Что такое гироскоп в бомбе

3. Гироскопы и их свойства Принцип действия стабилизаторов 2э42-2 и 2э36-1 и их блокировки – 15 мин.

Гироскопом, в самом общем, в широком смысле слова называется тяжелое, симметричное, вращающееся тело, ось вращения которого может изменять свое направление.

Гироскопом, в более узком, техническом, смысле слова называется вполне определенный прибор, представляющий собой быстро вращающийся маховик (ротор), установленный в одной или двух рамках.

Применяемые в танках гироскопы по конструкции подразделяются на:

двухстепенные (имеющие одну подвижную рамку);

трехстепенные (имеющие две подвижные рамки).

Пока ротор гироскопа не приведен во вращательное движение, прибор не обладает никакими особыми свойствами. Однако стоит только заставить вращаться ротор, как у гироскопа появляются особые, присущие только ему свойства.

Первое свойство — гироскопическая устойчивость, т.е. стремление сохранить неизменное положение оси ротора в пространстве.

Второе свойство — гироскопический эффект, т.е. способность сопротивляться внешним силам, стремящимся отклонить главную ось гироскопа от занимаемого ею положения в пространстве. Так если к внутренней рамке приложить внешнюю силу, то отклоняться будет не внутренняя, а наружная рамка. Такое движение главной оси гироскопа под действием внешней силы называется прецессионным движением или прецессией.

Из теории гироскопа известно, что чем больше масса ротора и скорость его вращения, тем больше его устойчивость. Кроме того, если время воздействия на ротор внешней силы очень мало (например, удар), то гироскоп не будет прецессировать и направление всех его осей в пространстве останется неизменным. Благодаря именно этому его свойству гироскоп не чувствителен к толчкам и ударам и сотрясениям при стрельбе из пушки.

Принцип работы стабилизатора 2Э42-2

Принцип работы электрогидравлических приводов стабилизации и наведения в вертикальной и горизонтальной плоскостях одинаков. Он состоит в том, что стабилизированная пушка при движении танка по пересеченной местности сохраняет заданное наводчиком положение в пространстве, в то время как корпус танка совершает во время его движения колебания в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Положение пушки в пространстве, угол возвышения в вертикальной и угол поворота башни в горизонтальной плоскостях изменяются наводчиком поворотом рукояток пульта управления прицела. Скорость подъема (опускания) пушки и поворота башни тем больше, чем больше отклонение рукояток или корпуса от нейтрального положения.

Принцип работы стабилизатора 2Э36-1

Принцип работы привода ВН одинаков для режимов АВТОМАТ и ПОЛУАВТОМАТ. Он основан на том, что при движении машины башня вместе с корпусом под действием внешних сил отклоняется от исходного положения, увлекая за собой пушку.

Вместе с пушкой отклоняется ГТ-ВН, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине скорости и соответствующий (по фазе) направлению отклонения пушки в вертикальной плоскости. Сигнал обрабатывается электрической схемой и поступает на обмотку якоря электродвигателя подъемного механизма, который поворачивает пушку в сторону, противоположную отклонению корпусу машины, удерживая ее в направлении на цель с точностью до величины ошибки стабилизации.

Наведение спаренной установки в вертикальной плоскости осуществляется с помощью пульта управления. Сигнал с пульта управления обрабатывается электрической схемой, и после усиления и преобразования поступает на электродвигатель подъемного механизма, который поворачивает спаренную установку в направлении и со скоростью в соответствии со знаком и величиной сигнала с пульта управления.

Принцип действия привода ГН при стабилизации и наведении аналогичен принципу действия приводу ВН. Отличие от привода ВН состоит в обработке сигнала электрической схемой.

Гиротахометр стабилизатора измеряет только угловую скорость перемещения спаренной установки относительно поверхности земли, поэтому линейные перемещения машины, а соответственно и спаренной установки относительно цели необходимо компенсировать наведением спаренной установки на цель.

Блокировки стабилизатора 2Э42-2

Для обеспечения безопасной работы экипажа и нормальной работы стабилизатора предусмотрен ряд блокировок.

Привод ГН отключается:

при застопоренной башне – для предотвращения перегрузки привода ГН (датчик блокировки расположен около рукоятки стопора башни);

при открытом люке механика-водителя – во избежание травмирования механика-водителя пушкой при развороте башни (датчик блокировки расположен на наружном стакане закрывающего механизма люка механика-водителя);

при включении переключателя 4 АВТ.-РУЧ. (рис. 15) на пульте управления в положение РУЧ. или переключателя 10 АВТ.-РУЧ. РАЗГР. (рис. 16) на пульте загрузки автомата заряжания в положение РУЧ. РАЗГР.

Рис. 15. Пульт управления автомата заряжания

1-переключатель типов; 2,3-сигнальные лампы; 4-переключатель; 5-пробка (регулировочная) потенциометра; 6-кнопка

Рис. 16. Пульт загрузки автомата заряжания

1, 4-кнопки; 2, 3, 9-сигнальные лампы; 5, 6, 8, 10-переключатели; 7-крышка АВАРИЙНО (крышка необходима для предотвращения от случайного нажатия на кнопку СТОПОР и переключатели ПОДДОН, РАМКА ВЫБРОС-ИСХОД, ДОС)

В приводе ВН предусмотрено гидростопорение пушки на башню в следующих случаях:

после выстрела на время «откат-накат»;

при отскоке пушки от упоров башни с угловой скоростью более 7,0-8,5 °/с в целях исключения многократных соударений пушки с упором;

при неулавливании поддона ловушкой;

при неполностью опущенных рамке механизма удаления поддона и захвате механизма подъема кассет;

при застопоривании пушки электромашинным стопором;

при включении переключателя 4 АВТ.-РУЧ. (рис. 14) на пульте управления в положение РУЧ. или переключателя 10 АВТ.-РУЧ. РАЗГР. (рис. 15) на пульте загрузки автомата заряжания в положение РУЧ. РАЗГР., а также при включении переключателя 1 типа выстрелов (рис. 14) на пульте управления в положение ЗАГР., при этом пушка приводится в зону ±1,5° от угла заряжания в режиме «автомат».

Кроме того, в приводе ВН осуществляется торможение пушки при ее движении сверху вниз со скоростью более 7,0–8,5 °/с.

Блокировки стабилизатора 2Э36-1

На машине предусмотрены следующие блокировки стабилизатора:

при открытых люках механика-водителя или десанта;

при включении выключателя ПТР (рис. 17 поз. 6), который предназначен для включения цепей пуска ПТУР и одновременного отключения стабилизатора;

Рис. 17. Блок БУ-25-2С с коробкой КР-25:

1, 10-предохранители; 2-сигнальные лампы СПУСКИ ГОТОВ (СПУСКИ ВКЛ, и ГОТОВ 2А42); 3, 6, 8, 12-выключатели; 4-лампы подсветки панели; 5-крышка 7, 9-лампы сигнальные; 11-коробка КР-25; 13-табло сигнальное; 14-ручка потенциометра регулировки яркости; 15, 16-кнопки; 17, 18-переключатели; 19-крышка предохранителей

при подаче команды ПАЗ (при срабатывании системы коллективной защиты);

при установки пушки или башни на стопор.

При открытом люке, подаче команды ПАЗ или включении ПТР отключаются электромагниты подъемного и поворотного механизмов, при этом приводы ВН и ГН переключаются на ручное управление.

При установке пушки на стопор отключается электромагнит подъемного механизма, управление приводом ВН исключается, управление приводом ГН сохраняется.

При установке башни на стопор отключаются электромагнит поворотного механизма и управление приводом ГН, управление приводом ВН сохраняется.

Старший преподаватель подполковник С.В. Юрко

Лекция № 17 (фопи)

Гироскопические приборы бывают механические, вибрационные или волновые твердотельные, шаровые или электростатические, магнитодинамические или гидродинамические, лазерные и волоконно-оптические. Наиболее распространенными являются механические гироскопические приборы, а наиболее перспективными и быстро развивающимися в последнее время— волоконно-оптические гироскопические устройства, описанные в § 2.12. Ориентация предмета в пространстве невозможна без устройства, обеспечивающего начало отсчета от какой-то постоянно существующей системы координат. Роль такого устройства при измерении углов и угловых скоростей выполняют гироскопические чувстви­тельные элементы, а именно трехсте­пенные или двухстепенные гироскопы.

Ориентация предмета в простран­стве невозможна без устройства, обес­печивающего начало отсчета от какой-то постоянно существующей системы координат. Роль такого устройства при измерении углов и угловых скоро­стей выполняют гироскопические чув­ствительные элементы, а именно трех­степенные или двухстепенные гироско­пы [48, 49].

Трехстепенные гироскопы

Общие сведения. Гироскоп — мас­сивный точно сбалансированный махо­вик (ротор гироскопа), вращающийся с большой угловой скоростью и предста­вляющий собой симметричное тело с одной неподвижной точкой, являющей­ся его центром тяжести. Такое закре­пление гироскопа осуществляется при помощи карданова подвеса (рис. 2.51), т.е. крепление ротора во внутренней 2 и внешней 3 рамках, оси вращения ко­торых взаимоперпендикулярны и одно­временно перпендикулярны оси ротора гироскопа 1.

Если центр масс гироскопа совпа­дает с точкой опоры, то такой гиро­скоп называют уравновешенным или астатическим с тремя степенями сво­боды. Обозначим ось симметрии рото­ра гироскопа z—z ,ось внутренней рам­ки x—x, ось внешней рамки y—y. Как видно из рис. 2.51, трехстепенной ги­роскоп может вращаться вокруг всех трех осей. Однако частоты вращения ω _x — ω _y ничтожны по величине в срав­нении с ω_z = Ω, где Ω — частота враще­ния ротора, поэтому главный момент количества движения гироскопа прак­тически совпадает с моментом количе­ства движения ротора гироскопа как по величине, так и по направлению, т.е. M=J Ω=H, где H — кинетический момент ротора гироскопа; J— момент инерции ротора относительно оси y—y.

Рис.2.51. Гироскоп в кардановом подвесе

Направление вектора кинетиче­ского момента гироскопа совпадает с направлением вектора угловой скоро­сти П ротора, т.е. совпадает с осью z—z.

Для трехстепенного гироскопа ха­рактерно следующее явление: при при­ложении по оси y—y внешнего момента M_BH возникает вращение вектора H ки­нетического момента вокруг оси x—x. Вследствие этого внутренняя рамка 2 гироскопа поворачивается относитель­но внешней рамки 8. То же самое про­исходит при приложении внешнего мо­мента по оси x—x_, только вращение век­тора H будет происходить вокруг оси y—y. Это явление называется прецес­сией гироскопа.

Угловая скорость прецессии ω = M_BH/H = M_BH/JΩ .

Если внешнее воздействие имеет импульсный характер, то в трехстепен­ном гироскопе внутренняя рамка на­чинает совершать периодические коле­бательные движения, причем амплитуда этих колебаний обратно пропорцио­нальна скорости вращения ротора. Та­кие колебания называются нутацион­ными. Частота нутационных колеба­ний определяется выражением

Чем выше величина Ω, тем боль­ше частота нутационных колебаний и меньше их амплитуда.

При отсутствии трения в осях под­веса гироскопа эти колебания будут незатухающими, а при наличии тре­ния колебательный процесс будет за­тухать.

В инженерной практике использу­ется только прецессионное движение гироскопа.

Из приведенных выше формул видно, что прецессия будет совершать­ся только при наличии внешнего мо­мента M_BH(если M_BH=0, то ω =0 ).

Из этой же формулы следует, что ско­рость прецессии мала, так как кинети­ческий момент гироскопа Н, как пра­вило, велик (велика частота вращения ротора).

Быстро вращающийся ротор при­дает трехстепенному гироскопу свой­ство большой инерционности, т.е. стре­мление сохранять неизменным напра­вление оси вращения ротора в про­странстве.

Итак, с точностью до инструмен­тальных погрешностей ось собственно­го вращения ротора гироскопа сохра­няет заданное направление в инерциальном пространстве и служит «базой» для определения углового положения объекта (летательного аппарата, ста­билизированной платформы, пеленга­тора и т.п.) в принятой системе коор­динат.

Каждый трехстепенной гироскоп позволяет определять две угловые ко­ординаты, а с помощью двух гироско­пов можно получить все три координаты объекта, имея избыточные данные об одной из них.

Свободные гироскопы широко при­меняются в системах ориентации лета­тельных аппаратов кратковременного (без коррекции) и долговременного (с введением коррекции) действия и в ка­честве чувствительных элементов ги-ростабилизаторов.

Для измерения углов поворота основания относительно осей подве­са гироскопа используются различно­го типа датчики угла (потенциометрические, индуктивные, трансформатор­ные и др.), установленные на осях под­веса гироскопа.

В гироскопах с коррекцией используются моментные датчики (обратные преобразователи величины постоянного тока во вращающийся мо­мент), позволяющие создавать необхо­димые корректирующие или ориенти­рующие моменты на осях рамок.

В конструкции гироскопа так­же предусматривается арретирующее устройство, позволяющее осуще­ствлять начальную выставку оси ро­тора прибора относительно корпуса и предохранять подвижную систему (собственно гироскоп) от ударов по упорам при транспортировании.

Далее приводится краткое описа­ние гироскопических приборов (изме­рителей угловых перемещений), вы­полненных на основе трехстепенного гироскопа.

Свободный гироскоп с одним дат­чиком угла. Данный гироскоп вы­полнен в классическом варианте и представляет собой некорректируемый трехстепенной астатический гироскоп в кардановом подвесе.

В его конструкции предусмотрено многоразовое арретирующее устрой­ство, позволяющее выполнять началь­ную выставку оси ротора прибора от­носительно корпуса, и имеется один датчик угла Этот прибор может быть эффек­тивно использован в качестве курсо­вого гироскопа в простейшей системе ориентации при перемещении объекта на небольшие расстояния.

Блок свободных гироскопов. При­бор состоит из основания, на котором смонтированы два свободных гироско­па так, что оси их собственного вра­щения взаимоперпендикулярны. Ка­ждый гироскоп снабжен своим арре­тирующим устройством, позволяющим производить начальную выставку осей собственного вращения гироскопа от­носительно корпуса, и двумя датчика­ми угла.

Этот прибор может служить в ка­честве системы ориентации кратковре­менного действия и позволяет опре­делять все три угла отклонения объ­екта относительно базовой системы координат.

Гироскопы данного прибора вы­полнены в классическом варианте, то есть представляют собой трехстепен­ные некорректируемые астатические гироскопы в кардановом подвесе.

Гироскоп трехстепенной управля­ющий. Это гироскоп, выполненный в классическом варианте, т.е. трехсте­пенной астатический гироскоп в карда-новом подвесе.

В его конструкции имеются два индуктивных датчика угла для изме­рения углов поворота основания при­бора относительно осей подвеса гиро­скопа, и, кроме того, для коррекции измеряемых углов вводятся два магни­тоэлектрических моментных датчика, которые также позволяют выполнять начальную выставку оси собственно­го вращения гироскопа относительно корпуса прибора (по сигналам с дат­чиков угла) или относительно базо­вой системы координат (по сигналам от внешних датчиков рассогласования направления оси ротора прибора и со­ответствующей оси базовой системы координат) Этот прибор эффективно исполь­зуется в качестве датчика углов кре­на и тангажа без коррекции в систе­мах ориентации кратковременного дей­ствия, или с введением коррекции от ЭВМ в системах коррекции долговре­менного действия, а также в качестве чувствительного элемента гиростабилизаторов.

Гироскоп поплавковый астатиче­ский. Основной причиной возникнове­ния ошибок в гироскопических прибо­рах является наличие моментов тре­ния в осях подвеса. В данном приборе для уменьшения моментов трения ис­пользуется выталкивающая сила жид­кости и газа.

Гироузел данного гироскопа пред­ставляет собой ротор, установленный при помощи газового универсального подшипника в герметичном корпусе, заполненном гелием. При раскручи­вании ротора газ увлекается поверхно­стью внутренней сферы (ротора) и на­гнетается в зазор между шариком под­шипника и сферой. Давление в зазоре повышается и отделяет сферу от ша­рика, что значительно снижает момент трения.

Гироузел при помощи подшипни­ков из полудрагоценных камней (ча­сового типа) подвешен в кардановом кольце, которое установлено в сфе­рическом корпусе. Все пространство между гироузлом и корпусом запол­нено жидкостью с такой плотностью, что гироузел находится в ней в состо­янии безразличного равновесия. В та­ких условиях элементы карданова под­веса практически не нагружают под­шипники осей, т.е. функция подшипни­ков сводится к центровке поплавкового гироузла. Кроме того, выбор материа­ла подшипника (агат, рубин, корунд) обусловлен тем, что трущаяся пара стальной керн — каменный подшип­ник (искусственный рубин, агат) имеет при прочих равных условиях наимень­ший момент трения, чем любая другая пара материалов. Моменты трения в осях подвеса в таком приборе безуслов­но малы.

Наличие жидкости в конструкции гироскопа приводит к необходимости введения в прибор системы термоста­билизации (обогрева) для обеспече­ния равномерного прогрева жидкости и сильфона, предназначенного для ком­пенсации ее температурного расшире­ния. Равномерность температуры и да­вления жидкости, а также их неизмен­ность необходимы для точной работы прибора.

Для измерения углов поворота основания относительно осей подвеса гироскопа используются индуктивные датчики угла.

Для создания корректирующих или ориентирующих моментов отно­сительно осей подвеса в гироскопе устанавливаются магнитоэлектриче­ские датчики момента.

Наличие двух датчиков угла и двух моментных датчиков позволяет использовать этот прибор в качестве гировертикали, курсового гироскопа или в качестве гироорбитанта при вве­дении соответствующей коррекции.

В некоторых поплавковых гиро­скопах имеется также система стаби­лизации оси гироузла. Такие прибо­ры чаще всего используются в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов.

Вибрационный гироскоп. Прин­цип действия данного гироскопа осно­ван на способности вращающегося упругого диска посредством гироско­пического момента, возникающего из-за переносной угловой скорости враще­ния основания, отклоняться от плос­кости своего первоначального враще­ния (при w_och = 0), т.е. от плоскости, перпендикулярной валу, вращающе­му диск, на угол, пропорциональный величине угловой скорости вращения основания.

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 2.52. Ротор 1 данно­го гироскопа представляет собой ме­таллическое кольцо, соединенное с вращающим его валом 4 синхронно­го гистерезисного двигателя 3 упру­гим подвесом, выполненным в виде кардана Гука. Кардан Гука предста­вляет собой внутренний кардановый подвес, состоящий из двух одинаковых рамок 2 и упругих элементов — торсионов 5, посредством которых рамки соединяются с валом двигателя и рото­ром. Особенностью торсионов являет­ся то, что они обладают большим упру­гим сопротивлением на изгиб и малым упругим сопротивлением на скручива­ние. Оси соединения отдельной рамки с валом двигателя и ротором взаимо­перпендикулярны .

Рис. 2.52. Принципиальная схема вибрационного гироскопа.

Для эффективной работы таких гироскопов элементы его конструкции (ротор, торсионы и рамки), а также угловая скорость вращения двигате­ля подбираются таким образом, что­бы был реализован принцип динамиче­ской настройки, т.е. чтобы собственная нутационная частота гироскопа совпа­дала с частотой вращения ротора.

При отклонении ротора гироско­па от плоскости, перпендикулярной ва­лу, со стороны кардана Гука на ротор начинают действовать два противопо­ложно направленных пропорциональ­ных углу отклонения ротора момента: упругий момент сопротивления откло­нению и динамический опрокидываю­щий момент.

Условие взаимной ком­пенсации этих моментов и представ­ляет собой, условие динамической на­стройки.

При динамической настройке кар­дан Гука приобретает свойства, близ­кие к свойствам безмоментного шарни­ра, что обуславливает очень малые по­грешности измерения, углов.

В конструкцию прибора вхо­дят также два индуктивных датчика углов 6 и два магнитоэлектрических датчика момента 7, а также система термостатирования, включающая тер­мочувствительную катушку и обмотку обогрева, расположенные на корпусе прибора.

Такие гироскопы широко приме­няются в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов и мо­гут применяться как датчики угловых отклонений объекта относительно за­данной системы координат в системах ориентации.

Инструкция

Гальваническая развязка: назначение и методы Гальваническая развязка (изоляция), обычно называемая просто развязкой, является способом, в соответствии с которым отдельные части электрической системы могут обладать различными… Подробнее » Что такое гальваническая развязка

Что такое групповой электропривод

• автор: admin
• 27.07.2023

1.3 Классификация электроприводов 1. По соотношению числа электродвигателей и исполнительных органов рабочей машины можно выделить групповой, индивидуальный и взаимосвязанный. Групповой электропривод обеспечивает движе­ние исполнительных органов… Подробнее » Что такое групповой электропривод

Что такое волновой процесс

• автор: admin
• 27.07.2023

1.1. Понятие волнового процесса Волновым процессом называется любое изменение (возмущение) состояния сплошной среды, распространяющееся с конечной скоростью и несущее энергию. Существует большое многообразие волновых процессов… Подробнее » Что такое волновой процесс

Россия в зеркалах лазерных гироскопов

На форуме «Армия-2020» впервые были представлены снаряды для реактивной системы залпового огня «Торнадо-С». 300-мм управляемый реактивный снаряд сочетает в себе огневую мощь и высокую точность поражения. Благодаря чему удалось превратить оружие для поражения площадных целей в средство уничтожения точечных целей? «Армейский стандарт» изучил вопрос.

«Каждому из снарядов можно задать индивидуальные параметры не только по дальности полета, но и по траектории для разведения их по различным целям. Точность стрельбы снарядов «Торнадо-С» в 15–20 раз выше, чем у снарядов реактивной системы залпового огня (РСЗО) предыдущего поколения «Смерч», — рассказал журналистам генеральный директор холдинга «Технодинамика» Игорь Насенков.

Раскроем секрет его необычайной точности поражения малоразмерной цели: индивидуальное полетное задание для каждого снаряда закладывается в блок управления, созданного на основе БИНС — бесплатформенной инерциальной навигационной системы.

Этот прибор появился в армии и на флоте относительно недавно и быстро завоевал, если можно так выразиться, популярность у всех представителей видов Вооруженных сил и родов войск. С его помощью с высокой точностью определяются координаты подвижного объекта — будь то снаряд, атомная подводная лодка на глубине или самолет высоко в небе.

Ранее на службе у летчиков и моряков были только спутниковые навигационные системы: российская ГЛОНАСС, американская GPS, европейская Galileo, китайская «Бэйдоу», индийская региональная система IRNSS и японская «Квазизенитная спутниковая система» — QZSS.

Наконец, у всех есть астронавигация — самая надежная система ориентации по звездам.

Но для военных этого мало. Им важно знать точные координаты подвижного объекта и быть уверенными, что доступ к источнику координат будет постоянным, непрерывным и ни от кого не зависимым. Спутниковые системы навигации такой гарантии не дают.

ГЛОНАСС и GPS передают навигационный сигнал в двух режимах: открытом и закрытом. Но, как говорится, против лома нет приема. В наших батальонах и полках радиоэлектронной борьбы (РЭБ) есть штатные станции подавления GPS, которые генерируют «убийственную» помеху мощностью более 20 дБ. «Потенциальный партнер» обладает аналогичными станциями. Одним словом, современными средствами радиоэлектронной борьбы противник может спутниковый сигнал исказить, «зашумить», отключить, в конце концов, уничтожить сам спутник.

Теперь у российских военных появилась палочка-выручалочка. И новая установка — на любом объекте должна быть автономная инерциальная навигационная система (ИНС), независимая от капризов погоды, от спутников и средств РЭБ. Именно такой системой является БИНС.

Следуя за лазерным лучом

Инерциальные навигационные системы во второй половине прошлого века потребовались в первую очередь подводникам-атомщикам. Сначала экипажи субмарин определяли свое положение в Мировом океане с помощью системы астронавигации. Но для этого приходилось подвсплывать на перископную глубину, что вело к потери скрытности автономного плавания.

Специально для подводников разработали инерциальные навигационные системы платформенного типа на базе электромеханических гироскопов и акселерометров в кардановом подвесе.

В конце прошлого века российские конструкторы с гордостью рассказывали мне, что им удалось снизить вес такого прибора до 27 кг, в то время как американский весил 5 кг.

Дальнейшее развитие науки и техники позволило передовым странам, в число которых входит Россия, создать качественно новые инерциальные навигационные системы — бесплатформенные, в которых нет подвижных деталей и электромоторов. Сам гироскоп из электромеханической «юлы» превратился в электровакуумный прибор, который олицетворяет собой настоящую квинтэссенцию передовых технологий на стыке нескольких областей знаний: материаловедения, электроники и кибернетики.

В БИНС реализованы высокие технологи из нескольких областей науки и техники: оптика, электроника, вакуумная обработка, прецизионное полирование. Устройства характеризуются высоким классом точности и чистоты обработки оптических деталей, сложными вакуумными процессами, специальными видами испытаний.

Гироскопы подразделяются на лазерные, волоконно-оптические, волновые твердотельные и микромеханические. Есть и другие типы гироскопов, которые еще не достигли технологического совершенства и не используются индустриально, например, сверхвысокочастотные (СВЧ), ядерные магнитно-резонансные и гироскопы на холодных атомах.

Сложно ответить однозначно на вопрос: какой из них лучше? Каждый по-своему хорош, если отвечает требованиям потребителя к точности навигационной информации. Среди точных и высокоточных БИНС наиболее востребованными в российских Вооруженных силах оказались лазерные.

Современные БИНС на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах — одно из самых сложных и высокотехнологичных изделий авиакосмической промышленности. Они стали незаменимым автономным средством навигации межвидового применения.

Большой круг потребителей в армии, авиации и на флоте ценят их за автономность, помехоустойчивость, непрерывное и глобальное функционирование в любое время дня и ночи, зимой и летом, в воздухе, на земле и под водой. Без них не решают задачи навигации, управления полетом, прицеливания, подготовки и наведения ракет, а также обеспечения работоспособности инфракрасных, радиолокационных и оптикоэлектронных бортовых систем. На магистральных самолетах коммерческой авиации автономные инерциальные системы являются основным средством навигации и определения пространственного положения воздушного судна.

В мире всего четыре страны освоили сложное производство этих систем: Россия, Китай, США и Франция. При этом речь идет не об одном, а о целой линейке приборов, для каждого вида Вооруженных сил — свой БИНС.

Разработкой БИНС, например, авиационного применения в России занимаются пять организаций. Системы навигации, основанные на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах, входят в состав комплексов бортового оборудования современных и перспективных самолетов гражданского и военного назначения.

Принцип действия лазерного гироскопа заключается в том, что внутри замкнутого по периметру пространства, образованного системой зеркал и корпусом, изготовленным из специального стекла, возбуждаются два лазерных луча. Когда гироскоп находится в состоянии покоя, два луча «бегут» навстречу друг другу с одинаковой частотой, а когда прибор начинает совершать угловое движение, то каждый из лучей изменяет свою частоту в зависимости от направления и скорости этого движения. Через одно из зеркал выводится часть энергии лучей и формируется интерференционная картина.

Фотоприемник считывает информацию об угловом движении гироскопа, определяет направление вращения по направлению движения интерференционной картины и величину угловой скорости по скорости ее движения. После этого он преобразует оптический сигнал в очень маломощный электрический, дальше начинаются процессы его усиления, фильтрации и отделения помех.

БИНС состоит из трех одноосных гироскопов. Каждый из них измеряет угловую скорость, действующую вдоль его оси чувствительности, которая перпендикулярна плоскости распространения лазерных лучей. Три измерителя ускорения — акселерометры — передают информацию о линейном движении объекта.

Акселерометры — это очень точные приборы, в которых на упругом подвесе в виде маятника размещена так называемая пробная масса. Современные акселерометры осуществляют измерения с точностью до одной стотысячной доли ускорения свободного падения.

БИНС различаются по трем классам точности в соответствии с принятым в России ГОСТом. Первый класс точности — это невязка координат в пределах 0,5 морской мили после часа полета, иными словами, это накопление ошибки в определении местоположения объекта через час его перемещения.

Чаще всего используются системы второго и третьего классов точности, а системы первого класса имеют более узкий круг применения на объектах специального назначения, но еще не наступило время раскрывать все секреты.

С точностью одного ангстрема

Промышленность пока удовлетворяет потребности в БИНС Минобороны, Минтранса и других ведомств. Но с развитием научно-технического прогресса спрос на автономные инерциальные системы будет только расти. Поэтому пора заранее задуматься о расширении производства, ведь речь идет о высокотехнологичных изделиях, изготовление которых сопряжено с немалыми трудностями.

Например, шероховатость поверхности зеркала при финишной полировке должна быть на уровне 1 ангстрема (0,1 нанометра). Величины, в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. То есть это уже почти молекулярный уровень.

В гироскопах устанавливают зеркала двух типов: плоские и сферические. Диаметр одного может быть 5 мм, а другого — в тысячу раз больше. Дух захватывает от одной мысли, как из тысячи сферических зеркал составить одно большое диаметром 5 метров. При этом сферичность каждого «пятачка» должна быть частью 5-метровой сферы.

Но и это еще не все. В нашем представлении зеркало — что-то простое, однородное, как хорошо отполированная пластина серебра. В гироскопе зеркало представляет собой специальное многослойное покрытие. Оно одновременно должно идеально отражать лазерный луч с минимизацией потерь и вместе с тем обладать пропускной способностью.

Зеркальное покрытие наносится методом ионного напыления на специальный стеклокристаллический материал — ситалл. Каждый из слоев имеет толщину порядка 100 нанометров, в зависимости от материала.

Коэффициент отражения зеркала определяется количеством напыляемых слоев и регулируется необходимой величиной пропускаемой оптической энергии. Качественное зеркало должно рассеивать и поглощать не более десяти из миллиона частей отраженного лазерного излучения.

Лазерный луч распространяется в гелий-неоновой газовой среде низкого давления. Ее характеристики должны оставаться неизменными на протяжении всего срока эксплуатации гироскопа. Попадание в газовую среду даже ничтожного количества примесей приводит сначала к изменению характеристик гироскопа, а затем — к его отказу.

На гироскопе размещаются электроды, на которые подается напряжение порядка 2 кВ. Для сравнения: контактная сеть на электрифицированной железной дороге находится под напряжением 3 кВ постоянного тока. Электроды свариваются с корпусом гироскопа с соблюдением требований вакуумирования. Точность обработки, геометрического размера и взаимного расположения находятся на уровне микронов.

Еще один важный технологический этап изготовления гироскопа — это очистка и полировка каналов, по которым пробегает лазерный луч. Сначала их довольно долго промывают кислотами для того, чтобы в них не осталось ни одной посторонней наночастицы. Полировка осуществляется тоже кислотами, потому что при сверлении возникает так называемый трещиноватый слой. В микротрещинах скапливаются газы и посторонние наночастицы, остающиеся от предыдущих этапов обработки. Если корпус прибора вакуумировать без удаления трещиноватого слоя, из этих микротрещин начинают выделяться посторонние молекулы, они портят среду внутри гироскопа.

К полировке граней прибора предъявляют жесткие требования. Например, зеркало (его делают из того же материала, что и корпус) садится на корпус гироскопа на так называемый оптический контакт, то есть крепится за счет диффузии материала, когда молекулы одной детали притягиваются к молекулам другой, проникают в ее тело, и детали становятся фактически единым целым, образуя герметичное соединение. Проведенные испытания на ударную прочность с перегрузкой в 100 g показали высокую эффективность такого соединения. Для его достижения нужна прецизионная обработка поверхности корпуса.

Есть свои трудности и в электронике. Приходится работать с маломощным частотно-модулированным сигналом, для которого надо обеспечить определенное усиление, фильтрацию, подавление помех и преобразование в цифру. Кроме того, надо обеспечить защиту его от помех во всех условиях эксплуатации.

БИНС должен выдерживать интервалы рабочих температур от минус 60 до плюс 55 градусов по шкале Цельсия. Технология изготовления прибора гарантирует его надежную работу во всем диапазоне температур в процессе полного жизненного цикла самолета, который составляет десятки лет.

Одним словом, в процессе производства приходится преодолевать множество трудностей. В основном они сконцентрированы вокруг оптики и кольцевого лазерного гироскопа. В их изготовлении сошлось много технологических переделов от физики, химии, оптики, математики. Но российские производители овладели всеми знаниями.

Проблема, которую теперь необходимо решить, связана с тиражированием и автоматизацией операций с целью снижения издержек и повышения надежности готовых изделий.

Гироскопы до недавнего времени оставались штучным товаром, хотя потребность в них постоянно росла. Большая доля ручного труда в шлифовке зеркал замедляла темпы производства, да и стоимость оставалась относительно высокой.

Хорошо Китаю с численностью населения почти 1,4 млрд человек. Там ничего не стоит посадить на шлифовку корпусов 100 тысяч рабочих и через месяц получить 100 тысяч гироскопов. Лет двадцать назад мы помогали китайцам в налаживании производства первых кольцевых лазерных гироскопов, а теперь Поднебесная опережает Россию в их производстве.

Хорошо дело поставлено во Франции. Там нет 100 тыс. шлифовщиков, зато есть специальные станки, они шлифуют по 24 корпуса одновременно. Россия в силу не географического, а прежде всего политического положения оказалась между Востоком и Западом. Мы ограничены в рабочей силе, а доступ к западным технологиям и оборудованию перекрыт санкциями Евросоюза и США. И все же, санкции санкциями, а работать надо.

Осуществляемый у нас в стране проект технического перевооружения заводов для производства всех систем, включая и оптические компоненты, рассчитан на выпуск 1,5 тыс. высокоточных систем в год, в том числе и для наземной техники. Это значит, в России будут производить ежегодно 4,5 тыс. гироскопов и 20 тыс. зеркал для них соответственно.

«Аэродромы, которые откликались на наш зов, не могли определить, где мы находимся. «Пеленг дать не можем… Пеленг дать не можем…», — повторяли они, потому что наш голос доносился до них отовсюду и ниоткуда…. Вот тогда мы почувствовали, что заблудились в пространстве…».

Эти строки принадлежат перу известного французского писателя, поэта и профессионального летчика Антуана де Сент-Экзюпери, c 1926 года — пилота на авиалинии компании «Латекоэр»» между Тулузой и Дакаром. В войну Экзюпери не вернулся из полета. И только спустя десятилетия удалось найти место катастрофы его самолета.

Сегодня мы с трудом представляем себе, как можно заблудиться в небе, в космосе, на воде и под водой, когда навигаторы стоят в автомобилях, на которых мы ездим, в смартфонах и в «умных часах». А на самолетах и кораблях эти системы еще и многократно дублируются.

Поэтому, если вдруг по какой-то причине пропадет навигационный сигнал от спутника, не волнуйтесь — БИНС выведет самолет к нужному аэродрому, а ракету наведет на заданную цель.