CC BY
115
ПЯТЬДЕСЯТ ЛЕТ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ И НАУЧНОЙ РАБОТЫ
Историческая справка
В 50-е годы прошлого столетия Советский Союз приступил к широкомасштабному исследованию космоса, к реализации перспективных программ развития авиации, судостроения и ракетной техники. Масштабы предстоящей работы были столь грандиозны, что в дополнение к уже существующей подготовке инженерных кадров по необходимому перечню специальностей, в том числе по гироскопическим приборам и устройствам, потребовалось открытие новых кафедр в ряде институтов. В 1961 г. в Тульском механическом институте была создана кафедра «Гироскопические приборы и устройства» (в настоящее время «Приборы управления»).
Организатор и первый заведующий кафедрой, профессор, канд. техн. наук А.Я. Шайденко (1919-1992) за годы руководства кафедрой (1961-1976) создал основы материально-технического и учебно-методического обеспечения процесса подготовки специалистов вначале по гироскопической технике, а уже в 1963 г. на кафедре была открыта новая специальность - «Электрооборудование летательных аппаратов». В 1963 г. под руководством А.Я. Шайденко были начаты научные исследования и конструкторские разработки, связанные с морской тематикой, завершившиеся выпуском малых серий нескольких образцов гиросистем и созданием уникальных испытательных стендов.
С 1977 по 1987 г.г. кафедрой заведовал профессор, д-р. техн. наук В.К. Карпов (1946-1993), который затем с 1987 по 1993 гг. был проректором Тульского политехнического института по научной работе. Безвременная кончина этого одаренного человека прервала его научные работы, также связанные, в основном, с морской тематикой. За свою относительно короткую жизнь он сделал много и основательно в науке , преподавании, подготовке учеников. В.К. Карпов основал новое научное направление «Гиросистемы слежения за объектами с различных носителей и гравии-нерциальная гиростабилизация». Работы в этом направлении завершились созданием образцов техники, которые успешно эксплуатировались на научно-исследовательских судах, включая флот АН СССР. В этот период была существенно обновлена материально-техническая база кафедры, к обучению студентов привлечены ведущие специалисты предприятий Тулы, на которых были организованы филиалы кафедры.
А.Я. Шайденко (1919-1992)
В.К. Карпов (1946-1993)
С 1987 г. по настоящее время кафедрой «Приборы управления» заведует заслуженный деятель науки РФ, профессор, д-р. техн. наук В.Я. Распопов. За эти годы на кафедре была открыта подготовка и осуществлены первые выпуски инженеров по специальности «Биотехнические и медицинские аппараты и ситемы» (открыта в 1992 г.) и по специальности «Приборостроение» (открыта в 1993 г.). С 1998 г. подготовка по этим специальностям ведется на вновь созданной кафедре. В 1998 г. на кафедре по предложению ГУП «КБП» была открыта подготовка по специальности «Оптико-электронные приборы и системы».
С 1998 г. на кафедре увеличивается объем исследований по оборонной тематике в рамках научного направления «Гироприборы и базовые приборы систем ориентации, стабилизации и навигации» (науч. рук. В.Я. Распопов). В условиях государственной и экономической перестройки кафедра сохранила научно-технический потенциал, освоила новые направления и специальности подготовки, расширила творческие контакты, активизировала издательскую деятельность.
Среди выпускников кафедры генеральные директора предприятий, сотрудники государственной службы, главные конструкторы и инженеры, руководители отделов и многочисленные специалисты, работающие в промышленных и конструкторских организациях.
История развития кафедры с 1961 по 2000 гг. изложена в книге [1].
Научно-образовательная работа
Эта деятельность регламентирована федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОС), которые, однако, предоставляют достаточную свободу при формировании перечня дисциплин специализации, входящих в так называемую региональную составляющую ФГОС.
В настоящее время на кафедре ведется многоуровневая подготовка (бакалвр, магистр) по трем профилям: «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации», «Электрооборудование летательных аппаратов», «Оптико-электронные приборы и системы» направлений «Системы автоматического управления движением и навигация», «Электроэнергетика и электротехника», «Оптотехника». Работает аспирантура.
Многоуровневая система подготовки дает возможность студентам, обучающимся в бакалавриате и изучающим дисциплины специализации на базе учебных центров ОАО «НИИ «Стрела», ГУП «КБП», ФГУП «Астрофизика» и др., совмещать учебу с работой по специальности с последующим выполнением выпускных квалификационных работам по темам предприятий.
Важнейшим направлением научно-образовательной деятельности является разработка учебных пособий и учебников по основным и перспективным направлениям науки и техники. Многолетний опыт работы кафедры по управляемым гиростабилизаторам нашел отражение в учебном пособии [2]. Опыт работы и преподавания по направлению «Оптотехника» обобщен в учебных пособиях [3, 4]. Большой производственный опыт в области специального гироприборостроения и преподавательская деятельность в этом направлении обобщены в учебном пособии [5]. Основные результаты многолетней научно-практической работы в области одного из перспективных направлений - «Микросистемная техника» - представлены в учебном пособии [6]. Работа в области теории бесплатформенных инерциальных навигационных систем обобщена в учебном пособии [7]. Некоторые вопросы научно-образовательной деятельности кафедры опубликованы в работе [8].
Важным направлением образовательной деятельности кафедры является повышение квалификации инженеров, работающих на предприятиях научно-производственного профиля. Актуальность этого направления, требующего ускоренного обновления, а зачастую приобретения новых знаний в соответствии с запросами предприятий, объясняется следующими причинами:
- на большинстве предприятий в связи с реформами последних лет, оказался нарушенным процесс передачи знаний, связанный с уменьшением численности работников средней и старшей возрастной групп;
- предприятия в поисках новых сфер приложения своей деятельности вынуждены расширять их перечень, хотя зачастую новые объекты не соответствуют профилю традиционной деятельности предприятий;
- инженерно-технических состав предприятий, в силу социально-экономических условий, в значительной степени формируется из выпускников учебных заведений, не отвечающих в полной мере профилю работы предприятий и его подразделений.
Данный вид деятельности был возобновлен кафедрой в 2005 г. по предложению ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина». Для
специалистов этого предприятия (рис. 1) были проведены 72-часовые курсы с выдачей удостоверений установленного образца по направлениям: микромеханические приборы и их расчет, автоматическое управление летательными аппаратами, инерциальные системы навигации, гиростабили-зация на подвижных объектах, управляемый электропривод. Для специалистов ОАО «Мичуриский завод «Прогресс» были проведены курсы по программе «Теоретические основы работы гироскопических приборов и устройств, серийно выпускаемых заводом».
Рис. 1. Занятия инженеров из ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. Акад. Забабахина» на курсах повышения квалификации:
а - одна из групп на лекции; б - практические занятия; в - лабораторные работы по микромеханическим приборам;
г - лабораторные работы по определению места с помощью GPS
Работа в этом направлении продолжается, и в настоящее время разработаны новые программы курсов повышения квалификации инженеров и соответствующее учебно-методическое обеспечение.
Научно-исследовательская работа и технические разработки
Научно-исследовательская работа и, как ее результат, - технические разработки являются важнейшими составляющими деятельности кафедры, которые оказывают стимулирующее воздействие на учебный процесс.
Технические разработки являются наукоемкими, базирующимися на многолетних исследованиях, некоторые из которых обобщены в монографиях [9, 10, 11, 12]. В работах [13, 14, 15] содержится подробная характеристика научно-технических разработок кафедры, некоторые из которых показаны на рис. 2.
На рис. 2,а показан общий вид одного из гиростабилизаторов оси визирования, конструкция которого однотипна со стабилизатором изображения, прошедшим успешные испытания на научно-исследовательском судне (НИС) «Юрий Годин» и гидрографическом судне «Фаддей Беллинсгаузен», а также со стабилизатором оси визирования лазерного сканирующего волнографа, смонтированного на НИС «Академик Сергей Вавилов» и «Академик Иоффе». Теория и расчет подобных гиросистем изложены в монографии [11].
На рис. 2,б показан комплект аппаратуры, центральным блоком которой является серийная гировертикаль (ГВ), стабилизирующая акселерометр линейных ускорений, двойное интегрирование которых позволяет определить линейные перемещения носителя, на котором установлена ГВ. Подобные устройства, теория, расчет и опыт эксплуатации которых обобщены в монографии [12], выпускались малыми сериями и устанавливались на гидрографических судах, в том числе на катерах, для внесения поправок в показания эхолота при промерах глубин в условиях волнения.
На рис. 2,д показан высокоточный индикаторный гиростабилизатор нового поколения гравиметрического комплекса «ГРИН». Комплекс прошел успешные испытания при проведении научных исследований и производственных работ в акватории Мирового океана, в районе Штокманов-ского газового месторождения в Баренцевом море и показал хорошую сходимость с результатами измерений, полученными гравиметрическими комплексами, разработанными НПО «Азимут» совместно с Институтом физики Земли им. О.Ю. Шмидта Академии наук РФ и гиростаблизирован-ным гравиметром «La Coste Romberg» (США). В период с 2000 по 2005 гг. комплексом ГРИН-2000 выполнено более 10000 км съемки на акваториях Азовского, Черного и Каспийского морей, причем более 2000 км съемки выполнено в условиях предельного мелководья на глубинах от 1 до 2,5 м с использованием плоскодонных судов, имеющих осадку 0,7 - 1 м.
Некоторые теоретические основания работы описанной гиросисте-мы изложены в работе [16].
На рис. 2,в показана малогабаритная двухгироскопная гировертикаль (ГВ), разработанная по заказу НПК «Новик» (Москва), предназначенная для определения углов тангажа и крена беспилотного летательного аппарата (БПЛА). В выполненная по оригинальной схеме с двумя
трехстепенными гироскопами, объединенными шарнирной связью, и двумя рамками карданова подвеса [17].
Рис. 2. Наукоемкие технические разработки: а - гиростабилизатор линии визирования для наблюдения за подвижными объектами; б - комплект аппаратуры гирокомпенсатора влияния качки судна на показания эхолота; в - малогабаритная двухгироскопная гировертикаль для беспилотных летательных аппаратов; г - устройство для балансировки микротурбин стоматологических наконечников; д - индикаторный гиростабилизатор гравиметрической аппаратуры для измерении ускорений силы тяжести с подвижных носителей; е - трехстепенной гироскоп с электрическим приводом ротора; ж - трехстепенной гироскоп с пружинным приводом ротора; з - малогабаритная система ориентации магнитного типа; и - датчик уровня для путевых железнодорожных машин и строительно-дорожной техники
Достаточно широкое применение в составе систем управления путевых железнодорожных машин типов ВПР, ДСП, ВПО получили датчики уровня (ДУ), чувствительным элементом которых является акселерометр серии АТ-1103 (рис. 2,и). Теория, расчет и некоторые результаты эксплуатации ДУ приведены в работах [10, 18].
В настоящее время разработаны ДУ, в качестве чувствительного элемента которого применен микромеханический акселерометр. Информация об этой разработке помещена в издании [19].
Устройство для балансировки высокоскоростных (300000 об/мин) микротурбин (масса не более 0,5 г) привода фрез стоматологических наконечников (рис. 2,г) было спроектировано и изготовлено по заказу з-да «Металлист» (г. Серпухов). Устройство реализует компенсационный принцип измерений разбалансировки микротурбин, мерой которого является скорость прецессионного движения миниатюрного гироскопа, функцию гиромотора которого выполняет балансируемая микротурбина [20].
На рис. 2,е, ж показаны трехстепенные гироскопы (без датчиков углов и кожухов) для измерения угловых параметров (угол и угловая скорость) движения продольной оси вращающихся по крену летательных аппаратов, теоретические основы функционирования которых изложены в работе [21]. Гироприбор с электрическим приводом ротора имеет простую конструкцию и предназначен для большого времени работы. Гироприбор с пружинным приводом ротора имеет малое время готовности (не более 0,5 с), но работает в течение ограниченного времени (не более 60 с), обусловленного вращением ротора после разгона по инерции. При проектировании использовалась технология компьютерного твердотельного моделирования [22].
Малогабаритная система ориентации магнитного типа (рис. 2,з) [23] снабжена двумя акселерометрами серии АТ-1104 для внесения поправок в показания магниточувствительного элемента, обусловленных его негоризонтальностью. Система имеет функцию алгоритмического устранения девиации магнитометра.
Из разработок гражданского применения последнего времени следует отметить датчик уровня для путевых железнодорожных машин, построенный по схеме прямого физического маятника с периодом собственных колебаний 1 с. В отличие от широко применяемых в России ДУ Швейцарской фирмы Plasser разработанный и выпускаемый малыми сериями ОАО «Мичуринский завод «Прогресс», ДУ имеет цифровую систему съема информации, электрический подогрев демпфирующей жидкости и значительно меньшую цену продаж. Разработанный ДУ вполне может заменить Швейцарский аналог на Российском рынке (рис. 3).
Рис. 3. Датчик уровня (а) для систем управления выправочных железнодорожных машин (б)
В настоящее время при финансировании со стороны Минобрнауки РФ совместно с ОАО «Мичуринский завод «Прогресс» в содружестве с кафедрой ТММДМ разработан пятигабаритный ряд универсальных управляемых электроприводов для запорной арматуры трубопроводного транспорта, который позволяет сократить номенклатуру применяемых в отрасли приводов со 150 конструкций до пяти в многовариантном исполнении в каждом габарите и оптимизировать их массогабаритные характеристики [24, 25] (рис. 4).
а
б
Рис. 4. Базовые конструкции: а - клиновой задвижки с выдвижным шпинделем и присоединительным фланцем; б - электропривод запорной арматуры
Продолжением работ в области исследования и создания управляемых гиростабилизаторов является разработка теплопеленгатора цели на базе двухосного индикаторного гиростабилизатора (рис. 5) совместно с Азовским оптико-механическим заводом.
Рис. 5. Двухосный индикаторный теплопеленгатор цели: а - общий вид; б - ЗБ-модель
В теплопеленгаторе использованы тепловизор разработки ОАО МНИТИ (г. Москва) и гироскоп серии МГТУ разработки ОАО «Темп-Авиа» (г. Арзамас). При габаритах 200х210 мм и массе 6 кг для заданных условий эксплуатации гиростабилизатор обеспечивает точность стабилизации не хуже 3 угл. минут.
По схеме двухосного индикаторного гиростабилизатора совместно с ГУП «Конструкторское бюро приборостроения» (г. Тула) разработаны оптико-электронные системы с оптическим координатором цели, использующие два типа гироскопов: ДНГ-4 (ПНПК, г. Пермь) и микромеханические ADXRS610 (Analog Devices) [26].
Следует отметить также разработку на базе однороторного гиро-привода головки самонаведения с увеличенным углом обзора, достигнутым за счет установки подслеживающих рамок [27].
Перспективным направлением является разработка микросистем различного назначения, в частности, измерительных модулей систем ориентации и информационно-измерительной системы для вращающегося по крену ЛА на микрогироскопах и микроакселерометрах [28, 29, 30] (рис. 6).
Микросистемная авионика [31, 32, 33] (рис. 7) позволяет создавать системы управления для малоразмерных, массой около 10 кг, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), способных решать задачи разведки и целеуказания в ближней тактической зоне, выполнять функцию экологического мониторинга и многие другие задачи.
а
Рис. 6. Микросистемы для вращающегося по крену
Летательного аппарата: а - бесплатформенная инерциальная навигационная система; б - телеметрический модуль
Рис. 7. Микросистемная авионика: а - пирометрическая вертикаль; б - вычислительный модуль видеосистемы ориентации; в - магнитометрическая система ориентации; г - комплексированная система ориентации
Разработка микросистемной авионики проводится на базе инновационного и научно-образовательного центра (НОЦ) «Микросистемная техника», который обладает интеллектуальными и техническими ресурсами (рис. 8), необходимыми для разработки микросистемной авионики БПЛА по техническим требованиям заказчика.
Описание и характеристики разработок кафедры в области микросистемной техники содержатся в работах [34, 35].
12
Научный руководитель НОЦ «Микросистемная
техника», проф., д-р. техн. наук, зав. каф. «Приборы управления» Распопов В.Я.
Лихошерст В.В.
Алалуев Р.В., Ладонкин А.В.
Шведов А.П., Погорелов М.Г.
Машнин М.Н.
Алалуев Р.В.
Рис. 8. Ресурсное обеспечение разработок микросистемной авионики
Заключение
За 50 лет работы кафедрой «Приборы управления» подготовлены квалифицированные кадры для оборонной, авиакосмической, судостроительной и других отраслей экономики.
Кафедра «Приборы управления» ТулГУ имеет богатый опыт разработки сложных, точных гиросистем морского применения, а также гироси-стем, предназначенных для других носителей. На кафедре разработаны теория и методы расчета, а на их основе - приборы и устройства различного назначения, в которых в качестве чувствительных элементов используются гироскопы, акселерометры, магнитометры. Исследования в области микросистемной техники создали необходимый фундамент для разработки перспективных изделий с микрочувствительными элементами.
Большой педагогический опыт в сочетании с опытом разработки наукоемкой продукции различного назначения является гарантией качества подготовки и переподготовки специалистов в форме курсов повышения квалификации по традиционным, базовым и новым учебным дисциплинам, отвечающим перспективным направлениям развития техники.
Список литературы
1. Распопов В.Я, Родионов В.И. Плавание сквозь годы. 40 лет кафедре «Приборы управления». Тула: Гриф и КО, 2001. 216 с.
2. Родионов В.И. Системы гироскопической стабилизации оптического изображения: учеб. пособие. Тула: Изд-во. ТулГУ, 2003. 153 с.
3. Погорельский С.Л. Прикладная оптика: учеб. пособие. Ч.1. Тула: Гриф и КО, 2005. 186 с.
4. Малютин Д.М. Оптические измерения: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 159 с.
5. Горин В.И., Горин А.А. Технология приборостроения: учеб. пособие. Тула: Изд-во. ТулГУ, 2006. 196 с.
6. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учеб. пособие. М.:Машиностроение, 2007. 399 с.
7. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем: учеб. пособие / под. ред. В.Я. Распопова. С.-Петербург: Изд-во ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 278 с.
8. Распопов В.Я. Научно-образовательная работа кафедры «Приборы управления» ТулГУ // Датчики и системы. 2006. №7. С.40-44.
9. Горин В.И., Распопов В.Я. Гирокоординаторы вращающихся по крену ракет / под ред. В.Я. Распопова. М.: НТЦ Информтехника,1996. 149 с.
10. Распопов В.Я., Иванов Ю.В. Датчики уровня систем управления железнодорожных машин. Тула: Гриф и КО, 2000. 173 с.
11. Родионов В.И. Гироскопические системы стабилизации и управления. Тула: Изд-во ТулГУ, 2000. 190 с.
12. Иванов Ю.В. Гироскопические системы измерения вертикальной качки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 183 с.
13. Распопов В.Я. Научно-технические разработки кафедры «Приборы управления» ТулГУ // Датчики и системы. 2001. №5. С. 2.
14. Конверсионные разработки кафедры «Приборы управления» ТулГУ / В.Я. Распопов [и др.] // Датчики и системы. №5. 2001. С.15-18.
15. Распопов В.Я., Малютин Д.М. Научно-технические разработки кафедры приборов управления Тульского государственного университета // Приборостроение. Изв. вузов. 2003. №9. С.5-9.
16. Малютин Д.М. Гиростабилизатор морского гравиметра с самонастройкой параметров // Приборостроение. Изв. вузов. 2003, №9, С.18-24.
17. Распопов В.Я., Усманов М.А. Двухгироскопная маятниковая гировертикаль // Оборонная техника. 1995. №8. С.17-21.
18. Иванов Ю.В. Датчики уровня путевых машин с цифровыми фильтрами // Датчики и системы. 2001. №5. С. 13-15.
19. Рекламные материалы кафедры «Приборы управления» ТулГУ // Датчики и системы. 2007. №5.
20. Горин В.И., Нехаев Д.Н., Распопов В.Я. Балансировка высокоскоростных микротурбин стоматологических наконечников // Оборонная техника. 1995. №6. С.35-37.
21. Горин В.И., Распопов В.Я., Белобрагин В.Н. Измерители угловых параметров летательного аппарата на базе гироскопов с вращающимся подвесом // Датчики и системы. 2005. №2. С.7-10.
22. Телухин С.В., Горин В.И., Распопов В.Я. Компьютерная разработка гироскопа и его виртуальная сборка // Сборка в машиностроении, приборотсроении. 2004. №8. С.6-9.
23. Малогабаритная система ориентации / В.Я. Распопов [и др.] // Датчики и системы. 2004. №8. С.2-5.
24. Многооборотный электропривод для управления запорной арматурой трубопроводного транспорта / Р.В. Алалуев [и др.] // Арамтуро-строение, 2012. №2(77). С.54-59.
25. Новое построение габаритного ряда многооборотных многопоточных электроприводов запорной арматуры с выдвижным шпинделем / П.Г. Сидоров [и д.р.] // Арматуростроение. 2012. №3(78). С.53-61.
26. Распопов В.Я. Управляемые гиростабилизаторы систем слежения для маневренных летательных аппаратов // Навигация и управление движением: материалы XII конференции молодых ученых / под общей ре-
дакцией академика РАН В.Г. Пешехонова. С.-Петербург. Изд-во ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2011. С.17-37.
27. Малютин Д.М., Распопов В.Я., Иванов Ю.В. Однороторный ги-ропривод головки самонаведения с системой подслеживания // Мир авио-ники. 2008. №2(68). С.54-59.
28. Информационно-управляющие системы на микрогироскопах вращающихся по крену летательных аппаратов / В.Я. Распопов [и др.] // Датчики и системы. 2007. №4. С.8-11.
29. Распопов В.Я., Матвеев В.В., Лихошерст В.В. Информационно-измерительные системы ориентации на микромеханических чувствительных элементах для вращающихся по крену летательных аппаратов // Нано-и микросистемная техника. 2010. № 2 (125). С.26-30.
30. Распопов В.Я., Матвеев В.В. Определение угловых параметров вращающегося по крену летательного аппарата. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологий // Научно-технический журнал. 2010. №6(28). С.115-119.
31. Распопов В.Я. Микросистемная авионика: учебное пособие. -Тула: Гриф и КО, 2010. 248 с.: ил.
32. Расчетный и лабораторный практикум по микросистемной авионике: учебное пособие для вузов / под ред. проф., д-ра техн. наук В.Я. Распопова. Тула.: Изд-во ТулГУ, 2011. 211 с.
33. Микросистемы ориентации беспилотных летательных аппаратов / под ред. В.Я. Распопова. М.: Машиностроение, 2011. 184 с.: ил.
34. Распопов В.Я. Работы кафедры «Приборы управления» Тульского государственного университета в области микросистемной техники // Датчики и системы. 2007. №7. С.67-70.
35. Кухарь В.Д., Распопов В.Я. Системы ориентации для малоразмерных беспилотных летательных аппаратов // Новый оборонный заказ. Стратегии. 2011. №4 (16). С.81-84.
В.Я. Распопов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Приборы управления» ТулГУ, заслуженный деятель науки РФ
