[科普中國(guó)]-靜電陀螺儀

發(fā)展背景

靜電陀螺儀是一種球形轉(zhuǎn)子自由陀螺儀,它的基本概念是在美國(guó)大力發(fā)展戰(zhàn)略核潛艇的時(shí)代,由伊利諾斯大學(xué)諾爾西克教授于1954年向美國(guó)海軍研究辦公室提出來(lái)的。他提出的方案是赤道上帶土星環(huán)的空心球轉(zhuǎn)子框架式靜電陀螺儀.它對(duì)轉(zhuǎn)子式不施矩的。因此出了漂移外,轉(zhuǎn)子主軸和殼體對(duì)應(yīng)的軸將在慣性空間保持形同的姿態(tài)。這實(shí)質(zhì)上是一種二自由度框架式陀螺儀.后來(lái)經(jīng)過(guò)研究改為現(xiàn)在的球形轉(zhuǎn)子自由陀螺儀。

1955年美國(guó)海軍正式立項(xiàng)開(kāi)始研究，Honeywell公司、GeneralElectric公司以及Arma公司很快也加入了該項(xiàng)目。Rockwell跨國(guó)公司的Autonetics分公司是1959年開(kāi)始研究的.在早期的研究中，只有Honeywell公司和Autonetics分公司的工作最后實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航產(chǎn)品。

在這中間,美國(guó)靜電陀螺儀研究經(jīng)歷的曲折的發(fā)展道路。在20世紀(jì)50～60年代,液浮陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)占據(jù)了艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的統(tǒng)治地位。靜電陀螺儀項(xiàng)目當(dāng)時(shí)并未被海軍選用，因此在這期間,Honeywell公司和Autonetics分公司都致力于開(kāi)發(fā)全姿態(tài)輸出靜電陀螺儀，研發(fā)捷聯(lián)式靜電陀螺儀導(dǎo)航系統(tǒng)，企圖應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域,但始終未成為裝備3。

工作原理圖1介紹靜電支承系統(tǒng)的工作原理。球形轉(zhuǎn)子安裝在支承電極的球腔之中。圖上只畫(huà)出一路,實(shí)際上同樣的系統(tǒng)共有三路。整個(gè)電極球腔分割為12塊等面積的電極。當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離電極中心時(shí),在相應(yīng)的兩塊電極上將同時(shí)接通正和負(fù)等幅度的控制電壓,使轉(zhuǎn)子回到電極中心位置,同時(shí)轉(zhuǎn)子始終處在地電位,從而解除了三路支承之間的藕合關(guān)系。

轉(zhuǎn)子的姿態(tài)角通過(guò)光電信號(hào)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。圖2為轉(zhuǎn)子表面上刻線的情況。在轉(zhuǎn)子極點(diǎn)的一側(cè)刻有矩形圖線,當(dāng)轉(zhuǎn)子的極點(diǎn)偏離頂端光電信號(hào)器時(shí),將有轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)頻率的正弦波信號(hào)輸出,其幅度和偏角的大小成正比。側(cè)面刻線由側(cè)面光電信號(hào)器觀測(cè),產(chǎn)生脈沖信號(hào),作為檢相器參考方波的相位基準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)上述信號(hào)變換,靜電陀螺儀將給出兩路直流信號(hào),成為一個(gè)二自由度的位置陀螺儀。

靜電陀螺儀具有加轉(zhuǎn)和阻尼線圈。在陀螺啟動(dòng)之后,這些線圈不再接入加轉(zhuǎn)和阻尼電流,而是作為加矩線圈使用。如圖3所示,如果把頂端和側(cè)面的光電信號(hào)送入加矩控制線路,則可以把陀螺轉(zhuǎn)子鎖定在頂端光電信號(hào)器的零位上。這時(shí)靜電陀螺儀成為一個(gè)二自由度的速度陀螺儀。加矩線路還可量測(cè)和補(bǔ)償陀螺的漂移。

綜上所述,靜電陀螺儀具有支承系統(tǒng),光電信號(hào)器和磁場(chǎng)力矩器等三個(gè)主要部件。此外為了保證正常工作,還需要有真空維持,溫度控制和外磁場(chǎng)屏蔽等裝置1。

國(guó)內(nèi)外研究成果國(guó)外研究成果國(guó)外研制靜電陀螺儀的只有美、蘇、法三個(gè)國(guó)家。在文獻(xiàn)中,對(duì)美國(guó)的研制過(guò)程和產(chǎn)品水平報(bào)道較多,可以代表目前國(guó)外的技術(shù)水平。蘇聯(lián)和法國(guó)也有不少研究報(bào)告發(fā)表,但是沒(méi)有關(guān)于產(chǎn)品及精度的報(bào)道。

在美國(guó),靜電陀螺儀是在1954年提出研制的,由美國(guó)海軍科研局(ONR,OfficeofNavalReseareh)資助,目的是用于核潛艇的慣性導(dǎo)航。經(jīng)過(guò)原理樣機(jī)研制階段,到60年代初開(kāi)始轉(zhuǎn)入型號(hào)產(chǎn)品的研制,主要由RoekwellInternational公司的Autoneu一tios分部和Honeywen公司兩個(gè)廠家承擔(dān),分別研制實(shí)心轉(zhuǎn)子和空心轉(zhuǎn)子的靜電陀螺儀。

實(shí)心轉(zhuǎn)子靜電陀螺儀是在1964年開(kāi)始研制的,被轉(zhuǎn)子的直徑為10毫米,采用轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的方法來(lái)建立陀螺儀的信號(hào)器。1967年這種陀螺儀被用來(lái)建立捷聯(lián)式飛機(jī)慣性系統(tǒng),型號(hào)先后有N57,N73和N73H等,但未被空軍采用。

1969年該公司把這種陀螺儀組成平臺(tái)式慣性系統(tǒng)。1974年美國(guó)海軍根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)的優(yōu)異結(jié)果決定在三叉戟級(jí)核潛艇上采用,型號(hào)為ESGM(靜電陀螺監(jiān)控器),首批生產(chǎn)了14套。ESGM作為潛艇內(nèi)部的定位基準(zhǔn),用于修正液浮陀螺船用慣性系統(tǒng),使得潛艇需要獲得外部定位信號(hào)的時(shí)間間隔由原來(lái)的4天延長(zhǎng)到40天以上。這種ESGM/s工Ns組合式導(dǎo)航系統(tǒng)顯著地提高了核潛艇的隱蔽性,因而在核潛艇,包括攻擊型核潛艇中,普遍得到應(yīng)用。

空心轉(zhuǎn)子的靜電陀螺儀是Honeywel公司在1962年開(kāi)始研制的。1967年研制成功平臺(tái)式飛機(jī)慣性系統(tǒng),型號(hào)為AN/AS一130,AN/ASN一136等,目前統(tǒng)稱(chēng)為GEANS型。這種陀螺儀采用直徑為38毫米的空心被轉(zhuǎn)子和光電信號(hào)器。這種慣性系統(tǒng)早期的精度為0.15海里/小時(shí),被美國(guó)空軍選用于B一52H、B一1等型號(hào)的飛機(jī),稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)精密導(dǎo)航儀(SPN),已生產(chǎn)800套以上。1983年試飛的結(jié)果表明,這種慣性系統(tǒng)在12小時(shí)連續(xù)飛行中,定位誤差僅為48米,相當(dāng)于0.02海里/小時(shí)。這是目前精度最高的飛機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。據(jù)該公司介紹,空心轉(zhuǎn)子靜電陀螺儀與g無(wú)關(guān)的漂移誤差小于0.0002度/小時(shí);與g和92有關(guān)的漂移誤差系數(shù)分別小于0.。。02度/小時(shí)/g和0.0002度/小時(shí)/g平方。由于靜電陀螺儀與加速度有關(guān)的漂移誤差系數(shù)非常小,在飛機(jī)等加速度和振動(dòng)干擾較大的載體上,采用靜電陀螺儀可以顯著地減小機(jī)動(dòng)飛行造成的慣性系統(tǒng)誤差。這是GEANS被美國(guó)空軍選用的原因之一。

70年代中期,人們開(kāi)始把慣性系統(tǒng)用于大地測(cè)量。美國(guó)國(guó)防測(cè)繪局(DMA,De一fenseMappingAgency)選擇GEANS系統(tǒng)作為大地測(cè)量和地球重力場(chǎng)測(cè)量的儀器。在軟件作相應(yīng)的改造之后,這種系統(tǒng)的型號(hào)稱(chēng)為GEO一SPIN,意思是大地測(cè)量用的標(biāo)準(zhǔn)精密慣性導(dǎo)航儀。根據(jù)1953年Honeywell公司的介紹,這種系統(tǒng)在30一60公里的測(cè)線上,定位誤差僅25~50厘米,相當(dāng)于一等測(cè)量控制點(diǎn)的精度,。西德等國(guó)的軍事部門(mén)曾采用GEO一SPIN系統(tǒng)進(jìn)行山區(qū)重力場(chǎng)的測(cè)量,重力異常值測(cè)量精度為3毫伽,垂線偏差角的測(cè)量誤差小于1角秒。這種系統(tǒng)是目前唯一可以同時(shí)定位和測(cè)量重力的儀器。尤其可貴的是,在GEO一SPIN中靜電陀螺儀租撓性加速度計(jì)的誤差系數(shù)只需要每年校準(zhǔn)一次。這充分表現(xiàn)出靜電陀螺儀誤差的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。

靜電陀螺儀的弱點(diǎn)是承載能力受到電場(chǎng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的限制,通常小于30g。由于轉(zhuǎn)子加轉(zhuǎn)過(guò)程中將受熱,一般靜電陀螺儀選擇工作溫度稍高,并要求較嚴(yán)格的溫度控制。此外陀螺啟動(dòng)時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生章動(dòng),需要一定的時(shí)間加以阻尼。這些特點(diǎn)使得靜電陀螺儀不宜用于戰(zhàn)術(shù)武器,應(yīng)當(dāng)用于高精度長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合1。

國(guó)內(nèi)研究成果1965年我國(guó)確定研制靜電陀螺儀,由清華大學(xué)等單位承擔(dān)。1965~1971年原理樣機(jī)研制成功,1971一1980年轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階段,并在1976年研制成功靜電陀螺三軸穩(wěn)定平臺(tái),在飛機(jī)上進(jìn)行了13次飛行試驗(yàn)。在海洋重力儀穩(wěn)定平臺(tái),浪高儀平臺(tái)等多種產(chǎn)品中,靜電陀螺儀得到了海上試驗(yàn)的考核,證明靜電陀螺儀完全可以滿足飛機(jī)和船舶的環(huán)境條件。1985年靜電陀螺儀通過(guò)了部級(jí)技術(shù)鑒定,長(zhǎng)時(shí)間工作的精度達(dá)到了相當(dāng)高的水平,并有較大的潛力1。

未來(lái)發(fā)展展望靜電陀螺儀是目前精度最高的陀螺儀,而且適用于長(zhǎng)時(shí)間工作的環(huán)境,因而在核潛艇和遠(yuǎn)程飛機(jī)上已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。

美國(guó)Stafnord大學(xué)在NASA的支持下目前正在研制衛(wèi)星上用的靜電陀螺儀,準(zhǔn)備在1990年把載有4只實(shí)心石英轉(zhuǎn)子的靜電陀螺儀裝入衛(wèi)星送入軌道,整個(gè)計(jì)劃稱(chēng)為“GP-B”計(jì)劃(意指重力試驗(yàn)計(jì)劃),目的是量測(cè)廣義相對(duì)論效應(yīng)下陀螺儀的進(jìn)動(dòng)。由于這種進(jìn)動(dòng)速度的理淪計(jì)算值非常小:

(1)在衛(wèi)星軌道平面內(nèi)為6.9角秒/年;

(2)在地球赤進(jìn)平面內(nèi)為0.044角秒/年。這種靜電陀螺儀的漂移誤差應(yīng)當(dāng)小于0.3x10^（-6）角秒/年,相當(dāng)于3X10^（-11）度/小時(shí)。

Stanford大學(xué)的GP一B計(jì)劃1985年得到了NASA的巨額經(jīng)費(fèi),并與Lockheed導(dǎo)彈公司合作。應(yīng)當(dāng)指出,他們所研制的靜電陀螺儀將來(lái)可以用在衛(wèi)星和航天飛行器上,作為慣性坐標(biāo)系的基準(zhǔn)。聯(lián)系到美國(guó)正在大力開(kāi)展星球大戰(zhàn)計(jì)劃,重視這一項(xiàng)目看來(lái)不僅是為了研究廣義相劉浦侖效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)1。