автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Температурные возмущения бесплатформенной инерциальной навигационной системы с волоконно-оптическими гироскопами

На правах рукописи

Пылаев Юрий Константинович

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ГИРОСКОПАМИ

Специальность 05.11.03 - Приборы навигации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2005

Работа выполнена в Институте проблем точной механики и управления РАН, ООО НПП «Антарес», г. Саратов

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Панкратов Владимир Михайлович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Андрейченко Константин Петрович

доктор технических наук, профессор Балакин Виктор Леонидович

Ведущая организация - ФГУП ГНП РКЦ ЦСКБ «Прогресс», г. Самара

Защита состоится JS> марта 2005 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.04 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «j/» января 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.В. Алешкин

MrfzL

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Проектирование и изготовление высокоточных, надежных и долговечных навигационных комплексов в настоящее время невозможно без предварительного этапа математического моделирования процессов взаимодействия самих таких прецизионных устройств с имитацией реальных условий их эксплуатации и, особенно, температурных возмущений.

При этом современные достижения в области разработки и производства бортовых вычислительных комплексов позволяют переходить к использованию относительно более простых бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС).

Особенно ярко преимущества БИНС проявляются в тех случаях, когда в качестве гироскопических датчиков инерциальной информации используются волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), вообще лишенные механических подвижных элементов.

Среди отечественных БИНС следует отметить разработки ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», ООО НПП «Антарес», КБ «Корпус» (г. Саратов) и ОАО «Пермская научно-производственная компания». Например, в ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор» создана относительно недорогая и компактная БИНС с ВОГ фирмы «Физоптика», интегрированных со спутниковой навигационной системой (GPS), предназначенная для использования на малых космических аппаратах (МКА), малых судах.

Требования по точности (0.01+0.05 град/ч) разрабатываемых ВОГ обусловливают необходимость учета влияния на характеристики приборов таких возмущающих факторов, как температурные воздействия.

Как показывает анализ литературы, большинство источников погрешностей ВОГ связаны с волоконной бухтой - неотъемлемой частью всякого ВОГ.

Собственно исследованиям температурного дрейфа ВОГ посвящен достаточно ограниченный круг работ (например, работы А.В.Голикова, В.Э. Джашитова, В.М. Панкратова). Хотя практически в каждом исследовании по волоконно-оптическим гироскопам отмечается существенность влияния температурных воздействий для этого типа датчиков. Поэтому представляется необходимой более глубокая теоретическая проработка сущности физических явлений и процессов, возникающих в приборе в реальных условиях.

Таким образом, разработка математических моделей влияния этих процессов на погрешности БИНС с ВОГ, создание на основе этих моделей алгоритмов и программных модулей численного анализа и синтеза конструкций с целью уменьшения температурного дрейфа имеет не только прикладное, но и теоретическое значение для интенсивного развития навигационного приборостроения в приоритетных отраслях современной техники. Все это и определяет актуальность темы данной диссертации и основное направление проведенных в ней исследований.

Основная цель работы - повышение точности, надежности и эффективности функционирования БИНС с ВОГ на основе учета температурных

возмущений и использования управляющих воздействий пассивного и активного характера.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

Создание математических моделей иерархической структуры нестационарных тепловых процессов БИНС с ВОГ.

Построение и исследование математической модели температурного дрейфа БИНС с ВОГ без термостабилизации.

Автоматизированный анализ тепловых процессов и температурного дрейфа БИНС с ВОГ с системой терморегулирования.

■ Научная новизна результатов проведенных исследований заключается в следующем.

-Впервые разработана иерархическая математическая модель нестационарных тепловых процессов в БИНС с ВОГ как без системы термостати-рования, так и для случая наличия системы терморегулирования.

- Проведено математическое моделирование нестационарных трехмерных неоднородных тепловых процессов в БИНС с ВОГ, позволяющее получить количественную оценку ее температурного дрейфа.

- Разработаны принципы и методы выбора схем реализации систем терморегулирования БИНС с ВОГ.

- Показано, что близкие к ступенчатым температурные воздействия влияют значительно существеннее на температурный дрейф БИНС с ВОГ, чем гармоническое изменение температуры окружающей среды.

-Показано, что применение алгоритмической компенсации температурного дрейфа ВОГ, по данным математического моделирования, для нетермостатированного ВОГ позволяет уменьшить максимальные значения температурного дрейфа более чем в 3 раза.

- Проведен качественный анализ возможных мер пассивного характера (без энергоемкой системы термостатирования) по повышению инвариантности БИНС с ВОГ по отношению к внешним и внутренним температурным возмущениям.

Достоверность полученных результатов проведенных исследований обеспечивалась корректностью применения современных математических методов, адекватностью разработанных моделей исследуемым физическим процессам, соответствием теоретических выводов данным натурных испытаний.

Теоретическое значение результатов, полученных в работе, заключается в построении математических моделей на основе распространения метода «тепловых балансов» для анализа температурного дрейфа БИНС с ВОГ в условиях различного рода нестационарных внешних и внутренних температурных возмущений.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработан программный комплекс, позволяющий разработчику на стадии проектирования и испытаний анализировать влияние на температурный дрейф прибора изменений конструктивных параметров БИНС с ВОГ и изменений параметров нестационарных тепловых возмущений.

! М

Результаты диссертации использованы при разработке конкретных БИНС с ВОГ отечественных предприятий.

Кроме того, что немаловажно, разработанная в диссертации математическая модель БИНС с ВОГ позволяет имитировать на Земле различные температурные ситуации на борту объекта, в том числе и аварийные.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований доложены на двух Международных конференциях по интегрированным навигационным системам (г. Санкт-Петербург); Международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (г. Саратов); на научных семинарах Института проблем точной механики и управления Российской академии наук (г. Саратов).

Публикации. По результатам диссертации лично и в соавторстве опубликовано 8 печатных работ. Сделано 2 доклада на двух Международных научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемой литературы, приложения. Общий объем диссертации составляет 266 страниц. Список используемой литературы состоит из 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

В первой главе разработаны математические модели нестационарных тепловых процессов в бесплатформенных навигационных системах с волоконно-оптическими гироскопами. Реализован иерархический принцип построения таких моделей, который заключается в том, что «тепловое» проектирование на определенном иерархическом уровне (например, блок как элемент всей конструкции, узел как элемент блока и т.п.) необходимо проводить с учетом тепловых воздействий, зависящих от «тепловых» проектных решений, принятых на более высоких иерархических уровнях.

В основу данного подхода положен алгоритм, суть которого заключается в следующем:

- выбор базовой конструкции приборной системы с экзотермическими (тепловыделяющими) и эндотермическими (теплопоглощающими) подсистемами;

- расчет тепловых параметров конструкции приборной системы;

- компоновка модулей конструкции с учетом функциональных и тепло-физических требований БИНС с ВОГ (размещение тепловыделяющих элементов, блоков электроники, печатных плат, тепловых шунтов, экранов и т.д.);

- выбор параметров системы терморегулирования (мощности тепловыделения, закона регулирования, расположения датчиков температуры и др.);

- анализ заданных тепловых режимов с точки зрения удовлетворения требованиям технического задания.

В силу большой сложности задача расчета трехмерного, неоднородного и нестационарного температурного поля такого класса устройств, каким

является БИНС с ВОГ, в работе решается путем применения численного метода, представляющего собой модифицированный вариант метода «элементарных» балансов. В основу этого метода положены такие основные законы теплообмена как: закон сохранения энергии, закон Фурье, закон Ньютона, закон Стефана-Больцмана. Конструкция БИНС с ВОГ разбивается на ряд «элементарных» форм (объемов). Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен. Тогда, если - температура 1-го объема в момент времени а 7] (/ + Дг) в последующий момент времени, то расчетный алгоритм приобретает ввд:

Д/

N N.

и=1 '=1

т +

Д/

N N.

1>!/ГУ + + ЯкТс + в,

(=1

>(1)

где с, - теплоемкость г'-го элементарного объема; - термопроводимости между элементами у; ц1С - термопроводимость между г-м элементом и окружающей средой; Qt - мощность источника тепловыделения в г-м элементе;

Т.( - термопроводимость и температура в /-м элементе, если там содержится газообразный или жидкий теплоноситель; Тс - температура среды, окружающей г'-й элемент.

При этом начальные условия имеют вид:

7*1 Т грвых] _ /т1 гр I

(2)

-Ю' "го> -^„о со*

Данный способ расчета позволяет учитывать основные виды теплообмена (теплопроводность, свободную и вынужденную конвекцию, излучение), имеющие место в БИНС с ВОГ.

Особое место в БИНС с ВОГ занимает волоконная бухта, для расчета коэффициентов термопроводимости в ней (рис.1) получены выражения:

' н

т ■

Ь -с

Ъг—[(п-\)т + {т-\)п],

,(«.*) та(Ь-с)

т

-1 Ф-/

V

Ь-с

+ (п-

(3)

(4)

В качестве базовой конструкции БИНС с ВОГ была выбрана компоновка, приведенная на рис. 2.

Эта конструкция выполнена в виде негерметичного блока. Она не содержит системы термостатирования, радиаторов на источниках тепла и принудительной вентиляции. Конструкция имеет модульную структуру и содержит гироскопы, акселерометры, электронные платы с источниками тепловыделения заданной мощности. Теплоотвод пассивного типа - через корпус и узлы крепления к основанию, температура которого задана и может варьироваться в диапазоне (-5(Ъ-+80°С). Тепловая модель БИНС с ВОГ показана на рис. 3.

в

Рис. 1 Рис. 2. Блок БИНС с ВОГ: общий вид и компоновка основных

элементов; 1,2,3,4 - волоконно-оптические гироскопы; 5 - блок акселерометров; 6,7,8 - платы блока электроники; 9,10,11,12-корпус

ь, г

1Р *

т7"~

'^^д '^"«ч^у;" 'И—>ЙЛ'ЭД«!

Рис. 3. Тепловая модель блока БИНС с ВОГ: 1,2,3,4 - волоконно-оптические гироскопы; 5 - блок акселерометров; 6,7,8 - платы с элекгроэлементами;

9,10,11,12-корпус; Т"аруж, т"нутр Т°сн - температуры окружающей среды и основания

Для оценки температурного дрейфа ВОГ в качестве базовой конструкции использован ВОГ ПНСК40, конструкция которого представлена на рис. 4, а тепловая модель - на рис. 5.

Рис.4

Количество «элементарных» объемов, число расчетных точек в которых определяет температурное поле ВОГ, равно 473.

Расположение основных источников тепловыделения в плате блока питания (а) и плате блока управления (б) показано на рис. 6.

Рис 5. Элементы конструкции ВОГ и тепловая модель с разбиением на элементарные объемы: 1 - крышка; 2,3 - верхняя и нижняя платы; 4 - катуппса; 5 - основание

а) б)

Рис.6

Для реализации используемых алгоритмов численного определения температурных полей БИНС с ВОГ и ВОГ, обработки полученных числовых данных, включая их визуализацию путем построения графиков нестационарных температурных полей в расчетных точках, использованы адаптированные к вычислительной среде персональных компьютеров программные комплексы «ВЬ-ШБ», «"УТЮ».

На первом этапе, в соответствии с иерархическим принципом построения тепловых моделей проведено математическое моделирование теплового режима блока БИНС с ВОГ в следующих тепловых режимах.

Первый режим: прогрев от внутренних источников тепла при постоянной температуре окружающей среды. (В начальный момент времени температура всей конструкции равнялась температуре окружающей среды Гс=+20°С).

Второй режим: отличается от первого тем, что температура окружающей среды изменяется по гармоническому закону Тс=Тс0+ Тс] ,

Тс0 = +20°С, Тс] =1° С. Частота изменения температуры окружающей среды принята равной сос = 0.00116с"1, что примерно соответствует вращению спутника по круговой орбите вокруг Земли с периодом, равным 90 минутам.

Графики текущих температур по всем элементам блока БИНС с ВОГ приведены на рис. 7, а, рис. 7, б соответственно для первого и второго режимов моделирования.

Рис. 7. Текущие температуры в различных зонах блока ИУС BOA: 1, 2, 3, 4 - волоконно-оптические гироскопы; 5 - блок акселерометров;

6,7,8 - платы; 9,10,11,12 - корпус

На втором этапе (следующий иерархический уровень) проведено математическое моделирование теплового процесса в ВОГ в следующих режимах.

Первый режим: ступенчатое изменение температуры окружающей среды в обесточенном приборе. А именно: в начальный момент времени все элементы конструкции ВОГ считаются прогретыми до Т0 = +80°С. Температура окружающей среды изменяется ступенчато до Tm = +20° С.

В этом случае определяется «тепловая постоянная времени» работы ВОГ как отклик конструкции прибора на нестационарный характер температуры окружающей среды. Это является существенным параметром, так как-имеет место значимое влияние на скорость изменения температуры в волоконной бухте, т.е. на дрейф ВОГ. Результаты компьютерного эксперимента приведены на рис. 8 и рис. 9.

Максимальная скорость изменения температуры в элементах конструкции ВОГ имеет место между 20 и 40 секундами теплового процесса.

Второй режим: нагрев от внутренних источников тепла при постоянной температуре окружающей среды. В начальный момент ВОГ прогрет до Тнои =+20°С. Моделирование этого режима произведено для определения сравнительных значений максимальных перегревов элементов ВОГ над окружающей средой.

Рис.8

— 11 » кТ ' ■ ^

щ»п * ГГЙ

г.

- 1 - 1 - 1 - 1 -

и 1—1

ТЕггаитрмоЕ поя а о г

Там П.11 'С я а

Рис.9

бр«ма 900 е СЕЧЕНИЕ Э Вешш 900 е СЕЧЕНИЕ 4

Рис. 10

На рис. 10 приведена топограмма, как результат моделирования данного режима работы ВОГ.

Максимальные значения радиальных, осевых и окружных температурных перепадов по волоконной бухте ВОГ за счет внутренних источников тепловыделения сравнительно невелики 0,011°С-=-0,045оС. Однако, в плате источников питания эти перепады достигают значений «40°С при температуре окружающей среды Тс = +20"С. Общая мощность тепловыделения ВОГ не превышает 14 Вт.

Моделирование третьего теплового режима ВОГ: гармоничное изменение температуры окружающей среды, имитирующей суточное вращение объекта с БИНС с ВОГ вокруг Земли с периодом 90 минут, показало, что если

«тепловая постоянная времени» прибора существенно меньше периода изменения температуры окружающей среды, то зависимости значений температуры от времени элементов ВОГ полностью соответствуют характеру зависимости от времени температуры окружающей среды.

Вторая глава посвящена построению математической модели и анализу температурного дрейфа БИНС с ВОГ без системы терморегулирования.

Принцип действия ВОГ, как известно, основан на эффекте Саньяка в кольцевом оптическом контуре.

Разность фаз Дфс встречных волн в кольцевом контуре определяется как

(5)

Дфе=—П = ——2-П Хс \с

где 5 = яЛ2 - площадь контура; с- скорость света в волокне;/- частота: X = с/У" - длина волны; О - угловая скорость; ЛГ- число витков; - средняя площадь витка.

Регистрируемая прибором разность фаз составляет я 10~5 -И 0~7 радиан, что соответствует измеряемой угловой скорости «1+10-3 град/ч. Общая картина погрешностей волоконно-оптического гироскопа представлена на рис. 11

Предел чувствительности ВОГ определяется дробовыми (фотонными) шумами прибора, а его оценка имеет, как известно, имеет вид:

П„

Л

,-5

Вт/°С .

(6)

Рис. 11

Одним из основных источников погрешностей ВОГ, обусловленных температурными возмущениями, являются невзаимность фаз встречно бегущих волн (эффект ЗЬире). Это особенно проявляется, когда вдоль волокна имеют место зависящие от времени температурные градиенты. Фаза световой волны определяется как: ср = (31 (Р - фазовая «постоянная», Ь - длина волок-

на). Параметры (3 и I являются функцией температуры, которая в свою очередь является функцией дуговой координаты £ волокна и времени Л Пренебрегая членами второго порядка малости, имеем

+ Р «^Л} (7)

Соответствующие волновые фронты противоположно распространяющихся лучей пересекают элемент волокна ¿й;, расположенный на расстоянии Е, от конца волоконного контура в моменты времени, разделенные интервалом

с с А,оо св

гдеВ = Дя>, — = -, к = — = соШ, — = А:^-.

Хш с А. ¿Г ¿Т

Выражение для величины температурного дрейфа От имеет вид:

Полагаем в диапазоне температур (-50 -5- +80°С) зависимость показателя преломления от температуры линейной, а температурное поле предста-вимым в виде ряда Фурье:

■ + У а, сое—-г + Ь, эт-

% I С

(10)

ля; 7° - максимальный температурный перепад.

где /,(0 - функция, характеризующая нестационарность температурного по' - максимальны Тогда получим

«гЮ = Г°/'(0(^агИ")Ко)(2^ - • (11)

Вычисляя интеграл (11), с учетом представления (10), будем иметь следующую формулу для угловой скорости температурного дрейфа:

Пг(0 = +агп10)п10М^ . (12)

Формула (12) составляет основу математической модели теплового дрейфа, обусловленного термически индуцированной невзаимностью в волоконном контуре волоконно-оптического гироскопа.

Нестационарные температурные перепады ЛГф по направляющей цилиндрической волоконной бухты влияют на температурный дрейф ВОГ существенно (более чем на порядок) меньше. Еще меньше влияние на температурный дрейф ВОГ температурных перепадов АТ2 по образующей цилиндрической волоконной бухты, поскольку имеет место самая симметричная относительно центра волокна конфигурация температурного поля. Самая «низкая частота» «тепловых полос» получается при наличии радиальных темпера-

турных перепадов ДГЛ, поэтому и с этой точки зрения радиальные температурные перепады самые неблагоприятные.

Проведенный качественный анализ полученных соотношений показал, что для минимизации термически индуцированного дрейфа ВОГ, целесообразно производить такую намотку волокна, чтобы симметрировать температурное поле и уменьшать влияние радиальных температурных перепадов с минимально возможным геометрическим отношением и/т ширины бухты к высоте. Такая намотка называется квадрупольной.

Для исследования температурного дрейфа с помощью разработанных алгоритмов рассчитывается температурное поле ВОГ в заданном числе расчетных точек (в том числе в волоконной бухте) с течением времени за определенный период.

Полученная функция температур в цилиндрических координатах Г=71(г,(р^,/) по известным формулам для винтовой линии пересчитав ается в функцию температуры, зависящую от координаты волокна % и времени Т=Щ„().

Методами гармонического анализа полученная функция температур представляется в виде ряда Фурье типа (10), то есть вычисляются коэффициенты ряда Фурье. По формулам (12) вычисляется дрейф ВОГ за счет термически индуцированной невзаимности.

Построенные математические модели и разработанное алгоритмическое и программное обеспечение позволили с помощью вычислительных экспериментов исследовать тепловые процессы и температурный дрейф конкретных конструктивных вариантов ВОГ, входящих в состав рассматриваемой БИНС.

Для минимизации температурного дрейфа рассмотрена возможность использования теплопроводящей пасты КТП-8 в межвитковой среде. Для получения аналитических оценок дрейфа ВОГ в этом случае катушка с оптическим волокном представлена как два «элементарных» объема со своими теп-лофизическими свойствами. "

Система уравнений тепловых балансов в этом случае имеет вид:

[ЛХ+Ч{ТХ~Т2) + ЧС(ТХ-ТЛ) = Ъ, . „

сТ2+Я(Т2-Тх) + дс(Т2-Тс2) = 0,

атя=тх-т2, атс=тс1-тс2,

где 7} - температуры 1-го объема; Тс1 - заданная постоянная температура окружающей среды со стороны /-го объема; д - коэффициент термопроводимости между элементарными объемами; - коэффициент термопроводимости в окружающую среду; с - теплоемкость элементарного объема; /=1,2.

Угловая скорость температурного дрейфа запишется в виде:

Пг(0 = ^ДГд. (14)

Тогда из (13) получим:

сАЪ+(2д + дс)АТя=дсАТс. (15)

Решая уравнение (15) с учетом начального условия ДГл(0) = 0, будем иметь следующие выражения для радиального температурного перепада и его производной по времени:

2Ч+Чс, _ 2ч+дС1

■ ДГд=-^— АТс{1-е ' ), Дс . (16) 2? + Чс с

Как видно из полученных выражений (14) и (16), теплоизоляция волоконной бухты от окружающей среды в радиальном направлении (уменьшение <7С) позволяет уменьшить величину температурного дрейфа, а увеличение эффективной термопроводимости межвитковой среды (увеличение д) позволяет уменьшить время тепловой готовности прибора.

Кроме того, рассмотрена возможность алгоритмической компенсации температурного дрейфа.

Тогда

Л т 2Ч+Чс.л

Д nT(í) = A

(17)

Отсюда видно, что если постоянные времени тепловых процессов в реальном приборе и модели совпадают, то есть у = (2q + qc)/c, то можно добиться «идеальной» компенсации ДОг 0, выбирая коэффициент усиления

Д Т0 2 q + qc равным к=—-■———.

ЬТС qc

Анализ ступенчатого и случайного изменения температуры окружающей среды на дрейф ВОГ показал, что случайное изменение температуры окружающей среды влияет на тепловой дрейф ВОГ примерно так же, как и ступенчатые температурные воздействия.

Полученный результат объясняется тем, что рассматриваемые ступенчатые и случайные изменения температуры окружающей среды обусловливают примерно одинаковую скорость Д7"я изменения радиальных температурных перепадов по волоконной бухте.

При функционировании ВОГ в составе БИНС температура окружающей гироскопы среды может изменяться периодически по гармоническому закону с различной частотой, обусловленной различными внешними и внутренними факторами. Поэтому представляет интерес исследование влияния частоты и амплитуды гармонического изменения температуры окружающей ВОГ среды на его тепловой дрейф. Предполагается, что температура окружающей среды изменяется по гармоническому закону ДГ(г=7с-Г^Т,.! sin (со<Д где амплитуда Тс1 и частота юс - варьируемые параметры.

Результаты такого исследования, проведенные с помощью построенных математических моделей, показаны на рис. 12. Здесь построена топограмма максимальных значений угловой скорости теплового дрейфа, как функции двух переменных QT(Tci,(üc) - амплитуды и частоты внешнего температурного гармонического воздействия.

Рис. 12. Влияние амплитуды и частоты гармонического изменения температуры окружающей среды ЛГС = Тс(8т(сос/) на тепловой дрейф ВОГ

Третья глава посвящена анализу тепловых процессов и температурному дрейфу в ВОГ с системами терморегулирования.

В качестве внешних возмущений рассмотрены изменения температуры окружающей среды, изменения условий теплообмена с окружающей средой, изменения внешних полей давления и сил тяжести, изменения питающего напряжения и другие.

Основные внутренние возмущения - это тепловыделения элементов объекта терморегулирования, изменения температуры термодатчиков, изменения геометрических, теплофизических и других параметров элементов, как объекта терморегулирования, так и управляющего устройства и другие.

Для обеспечения заданного температурного режима работы ВОГ или его отдельных элементов предлагается реверсивная система терморегулирования с исполнительными устройствами - термоэлектрическими полупроводниковыми батареями Пельтье.

Выбор такой реверсивной системы терморегулирования обусловлен тем, что заданная температура термрстатирования 20 25°С находится внутри диапазона изменения температуры окружающей среды 0-г50°С, температурные перепады не превосходят десятков °С и мощности тепловыделения внутренних источников тепла сравнительно невелики (доли и единицы Ватт).

Если рассматривается задача стабилизации температуры источника излучения, то наиболее эффективно расположение рабочего спая термобатареи и термодатчиков как можно ближе к источнику излучения.

На основе проведенного анализа предлагается реализовать следующий пропорционально-позиционный закон регулирования абсолютной температуры в реверсивной системе терморегулирования:

впш. при АТ = Тг-Та>Ть

е=

8тах

ДГ, при - < ДГ <, Г£ (18)

П

1-Йшах. при. ДГ^Тг-Та<,-Ть, где б - управляющая текущая мощность системы терморегулирования; бтах ~ максимальная мощность системы терморегулирования; Т2 - заданная

(рабочая) температура; Та - температура термодатчика; Т1 - пороговое значение ДТ, определяющее зону линейности системы терморегулирования.

а) б)

Рис. 13. Расположение термобатарей и термодатчиков для стабилизация температурного поля волоконной бухты ВОГ (а) и источника излучения (б): 1 - термобатарея; 2 - радиатор; 3 - волоконная бухта;

4 - источник излучения; 5 - термодатчики

Для получения аналитических оценок будем идеализировать объект терморегулирования - волоконную бухту (или источник излучения - лазерный диод) как систему с средоточенными параметрами, обладающую эквивалентными теплофизическими характеристиками.

Уравнение теплового состояния системы имеет вид:

сТ + \де +

Т = дсТс +

(19)

Ч /

Решение уравнения (19) с учетом начальных условий *=0, Д0)=7о имеет

вид:

Т =

Тп-

ЯсТсТ1 + £?тахГг ЯЛ+Огж

ЧсТ1 . СП

ЯсТЛ+вт^Тг ЧЛ+0«т

(20)

Как видно из (20), система в линейной зоне устойчива, переходные процессы носят апериодический характер, и имеется статическая погрешность регулирования заданной температуры, определяемая последним слагаемым в (20).

Предлагается, на основе СТР с законом управления (17), создать дополнительный канал регулирования температурных перепадов ЛТЯ в волоконной бухте ВОГ.

Вся мощность системы терморегулирования делится на две части -наружную (¿и и внутреннюю (?в. На наружной и внутренней поверхности устанавливаются термодатчики, измеряющие «наружную» Тн и «внутреннюю» Тв температуры в зоне волоконной бухты. Образуется разность Л7У=7#-7я и соотношение мощностей £2н/<2в изменяется пропорционально разности Д7д.

Такой дополнительный канал регулирования определяется следующими соотношениями: , (21)

Ув

где Е[ - выбираемый коэффициент пропорциональности. 16

Получены следующие выражения для наружной <2Н и внутренней ()в составляющих мощности тепловыделения:

п - Е1(тв~тн) 0 0 1 г) (уг\

^ 1 + Е1(ТВ-ТНГ> 1 + Е^Тд -Тн) к '

С учетом начальных условий I = 0, АТя(0) = АТко получим решение данной задачи:

Г \ М+Чс+0£\(

ДГЛ =

кТо п--

+-2-. (24)

2 я + дс+ОЕ1

Анализ (24) показьшает, что, варьируя коэффициент Ех, можно изменять как величину радиального перепада ДГЛ в волоконной бухте, так и время его установления.

Для автоматизации исследований тепловых процессов и температурного дрейфа реальных конструкций ВОГ с применением систем терморегулирования волоконной бухты и источника излучения используется разработанный программный комплекс «УООТО».

Проведено моделирование тепловых режимов ВОГ с СТР волоконной бухты: с постоянным соотношением наружной и внутренней мощностей тепловыделения; с соотношением мощностей наружной и внутренней систем тепловыделения, изменяющихся пропорционально радиальному перепаду температур в волоконной бухте.

Результаты моделирования приведены на рис. 14. Далее проведено математическое моделирование тепловых процессов и температурного дрейфа ВОГ с применением системы терморе1улирования источника излучения. Результаты приведены на рис. 15.

Параметры СТР источника оптического излучения, в соответствии с проведенным анализом, выбраны следующие: максимальная мощность тепловыделения СТР источника излучения {2,,^ = 4 Вт; зона линейности в законе регулирования СТР Тс = 0,1 °С.

Производится математическое моделирование прогрева прибора с включенными источниками тепла в течение 3600 с.

При этом производится расчет нестационарных тепловых процессов и нестационарного температурного дрейфа ВОГ, с работающей СТР источника оптического излучения.

Температура окружающей среды, как снаружи, так и во внутренних полостях прибора и температура посадочного места, к которому крепится основание ВОГ остается все это время постоянной и равной номинальной температуре ТНОМ=+20°С. Давление среды нормальное.

Проведенное математическое моделирование и компьютерные эксперименты позволили получить качественные и количественные оценки теплового дрейфа волоконно-оптического гироскопа с системами терморегулирования волоконной бухты и источника оптического излучения при основных детерминированных (ступенчатых и гармонических) и случайных температурных воздействиях.

б)

Рис. 14. Текущие параметры тепловых процессов и теплового дрейфа ВОГ в 1-м тепловом режиме (а) (СТР волоконной бухты с постоянным соотношением наружной и внутренней мощностей тепловыделения) и 2-м тепловом режиме (б) (СТР волоконной бухты с дополнительным каналом регулирования радиальных температурных перепадов) при ступенчатых изменениях температуры окружающей среды: 1 - тепловой дрейф Ог, 2 - мощность тепловыделения СТР Q^,

3 - радиальный температурный перепад АТЯ в волоконной бухте; 4 - температура в волокне Т; 5 - температура окружающей среды Тс

Рис. 15. Текущие параметры тепловых процессов и тепловой дрейф ВОГ в тепловом режиме (СТР источника оптического излучения) при ступенчатых изменениях температуры окружающей среды: 1 - максимальный тепловой дрейф Иг, 2 - скомпенсированный тепловой дрейф Отк, 3 - радиальный температурный перепад Д7> в волоконной бухте; 4 - температура в волокне Т; 5 - температура окружающей среды Тс", 6 - температура источника оптического излучения; 7 - мощность тепловыделения СТР Q

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

1. Построены математические модели тепловых процессов, протекающих в блоке БИНС с ВОГ и ВОГ, реализованные в специализированных программных комплексах «вь-шб», «уос» и позволяющие рассчитывать, визуализировать и анализировать неоднородные, трехмерные, нестационарные температурные поля рассматриваемых приборных систем.

Проведено математическое моделирование тепловых процессов в рассматриваемом блоке БИНС с ВОГ в различных условиях и режимах их работы путем проведения компьютерных экспериментов и получены качественные и количественные оценки параметров этих процессов.

2. Определены перегревы над температурой окружающей среды в элементах ВОГ исследуемой БИНС, время переходных процессов, не превышающее 900 с.

Показано, что реализация теплового шунтирования и установка радиаторов в зонах основных источников тепловыделения, приводят к снижению перегревов на 25+30%.

3. Проведены серии вычислительных экспериментов по анализу функционирования ВОГ (без системы терморегулирования) в условиях детерминированных (ступенчатых и гармонических) и случайных тепловых воздействий. Как показали проведенные численные исследования, тепловой дрейф ВОГ пропорционален скорости Д7д изменения радиальных температурных перепадов по волоконной бухте, что полностью подтверждает полученные аналитические оценки.

4. Предложен и обоснован выбор реверсивной системы терморегулирования на полупроводниковых термоэлектрических батареях Пельтье для поддержания заданной температуры в волоконной бухте и в источнике оптического излучения - лазерном или суперлюминесцентном диоде.

Выбраны законы регулирования температуры СТР в волоконной бухте с постоянным соотношением распределения мощности по внешней и внутренней сторонам катушки и с дополнительным каналом регулирования радиальных температурных перепадов.

5. Интегральный тепловой дрейф ВОГ при рассмотренных детерминированных и случайных температурных воздействиях значительно (в 2+5 раз) уменьшается, при применении системы терморегулирования волоконной бухты.

В целом проведенный анализ показывает, что без учета влияния температурных воздействий, построения и исследования математических моделей тепловых процессов и температурного дрейфа очень сложно создать прецизионный ВОГ, пригодный для решения задач инерциальной навигации.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях.

1. Разработка унифицированных бортовых управляющих вычислительных комплексов для космических аппаратов типа «Фотон», «Бион» / Ю. К. Пылаев, А. Г. Блинов, А. Г. Губанов, Д. В. Левушкин // Научные и технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматиче-

V23 7 6

ских космических аппаратах «Фотон». Ре! вы: Труды Междунар, конф. Самара, 2000

2. Пылаев Ю. К. О надежности ма? тем / Ю. К. Пылаев, А. П. Рамзаев // Проб ной механики и управления в машиное конф. Саратов, 2002. С. 144-147.

3. Прецизионный волоконно-оптический гироскоп с линейным цифровым выходом / В. Е. Прилуцкий, Ю. К. Пылаев, А. Г. Губанов и др. // IX Санкт-Петербургская Междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. СПб., 2002. С. 180-190.

4. Математическое моделирование трехмерных, неоднородных, нестационарных температурных полей прецизионных волоконно-оптических пироскопов/ В. Э. Джашитов, В. М. Панкратов, В. Е. Прилуцкий, Ю. К. Пылаев, А. Г. Губанов. Материалы ХХШ НТК памяти Н. Н. Остряко-ва // Гироскопия и навигация. 2002. № 4. С. 50-51.

5. Модернизация системы управления движением космических аппаратов «Фотон», «Бион» / Ю. Г. Антонов, А. А. Головченко, С. А. Платонов, Б. К. Сучков, Ю. К. Пылаев // X Санкт-Петербургская Междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. СПб., 2003. С. 77-83.

6. Математическое моделирование трехмерных, неоднородных, нестационарных температурных полей электронных плат и многофункциональных программируемых контроллеров систем ориентации космических аппаратов /

B. Э. Джашитов, В. М. Панкратов, Ю. К. Пылаев, А. Г. Губанов // Гироскопия и навигация. 2004. № 2. С. 68-80.

7. Пылаев Ю. К. Выбор компоновки чувствительных элементов БИНС с волоконно-оптическими гироскопами / Ю. К. Пылаев // Проблемы точной механики и управления: Сб. науч. тр. ИПТМУ РАН. Саратов, 2004.

C. 14-16.

Лицензия ИД №06268 от 14.11.01

Подписано в печать 21.01.05 Формат 60x84 1/16

Бум. тип. Усл.-печ.л. 1,0 Уч.-изд.л 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 35 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Копипринтер СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

РНБ Русский фонд

2005-4 48668

ВВЕДЕНИЕ.

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В БЕСПЛАТФОРМЕННЫХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ГИРОСКОПАМИ

1.1. Методы исследования и математические модели тепловых процессов в многокомпонентных гироскопических системах с волоконно -оптическими гироскопами

1.2. Математические модели тепловых процессов в блоке измерителей угловых скоростей с волоконно-оптическими гироскопами и акселерометрами и отдельных волоконно-оптических гироскопов

1.2.1. Постановка задачи и определение класса исследуемого устройства блока ИУС BOA ^

1.2.2. Тепловая модель блока ИУС BOA 5 О

1.2.3. Тепловая модель волоконно-оптического гироскопа ПНСК40.

1.3. Математическое моделирование нестационарных тепловых процессов блока измерителей угловых скоростей с акселерометрами, волоконно-оптическими гироскопами и волоконно-оптических гироскопов.

Компьютерные эксперименты и анализ результатов.

1.3.1 Моделирование тепловых режимов блока измерителей угловых скоростей с волоконно-оптическими гироскопами и акселерометрами

1.3.2 Моделирование тепловых режимов волоконно-оптических гироскопов.

1.4 Выводы

2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ БЕСПЛАТФОРМЕННЫХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ГИРОСКОПАМИ БЕЗ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

2.1. Математическая модель температурного дрейфа волоконно -оптических гироскопов в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы

2.2. Математическое моделирование нестационарных тепловых процессов и температурного дрейфа волоконно-оптических гироскопов без системы терморегулирования.

Компьютерные эксперименты и анализ результатов.

2.2.1 Моделирование тепловых процессов и нестационарного температурного дрейфа волоконно-оптических гироскопов

2.3 Выводы

3. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПАХ С СИСТЕМАМИ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

3.1. Принципы и методы выбора систем терморегулирования оптико-электронных приборов с волоконно - оптическими гироскопами 123 ^ -3.2. Математическое моделирование нестационарных тепловых процессов и температурного дрейфа волоконно-оптических гироскопов , с системами терморегулирования. т Компьютерные эксперименты и анализ результатов.

3.2.1 Моделирование тепловых процессов и нестационарного температурного дрейфа волоконно-оптических гироскопов с применением системы терморегулирования волоконной бухты

3.2.2 Моделирование тепловых процессов и нестационарного температурного дрейфа волоконно-оптических гироскопов с применением системы терморегулирования источника оптического излучения ВОГ.

3.3 Выводы

Актуальность: Возрастающая с каждым днем потребность промышленности в развитии высокоточных, надежных и долговечных навигационных комплексов подвижных объектов различного назначения приводит к необходимости создания сложных современных гироскопических приборов, часто с уникальными технологическими и эксплуатационными характеристиками [3,5,12]. Проектирование и изготовление этих комплексов в настоящее время невозможно без предварительного этапа математического моделирования процессов взаимодействия [21,24,34] самих таких прецизионных устройств с имитацией реальных условий их эксплуатации и, особенно, температурных возмущений [22,23,26,27].

Перспективные системы управления движением и навигации космических летательных аппаратов (KJIA) [3,38] ориентированы на решение достаточно широкого круга задач и должны сопровождаться улучшением таких показателей, как точность, автономность, универсальность, уменьшением энергопотребления и массогабаритных характеристик. При этом современные достижения в области разработки и производства бортовых вычислительных комплексов [63,64] позволяют переходить к использованию относительно конструктивно более простых бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [45,50,51,54,57]. С другой стороны, это обусловлено тем, что возможности фундаментального совершенствования платформенных инерциальных навигационных систем с кардановыми подвесами (ИНС) [2,6,43,55] в значительной степени исчерпаны.

Действительно, основным преимуществом БИНС [56,59,60,62,72] по сравнению с ИНС являются снижение стоимости и энергопотребления, увеличение в несколько раз информативности ресурса и надежности и, как следствие, уменьшение эксплуатационных расходов. Это достигается за счет исключения из состава ИНС сложных и дорогостоящих подсистем, в первую очередь, таких как карданов подвес, в состав которого входят следящие системы, прецизионные датчики угла; стабилизирующие двигатели и т.п.

Другим очень важным преимуществом БИНС является информационная избыточность [21] за счет наличия в системе данных об угловых скоростях и линейных ускорениях в связанных осях. Особенно ярко эти преимущества проявляются в тех случаях, когда в качестве гироскопических датчиков инерци-альной информации используются волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) [49,52,58] вообще лишенные механических подвижных элементов.

Так, например, фирмой Litton (США) разработана БИНС И-го поколения LN-100 с использованием волоконно-оптических гироскопов и микромеханических кремниевых акселерометров. Такая БИНС характеризуется суммарной погрешностью на уровне 0,01 град/ч.

Среди современных разработок можно указать разработки фирмы Litef э

GmbH (Германия) БИНС с объемом 1,64 дм и менее 3,2 кГ. Это дочерняя Litton фирма ведет разработку интегрированной с GPS БИНС LCR-94, использующей курсовертикаль на ВОГ собственной разработки (погрешность около 0,1 град/ч.) с перспективой использования микромеханических акселерометров. Среди отечественных следует отметить разработки ООО Hi 111 «Антарес», КБ «Корпус» г. Саратов и ОАО «Пермская научно-производственная компания», ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». Например, в ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор» создана относительно недорогая и компактная БИНС на ВОГ фирмы «Фи-зоптика» [11] интегрированных со спутниковой навигационной системой (СНС), предназначенных для использования на малых космических аппаратах (МКА), малых судах, например, яхтах.

О разработке собственно ВОГ за рубежом: значительные научные результаты достигнуты исследователями Стэнфордского университета [78], Массачу-сетского технологического института [88] и французской фирмы "Thomson-CSF".

В Стэнфордском университете и Массачусетском тебхнологическом институте с опережением идет развитие теории, техники измерений и создание волоконно-оптических компонентов.

Hughes Aircraft занята производством интегрально-оптических компонентов и другой волоконно-оптической технологии для ВОГ.

Большой прогресс при создании ВОГ достигнут фирмой МС Donnell-Donglas, которая уже в 1984 г. серийно освоила выпуск ВОГ с цифровым выходом и дрейфом менее 1 град/час в широком температурном диапазоне.

Litton Guidance and Control Division создали лабораторные образцы цель-новолоконных гироскопов для навигационного применения с дрейфом нуля на уровне 0.005гр/час.

Lear Sieglar добилась существенного прогресса в производстве ВОГ за счет применения интегрально-оптических компонентов и волокон с сохранением поляризации.

Существует ряд исследовательских программ с акцентом на практическое применение ВОГ.

Например, программа исследований "FOSS" (Fiber Optic Sensor System) такой лаборатории как Naval Research Lab (ВМС США).

В настоящее время технология производства ВОГ [75,76,80] шагнула из стен исследовательских лабораторий в цеха заводов, но и исследовательские работы по совершенствованию ВОГ [84,85,87] продолжаются во все развивающемся масштабе.

Ускоряется рост производства ВОГ в США по сравнению с механическими и лазерными гироскопами (ЛГ) [47].

Так, одна из последних разработок фирмы "Thomson-CSF" - ВОГ, использующий методы цифровой обработки сигнала, имеющий объем приблизительно 0.1 кубических дециметров, что более чем в 2 раза меньше КЛГ.

Дрейф этого гироскопа, по утверждению Фирмы, не превышает 0.3 град/час при динамическом диапазоне 1000 град/час, что достаточно для большинства прецизионных авиационно-космических и надводно-подводных применений.

Вообще, согласно теоретическим исследованиям специалистов Naval Research Laboratories (США), чувствительность ВОГ составляет 0.0025 град/час для длины волокна 14.3 км и использовании полупроводникового лазера мощностью 2 мВт, излучающего на волне 1.1 мкм) и достигает 0.0007 град/час при увеличении мощности накачки до 14 Вт.

Однако до настоящего времени экспериментальные образцы не позволяли достигнуть столь высоких значений чувствительности. Если в первых экспериментах была получена чувствительность приблизительно 100 град/час, то к настоящему времени в результате большого объема исследований, направленных на повышение чувствительности ВОГ [39,40,41], в лабораторных условиях достигнуты значения (0.01^-0.05) град/час.

Такая высокая точность разрабатываемых ВОГ обусловливает необходимость учета влияния на характеристики приборов таких возмущающих факторов, как температурные воздействия [10,15,17,18,81,89].

Рассмотрим подробнее, как и на какие свойства и характеристики ВОГ влияют эти воздействия и какие существуют пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов.

Принцип действия основан на эффекте Саньяка, заключающемся в следующем.

Если в оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при неподвижном относительно инерциаль-ного пространства контуре фазовые "набеги" обоих лучей, прошедших весь контур, будут одинаковыми.

При вращении контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые "набеги" лучей неодинаковы и разность фаз пропорциональна угловой скорости вращения контура.

При этом в ВОГ существуют особенности, связанные с регистрацией фазы Саньяка [9,77,79,86,90].

Одна из них - свойство взаимности. Фазовая невзаимность в ВОГ определяется дифференциальной разностью фаз встречно бегущих лучей. Любая фазовая невзаимность (разность фаз) для двух направлений дает изменения в показаниях прибора.

Следует отметить, что сам принцип действия волоконно-оптического гироскопа основан на невзаимном свойстве распространения встречных волн во вращающейся системе отсчета.

Поэтому, безусловно, важен для определения точности ВОГ анализ невзаимных эффектов в приборе.

Вообще, абсолютный предел достигаемой в ВОГ точности измерений обусловлен уровнем фотонного (дробового) шума [7,8,44,48,61,80,91].

Однако существуют и другие фундаментальные физические объекты, ограничивающие достижение предельной точности: обратное рассеяние Рэлея, несохранение и колебания поляризации, магнитооптический эффект Фарадея, электрооптический эффект Керра, флуктуации интенсивности и частоты источника излучения, температурные воздействия и т.д.

Как показывает анализ литературы, большинство источников погрешностей ВОГ связаны с волоконной бухтой - неотъемлемой частью всякого ВОГ.

Если проанализировать имеющиеся теоретические и экспериментальные данные, то становится ясным, что наибольший вклад в суммарную погрешность ВОГ вносит так называемое обратное Рэлеевское рассеяние [8,36].

Согласно теоретическим оценкам кратковременный дрейф от обратного Рэлеевского рассеяния может достигать (для ВОГ с длиной волоконного контура 1000 м, длиной излучения 1 мкм) - 340 град/час.

Температурные воздействия "разделяют" примерно первое-второе место среди источников погрешностей ВОГ [19,23,25].

Согласно экспериментальным данным, долговременный дрейф пропорционален производной по времени от разности температур между внутренней и наружной поверхностью цилиндрической волоконной бухты (катушки) и может достигать уровня 300 град/час (при изменении такой разности температур по экспоненциальному закону на 20 °С за 720 с).

Экспериментальные исследования [67] показали, что нагрев катушки на 1 °С приводит к смещению нуля примерно на 4 град/час, что существенно для инерциальной навигации.

Третье-четвертое места в общей погрешности ВОГ "принадлежат" таким источникам, как эффекты Керра и Фарадея.

По экспериментальным данным эти эффекты обуславливают уходы на уровне 10 град/час.

При этом следует отметить важность температурных воздействий (изменений абсолютной температуры и температурных градиентов) сказывается в том, что они влияют как непосредственно на характеристики и свойства ВОГ, так и на проявления отмеченных фундаментальных эффектов (Рэлея, Фарадея, Керра и др.), и уже через них - на точность прибора.

В ряде работ [39,42,61] достаточно подробно проанализированы и рассмотрены возможности компенсации таких источников погрешностей ВОГ, как обратного рассеяния Рэлея, эффектов Керра и Фарадея, нестабильности масштабного коэффициента и т.д.

Вообще говоря, собственно исследованиям температурного дрейфа ВОГ посвящен достаточно ограниченный круг работ, хотя практически в каждом исследовании по волоконно-оптическим гироскопам отмечается существенность влияния температурных воздействий для этого типа датчиков.

Одним из первых теоретических исследований, по-видимому, можно считать работу [77], где рассматривается дрейф волоконного интерферометра Саньяка, обусловленный термически индуцированной невзаимностью в волоконном контуре.

В целом в большинстве своем исследования температурного дрейфа ВОГ носят экспериментальный характер, и основные усилия разработчиков направлены на создание различных устройств и способов по компенсации в ВОГ температурных воздействий.

Не отрицая важности подобных исследований для создания высокоточного прибора инвариантного к окружающим условиям, представляется необходимой более глубокая проработка сущности физических явлений и процессов, возникающих в приборе в реальных условиях.

Особенность задачи исследования характеристик и свойств ВОГ в условиях температурных воздействий в том, что в этом классе приборов имеет место сочетание и взаимовлияние эффектов и процессов различной физической природы: оптических, электромагнитных, тепловых, механических и других.

Как показывает проведенный анализ литературы, характеристика и свойства ВОГ, на который оказывают влияние температурные воздействия (по возрастающей значимости), а также некоторые способы уменьшения такого влияния, можно классифицировать следующим образом.

Изменения длины волны за счет термической нестабильности источника излучения (лазера).

Следует отметить, что шумы, связанные с изменением длины волны незначительны в большинстве систем регистрации фазы(например, у полупроводникового лазера наблюдается термический дрейф длины волны генерируемого излучения около 0.0003 мкм/°С, что составляет примерно 0.05 % от номинального значения).

Эффекты фототермоупругости в волоконном контуре.

Потери на микросгибах в волокне, вызванные изменениями температуры.

Эти потери имеют место в том случае, когда волокно находится под механическим напряжением, и могут составлять величину более 10 дБ/км. Способ уменьшения таких потерь - согласование температурных коэффициентов расширения волокна и катушки. Возможны и потери мощности передаваемого оптического сигнала на изгибах волокна за счет того, что от температуры зависят показатели преломления оболочки и сердечника волокна. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, влияние температуры на потери мощности сигнала в волокне велико в случае кварц-полимерного световода.

Значительно уменьшить этот эффект можно, если использовать кварцкварцевое волокно.

Градиенты температуры, приводящие к разъюстировке оптических элементов ВОГ.

Так как одномодовое волокно (в основном применяющееся в приборах) имеет диаметр сердечника порядка (З-f-lO) мкм, то даже малое смещение световода относительно оптических элементов (ответвителей, соединителей, излучателей, приемников) вызовет потери мощности и, следовательно, невзаимный набег фазы из-за эффекта Керра. Здесь [61] большие надежды возлагаются на интегральную оптику. Как отмечается в [61] именно интегральная оптика позволит обеспечить производство ВОГ с допусками, измеряемыми микронами и разъюстировками, измеряемыми ангстремами.

Зависимость от температуры характеристик фотодетектора.

Фотодетектор предназначен для преобразования оптической интерференционной картины в выходной электрический сигнал. Тепловые шумы нагрузочного сопротивления фотодетектора, величины "темного" тока (тока фотодетектора при отсутствии внешнего облучения) также зависят от температуры.

Зависимость от температуры характеристик оптических элементов (поляризаторов, фазовых пластинок, ротаторов, интегральных оптических схем и др.).

Зависимость от температуры характеристик излучателей.

Излучатели - полупроводниковые лазеры, световоды, суперлюми-нисцентные диоды и др.) Например, выходная мощность светодиода с двойным гетеропереходом (наименее чувствительного к температуре) уменьшается в 2 раза при увеличении температуры диода от 20 °С до 100 °С.

Вариации разности мощности оптических лучей.

Вариации разности мощности оптических лучей в противоположных направлениях, зависящие от температуры, также приводят к дрейфу ВОГ. Если мощности оптических лучей, противоположно распространяющихся по контуру ВОГ, неодинаковы, а следовательно, неодинаковы постоянные распространения лучей, то это приводит к фазовой невзаимности контура и, в результате, к ошибке при измерении угловой скорости. Известно, что разность мощностей

0.01 мкВт в таком материале как кварц дает ошибку, выходящую из пределов допусков для систем инерциальной навигации (0.1 град/час). В типовых условиях для измерения выходного сигнала при малой угловой скорости вращения требуемая полная мощность на входе фотодетектора составляет величину «100 мкВт (с тем, чтобы превысить уровень шумов). Поэтому разность мощностей должна контролироваться с точностью 10'4 от полной мощности, что обусловливает необходимость поддержания температуры в приборе.

Изменение состояния поляризации в волокне.

Изменение состояния поляризации в волокне, которое происходит при изменении температуры, оказывает большое влияние на дрейф ВОГ. Проблема поляризационной невзаимности в настоящее время решается пассивной и активной стабилизацией состояния поляризации в волокне. Предлагаются различные способы изготовления волокна, сохраняющего поляризацию света. Например, фирма Hitachi (Япония) использует эллиптическую внешнюю оболочку, которая сжимает сердечник с круговым сечением и создает в волокне заданное натяжение; Thomson-CSF (Франция) создает крученые волокна. Здесь имеются свои проблемы - для сжимаемых и крученых волокон имеет место существенная температурная зависимость наведенного двулучепреломления.

Температурная стабильность масштабного коэффициента фазы Саньяка, определяемая стабильностью площади витков контура, углом наклона плоскости витков к измерительной оси, длиной волны излучения, геометрическими параметрами прибора, флуктуациями поляризации в волокне.

Температурные изменения показателя преломления волокна.

Согласно данным [67] градиент температуры вдоль волокна в 0.007 °С только за счет появления градиента показателя преломления приводит к смещению нуля в 0.01 град/час. Для борьбы с этим источником погрешностей ВОГ применяют различные способы. Например, в разработано устройство термокомпенсации, позволяющее настроить коэффициент теплового расширения намотанного волокна таким образом, чтобы обеспечить его взаимозависимость с термическим коэффициентом показателя преломления волокна и тем самым уменьшить зависимость показателя преломления от температуры.

Время готовности прибора.

Время готовности прибора - важный фактор, в значительной степени зависящий от температуры. Согласно основному соотношению [86] для ВОГ готовность его к работе должна быть практически мгновенной. Однако, как показывают теоретические и экспериментальные исследования [82], нестационарность тепловых процессов в приборе обусловливает долговременный дрейф ВОГ и время готовности прибора значительно возрастает (возможно, до нескольких десятков минут). Известные способы борьбы -разработка активных систем терморегулирования прибора и схемно-алгоритмическая компенсация его температурного дрейфа.

Наличие термически индуцированной невзаимности в волоконном контуре [73].

Этот фактор включает многие из вышеуказанных и является в определенной степени интегральным фактором, обусловливающим в основном температурный дрейф ВОГ. Термически индуцированная невзаимность имеет место, когда вдоль волокна действуют зависящие от времени температурные градиенты. Невзаимность возникает, если соответствующие волновые фронты двух противоположно бегущих лучей проходят одну и ту же область волокна за различное время. Оценка фотонного (дробового) предела чувствительности ВОГ, показала, что он составил величину 0.008 град/час при радиусе контура R=10 см, L=1.56 км. Такую чувствительность можно считать типовой для навигационных применений ВОГ. Если предположить, что термически индуцированная невзаимность должна давать ошибку на уровне такого дрейфа, то оказывается, что необходимо поддерживать стабильность температуры в зоне волокна на уровне 0.007 °С, что даже в относительно стабильных рабочих условиях является серьезной задачей, не говоря уже о периоде прогрева или изменений температуры окружающей среды. Способы борьбы с термически индуцированной невзаимностью сводятся в основном [73] к поиску материалов для волокна с малыми температурными коэффициентами показателя преломления, и различных способов намотки волокна. Например, в [73] намотка не цилиндрический каркас оптического волокна выполнена таким образом, что 90 % +95 % длины витка лежит в одной плоскости и только малая часть длины уходит на переход между витками. Намотка может иметь как дипольную (переход между витками происходит вдоль двух образующих цилиндрической катушки), так и квадру-польную (межвитковый переход идет по четырем образующим) симметрию. Выполненная таким образом намотка позволяет минимизировать влияние на работу ВОГ внешних факторов (температуры, вибрации, магнитного поля и

ДР-)

Очевидно, что наиболее существенным источником погрешностей БИНС на ВОГ являются температурные возмущения. Поэтому разработка корректных математических моделей влияния этих процессов на погрешности БИНС на ВОГ, создание на основе этих моделей алгоритмов и программных модулей численного анализа и синтеза конструкций с целью уменьшения температурного дрейфа имеет не только прикладное, но и теоретическое значение для интенсивного развития навигационного приборостроения в приоритетных отраслях современной техники, что и определяет актуальность темы данной диссертации и основное направление проведенных в ней исследований. Этим и обосновывается актуальность данной работы.

Научная новизна результатов проведенных исследований заключается в следующем.

- Впервые разработана математическая модель нестационарных тепловых процессов в бесплатформенных инерциальных навигационных системах с волоконно-оптическими гироскопами (БИНС с ВОГ) как для случая без системы термостатирования, так и для случая наличия системы терморегулирования.

- Проведено математическое моделирование нестационарных трехмерных неоднородных тепловых процессов БИНС с ВОГ, позволяющее получить количественную оценку ее температурного дрейфа.

- Разработаны принципы и методы выбора схем реализации систем терморегулирования оптико-электронных измерителей инерциальной информации с волоконно-оптическими гироскопами.

- Показано, что близкие к ступенчатым температурные воздействия влияют значительно существеннее на температурный дрейф БИНС с ВОГ, чем гармоническое изменение температуры окружающей среды.

- Показано, что применение алгоритмической компенсации температурного дрейфа ВОГ, по данным математического моделирования, позволяет уменьшить максимальные значения температурного дрейфа более чем в 3 раза для нетермостатированного ВОГ.

- Проведен качественный анализ возможных мер пассивного характера (без энергоемкой системы термостатирования) по повышению инвариантности БИНС с ВОГ по отношению к внешним и внутренним температурным возмущениям.

Достоверность полученных результатов проведенных исследований обеспечивались корректностью применения современных математических методов, адекватностью разработанных моделей исследуемым физическим процессам, соответствием теоретических выводов данным натурных испытаний.

Теоретическое значение результатов полученных в работе заключается в построении математических моделей на основе распространения метода "тепловых балансов" для анализа температурного дрейфа БИНС с ВОГ в условиях различного рода нестационарных внешних и внутренних температурных возмущений.

Практическая значимость работы заключается в том, сто разработан программный комплекс, позволяющий разработчику на стадии проектирования и испытаний анализировать влияние на температурный дрейф прибора изменений конструктивных параметров БИНС с ВОГ и изменений параметров нестационарных тепловых возмущений.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований доложены на двух международных конференциях по интегрированным навигационным системам г. С-Петербург; международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" г. Саратов; на научных семинарах Института проблем точной механики и управления Российской Академии Наук г. Саратов.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1. Построены математические модели тепловых процессов, протекающих в блоке измерителей угловых скоростей волоконно-оптическом с акселерометрами (ИУС BOA) и волоконно-оптическом гироскопе ПНСК40 (ВОГ), реализованные в специализированных программных комплексах "BL-IUS", "VOG" и позволяющие рассчитывать, визуализировать и анализировать неоднородные, трехмерные, нестационарные температурные поля рассматриваемых приборных систем.

Проведено математическое моделирование тепловых процессов в рассматриваемом блоке ИУС BOA и волоконно-оптическом гироскопе в различных условиях и режимах их работы путем проведения компьютерных экспериментов и получены качественные и количественные оценки параметров этих процессов.

2. Определены перегревы над температурой окружающей среды в элементах ВОГ исследуемой БИНС, время переходных процессов, не превышающее 900 с.

Показано, что реализация теплового шунтирования и установка радиаторов в зонах основных источников тепловыделения, приводит к снижению перегревов на 25ч-30%.

3. Проведены серии вычислительных экспериментов по анализу функционирования ВОГ (без системы терморегулирования) в условиях детерминированных (ступенчатых и гармонических) и случайных тепловых воздействий. Как показали проведенные численные исследования, тепловой дрейф ВОГ пропорционален скорости ATR изменения радиальных температурных перепадов по волоконной бухте, что полностью подтверждает полученные аналитические оценки.

4. Предложен и обоснован выбор реверсивной системы терморегулирования на полупроводниковых термоэлектрических батареях Пельтье для поддержания заданной температуры в волоконной бухте и в источнике оптического излучения — лазерном или суперлюминисцентном диоде.

Выбраны законы регулирования температуры СТР в волоконной бухте с постоянным соотношением распределения мощности по внешней и внутренней стороне катушки и с дополнительным каналом регулирования радиальных температурных перепадов.

5. Интегральный тепловой дрейф ВОГ при рассмотренных детерминированных и случайных температурных воздействиях значительно (в 2ч-5 раз) уменьшается, при применении системы терморегулирования волоконной бухты.

В целом проведенный анализ показывает, что без учета влияния температурных воздействий, построения и исследования математических моделей тепловых процессов и температурного дрейфа очень сложно создать прецизионный ВОГ, пригодный для решения задач инерциальной навигации.

1. Агоскин Б.Н., Шипилов С.В. Расчет температуры в зоне контакта поверхностей ротора и упоров электростатического гироскопа. //Гироскопия и навигация. №3. С. 40-45.

2. Ч 2. Андрейченко К.П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров.

3. М.: Машиностроение, 1987. 126 с.

4. Баннов A.M., Михеев Ю.В., Темнин С.С. Квазиоптимальный регулятор для объекта с распределенными параметрами. //Автоматика и телемеханика. 1989. № 10. С. 30-39.

5. Биндер Я.Н., Гутнер И.Е., Лизенцев А.П., Молчанов А.А. Современные информационно-измерительные комплексы подземной навигации и ориентации. //Гироскопия и навигация. №1. С. 110-122.

6. Биндер Я.И., Падерина Т.В., Анугин О.Н. Калибровка датчиков угловой скорости с механическим носителем вектора кинетического момента в составе бесплатформенных инерциальных измерительных модулей. //Гироскопия и навигация. 2003. № 3. С.3-16.

7. Бирман А.Я., Логозинский В.Н. Нелинейная фазовая невзаимность в кольцевом волоконном интерферометре. Квантовая электроника. 1982. Т. 9, С 410411.

8. Хегай Д.К. Состояние и перспективы развития бесплатформенных инерциальных навигационных систем малых космических аппаратов. //Приборостроение. 2004. № 3. С. 45-52.

9. Ваганов Р.Б., Клевицкий Б.Г. Эффект Саньяка в кольцевом волоконном интерферометре. Радиотехника и электроника. 1984. Т. XXIX, № 3. С. 586590.

10. З.Галактионов А.А. Косвенная термостабилизация гироскопов и гиростабили-зированных платформ. Способы повышения точности. //Гироскопия и навигация. 2003. № 1, С. 5-12.

11. Галактионов А.А. Исследование теплового режима электростатического гироскопа. //Сб. докладов I научн. конф. молодых ученых «Навигация и управление движением» СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999.

12. Голиков А.В., Джашитов В.Э. Температурные погрешности волоконно-оптических гироскопов. //Гироскопия и навигация, изд-во ГНЦ РФ ЦНИИ . «Электроприбор», №2,2001. С. 3-17.

13. Голиков А.В., Джашитов В.Э. Система управления тепловым режимом волоконно-оптического гироскопа. Проблемы управления и связи: Материалы международной научн. конф. Саратов, 2000. С. 41-44.

14. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Динамика температурно-возмущенных гироскопических приборов и систем. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 1998. 236 с.

15. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем /Под общей редакцией академика РАН В.Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2001. 150 с.

16. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели теплового дрейфа

17. Джашитов В.Э. Влияние тепловых процессов на точность прецизионных волоконно-оптических инерциальных датчиков. //ИФЖ. 1994. Т.66, №1. С.61-68.

18. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 312 с.

19. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. Л.: Энергия, 1968. 360 с.

20. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. М.: Высш. школа . 1990.

21. Ингберман М.И., Фромберг Э.М., Грабой Л.П. Термостатирование в технике связи. М.: Связь, 1979. 144 с.

22. Каракашев В.А. Автономные инерциальные навигационные системы: Учебное пособие. Л.: ЛИТМО, 1983.

23. Карслоу Г.С. Теория теплопроводности. М.: ОГИЗ, 1947. 215 с.

24. Клевицкий Б.Г., Коршунов П.П. Гироскоп на многомодовом оптическом волокне. // Радиотехника и электроника, 1991. №3, С.34-41.

25. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем и др.; под общ. ред. Б.М. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. 688 с.

26. Логозинский В., Соломатин В. Повышение точности ВОГ методом оптической компенсации. //V С.-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 1998. С.183-188., ил.

27. Логизинский В.Н., Новиков А.Г. Оптимизация параметров кольцевого волоконного интерферометра. Квантовая электроника, 1982. Т. 9, №4, С.775-776.

28. Логозинский В.Н, Соломатин В.А. Волоконно-оптические гироскопы для промышленного применения. // Гироскопия и навигация, 1996. №4, С.27-31.

29. Логозинский В., Сафутин И., Соломатин В. Встроенная диагностика в миниатюрном ВОГ с мгновенным запуском. // IX Санкт-Петербургская между. народная конференция по интегрированным навигационным системам. 2002. С.173-180.

30. Льюис Дж.А., Зайнак Е. Двухгироскопная гравитационно-градиентная система управления положением спутника. //В кн. Проблемы ориентации искусственных спутников земли. М.: Наука. 1976. С.201-282.

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

32. Лукьянов Д.П., Мочалов А.В., Одинцов А.А., Вайсгант И.Б. Инерциальные навигационные системы морских объектов. Л.: Судостроение, 1989.

33. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

34. Молчанов А.В., Осетров И.В., Чиркин М.В. Проблемы качества в технологии лазерного гироскопа. // X Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2003. С.207-210.

35. Нарвер В.Н., Приходько В.Д., Стотыка В.И. Трехкомпонентный волоконно-оптический датчик угла для градиентометра. // Гироскопия и навигация, 2000. №4, С.57-58.

36. Недавний А.П., Соколова E.JI. Волоконно-оптические датчики параметров движения. // Обзоры по электронной технике. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. М.: Изд-во ЦНИИ Электроника, вып. 10 (1582), 1990. 67 с.

37. Несенюк Л.П. Бесплатформенные инерциальные системы. Обзор состояния перспектив развития. // Материалы III конф. молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб: ГНЦ РФ «Электроприбор», 2001. С.191-200.

38. Одинцов А.А., Наумов Ю.Е., Васильева В.Б., Барабаш A.M. Результаты разработки, изготовления и испытания инерциальной навигационной системы на управляемых магнитных гироскопах. // Гироскопия и навигация, 2000. №4, С.18-30.

39. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики // Под ред. Т. Окоси / Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-е. 1990. 256 с.

40. Патанкар С.В. Современные численные методы расчета теплообмена. // Современное машиностроение. Сер. А. 1989. №6. С. 1-10.

41. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации. // Гироскопия и навигация. 1996. №1. С.48-55.

42. Питтман Д.И. Инерциальные системы управления. М.: Военное изд-во Министерства обороны СССР, 1964.

43. Плотников П.К., Михеев А.В., Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., Прилуцкий

44. B.Е. Волоконно-оптический гирокомпас на основе бесплатформенной инерциальной системы ориентации. // XI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2004. С. 140141.

45. Плотников П.К. Элементы теории работы одной разновидности бесплатформенных инерциальных систем ориентации. // Гироскопия и навигация. 1999. №4. С.23-24.

46. Пылаев Ю.К., Рамзаев А.П. О надежности мажоритарно резервированных систем. // Материалы международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении». Саратов: 2002. С. 144-147.

47. Пылаев Ю.К. Выбор компоновки чувствительных элементов БИНС с волоконно-оптическими гироскопами //Проблемы точной механики и управления: Сб. научн. Тр. ИПТМУ РАН. -Саратов, 2004.-С.

48. Льюис Дж.А., Зайнак Е. Двухгирокопная гравитационно-градиентная система управления положением спутника. В кн. Проблемы ориентации искусственных спутников земли. М.: Наука. 1966. С.201-282.

49. Савельев А.Н., Соловьева Т.И. Волоконно-оптический гироскоп. // Зарубежная электроника. 1982, №6. С.55-66.

50. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971. 552 с.

51. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989.

52. Справочник по электротехническим материалам: 3 т. т.2 / Под ред. Ю.В. Ко-рицкого и др. М.: Энергоатомиздат, 1987. 464 с.