CC BY
28
The article deals with the development of a rule-oriented knowledge base for use in the system of intellectual support for the crew of a prospective aircraft, prototyping and bench testing of an on-board expert system for special situations, including issues of designing, coding and testing the knowledge base.
Key words: special situation, knowledge base, CLIPS, software, expert system, prototype.
Babichenko Andrey Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director, ababichenkoarpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
Shevadronov Alexander Sergeevich, research engineer, ashevadronov@rpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Vorobyev Aleksandr Anatolyevich, laboratory assistant, avorobiev@rpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Elesin Ilya Alekseevich, laboratory assistant, ielesin@rpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Tektov Matvey Viktorovich, laboratory assistant, mtektov@rpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Kozhin Vladislav Romanovich, laboratory assistant, vkozhin@rpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
УДК 629.7.054.07
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕЕМАНОВСКИХ ДАТЧИКОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ
А.О. Синельников, А.А. Катков, Н.Р. Запотылько, И.И. Савельев
Представлены результаты исследования выходных характеристик зееманов-ских лазерных датчиков угловых скоростей с корпусами резонаторов, изготовленных из различных стеклокерамических материалов. Проведен сравнительный анализ основных параметров изготовленных приборов. Даны рекомендации по применению различных стеклокерамик для изготовления корпусов и деталей оптических резонаторов лазерных датчиков угловых скоростей.
Ключевые слова: лазерный гироскоп, зеемановский лазерный датчик угловых скоростей, стеклокерамика, выходная характеристика.
Введение. Создание современных высокоточных систем ориентации и навигации с длительным временем непрерывной работы на базе лазерных гироскопов (ЛГ) [1] требует разработки технологии изготовления оптических элементов с использованием стеклокерамического материала со специальными свойствами.
Для стабилизации корпусов оптических резонаторов лазерных датчиков угловых скоростей (ДУС) обычно используются методы пассивной и активной термокомпенсации. К пассивным методам относится использование материалов с предельно низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) в качестве конструкционных. Активные методы включают в себя использование системы регулировки периметра (СРП) резонатора ЛГ с одним или двумя пьезокорректорами в качестве исполнительных элементов. Однако такая активная стабилизация резонаторов была бы не возможна без применения стеклокерамических материалов при изготовлении корпусов, зеркал и других конструкционных элементов лазерных ДУС [1].
Сегодня основным стеклокерамическим материалом, применяемым в лазерной гироскопии для изготовления деталей оптических резонаторов ДУС, является ситалл марки СО-115М [2, 3] производимый российской фирмой АО «ЛЗОС», и его зарубежные аналоги: Zerodur [4] немецкой фирмы 8сИой, Clearceram [5] японской фирмы OHARA и др.
Представленные выше ситаллы близки по своему химическому составу, при этом основным отличием зарубежных стеклокерамик является наличие пятиокиси фосфора P2O5, что обуславливает их меньшую микротвердость в сравнении с ситаллом СО-115М. Это может влиять на качество обрабатываемой поверхности при производстве оптических деталей ДУС и предъявляет особые условия для их последующего хранения.
В настоящий момент в зеемановских лазерных ДУС и гироскопах на их основе [6], представленных на рис.1, для изготовления оптических элементов резонатора применяется ситалл СО-115М, который достаточно хорошо изучен и не имеет аналогов в отечественном производстве.
Однако в связи с возрастающими требованиями разработчиков систем ориентации и навигации, предъявляемыми к ЛГ по точностным и эксплуатационным характеристикам, этот материал перестал удовлетворять производителей ЛГ, что и определяет актуальность исследования.
Целью работы является исследование возможности применения различных стеклокерамических материалов в качестве конструкционных при изготовлении зеемановских лазерных ДУС. Актуальность данного исследования определяется необходимостью обеспечения длительного времени непрерывной работы зеемановских ДУС и ЛГ на их основе в одномо-довом режиме без потерь информации о вращении в широком температурном диапазоне (от -55 до +75 °С).
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
- проведено экспериментальное исследование температурных зависимостей приращений периметров оптических резонаторов зеемановских лазерных ДУС, изготовленных из различных стеклокерамических материалов;
- проведен сравнительный анализ основных выходных параметров зеемановских лазерных ДУС, изготовленных на основе резонаторов с использованием различных стеклокерамических материалов.
Рис. 1. Лазерный гироскоп на базе зеемановских ДУС
Экспериментальное исследование. На первом этапе исследования из рассмотренных выше марок ситаллов были изготовлены оптические резонаторы для зеемановских лазерных ДУС. На основании корпусов резонаторов и вблизи рабочих каналов были установлены два термодатчика для контроля за изменением температуры. Далее резонаторы размещались в камере тепла и холода. Температура внутри камеры изменялась от минус 60 до 80 °С со скоростью 1 °/с, при этом температура корпуса резонатора за счет самопрогрева достигала 90 °С. С помощью специально разработанной методики измерения ТКЛР материалов [7] были определены относительные изменения длин резонаторов, которые представлены на рис. 2.
Из рис. 2 видно, что в случае использования стеклокерамики /егоёиг изменение длины резонатора dL оказалось минимальным и составило порядка одной длины волны лазерного излучения dL =Х ± 0,25Х, где X = 0,633 мкм для Не-№-лазера, а 0,25Х абсолютная погрешность измерений.
Тем не менее, из-за наличия точки перегиба, на графике присутствуют диапазоны температур, на которых будет происходить как расширение оптического периметра резонатора, так и его сжатие. Это обстоятельство, так же, как и в случае с ситаллом СО-115М, исключает возможность дополнительной пассивной термокомпенсации для активных пьезо-
корректирующих элементов СРП. При этом изменение длины оптического резонатора, выполненного из ситалла СО-115М, оказалось наибольшим и составило порядка dL =3Х ± 0,25Х.
1
1
1 ¡_ \ 1
-Зг-
» 1 У—11
*
£-: к-
-1 5
J
ч -.-с"3*-"
Температура. аС
Рис. 2. Зависимости приращения длины резонатора йЬ от температуры: 1 - СО-115М; 2 - С1еагсегат; 3 - 2егойыг
Наиболее линейная температурная зависимость изменения длины наблюдается у резонатора, изготовленного из ситалла Qearceram, при dL=3X ± 0,25Я, что позволяет применить дополнительную пассивной термокомпенсацию корпуса резонатора за счет специальной конструкции активных пьезокорректоров [8].
Стоит отметить, что температурное изменение периметра готового зеемановского лазерного ДУС будет несколько отличаться от представленных на рис. 2 зависимостей, поскольку нем присутствуют дополнительные конструкционные элементы из металла для крепления резонатора к основанию и установки внешнего магнитного экрана, а также неравномерностью его прогрева.
Для подтверждения полученных результатов были изготовлены 6 макетных образцов зеемановских лазерных ДУС с оптическими резонаторами из ситалла Zerodur и Qearceram в количестве 3 штук соответственно. Далее все приборы были подвергнуты стандартным технологическим испытаниям, для оценки их работоспособности и получения информации о точностных и эксплуатационных характеристиках.
Полученные в ходе проведения испытаний выходные параметры макетов представлены в таблице, в которой для сравнения приведены данные по серийным приборам ситалла СО-115М, изготовленным на том же оборудовании и в тот же временной период, что и исследуемые макетные образцы.
Выходные характеристики зеемановских лазерных ДУС
Выходные параметры Материал
СО-115М С1еагсегат 2егоёиг
Напряжение горения, В (650710)* 680 682 685
Амплитуда сигналов вращения, В (1,0-2,0)* 1,7 1,6 1,8
Время готовности, мс (< 75)* 17 7 17
Невоспроизводимость смещения нуля, °/ч (< 1)* 0,8 0,7 0,5
Время непрерывной работы, ч (> 1)* < 4 4 4
Примечание. * - допустимые значения.
Как видно из таблицы, полученные результаты полностью соответствуют типовым выходным характеристикам, получаемым на серийно выпускаемых приборах, и укладываются в допустимые значения, что говорит о потенциальной применимости ситаллов /егоёиг и С1еагсегат при изготовлении зеемановских лазерных ДУС наравне с СО-115М.
Выводы:
1. Стеклокерамика /егоёиг обладает практически 2-кратным преимуществом перед ситаллом СО-115М в части ТКЛР в диапазоне температур (от -55 до +75 °С), тем не менее, как и его японский аналог С1еагсегат, проигрывает ситаллу СО-115М в части микротвердости и химической стойкости, что предъявляет дополнительные требования к условиям хранения готовых изделий.
2. Стеклокерамика С1еагсегат обладает наиболее линейной зависимостью ТКЛР, что значительно облегчает работу активной СРП. Однако по стоимости заготовок вся зарубежная стеклокерамика значительно уступает отечественной.
3. Ситалл СО-115М на протяжении многих лет успешно применяется в России при изготовлении оптических деталей резонаторов ЛГ, но все же уступает зарубежным аналогам по величине ТКЛР, однородности и различию его свойств от партии к партии. Эти обстоятельства определяют постоянное ужесточение требований к материалу и совершенствование методов контроля заготовок, поступающих в АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха».
4. Результаты проведенных исследований были использованы при разработке технического задания на современный отечественный стекло-кристаллический материал специально для лазерной гироскопии.
Работы по созданию данного материала ведутся на нескольких предприятиях России, в том числе на АО «ЛЗОС». В ближайшее время должно начаться его серийное производство.
Список литературы
1. 50 лет лазерному гироскопу / Д.П. Лукьянов, Ю.В. Филатов, Ю.Д. Голяев, В.Н. Курятов, В.Н. Виноградов, К.-У. Шрайбер, М. Перлмуттер // Фотоника. 2014. №2. Вып. 44. С. 21 - 37.
2. Исследование свойств ситаллов системы Li2-Al2O3-P2O5-SiO2 / И.М. Бужинский [и др.] // ОМП. 1980. №9. С. 26 - 28.
3. 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 - 42.
4. Каталог продукции фирмы OHARA. Clearceram-Z [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.oharacorp.com/pdf/ccz-brochure-med.res.pdf (дата обращения: 10.12.2019).
5. Каталог продукции фирмы SCHOTT. Zerodur [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.schott.com/advanced optics/download /schott zerodur katalog july 2011 en pdf (дата обращения: 10.12.2019).
6. Влияние ТКЛР материалов, используемых в лазерной гироско-пии, на эксплуатационные характеристики прибора / Н.Р. Запотылько, А. А. Катков, И.Н. Полехин, Н.В. Тихменев // Вопросы оборонной техники. 2012. Сер. 9. №6. С. 61 - 68.
7. Лазерные гироскопы с увеличенным временем непрерывной работы / Ю.Д. Голяев, Н.Р. Запотылько, А.А. Недзвецкая, А.О. Синельников, Н.В. Тихменев // Датчики и системы. 2011. № 11. С. 49 - 51.
8. Запотылько Н.Р., Катков А.А., Синельников А.О. Пассивная термокомпенсация оптического периметра лазерных гироскопов, изготовленных с использованием различных конструкционных материалов // Датчики и системы. 2014. №1. С. 8 - 13.
Синельников Антон Олегович, канд. техн. наук, начальник участка, mr.sinelnikov.a@,mail.ru, Россия, Москва, АО ««НИИ ««Полюс» им. М. Ф. Стельмаха»,
Катков Александр Анатольевич, канд. техн. наук, руководитель группы, a_Katkoff@,mail.ru, Россия, Москва, АО ««НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»,
Запотылько Нина Рудольфовна, канд. техн. наук, начальник участка, zap_nina@,mail.com, Россия, Москва, АО «НИИ ««Полюс» им. М. Ф. Стельмаха»,
Савельев Игорь Иванович, канд. физ.-мат. наук, начальник отдела, i.saveliev@mail.ru, Россия, Москва, АО ««НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха»
50
THE EFFECT OF THE PROPERTIES OF STRUCTURAL MATERIALS ON THE OUTPUT CHARACTERISTICS OF ZEEMANLASER SENSORS
A.O. Sinelnikov, A.A. Katkov, N.R Zapotylko, I.I. Savelyev
The paper presents the results of a study of the output characteristics of Zeeman laser sensors with resonator bodies made of various glass-ceramic materials. A comparative analysis of the basic parameters of the manufactured devices is carried out. Recommendations are given on the use of various glass ceramics for the manufacture of cases and parts for optical resonators of laser sensors.
Key words: laser gyro, Zeeman laser sensor, glass-ceramic, output characteristic.
Sinelnikov Anton Olegovich, candidate of technical sciences, head of section, mr. sinelnikov. a a mail. ru, Russia, Moscow, JSC «Research Institute «Polyus» named aftee M.F. Stelmah»,
Katkov Alexander Anatolievich, candidate of technical sciences, group leader, a Katkoffa,mail. ru, Russia, Moscow, JSC «Research Institute «Polyus» namled aftee M.F. Stelmah»,
Zapotylko Nina Rudolfovna, candidate of technical sciences, head of section, zap nina a mail. com, Russia, Moscow, JSC «Research Institute «Polyus» namled aftee M.F. Stelmah»,
Saveliev Igor Ivanovich, candidate of physics and mathematics sciences, head of department, i. savelieva mail. ru, Russia, Moscow, JSC «Research Institute «Polyus» named nft ter M.F. Stelmah»
УДК 629.7.054.07
МЕТОДЫ ГИРОКОМПАСИРОВАНИЯ ДЛЯ ВЫНОСНОГО ВЫСОКОТОЧНОГО ГИРОКОМПАСА
С.А. Норсеев, Д.А. Буров, Д.Ю. Тютюгин
Рассматриваются методы, обеспечивающие повышение метрологических характеристик выносных гирокомпасов на базе кольцевых лазерных гироскопов. Приведены требования к основным чувствительным, измерительным и исполнительным элементам конструкции для каждой методики измерений. Для повышения точности измерения азимута предложено использовать методику, предусматривающую непрерывное вращение ориентированных специальным образом лазерных гироскопов.
Ключевые слова: гирокомпас, определение азимута, кольцевой лазерный гироскоп, акселерометр.
Одним из основных требований, предъявляемых к наземному полевому гирокомпасу, наряду с малой массой, низким энергопотреблением является обеспечение высокой точности проведения измерений
51
