автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Влияние теплового расширения конструкционных материалов на оптический контакт и стабильность периметра кольцевого лазерного гироскопа

На правах рукописи

Катков Александр Анатольевич

Влияние теплового расширения конструкционных материалов на оптический контакт и стабильность периметра кольцевого лазерного гироскопа

•О

Специальность 05.27.03 — «Квантовая электроника»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ЯНВ 2015

005557827

Москва 2014 г.

005557827

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт

«Полюс» им. М.Ф.Стельмаха».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Запотылько Нина Рудольфовна, кандидат технических наук

Борисов Анатолий Михайлович, доктор физико-математических наук, ФГБОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э.Циолковского,

профессор кафедры «Технология производства приборов и информационных систем управления летательных аппаратов»

Сеник Богдан Николаевич,

доктор технических наук,

главный оптик - начальник отдела

ОАО «Красногорский завод им. С.А.Зверева»

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана»

Защита состоится 22.01.2015 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д.409.003.01 при ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха» по адресу: 117432, Москва, ул. Введенского, д. 3, стр. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха» и на сайте www.polys.info

Автореферат разослан: декабря 2014 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 117432, г. Москва, ул. Введенского, д. 3, стр. 1, ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха», ученому секретарю диссертационного совета Д.409.003.01.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Кротов Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современное приборостроение в значительной степени ориентировано на применение бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС). Характерные для настоящего времени требования к увеличению дальности полета при сохранении жестких требований к точности выхода в заданную точку маршрута наилучшим образом обеспечиваются при построении БИНС на основе безроторных гироскопов, к каким относится лазерный гироскоп (ЛГ). Такие его свойства, как высокая точность, широкий диапазон измеряемых скоростей, малая чувствительность к перегрузкам, удобство при согласовании с вычислительными устройствами, осуществляющими обработку информации, обеспечивают его использование для различных применений, а именно, в системах ориентации космических аппаратов, в гражданской авиации, в геодезических системах, в морской навигации и в других специальных областях [1].

В России производством лазерных гироскопов и инерциальных систем на их основе занимаются: НИИ "Полюс", Раменский приборостроительный завод, Серпуховской завод "Металлист», Арзамасское НПП "Темп-Авиа", Тамбовский завод "Электроприбор". За рубежом -ГП "Завод Арсенал" (Украина), Honeywell (США), Northrop Grumman (США), в которую вошли такие известные фирмы как Litton и Sperry, Kearfott (США), L-3 Communications (США), Sagem (Франция), Thaïes (Франция), Tamam (Израиль) и др. [2], [3].

Повышение надежности и долговечности изготавливаемой продукции является актуальной проблемой для любой области приборостроения. В диссертации подробно рассмотрены два основных фактора, влияющих на эти параметры лазерного гироскопа:

1) оптический контакт, представляющий собой соединение двух очищенных полированных деталей без использования каких-либо клеящих веществ: рассмотрен механизм его образования; определены условия, влияющие на его качество; экспериментально подтверждены и предложены пути повышения его надежности;

2) конструкционный материал: рассмотрены основные материалы, используемые в лазерной гироскопии; исследованы свойства используемого в настоящее время материала - си-талла СО-115М и современного - Clearceram-Z Regular (фирма OHARA, Япония); определены способы парирования температурных изменений периметра резонатора вследствие нестабильности в широком температурном диапазоне такой важной характеристики материала как температурный коэффициент линейного расширения (TKJIP).

Парирование негативного влияния теплового расширения конструкционных материалов на технологические и эксплуатационные характеристики ЛГ является актуальной зада-

3

чей для современной лазерной гироскопни. Одним из основных проявлений этого фактора является случай нарушения соединения оптических элементов резонатора в результате температурного прогрева, входящего в технологический процесс изготовления прибора, из-за разности ТКЛР соединяемых деталей, поскольку при относительно массовом производстве ЛГ трудно обеспечить ситуацию, когда одна из соединяемых поверхностей (корпус) и другая (например, зеркало) были бы изготовлены из ситалла одной партии и имели бы близкий ТКЛР. Такое нарушение ведет к разгерметизации внутреннего объема датчика и, следовательно, к нарушению генерации лазерного излучения. В этом случае многие операции приходится проводить заново, что существенно увеличивает время и стоимость изготовления ЛГ.

Другим проявлением является изменение длины оптического периметра резонатора в результате самопрогрева прибора и изменения окружающей температуры. Для стабилизации периметра резонатора ЛГ обычно используются методы пассивной и активной термокомпенсации. К пассивным методам относится использование материалов для изготовления резонаторов с предельно низким ТКЛР. Однако никакой реальный материал с самым низким ТКЛР не может обеспечить пассивную стабилизацию периметра с необходимой для ЛГ точностью, поэтому во всех ЛГ используется еще и активная система регулировки периметра (СРП) кольцевого резонатора.

Но даже использование средств активной термокомпенсации, представляющей собой систему с обратной связью, основными исполнительными элементами которой являются пьезокорректирующие устройства, не позволяет полностью нивелировать температурные приращения периметра. В случае превышения возможностей активной компенсации происходит кратковременное нарушение лазерной генерации (пока система не изменит длину периметра на одну длины волны). Такие нарушения недопустимы в современных ЛГ. Для квадратного лазерного гироскопа со стороной 4 см необходимая точность поддержания длины периметра резонатора во всем интервале температур не превышает десяти ангстрем [4]. Поэтому при исследовании ТКЛР оптических ситаллов будет уместно определить его влияние на тепловые уходы длины периметра резонатора лазерного гироскопа с целью создания более эффективной пассивной термокомпенсации.

Таким образом, исследование проблем повышения технологических и эксплуатационных характеристик лазерного гироскопа в настоящее время является актуальной задачей.

Цели работы

1. Уточнение физико-химической модели ОК, установление природы сил, действующих в соединении.

2. Определение влияния температурных воздействий на химические процессы, происходящие при ОК.

3. Рассмотрение методов, позволяющих упрочнить соединение.

4. Установление влияния различия TKJIP соединяемых материалов на напряжения, возникающие в ОК.

5. Исследование TKJIP существующих и перспективных материалов для лазерной гироскопии.

6. Исследование влияния TKJIP материалов на температурные уходы длины оптического периметра лазерных гироскопов с целью создания наилучшей пассивной термокомпенсации.

7. Разработка конструкции пьезокорректирующего устройства с элементами пассивной термокомпенсации для парирования температурных приращений оптического периметра ЛГ при использовании различных конструкционных материалов.

Научная новизна результатов диссертации

1. Впервые с учетом технологии производства ЛГ исследован и уточнен механизм взаимодействия двух оптических поверхностей при соединении методом ОК, а именно:

- исследовано соединение, в котором только одна, либо обе детали подвергались высокотемпературному отжигу непосредственно перед осуществлением ОК;

- исследовано влияние технологии финишной очистки деталей непосредственно перед посадкой на ОК. Доказано, что использование чистящего средства Eclipse не приводит к увеличению прочности соединения, но облегчает позиционирование деталей;

- подтверждено положительное влияние продолжительной термовакуумной обработки (ТВО) на прочность ОК;

- исследована взаимосвязь между неплоскостностью поверхностей оптических элементов и процентом выхода годных приборов.

2. Впервые определена допустимая разность в ТКЛР соединяемых деталей при определенной экспериментальным путем прочности сборки, достигаемой при существующей технологии производства ЛГ, и показаны пути улучшения качества соединения.

3. Впервые исследованы параметры ситалла СО-115М, используемого в серийном производстве ЛГ, в частности, ТКЛР, и показано, что разность средних значений ТКЛР в интервале рабочих температур прибора (от минус 60 до 90°С) для различных партий материала может превышать 510"7 1/°С, при этом температура изменения вектора расширения ситалла варьируется в диапазоне от минус 60 до 80°С.

4. Впервые достигнуто время непрерывной работы прибора без переключения на соседнюю моду в течение 4-х и более часов путем использования пассивной компенсации температурных приращений оптического периметра резонатора ЛГ.

5. Впервые разработана конструкция пьезопривода с термокомпенсацией, позволяющая увеличить время непрерывной работы прибора.

Защищаемые положения

1. Исследованы и определены параметры технологических процессов и характеристики сопрягаемых оптических поверхностей для обеспечения необходимой прочности OK при изготовлении резонаторов ЛГ.

2. Разработанный комплекс дополнительных требований к параметрам материалов, используемых в лазерной гироскопии, позволил выбрать, опробовать и рекомендовать к применению альтернативный конструкционный материал для производства ЛГ, а именно, Clearceram-Z Regular, фирмы OHARA (Япония).

3. Модернизированный и опробованный в производстве метод пассивной компенсации температурных уходов периметра резонатора ЛГ обеспечивает непрерывную работу прибора без переключения моды во всем интервале рабочих температур.

Практическая ценность результатов работы

В ходе выполнения диссертационной работы Катковым A.A. были получены результаты, которые позволили:

- внедрить в производство инструкцию входного контроля основного конструкционного материала для производства ЛГ;

- рекомендовать к применению в выпускаемых датчиках новый конструкционный материал Clearceram-Z Regular для производства оптических элементов ЛГ;

- разработать техническое задание (ТЗ) для создания нового конструкционного материала, удовлетворяющего современным требованиям, предъявляемым к ЛГ, на основе которого была поставлена ОКР «Ситалл-ЛГ» с бюджетным финансированием на Лыткаринском заводе оптического стекла;

- разработать конструкцию термокомпенсирующего блока пьезоэлектрического, который совместно с использованием нового конструкционного материала Clearceram-Z Regular обеспечивает режим работы прибора без смены моды во всем интервале рабочих температур;

- увеличить время непрерывной работы кольцевого лазерного гироскопа ЭК-104С в од-номодовом режиме с одного часа до четырех часов при сохранении точностных параметров прибора;

- внедрить в производство оптимизированную конструкцию блока пьезоэлектрического, позволяющую увеличить вибро- и ударопрочность датчика, а также повысить на 20 ... 25% динамический диапазон регулировки периметра при сохранении управляющих напряжений;

- уточнить требования к параметрам поверхности оптических элементов ЛГ (неплоскостности, степени гидрофильности, шероховатости) с целью оптимизации технологии мойки и финишной очистки деталей для осуществления качественного соединения методом оптического контакта.

Личный вклад автора

Автор работы принимал непосредственное участие в постановке задач, рассмотренных в диссертационной работе, в разработке новых технологических методик, в создании экспериментальных установок, в проведении экспериментальных исследований и обработке полученных результатов.

Автор лично участвовал в подготовке технического задания на постановку ОКР «Си-талл-ЛГ» на Лыткаринском заводе оптического стекла.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями, приведенными в работе, а также публикациями в рецензируемых журналах и обсуждениями на международных и всероссийских конференциях.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы опубликованы в научных статьях и тезисах докладов (десять публикаций), докладывались и обсуждались на международных конференциях «Оптика лазеров 2010» (Санкт-Петербург, 2010), «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». (Новороссийск, 2011), «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования и инфотелекоммуникационных технологий в инновационных проектах» (Инноватика - 2012) (Сочи, 2012); 2-й всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Функциональные материалы для космической техники» (Москва, 2011). «Всероссийской конференции молодых специалистов, ученых и студентов памяти главного конструктора, академика АН СССР В.И. Кузнецова» (Москва, 2013), XII межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2011), Молодежной конференции московского отделения академии навигации и управления движением

(Москва, 2011), Научно-технической конференции «Размерная стабильность материалов и конструкций оптических и оптико-электронных приборов» (Красногорск, 2014).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 3 в рецензируемых журналах и 7 в сборниках материалов и трудов конференций.

Структура н объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 174 страницы, включая 75 рисунков и 8 таблиц. Список литературы на 9 страницах содержит 99 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы и формулируются ее цели. Здесь также представлены научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены литературный и патентный обзоры современных взглядов на проблему оптического контакта полированных деталей, освещены основные физические и химические свойства соединения и показана преобладающая роль молекул воды при его образовании. Рассмотрены физико-химические модели оптического контакта для случаев соединения гидрофильных и гидрофобных поверхностей. Оценена возможность их применения с учетом технологии производства лазерных гироскопов. Рассмотрены способы упрочнения оптического контакта для улучшения качества бесклеевого соединения в лазерных гироскопах и определены дальнейшие пути направления исследований.

Вторая глава посвящена экспериментальным и статистическим исследованиям соединения оптических элементов лазерного гироскопа методом оптического контакта с учетом технологии производства.

Одной из обязательных операций при производстве лазерных гироскопов является обезгаживающий отжиг в вакууме корпусов резонаторов при температуре 450°С, при этом другие оптические детали не подвергаются подобной термической обработке. При обезгажи-вающем отжиге все посадочные поверхности корпуса из гидрофильных превращаются в гидрофобные, в то время как поверхности других вышеупомянутых деталей остаются гидрофильными.

Для определения влияния технологического процесса отжига корпусов на качество сборки резонатора методом ОК был поставлен эксперимент по сборке образцов по стандартной технологии, с термической обработкой одной из соединяемых деталей и без термической обработки.

Перед установкой на ОК поверхности оптических деталей контролировались по параметрам неплоскостности, шероховатости, оптической чистоты и микротвердости. В результате контроля подбирались пары «кольцо-диск» таким образом, чтобы их параметры для каждой из групп были примерно одинаковыми. Подготовка и испытания образцов происходили в одном цикле (химическая очистка, обезгаживающий отжиг, сборка, разрыв), что позволяет, не учитывая влияние различных факторов, сравнивать прочностные характеристики соединения.

Для усиления эффекта дегидратации поверхности после проведения химической очистки часть деталей отжигалась в вакуумной печи при температуре 700°С (вместо 450°С) в течение 5 часов. Для деталей, не подвергавшихся отжигу, химическая обработка проводилась непосредственно перед установкой деталей на ОК. Измерялась прочность пар неотожженных деталей, отожженных и случая, когда отжигу подвергалась только одна из деталей. Испытания проводились на разрывной машине EZ-LX фирмы БЫтадги (Япония). Результаты эксперимента представлены на рис. 1.

1,« М 14

I 1

£

I »•*

в*

о

0Ц

С 0,6 0,4

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18

№ обрхзиа

Рис. 1. Результаты натурных испытаний соединения «кольцо - диск»: 1 - без отжига детали; 2-е отжигом одной детали (750°С);

3-е отжигом двух деталей (750°С).

............

1

/ 2

к, N1

N

|

Из рис. 1 видно, что прочность исследуемых пар образцов составила следующие значения: для двух неотожженных деталей 1,26 ± 0,07 МПа; для сборки, в которой одна из деталей подвергалась предварительному отжигу, 1,11 ±0,17 МПа, для двух отожженных деталей 1,04 ± 0,07 МПа (значения приведены при доверительной вероятности 0,95). Распределение прочности для всех пар образцов хорошо коррелирует с нашими теоретическими предположениями. тем не менее, разница в прочности между образцами группы 1 и группы 3 составляет всего -21%, что, по крайней мере, в два раза меньше прогнозируемой.

Мы предлагаем следующее объяснение данному эффекту. После проведения экспериментов на разрыв мы визуально провели оценочную проверку степени гидрофильности поверхности. Для всех образцов поверхность, находившаяся непосредственно под оптическим контактом, обладала наибольшей гидрофильностью. Четко определялась граница, по которой был осуществлен ОК. Капля воды хорошо смачивала эту поверхность, практически не смачивая неконтактную. Для неотожженных деталей смачиваемость под контактной и не под контактной зонами практически не различалась. Конечно, не проводя дополнительных исследований на специальном оборудовании, невозможно сделать точные выводы, однако факт повышения смачиваемости под контактными поверхностями хорошо устанавливается.

По-видимому, в данном случае установка на ОК служит катализатором реакции гидратации ситалловой поверхности. Малую разность полученных значений прочности можно объяснить только одинаковым механизмом взаимодействия между всеми исследуемыми поверхностями, а именно, посредством водородных связей.

Помимо этого, были проведены эксперименты по установлению влияния технологии сборки и проведения термовакуумной обработки (при нагреве ДТ ~ 160°С) на прочность ОК. В результате проведенной работы было установлено, что прочности соединения образцов, собранных после финишной очистки поверхности различными методами, в том числе, полученные при очистке с помощью Eclipse (метиловый спирт), практически не отличаются между собой. Следовательно, на прочность соединения оказывает влияние только качество очистки поверхности, способ финишной очистки значения не имеет.

Вместе с тем было установлено, что различия в микротвердости соединяемых образцов, выполненных из ситалла СО-115М (HV = 650-850 кГс/мм2), также не влияют на прочность получаемой сборки, а наличие в области контакта дефектов, например, частиц пыли, образующих бесконтактные пространства диаметром не более 1 мм2 (0,22% от общей площади контакта), или небольших царапин (зацепов от пинцета) приводит лишь к незначительному снижению прочности сборки (< 10 %).

Вместе с тем, были исследованы некоторые методы упрочнения соединения, заключающиеся в финишной очистке деталей в эфирах, в финишной очистке плазмой на воздухе,

10

во введении щелочного раствора в контактный промежуток между сопрягаемыми деталями, в выдержке сборки в течение продолжительного времени при повышенных температурах. В первых двух случаях положительных результатов добиться не удалось, что было связано с гидрофобизацией поверхности в результате образования пленки (в случае финишной очистки в эфирах) и с разрушением многослойного диэлектрического покрытия, применяемого при изготовлении зеркал лазерного гироскопа (в случае очистки плазмой).

Для случая введения щелочного раствора в контактный промежуток была достигнута прочность сборки 3 МПа, при этом после разрушения соединения на поверхности оставались следы щелочи. При выдержке при температуре 100°С в течение 120 часов было достигнуто увеличение прочности сборки на ~ 16 %.

В настоящее время в связи с все возрастающими требованиями к параметрам ЛГ остро стоит вопрос о переходе на новый конструкционный материал. В связи с этим был проведен ряд экспериментов по установлению прочности на отрыв перспективного материала - аналога ситалла СО-115М - стеклокерамики Оеагсегат (Япония). Результаты испытаний представлены на рис. 2.8. При этом также бьшо проверено влияние отжига 450°С, используемого на одном из технологических этапов для одной из собираемых деталей ("кольцо"), на свойства ОК. Сборка проводилась после финишной очистки, которая заключалась только в мойке и сушке на центрифуге с подачей деионизированной воды.

1,6

£

¡М

Q.0.6

С

в,4 »,2 О

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

№ образца

Рис. 2. Результаты натурных испытаний соединения «кольцо - диск»: 1 - Оеагсегат без отжига детали; 2 — Clearceram с отжигом одной детали (450°С); 3 - СО-115М с отжигом одной детали (450°С).

L > ч. 2 / Ч 1

\ / \ \ / V

с 1

i

—

Из графиков на рис. 2 видно, что прочность ОК для ситапла Clearceram приблизительно на 35 % больше, чем для ситалла CO-115М, и составляет для деталей из обеих групп (1,16 ± 0,10) МПа. Для ситалла CO-115М наблюдаемая прочность составила (0,86 ± 0,04) МПа.

Таким образом, установлено, что прочность ОК при использовании Clearceram выше, чем при использовании СО-115М, при этом не наблюдается ухудшения качества поверхности после отрыва, следовательно, вышеуказанный материал может быть использован для осуществления прочного ОК.

Как уже говорилось выше, при изготовлении лазерных гироскопов сборка при проведении термовакуумной обработки подвергается нагреву, при этом возможно нарушение ОК, что приводит к разгерметизации внутреннего объема прибора. Такое нарушение может возникать из-за разности TKJIP соединяемых деталей, даже если они были изготовлены из материала одной марки.

Эта проблема весьма актуальна для лазерной гироскопии, поскольку основным конструкционным материалом для датчиков ЛГ служит оптический ситалл CO-115М - материал с неоднородными свойствами. Его среднее значение ТКЛР отличается весьма заметно от партии к партии и лежит в интервале от 0,02 -10"7 до 5,08 -10"7 1/°С в для интересующего нас диапазона температур от 20°С до 1 80°С.

Для оценки допустимой разницы ТКЛР соединяемых деталей, например, плоских зеркал, по условию прочности отрыва построена упрощенная модель, схема которой показана на рис. 3.

jji

1

J в f % i •->

УУ # 1 i #

0 4 i # #

'

da

Рис. 3. Упрощенная модель соединения «зеркало — корпус» методом ОК.

Была рассчитана допустимая прочность соединения в зависимости от разности ТКЛР сопрягаемых деталей (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость допустимой прочности ОК от разности ТКЛР соединяемых деталей.

Из приведенного графика видно, что минимальная прочность ОК (= 0,6 МПа), полученная в результате проведенных экспериментов, является достаточной для обеспечения надежного соединения при разности в ТКЛР соединяемых деталей, равной 3,5-10"7 1/°С. Но при максимальной разнице в ТКЛР 5,08 10~7 1/°С прочность ОК недостаточна, поэтому для создания надежного соединения необходимо увеличивать ее величину.

При использовании ситалла С1еагсегат в производстве оптических деталей ЛГ из-за малой разницы в ТКЛР материала из различных партий (< 1,0 10"7 1/°С) и увеличением прочности сборки на 35 %) при его применении процент выхода годных на операции термовакуумной обработки повысился = на 20...40 % и составил 100%.

В третьей главе рассмотрено температурное расширение конструкционного материала различных марок, используемого при изготовлении лазерного гироскопа, и его влияние на изменение оптического периметра кольцевого лазера. Предложен эффективный способ компенсации теплового изменения оптического периметра лазерного гироскопа во всем интервале рабочих температур прибора.

В результате проведенных нами исследований ситалла СО-115М (13 различных партий) был установлен диапазон возможных значений интересующего нас параметра. Результаты исследований представлены на рис. 5.

Температура, °С

Рис. 5. Диапазон возможных значений ТКЛР ситалла СО-115М.

Отметим, что все исследованные нами температурные зависимости лежат в показанном на рис. 5 интервале, эквидистантно кривым, обозначающим границы интервала. Результат полностью согласуется с исследованиями, проводимыми в работе [5, 6], где указано, что для ситаллов литиевоалюмосиликатной системы, к каким относится ситалл СО-115М, зависимость с1Ь (а, следовательно, и а) от температуры можно представить кривой одного вида, перемещаемой вдоль оси абсцисс при колебаниях состава и режима термообработки.

Важная для ОК разность ТКЛР в температурном интервале от 20 до 180°С для крайних случаев составляет 5,06-10"7 1/°С. Как показали расчеты методом конечных элементов, например, для плоских зеркал (030 мм, Ь = 4 мм) такая разница будет допустимой при прочности ОК > 0,85 МПа.

Кроме того, такой большой диапазон возможных вариаций значения изменения направления вектора приращения длины оптического периметра прибора (в диапазоне от минус 60 до 80°С) негативно влияет на время непрерывной работы лазерного датчика.

Нами также исследовалось влияние на ТКЛР ситалла наличия в материале напряжений, напряженных свилей, а также цветовой интенсивности материалла. В результате проведенной работы, в которой были также учтены статистические данные прохождения технологических операций различными резонаторами, было установлено, что все вышеперечисленные факторы лишь незначительно влияют на величину ТКЛР.

Тем не менее, непостоянство параметров от партии к партии используемого в настоящее время ситалла СО-115М, сравнительно большое значение ТКЛР, его аномальное поведение в интервале рабочих температур прибора и наличие свилей, недопустимых при изго-

товлении зеркал лазера, определили необходимость поиска нового конструкционного материала для производства лазерных гироскопов.

Помимо ключевой характеристики стеклокерамических материалов - TKJIP, оценивалась также величина газопроницаемости, микротвердости, химической стойкости, пропускания и др. В результате анализа рынка предлагаемых материалов нами был выбран стеклокри-сталлический материал Clearceram-Z Regular, производимый фирмой OHARA (Япония).

Далее на рис. 6 представлены графики изменения оптического периметра лазерного гироскопа, изготовленного из исследуемых материалов. Видно, что максимальное изменение периметра для ситалла СО-115М в рабочем интервале температур ЛГ составило = 3,3 мкм, в то же время для ситалла Clearceram подобное приращение периметра составило ~ 2,5 мкм. Отметим, что использовался график температурной зависимости ТКЛР для усредненного ситалла, согласующегося с данньми [6].

Помимо этого, изменение периметра в случае использования японского материала происходит практически линейно, что дает возможность создать эффективную пассивную компенсацию тепловых приращений периметра с целью увеличения времени непрерывной работы датчика.

Рис. 6. Зависимости изменения длины периметра резонатора ей, от температуры: 1 - ситалл СО-115М; 2 - С1еагсегат.

Для такой пассивной компенсации помимо выбора материала с ультранизким ТКЛР могут быть использованы сами пьезокорректоры. Например, в работе [7] было предложено использование дополнительного элемента, а именно, диска из материала со сравнительно большим значением ТКЛР, закрепленного на одном из пьезокерамических элементов, для

компенсации температурных уходов периметра резонатора лазерного гироскопа. Такой способ позволяет приблизить параметры пьезокорректоров к идеальным. Схематично подобное решение представлено на рис. 7, а, б.

V)

Рис. 7. Направление хода пьезопривода при нагревании: а - стандартная конструкция; б - конструкция с термокомпенсацией.

После проведения теоретических изысканий нами были изготовлены несколько датчиков, в которых были реализованы идеи создания пассивной термокомпенсации. Наиболее ярко использование подобной компенсации тепловых изменений периметра иллюстрируют температурные зависимости напряжения, подаваемого системой регулировки периметра.

На рис. 8 представлены зависимости управляющего напряжения для датчиков, изготовленных из ситалла СТеагсегат, с использованием стандартных и термокомпенсирующих пьезокорректоров.

Температура, °С

Рис. 8. Температурная зависимость изменения управляющего напряжения: 1 - для датчика с термокомпенсирующими пьезоприводами; 2 - для датчика со стандартными пьезоприводами.

Из графиков видно, что для датчика со стандартными пьезоприводами для компенсации температурных уходов периметра потребовалась величина управляющего напряжения ди=185В, а для датчика с термокомпенсирующими пьезокорректорами необходимая величина такого напряжения составила всего AU = 59 В. Такая компенсация оказалась возможной из-за практически линейного расширения периметра резонатора при использовании материала Clearceram.

Это впервые позволило добиться режима работы датчика на одной моде во всем интервале температур. Результат говорит о том, что данный датчик может работать неограниченное время при любом изменении рабочих температур без потери информации о сигнале вращения.

На основании приведенных исследований в качестве альтернативного был предложен японский материал Clearceram фирмы OHARA. В настоящее время этот материал рекомендован для использования на предприятии при изготовлении JIT.

Кроме того, на JI30C была поставлена работа с бюджетным финансированием по разработке нового стеклокристаллического материала, наилучшим образом удовлетворяющего современным потребностям лазерной гироскопии.

Основные результаты работы

1. Проведенный патентный и литературный обзор, на базе которого был уточнен механизм осуществления оптического контакта с учетом специфики производства лазерных гироскопов, позволил подтвердить правомерность технологических процессов, выполняемых при производстве ЛГ.

2. Установлен допустимый диапазон разности ТКЛР материала деталей, соединяемых между собой методом оптического контакта. При существующей прочности сборки (0,6 ... 0,9 МПа) он не должен превышать 3,5ТО"7 1/°С.

3. При использовании ситалла Clearceram-Z Regular для производства оптических деталей ЛГ из-за малой разницы в ТКЛР материала из различных партий (< 1,0ТО"7 1/°С) и увеличением прочности сборки на 30 %) процент выхода годных на операции термовакуумной обработки повысился = на 20...40 % и составил 100 %.

4. Сформированы требования к входному контролю ситалла по параметру свиль-ности. Показано, что использование материала, обладающего параллельными свилями с напряжениями до 12 нм/см, является допустимым при производстве оптических элементов ЛГ.

5. Установлены верхние допустимые значения температуры отжига для снятия внутренних напряжений для основного конструкционного материала лазерного гироскопа:

для ситалла С0-115М такая температура составляет - 700°С, для перспективного ситалла Clearceram-Z Regular - 800°С.

6. Для резонатора, изготовленного из ситалла Clearceram-Z Regular, впервые достигнута работа лазерного гироскопа на одной моде в интервале температур от минус 60 до 90°С без переключения на соседнюю моду генерации.

7. Проведены успешные типовые испытания альтернативного материала для производства лазерных гироскопов - ситалла Clearceram-Z Regular. Новый материал рекомендован к использованию в лазерных гироскопах в качестве конструкционного.

8. С целью создания материала, наилучшим образом удовлетворяющего требованиям лазерной гироскопии и не уступающего по своим свойствам зарубежным аналогам, на Лыткаринском заводе оптического стекла была поставлена ОКР с бюджетным финансированием.

Список цитированной литературы

1. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в судостроительных измерительных комплексах // Изд-во «Судостроение». JI. 1977. 152 с.

2. Barbour N. М. Inertia! Navigation Sensors // Advances in Navigation Sensors and Integration Technology. 2004. P.2-1 - 2-22.

3. Белов A.B., Соловьева Т.Н. Инновационные прикладная магистерская программа «Интеллектуальные лазерные навигационные системы» в МИЭМ НИУ ВШЭ для подготовки специалистов для обновляемых отечественных высокотехнологичных предприятий // Сетевой электронный научный журнал "Системотехника". 2012. №10. 8 с.

URL: http://www.svstech.miem.edu.ru/?q=21 .doc

4. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерци-альных систем // под. общ. ред. д.т.н. Распопова В.Я. ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». СПб. 2009. 280 с.

5. Бужинский И.М., Жуковец Ж.Г. и др. Исследование свойств ситаллов системы Li2-Al203-P205-Si02 // ОМП. 1980. №9. С. 26-28.

6. Бужинский И.М, Жуковец Ж.Г. Исследование теплового расширения ситаллов на лазерном дилатометре в интервале температур от -60 до 80°С // Метрология. 1986. № 9. С. 38^12.

7. Albers et al. Apparatus for thermal tuning of path length control drivers // Patent US. 5,148,076. 1992.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Катков A.A. Моделирование пьезопривода лазерного гироскопа // Тезисы докладов НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. М. 2008. С. 370-371.

2. Запотылько Н.Р., Катков A.A., Недзвецкая A.A., Тихменев Н.В. Пьезокоррек-тор лазерного гироскопа для наноперемещений с дополнительной пассивной термокомпенсацией ухода периметра // Труды 1 -й всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Функциональные наноматериалы для космической техники». М. 2010. С. 203-208.

3. Запотылько Н.Р., Катков A.A., Полехин И.Н., Тихменев Н.В. Исследования влияния свойств конструкционных материалов на точностные и эксплуатационные характеристики лазерных гироскопов // Сборник докладов 21-й международной конференции «Лазеры, измерения, информация 2011». Изд-во Политехи, ун-та. СПб. 2011. Т.З. С. 406-419.

4. Запотылько Н.Р., Катков A.A., Полехин И.Н. Влияние неплоскостности оптических поверхностей на качество бесклеевого контактного соединения деталей // Труды XII межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электроники, экологии и медицине». М. 2011. С. 194-199.

5. Запотылько Н.Р., Катков A.A., Недзвецкая A.A. Пьезокорректор для компенсации тепловых вариаций длины оптического пути резонатора лазерного гироскопа // Оптический журнал. 2011. № 10. С. 10-12.

6. Виноградов А.Н., Запотылько Н.Р., Катков A.A., Матвеев Е.В. Особенности оптического контакта в лазерной гироскопии // Сборник материалов «Всероссийской конференции молодых специалистов, ученых и студентов памяти главного конструктора, академика АН СССР В.И. Кузнецова». М„ 2013. С. 52-53.

7. Запотылько Н.Р., Катков A.A., Полехин И.Н., Тихменев Н.В. Влияние ТКЛР материалов, используемых в лазерной гироскопии, на эксплуатационные характеристики прибора // Вопросы оборонной техники. Серия 9. 2012. №6. С. 61-68.

8. Запотылько Н.Р., Катков A.A., Савельев И.И., Синельников А.О. Тепловое расширение материалов, используемых в лазерной гироскопии // Тезисы докладов НТК «Размерная стабильность материалов и конструкций оптических и оптико-электронных приборов». Красногорск. 2014. С. 28-29.

9. Запотылько Н.Р., Катков A.A., Синельников А.О. Пассивная термокомпенсация оптического периметра лазерных гироскопов, изготовленных с использованием различных конструкционных материалов //Датчики и системы. 2014. №1. С. 8-13.

10. Виноградов А.Н., Запотылько Н.Р., Катков A.A., Матвеев Е.В. Проблемы оптического контакта при соединении элементов гелий-неоновых лазеров // Оптический журнал. 2014. №4. С. 61-67.

Заказное. Подписано в печать 02.12.2014 г. Бумага офсетная № 2. Печать трафаретная. Формат 60x90/20. Объем 0,9 п.л. Тираж 60 экз. Заказ № 10273.

Отпечатано в копировальном центре "КопиМакс 115054, г. Москва, Павелецкая площадь, д. 2, стр.