок получения исходной информации 3.5. Выводы

Глава 4. Модернизация конструкции и технологии изготовления кольцевого резонатора

4.1. Моделирование распределение поля в кольцевом резонаторе

4.1.1.Моделирование распределение поля в резонаторе не возмущенном диафрагмой

4.1.2. Моделирование распределения поля в резонаторе с эллиптической диафрагмой

4.2. Формирование требований к диафрагме

4.3. Методика комплектования резонатора перед сборкой

4.4. Модернизация технологии изготовления диафрагмы

4.5. Экспериментальная оценка параметров кольцевых резонаторов 4.5. Выводы.

Глава 5. Индивидуальное прогнозирование ресурса KJI

5.1. Поиск определяющего параметра

5.1.1. Схема установки и описание методики эксперимента

5.1.2. Результаты долговременных испытаний KJI

5.2. Моделирование процессов в положительном столбе разряда

5.2.1. Пороговый ток возникновения реактивных колебаний в положительном столбе разряда

5.2.2. Релаксация легко ионизированных примесей в разрядном канале

5.3. Способ индивидуального прогнозирования ресурса KJI

5.4. Автоматизированное рабочее место для определения ресурса KJI

5.4.1. Структура автоматизированного рабочего места

5.4.2. Требования к программному обеспечению

5.5. Выводы.

Основные результаты работы.

Инсрциальные навигационные системы (ИНС) являются основой навигационных комплексов всех современных летательных аппаратов. Преимуществами ИНС перед другими навигационными системами являются их автономность и помехозащищенность при определении основных параметров движения: координат местоположения, скорости, угловой ориентации, направления движения, ускорения, угловой скорости и др. [1 - 4]. Современные тенденции развития ИНС направлены на применение бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [3 - 5, 10 - 11, 38 - 39]. БИНС по сравнению с платформенными ИНС имеют ряд преимуществ: простоту кинематической схемы, повышенную надежность, компактность, больший > динамический диапазон, универсальность вычислительных алгоритмов в различных системах координат, уменьшение энергопотребления [5, 6, 10].

Реализация потенциальных преимуществ БИНС потребовала разработки гироскопических датчиков, удовлетворяющих их требованиям. Гироскопические датчики платформенных ИНС работают в контурах стабилизации, как правило, в режиме ноль-индикатора, поэтому к ним предъявляются высокие требования по стабильности собственного дрейфа, а требования по величине измеряемых угловых скоростей и стабильности масштабного коэффициента не являются определяющими. Специфика применения БИНС, характеризующаяся большими угловыми скоростями, измеряемыми при функционировании на борту летательного аппарата, определяет одинаково жесткие требования к гироскопическому датчику, как по стабильности собственного дрейфа - не хуже 0,01 °/час , так и по стабильности масштабного коэффициента- на уровне 5- 10-10-6 [4, 5, 11]. Наибольшее распространение в качестве гироскопического датчика БИНС, благодаря своим достоинствам: широкому диапазону измеряемых угловых скоростей - сотни градусов в секунду, стабильности масштабного коэффициента - 1-10 -10"6, стабильности собственного дрейфа-0,005 . 0,05 °/час, удобству сопряжения с цифровым вычислителем; получил лазерный гироскоп (ЛГ) [4-5, 11 - 12, 14, 41, 43].

БИНС на ЛГ в настоящее время являются одними из самых распространенных средств автономной инерциальной навигации. Перспективы развития мирового рынка этих систем связаны, с одной стороны, с увеличением числа потребителей (малые самолеты, наземный транспорт, малые суда), что требует улучшения их надежности и эксплуатационных характеристик, а также уменьшения габаритно-массовых характеристик, а с другой стороны, с ужесточением требований со стороны традиционных потребителей. Опыт разработки ЛГ показывает, что основной погрешностью этих приборов, определяющей возможность их использования в качестве инерциальных датчиков БИНС, является их случайный дрейф [4, 8 -9, 52, 58]. Повышение точности и улучшение эксплуатационных характеристик БИНС прямо связано с решением проблемы создания ЛГ с улучшенными точностными и эксплуатационными характеристиками. Решение данной задачи невозможно без полного понимания причин возникновения погрешностей ЛГ и механизмов влияния конструкторско-технологических параметров на величины и стабильность случайного дрейфа, на основе которого могут быть разработаны технические решения, направленные на совершенствование конструкции и технологии изготовления ЛГ.

Другой проблемой является улучшение надежности и эксплуатационных характеристик, среди которых одной из важнейших является технический ресурс. Технический ресурс ЛГ, предназначенного для использования в современных БИНС различного назначения, предполагает, как правило, величину порядка 80 - 100 тыс. часов. Спецификой конструкции ЛГ является то, что в этих приборах практически отсутствуют контактирующие при движении друг относительно друга детали и узлы. Основным элементом ЛГ, определяющим его точностные и эксплуатационные характеристики, является кольцевой гелий-неоновый лазер (КЛ), прогнозирование технического ресурса которого необходимо осуществлять на этапе изготовления.

В соответствии с изложенным, исследование факторов, определяющих погрешность ЛГ, разработка на его основе конструкторско-технологических рекомендаций по повышению точности, а также создание эффективной методики, позволяющей оценивать ресурс KJI на этапе его изготовления, является актуальной задачей.

В данной работе рассмотрены вопросы доведения параметров лазерного гироскопа ЛГ-1 с вибрационной частотной подставкой, разработанного в ОАО "Московский Институт Электромеханики и Автоматики", до требований, предъявляемых перспективными БИНС. В связи с этим разработана математическая модель основных параметров прибора, рассмотрены технологические аспекты конструкции гироскопа, на основании анализа которых предложены пути её модернизации и новые методы управления, позволяющие уменьшать случайную погрешность, а также реализована новая методика прогнозирования ресурса КЛ на этапе его изготовления.

Целыо работы является реализация конструктивно-технологических решений, обеспечивающих повышение точности ЛГ с вибрационной частотной подставкой, а также создание новой методики, позволяющей прогнозировать ресурс КЛ гироскопа на этапе его изготовления.

Задачи исследования.

В соответствии с целью работы можно сформулировать следующие задачи исследования:

- выявление параметров точности и надежности серийно выпускаемых ЛГ, не удовлетворяющих требованиям перспективных БИНС;

- исследование конструктивно-технологических причин и анализ физической природы образования доминирующей погрешности ЛГ;

-формализация связи конструктивно-технологических параметров ЛГ с его погрешностями и ресурсными характеристиками;

-разработка алгоритма управления вибрационной системой ЛГ, позволяющего минимизировать накапливаемую составляющую случайного дрейфа;

- разработка и экспериментальная проверка эффективности рекомендаций по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ;

- разработка методики прогнозирования ресурса KJ1 гироскопа, проводимого на этапе его изготовления;

- формулировка и обоснование требований к автоматизированному рабочему месту для оценки ресурса KJI гироскопа по предлагаемой методике.

Положения, выносимые на защиту

На защиту в соответствии с целью работы выносятся следующие положения:

-уточненная математическая модель ЛГ, учитывающая связь между встречными волнами на диафрагме, дифракцию лазерного излучения на диафрагме, влияние примесей на устойчивость разряда; формализующая связи первичных конструктивно-технологических параметров элементов ЛГ с его погрешностями и техническим ресурсом;

-алгоритм управления вибрационной системой ЛГ, компенсирующий влияние зоны захвата на его выходной сигнал, позволяющий уменьшить накапливаемую составляющую случайного дрейфа ЛГ примерно на порядок;

- конструкторские и технологические рекомендации по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ, а также экспериментальная проверка их эффективности;

-методика определения технического ресурса КЛ, позволяющая по временному дрейфу характеристик реактивных колебаний в цепи разряда проводить индивидуальное прогнозирование на этапе изготовления, эффективность которой подтверждена экспериментально.

Методы исследования. Полученные результаты базируются на комплексном применении основных положений теории кольцевого лазера, теории колебаний, физики газового разряда, теории электрических цепей, теории точности производства, математических методах анализа, методах аппроксимации и линеаризации, а также натурном и математическом моделировании.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- создана уточненная математическая модель ЛГ, описывающая доминирующую погрешность и характеристики разряда ЛГ в его конструктивно-технологических параметрах;

- разработан компенсационный метод управления вибрационной системой, позволяющий минимизировать случайную погрешность, вызываемую связью встречных волн в резонаторе ЛГ;

- разработаны теоретически обоснованные рекомендации по минимизации величин дифракционных потерь и зоны захвата в КЛ;

- разработана методика экспрессного контроля, позволяющая оценивать ресурс КЛ гироскопа на этапе его изготовления;

- сформулированы и обоснованы требования к автоматизированному рабочему месту для оценки ресурса КЛ гироскопа по предлагаемой методике.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработке технических решений по совершенствованию конструкции и технологического процесса изготовления ЛГ, обеспечивающих уменьшение его доминирующих погрешностей;

- применении разработанной математической модели для выбора рациональных величин параметров контура управления вибрационной системой и обоснованных допусков на отклонение этих параметров для обеспечения требуемой точности ЛГ;

- разработке новой методики оценки ресурса КЛ гироскопа, обеспечивающей прогнозный контроль на этапе изготовления;

- внедрении разработанных технических решений в конструкторскую документацию и технологический процесс изготовления серийно выпускаемого лазерного гироскопа ЛГ-1.

Апробация работы. Материалы представленные в данной диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях: 8-й, 9-й, 10-й, 11-й Санкт-Петербургских Международных конференциях по интегрированным навигационным системам в 2001, 2002, 2003, 2004 года; Тематической сессии научного совета по проблемам управления движением и навигацией РАН, Москва 2002 год; 4-й Международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии», г. Минск, 2003 год; Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии», г. Санкт-Петербург 2004 год; ^ Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», г. Москва - 2004; 15-й Международной конференции «Газовые разряды и их применение», г. Тулуза, Франция 2004 год.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, из них один патент на изобретение.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 137 наименований. Материал % изложен на 172 страницах иллюстрированных 75 рисунками, графиками и 26

ОСНОВНЫБ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате проведенных в рамках данной диссертационной работы исследований получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ параметров серийно выпускаемых лазерных гироскопов, позволивший выявить доминирующие характеристики качества ЛГ- случайный дрейф и ресурс, а также определить возможные физические причины, формирующие эти характеристики.

2. Разработана уточненная математическая модель ЛГ, обобщающая модели: выходного сигнала ЛГ, распределения поля в резонаторе и положительного столба разряда. Модель позволила установить, что:

- случайный дрейф ЛГ определяется величиной зоны захвата, которая ^ является обобщенной характеристикой рассеяния лазерного излучения на элементах резонатора. учет дифракции лазерного излучения на диафрагме позволяет уточнять величины дифракционных потерь мод кольцевого резонатора; на связь встречных волн в кольцевом резонаторе влияют параметры пе только зеркал, но и диафрагмы;

- временной дрейф порогового тока реактивных колебаний позволяет ^ определять изменения состава газовой смеси, вызванные распылением катода;

- наличие легко ионизируемых примесей в газовом разряде оказывает влияние на величину порога неустойчивости стационарного состояния разряда.

3. В результате исследований, проведенных с помощью разработанной модели, сформированы требований к выбору номинальных параметров функциональных элементов резонатора и осуществлен рациональный выбор допусков на них, которые позволяют обеспечить:

-уменьшение величины дифракционных потерь для основной резонаторной моды в 2 раза и воспроизводимость этой величины на уровне 25 %;

-172- снижение величины зоны захвата в резонаторе на 28 %;

4. Найдены условия компенсации влияния зоны захвата на выходной сигнал, позволяющие построить алгоритм управления вибрационной системой ЛГ, уменьшающий накапливаемую составляющую случайного дрейфа ЛГ с 0,031 до 0,0024 Тчас, что обеспечивает повышение точности выставки БИНС с 3-5 у гл. минут до 0,5 угл. минут.

5. Разработана методика определения технического ресурса КЛ, позволяющая проводить индивидуальное прогнозирование на этапе его изготовления. Эффективность разработанной методики подтверждена экспериментально.

6. Разработанные в работе рекомендации по совершенствованию конструкции и технологии изготовления ЛГ внедрены в конструкторскую документацию и технологические процессы серийного производства изделий: лазерного гироскопа ЛГ-1, блока лазерных гироскопов БЛГ.

Золочение

Проверка по ТУ

Корпус метал.сб. 2

Травление экранов

Приклеивание экранов

Нанесение покрытия(черная эмаль)

Контроль герметичности

Заливка вводов

Приклейка элементов

Монтаж

Электрические испытания

Термостабилизация

Испытания Контроль параметров

УИС

Покупной

УП

Покупной

Колодка

Опрессовка

Заливка лепестков

Гравировка

КЛ лг

Установка виброподвеса

Монтаж (подпайка токосъемников)

Установка ротора ДУСа

Монтаж

Подбор резисторов Заливочная регулировка

Установка крышки

Обезгажи ванне

Проверка герметичности

Заполнение

Регулировка

Маркировка

Контрольная

ПСИ

ДУС (ротор)

Сборочная

Монтаж

Термостабилизация

Контроль

Виброподвес

Электрой сп ытания

Установка пьезоэлементов

Монтажная

Термотренировка

Контроль

Испытания

Крышка сб.

Травление экранов

Приклеивание экранов

Окраска

Контроль

7"

Экран

Загото в ител ьн ая

Термообработка I

Крышка

Формовка

Контрольная

С\

Рис. 1.6. Схема технологического процесса изготовления ЛГ-1

Схемы технологических процессов изготовления кольцевого лазера KJI-1 и лазерного гироскопа ЛГ-1 представлены на рис. 1.5 и 1.6 соответственно. Основные технические характеристики лазерного гироскопа ЛГ-1 представлены в таблице 1.5.

1.5. Проблематика повышения качества в технологии ЛГ

Уровень качества изделия оценивается по следующим групповым показателям: назначение, надежность, технологичность конструкции, стандартизация и унификация, патентно-правовым, экологическим, эстетическим, транспортабельности, безопасности, эргономическим и экономного использования сырья, материалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов [66-68].

Техническая документация на лазерный гироскоп ЛГ-1 определяет его технические характеристики (показатели назначения), их величины приведены в таблице 1.5. Приборы, выпускаемые по данной документации, могут обладать совокупностью характеристик, которые либо полностью соответствуют требованиям документации, либо по отдельным характеристикам, в определенных условиях, например, при определенных значениях температур, этим требованиям не соответствуют. Одними из важнейших характеристик ЛГ, с точки зрения потребителя (БИНС), являются его характеристики точности и показатели технического ресурса при заданной надежности. Проанализируем приборы ЛГ-1, выпущенные в серийном производстве, на соответствие их характеристик точности требованиям документации.

Объектом анализа является партия из 60 приборов, выпущенных за период 2000-2002 года. Анализу подвергались следующие характеристики [69]:

- величина вариации (нестабильности) дрейфа гироскопа в запуске и от запуска к запуску при осреднении за один час, Лсоч °/час; величина готовности по дрейфу на интервале со 2-ой по 10-ю минуту запуска, Асог °/час ; величина средне квадратичной ошибки дрейфа на 100 секундных интервалах, (Jm°lчас.

Набор этих параметров описывает величины систематического дрейфа, при этом первые две составляющие характеризуют нестабильность систематического дрейфа (погрешности а), б), в) таблица 1.З.), а третья составляющая -^ случайную погрешность (погрешность г)). Информативная база, использованная для анализа состоит из вышеперечисленных характеристик, определенных в различных запусках (от одной до трех реализаций на каждый прибор) на температурах контроля : -20°С, +20°С, +55°С. Влияние температурной погрешности скомпенсировано алгоритмически. Результаты анализа точностных характеристик представлены в таблице 1.9. и на рис. 1.7. Случайная погрешность в 50 % реализаций не соответствует требованиям доку* ментации, в то время как характеристики нестабильности дрейфа этим требованиям удовлетворяют. Причиной повышенной величины случайной погрешности является влияние зоны синхронизации на выходной сигнал ЛГ (раздел 1.3.2.).

На различных этапах эксплуатации ЛГ-1 (сборки, калибровки и юстировки БИНС, специальные испытания, работа на борту объекта), а также в процессе изготовления приборов (схема технологического процесса рис. 1.5, * 1.6, таблица 1.8) имеют место отказы гироскопов. За период с 2000 по 2003 год были проанализированы отказы гироскопов при изготовлении и эксплуатации. Информационная база содержит данные об отказах 34 приборов. Результаты анализа обобщены и представлены на гистограмме рис. 1.8 - по оси ординат отложено количество штук отказавших приборов, по оси абсцисс — виды отказов. Полученные результаты показывают, что наиболее весомыми (35%) среди различных видов отказов оказываются отказы, вызванные изме-ф. нением состава газовой среды КЛ. Данный вид отказа, на настоящем этапе развития технологии, является наиболее типичным и существенно ограничивает технический ресурс ЛГ.

025 °/чаС 4 --^ 0.017 °/час

45% 50% а) средне квадратичная ошибка дрейфа, сГщо 0,005 7час 11 % 5%

0,015 °/час ^хг-^^^^^И %

21 % ^Нн^нВ^н^^В

29% 0,010 °/час б) вариация дрейфа в запуске и от запуска к запуску, Л(оч

0.015 °/час

Рис. по дрейфу Ло)г при температурах : -20, +20,

1 разгерметизация КЛ

2 изменение состава газовой смеси

3 изменение электромеханических характеристик виброподвеса

4 нарушение электромонтажа

5 нарушение условий эксплуатации

6 выход из строя усилителей

7 увеличение потерь в резонаторе КЛ

8 повышенное значение случайной погрешности в)точностная готовность

1.7 Точностные характеристики ЛГ-1

55 ° С)

0.005 °/час

0.010 °/час

Рис. 1.8. Отказы ЛГ-1

1.И., Селезнев В.П., Дмптрочснко Л.Л. Навигационные приборы и системы. - М.: Машиностроение, 1983, 456 с.

2. Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации. М.: Наука, 1979, 296 с.

3. Степанов О.А. Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации. //Гироскопия и навигация, 2002, №1 (36), с. 23-45

4. Inertial navigation, edited by Morris M. Kuritsky and Murray S. Goldstein // IEEE, October 1983, t. 71, № 10, p.p. 47-74

5. Нсеснюк Л.П., Бесплатформенные инерциальные системы. Обзор состояния и перспектив развития. // Гироскопия и навигация, 2002, №1 (36), с. 13-22

6. Mullarkey J.K Performance, reliability, weight and cost advantages of anjembedded GPSflNS // The 2 Saint-Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and navigation. S-Pb., CSRI "Elektropribor", 1994, p. 20-27.

7. Rodloff R. Physical background and technical realization. // In "Optical gyros and their application" RTO-AG-339, 1999, p.p. 2-1 .2-16

8. Ароновиц Ф. Лазерные гироскопы. / В «Применения лазеров» пер. с английского под ред. Тычинского В.П., М.: Мир, 1974, с. 182-270

9. Aronowitz F. Fundamentals of the ring laser gyro. // In "Optical gyros and their application" RTO-AG-339, 1999, p.p. 3-1.3-45

10. Пешсхонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации. // Гироскопия и навигация, 1996, №1 (12), с. 48-54

11. Barbour Neil M., Elvvcll John M., Scttcrlund Roy II., Shmidt G. Inertial instruments: Where to now?. // The 1st Saint-Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology S-Pb., CSRI "Elektropribor", 1994, p. 13-24.

12. Kumar K., Barbour N., Elwell J. M. Jr. Emerging lovv(er) inertial sensore. // The 2nd Saint-Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and navigation S-Pb., CSRI "Elektropribor", 1994, p. 11-23.

13. Бабур H., Шмидт Дж. Направления развития инерциальных датчиков. // Гироскопия и навигация, 2000, №1 (28), с. 3-15

14. Джашитов В.Э. Панкратов B.M. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем. Санкт-Петербург, ГНЦРФ ЦНИИ «Электроприбор», 2001 г., 149 с.

15. Бермап З.М., Каиушин В.М., Миронов Ю.В., Мохов В.П., Шарыгин

16. Б.Л. Система инерциальной навигации и стабилизации «Ладога-М» : результаты разработки и испытаний. // Гироскопия и навигация, 2002, №4(39), с. 29-38

17. Бурмистров В.П., Темляков Н.А. О некоторых вопросах теории динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ). 2. Динамическая настройка ДНГ. // Гироскопия и навигация, 1996, №1 (12), с. 7-14 Ф 19 Новиков Л.З., Игнатьев А.А., Богатов А.Д., Коповчепко А.А.,

18. Novikov L.Z., Raikhman O.V., Shumova G.M. Strapdown gyrometric unit based on miniature DTG for space application // Proceedings of the 3 th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems S-Pb, 28-29 May 1996, pp.21-28

19. Burlingame Roger F. G2000 miniature gyroscope // Proceedings of the 2 th Saint Petersburg International Conference on Gyroscopic technology and navigation S-Pb, 24-25 May 1995, pp. 65-71

20. Lynch D., Matthews A. Dual-mode hemispherical resonator gyro operation characteristics // Proceedings of the 3 th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems S-Pb, 28-29 May 1996, pp. 37-44

21. Lynch D.D., Matthews A., Varty G.T Innovative Mechanizations to Optimize Inertial Sensors for High or Low Rate Operations. // Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany, 1997, p. 9.0-9.21

22. Линч Д. Д., Мэттьюз А., Варти Г.Т. Перенесение технологии создания датчиков, используемых в космических системах, в разработки, предназначенные для .бурения нефтяных скважин // Гироскопия и навигация, 1998, № 4 (23), с. 132-141

23. Solutions. //Proceedings of the 6 Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems S-Pb, 1999, P. 6-1 - 6-9.

24. Zhuravlev V.F., Izmailov E.A., Analysis of conditions causing hcmisiLpherical resonator gyro drift. // Proceedings of the 8 Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems S-Pb, 28-30 May 2001, pp.82-88

25. Bodunov B.P., Bodunov S.B., Lopatin V.M. Development and test ofhemispherical resonator gyro for use in an inclenometer system. //tb

26. Proceedings of the 8 Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems S-Pb, 28-30 May 2001, pp.75-81

27. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. Тула, 2002, 392 с.

28. Лестев A.M., Попова И.В. Современное состояние теории и практических результатов разработки микромеханических гироскопов. // 5-я Санкт-Петербургская конференция по интегрированным навигационным системам С-Пб, 25-27 мая 1998, с. 138-148

29. Бабур Д., Маддеп П., Соха М. Разработка микромеханического гироблока с GPS для малых наводимых спутников // Гироскопия и навигация, 1996, № 2(13), с. 16-25

30. Плеханов В.Е., Тихонов В.А., Вере.меенко К.К. Интегрированная инерциально-спутниковая навигационная система на микромеханическом модуле. // 5-я Санкт-Петербургская конференция по интегрированным навигационным системам С-Пб, 25-27 мая 1998,с. 73-79

31. Listvin V., Logozinski V., Solomntin V. Miniature fiber optis gyro. Fizoptika implementation. // In "Optical gyros and their application" RTO-AG-339, 1999, p.p. 9-1.9-6

32. Sanders G.A., Szafraniec B. Progress in fiber-optic gyroscope application part II. // In "Optical gyros and their application" RTO-AG-339, 1999, p.p. 11-1.11-42

33. Leach B.W., Rahbari R., Dillon J. Low cost strapdown IMU/DGPSintegrated navigator with fuzzy logic adaptive tuning. // Proceedings of the 9th

34. Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems S-Pb, 27-29 May 2002, pp.264-273

35. Lefevre Herve C. Application of the Sagnac effect in the interferometric fiber-optic gyroscope. // In "Optical gyros and their application" RTO-AG-339, 1999, p.p. 7-1. .7-29

36. Volk С. H., Gillespie S.C., Mark J.G., Tazartes D.A. Multioscillator ring laser gyroscope and their application. // In "Optical gyros and their application" RTO-AG-339, 1999, p.p. 4-1.4-26

37. Azarova V.V., Golyaev Y.D., Dmitriev V.G., Drozdov M.S., Kazakov A.A., Melnikov A.V., Nazarenko M.M., Svirin V.N., Soloviova T.I., Tikhmenev N.V. Zeeman laser gyroscopes. // In "Optical gyros and their application" RTO-AG-339, 1999, p.p. 5-1.5-29

38. Лукьянов Д.П. Лазерные и волоконно-оптические гироскопы: состояние и тенденции развития // Гироскопия и навигация, 1998, № 4 (23), с. 20-45

39. Bakin Y. V., Ziouzev G.N., Lioudomirski M.V. Laser gyros with total reflection prisms.// In "Optical gyros and their application" RTO-AG-339,-1781999, p.p. 6-1. .6-29

40. Волновые и флуктационные процессы в лазерах. Под редакцией Климантовича ЮЛ, М.: Наука, 1974, 416 с.

41. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. -М.: Советское радио, 1975, 424 с.

42. Лазерные измерительные системы. Под редакцией Лукьянова Д.П. — М.: Радио и связь. 1981, 465 с.

43. Лаида П.С., Ларионцев Е.Г. Режимы биений и синхронизации встречных волн во вращающемся кольцевом газовом лазере. // Радиотехника и электроника, 1970, т.15, №6, с.1214-1226

44. Андронова И.А., Бернштейн И.Л. Экспериментальное исследование обратных связей на работу кольцевого лазера. // Известия Вузов СССР, Радиофизика, 1971, т. 14, № 5 , с. 698-704

45. Шрайбер У, Шнайдер М., Вслнкоссльцев А., Стедман Дж.И., Шлютер В. Очень большие кольцевые лазеры. // Гироскопия и навигация, 2002, № 1(36), с. 88-95

46. Kataoka I., Kawahara Y. Dependence of lock-in threshold and winking pattern on the phase-interaction of scattering waves in the ring laser. // Japanese journal of applied physics, 1986, v.25, JSC» 9, pp. 1365-1372

47. Rodloff R. A laser gyro with optimized resonator geometry. // IEEE journal of quantum electronics, 1987, v.QE-23, №4, pp.438-445

48. Hutchings Т., Stjern D., IEEE National Aerospace and Electronics Conference, 1978, pp. 549-555

49. Астахов K.B, Голяев Ю.Д., Махин П.В., Мельников A.B., Тихмснсв Н.В. Повышение точности лазерного гироскопа путем управления связью встречных волн. // Гирорскопия и навигация, 1995, JSfe 2(9), с. 2529

50. Довбешко А.А., Павловский М.А. Анализ проблем и тенденций развития лазерной гироскопии на Украине // Гироскопия и навигация, 1995, № 1 (8), с. 27-33

51. Dovbeshko А.А., Kaminska I.V. Self-adapting laser gyroscope. //Symposium gyro technology, 2001, Stuttgart, Germany, pp.7.0-7.11

52. Ильин C.A. Разработка и исследование методов уменьшения влияния зоны синхронизации на работу лазерного гироскопа: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.03, 05.13.01- М:, 2001, 19с.

53. Ефимов Б.В., Ильин С.А., Соболев В.И. Исследование путей повышения точности при работе лазерного гироскопа. // Всероссийская Научно-техническая конференция к 30-летию Арзамасского филиала НГТУ, Арзамас, 1998

54. Ефимов Б.В., Ильин С.А., Соболев В.И. Лазерный гироскоп с обратной связью. // Международный Научно-технический симпозиум «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации, Алушта, 1998

55. Krobka N.I., Sapozhnicov I.N. Works on laser gyroscopy in SRIAM named V.I.Kuznetsov. // The 1st SPb International Conference on Gyroscopic Technology SPb, CSRI "Elektropribor", 1994, pp. 3-12

56. Kuryatov V.N., Cheremisinov G.V. KM-11 laser gyro based highaccuracy inertial system with dynamic compensation of errors. // The 1st SPb International Conference on Gyroscopic Technology. SPb, CSRI "Elektropribor", 1994, pp. 25-26

57. Ефимов Б.В., Крсмср В.И., Молчанов A.B., Ремизов Б.П. Лазерный гироскоп для БИНС самолетов гражданской авиации (опыт разработки). // Тематическая сессия «Лазерная гироскопия. Ее проблемы и перспективы развития.», ИПМ РАН, Москва, июнь 2002

58. Бопдаренко Е.А. Полиномиальная модель частотной характеристики медленно вращающегося вибрирующего лазерного гироскопа с неодинаковым усилением встречных волн // Квантовая электроника, 2004, т.34, №4, с. 27-33

59. Колесников A.M. Обеспечение качества продукции в современных условиях. С-Пб.: Санкт-Петербургская государственная академия аэрокосмического приборостроения, 1994г. 104 с.

60. Управление качеством / учебник для вузов/ под редакцией Ильенковой С.Д. М.: ЮНИТИ, 2000, 199 с.

61. Визит качества. Серия о качестве. Зарубежный опыт. Выпуск 14, 1999 — М.: МТК «Трек», 2000, 23с.

62. IEEE Standard specification format guide and test procedure for single-axis laser gyros, IEEE Std647-1981, New York, 1981

63. Гироскопические системы, ч.2, под редакцией Пельпора Д.С. М.: Высшая школа, 1972 г, 472 с.

64. Асс Б.А., Жукова Н.М., Антипов Е.Ф. Детали и узлы авиационных приборов и их расчет. М.: Машиностроение, 1966 г, 416 с.

65. Быков В.П., Силичев О.О. Лазерные резонаторы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, 320 с.

66. Фрадкин Э.Е. Дифракционное расщепление частот в газовом кольцевом лазере // Оптика и спектроскопия, 1971, т. 31, вып. 6, с. 952959

67. Кубарсв В.В. Принцип Бабине и дифракционные потери в лазерныхрезонаторах // Квантовая электроника, 2000, т. 30, № 9, с. 824-826

68. Ананьев Ю.А., Аникичсв С.Г. Приближенный метод решения интегральных уравнений устойчивых резонаторов .// Оптика и спектроскопия, 1985, т. 58, № 6, с. 1331-1336

69. Ярив А. Квантовая электроника. М.: Советское радио, 1980

70. Четвериков В.И. Реактивные колебания плазмы в газовых лазерах с многоканальными активными элементами. 1. Реактивные колебания в кольцевом лазере с двуханодным активным элементом // Радиотехника и электроника, 1986, т.31, № 1, с. 108-117

71. Удальцов Б.В., Царьков В.А. Исследование реактивных колебаний в разряде симметричного двуханодного неон-гелиевого лазера // Радиотехника и электроника, 1986, т.31, № 5, с. 938-944

72. Абрамов В.П. и др. Пространственно однородные колебания в разряде газового лазера//ЖТФ, 1986, т.56, № 8, с. 1530-1534

73. Мазанько И.П. и др. Влияние емкости внешней электрической цепи на реактивные колебания в симметричном разряде He-Ne лазера // Радиотехника и электроника, 1986, т.31, № 10, с. 2042-2045

74. Куршев Г.А. и др. Страты в гелий-неоновых лазерах. Киев: Наукова думка, 1986, 88с.

75. Захаров М.А. и др. Возбуждение плазмы гелий-неонового разряда // Радиотехника и электроника, 1984, т.29, № 12, с. 2403-2408

76. Shuoker D. Properties and current-voltage characteristics of discharges in waveguide gas lasers. // Appl. Physics, 1977, v. 14, p. 277-282

77. Shuoker D., Reif W. High-frequency discharge stability of waveguide He-Ne lasers. // Appl. Physics, 1978, v. 17, № 4, p. 405-411

78. Привалов B.E., Шишов С.И. Исследование падающего участка вольт-амперной характеристики газоразрядных лазеров. // Радиотехника и электроника, 1987, т.32, № 8, с. 1678-1685

79. Привалов В.Е., Шишов С.И. Исследование импеданса слаботочного тлеющего разряда в трубках малого диаметра. // ЖТФ, 1989, т.57, № 7,с. 204-207

80. Герасимов Г.Н. и др. Ультрафиолетовое излучение возбужденных молекул инертных газов. // Успехи физических наук, 1992, т. 162, № 5, с. 123-159

81. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы. М.: Энергоиздат, 1982, 232 е.

82. Phelps A.V. The diffusion of charged particles in collisional plasmas: free and ambipolar diffusion at low and moderate pressures. // Journal of research of the national institute of standards and technology, 1990, v.95, № 4, p. 407-430

83. Абрамов В.П. и др. Исследование пространственно однородных колебаний в разряде неон-гелиевых лазеров. // ЖТФ, 1988, т.58, № 7, с. 1311-1317

84. Deutsch H.u. a. Zur dynamic des Saulenplasmas. // Wissentschaftliche Zeitschrift, Bd 23, № V2, 1974, s. 9-17

85. Under H. and oth. A new method for the development of a nonlinear equivalent circuit for a gas discharge // Contrib. Plasma Physics, 1993, v.33, № 3, p. 169-182

86. Вентцель E.C., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения М, Высшая школа, 2000 г., 383 с.

87. Арушанян О.Б., Залеткин С.Ф. Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений на ФОРТРАН'е. М.: Изд. МГУ, 1990г.

88. Кремер В.И., Осипов A.M., Поликовский Е.Ф. Компенсация погрешностей лазерного гироскопа, вызываемых действием вибрационной частотной подставки. // Гироскопия и навигация, 2001, № 1 (32), с. 14-19