半球諧振陀螺發展綜述

帥 鵬,魏學寶,鄧 亮

(1.裝備采購中心,北京100071;2.北京自動化控制設備研究所,北京100074)

0引言

半球諧振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro,HRG)是一種沒有高速轉子和活動支承的振動陀螺,具有精度高、質量小、體積小、啟動時間短、高過載(3000g)的特性,連續工作15年的可靠度高達0.995,被譽為最具潛力的哥式振動陀螺[1-3].國外HRG研制主要集中在美國、俄羅斯與法國這3個國家,于20世紀90年代在理論及應用上便已實現突破,目前已達到慣性級精度水平,并成功應用在各個領域.美國Northrop Grumman公司的HRG系統主要應用在對可靠性、抗電磁輻射要求較高的空間飛行器、衛星等項目中[4],根據最新數據(2018年初)統計,其HRG系統已在空間飛行超過4000萬h,且100%任務成功;法國薩基姆公司的HRG系列產品已成功應用在衛星、陸用裝備、海軍裝備、飛航導彈、石油探測等多個領域;俄羅斯HRG主要應用在通信衛星及武器系統中.國內HRG研制起步相對較晚,但在理論及試驗驗證等方面也取得了一定的成果,目前已經完成某些國家重大課題驗收及衛星飛行試驗.

1技術原理及優勢

HRG的工作原理是基于半球殼諧振子繞中心軸旋轉時產生的哥氏效應,而使其振型在環向相對殼體進動的物理機制.

圖1所示為HRG工作原理.當殼體繞中心軸轉過Φ角時,振型相對半球殼反向轉過θ角,且有θ=KΦ,K為振型的進動因子.只要精確測出振型相對殼體轉過的角度θ,就可測出殼體繞中心軸轉過的角度[6-8].

HRG結構非常簡單,如圖2所示,基本組件為激振器(激勵罩、激勵電極)、一個由熔融石英材料制成的諧振子和檢測器(讀出電極、讀出基座).因此,成本相對較低[9];裝配完成后,整個陀螺形成一個完全固連的整體,這種固體化的結構可保證其能夠承受3000g的沖擊;選用元器件數量非常少,諧振子的振動僅有幾微米,對結構不產生任何破壞,也不會產生應力集中,因此在結構上保證其具有極高的可靠性,HRG連續工作15年的可靠度高達0.995[10];工作原理為振動特性,在慣性作用下,當HRG斷電15min依然可以完成角速率測量;部件主要為石英結構,且無熱能、光源等器件,因此,抗電離輻射能力極強;其理論精度不受尺寸效應的限制,因此在同等精度陀螺中,具有一定的體積優勢;通過控制電路,可實現在線標定陀螺漂移,減少后期的維護成本[11-13].

2國內外研究進展

2.1國外研究進展

國外最早研制HRG的國家主要為美國、俄羅斯及法國,目前HRG已成功應用在空間型號、飛機、導彈及海洋領域.此外,英國、日本等國家也有多家公司在研制HRG.

2.1.1 美國研究進展

1890年,G.H.Bryan發現在振動的殼體(高腳杯)旋轉時,由于哥氏慣性力的作用,殼體壁撓性振動主振型的自振頻率發生裂解,導致駐波既相對高腳杯又相對慣性空間進動,此理論奠定了HRG的基礎.此后,A.Kalnin提出了薄殼型振子的振動理論,Chintsun對半球殼的軸對稱和非軸對稱振動的研究取得了一定的成果.1965年,Dr.David Lynch建立了第一個半球殼的振動理論模型,并利用振動金屬環證明了G.H.Bryan論述的理論可行性.1975年,在美國海軍的支持下,Delco公司采用低阻尼的熔融石英為諧振子材料,從而奠定了HRG能夠達到高水平的陀螺的基礎.經過不懈的努力,1979年成功研制Φ58mm的酒杯型Block 10 HRG,并成功申請了專利.1982年9月,性能更高的蘑菇型Block 20HRG問世,經海軍測試,其精度優于1(°)/h,由此獲得海軍的認可,從而刺激了HRG的迅速發展.隨著調平算法的發明,1983年,性能更高的雙基振子的Block 30 HRG問世.Block系列產品如圖3所示[14-15].

隨著工藝和電子學水平的提高,HRG性能不斷提升,1986年新一代HRG產品研制成功,主要包括可在惡劣條件下工作的HRG158,用于戰略防御攔截導彈、戰術導彈及返回式導彈的HRGR130和用于動力推進殺傷性武器的HRG115.1987-1990年,通過利用激光去除質量的諧振子平衡裝 置、更新電路系統、改進工藝等,最終成功研制出體積更小、精度更高的HRG130T.同時在空軍的支持下,對HRG進行核輻射條件下的兼容性測試,測試結果證明HRG完全可以在外太空或高輻射條件下應用.1987年,Delco公司與波音公司聯合在波音767商用運輸機上對采用HRG的捷聯導航系統進行了試驗,并獲得成功.1991年,以開發飛機導航用慣性參考裝置為宗旨的Carousel-400計劃啟動,采用6軸冗余設計的HRG158X由此研制成功.不久后又完成了基于HRG158Y的Carousel-404的設計,由德國漢莎航空公司的飛行測試表明,其導航精度優于0.8nmile/h.1991年,在波音747飛機上成功采用HRG慣導系統,連續飛行3000h無故障.海灣戰爭造成航空業的不景氣,使得HRG訂單遠低于預期,Delco公司被迫停止了HRG的生產.HRG 158X/HRG158Y如圖4所示[16-18].

1994年,Litton公司收購了Delco公司的慣性事業部,并對HRG投入了大量的資源支持,由此,HRG性能得到全面提升,產品也開始向更多應用領域拓展.HRG 130R在原有技術的基礎上,通過優化電極配置、采用新材料、減小尺寸等方法,滿足了石油鉆井行業對極端溫度(-40~155℃)下工作、可承受惡劣的環境(500g沖擊,30g-RMS隨機振動)的需求;由 HRG 130Y改進設計的 HRG 130P,通過金屬殼密封,消除氮滲漏問題,成為目前主推的HRG產品;Hubble HRG通過改進封裝工藝,最大限度地減少了輸出噪聲及熱干擾,最終滿足了哈勃太空望遠鏡的需求.1994-1995年,Draper實驗室對HRG130Y進一步升級,此后在海軍SP23戰略導彈導航部門與空軍彈道導彈辦公室的聯合支持下,包含4個HRG130Y的空間慣性基準單元(Space Inertial Reference Unit,SIRU)于1996年正式應用在外太空項目中,該系統在15年中任務成功概率高達0.998[19].由于SIRU性能良好,此后NEAR小行星登陸、水星探險、撞入彗星、商業通信衛星及CASSINI(2017年9月正式完成任務)的土星環繞任務、韋伯望遠鏡(預計2018年底發射)的導航系統都采用了SIRU系統.1999-2004年,為滿足魚叉Mk6LE系統要求,海軍對HRG130P進行了全面測試,包括長達100d的穩定性測試、標度因子線性度測試、振動測試、電磁特性測試等,測試結果表明,HRG130P完全滿足Mk6LE系統要求.HRG130P/HRG 130Y如圖5所示.

2.1.2 俄羅斯研究進展

在得知美國在HRG領域取得的成果后,蘇聯認為HRG為必須擁有的技術,此后大量科研單位參與研究.1985年,茹拉夫廖夫В.Ф.和克里莫夫Д.М.的基礎性專著《半球陀螺》奠定了理論基礎.而后,拉明斯克儀器制造設計局相繼完成了Φ100mm和Φ50mm的HRG的研制,零偏穩定性可達0.005(°)/h~0.01(°)/h.俄羅斯莫斯科機電自動化儀表研究所開發了Φ60mm和Φ25mm的HRG,零偏穩定性可達0.01(°)/h.俄羅斯 SIE Medicon研究了直徑為30mm的 HRG,并開發了獨特的調平技術,產品擬用于井斜測試.國立莫斯科羅蒙諾索夫大學、俄羅斯科學院莫斯科機械研究所、俄羅斯朱可夫斯基空軍工程研究院等對 HRG的振動模型進行了深入的研究,對改進HRG的設計極為關注.最新資料表明,近幾年來俄羅斯的半球陀螺研制取得了很大的進展,2002年底,俄羅斯拉明斯克設計局研制的以HRG構成的垂直導航系統已完成項目的全部論證,并考慮正式投入武器裝備應用.鑒于HRG的低成本、高可靠性的特點,俄羅斯慣導裝備開始大量裝備HRG.2003年起,蘇霍伊設計局生產的蘇系飛機,慣性系統將全部換裝為由HRG構成的慣性導航單元.近年來,隨著其航天工業的復蘇,HRG技術的研究也進一步加深和完善,HRG在俄羅斯各領域導航系統中仍然占據重要地位.

2.1.3 法國研究進展

Sagem公司(目前已被Safran集團收購)從20世紀90年代開始在法國國家空間研究中心和法國武器裝備部的大力支持下,開始對HRG技術進行研究.1994年,通過對幅度控制、速率控制、正交控制等技術的完善,最終完成了全角控制方案;1998年,通過使用高精度內圓磨床進行加工,采用輪廓儀、多普勒激光測振儀進行檢測,實現了高Q值諧振子的加工;2004年,使用同一組電機,回路間通過多種方式進行解耦,完成了高精度控制電路的設計;同年,HAMMER/AASM戰術級慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)成功應用在AASM(Modular Air-to-Ground Weapon)項目中,截止到2016年,該項目共使用超過4000只HRG,長期訂貨合同超過10000只;2007年,REGYS 20陀螺成功應用在Spacebus 4000、Alphabus等衛星項目中,截止到2014年,超過100只HRG(REGYS20)在超過8顆在軌衛星上使用,產品性能良好;2009年,采用激光、離子束進行調平、調頻,修正重心位置、Q值、頻差的非均勻性,完成了6自由度(自動化)調平;2010年,使用CA回路在線標定陀螺標度因數,利用控制回路冗余進行誤差在線標定,從此完成了HRG關鍵技術攻關.隨著HRG的完善,公司也不斷完善HRG尋北儀、慣導系統、羅盤技術,并根據陸地、海上、空中環境的不同,基于相同精度HRG陀螺開發不同類型的產品.2012年,STERNA尋北儀、Sigma20 M慣導、BlueNaute系列慣性導航產品成功應用在各種艦船及坦克項目中;2013年,SkyNaute慣導成功應用在商用航空領域;2015年,PRIMUS IMU成功應用在OEM領域;2016年,阿里安6型火箭采用SpaceNate慣導,預計將會在2020年完成首次發射,自2023年起每年進行11次發射.Sagem公司HRG技術的發展及產品應用情況如圖8所示[29].

2.2國內研究進展

19世紀80年代,受美俄在HRG領域研究進展的鼓舞,國內也開始展開研究,并取得了階段性成果.此后,由于海灣戰爭導致航空業不景氣,HRG訂單也受到了影響,國內對HRG的前景預期降低,HDR研究一度陷入停頓階段.直到十.五期間,國內有關HRG的研究開始步入正軌,中電26所、哈爾濱工業大學、哈爾濱工程大學、北京航空航天大學、國防科學技術大學、原第二炮兵學院、東南大學等多所研究所及高校展開理論研究,主要包括力學模型、信號檢測、誤差機理分析、振幅控制、動態建模、溫度特性以及應用層面進行理論分析及樣機研制,并取得了豐碩的理論成果.2002年,中電26所完成了第一個力平衡模式HRG樣機研制,此后,該所承擔了多項國家課題,攻克了諧振子加工平衡、電路優化設計、諧振子工藝等多項技術難點,實現了HRG產品在應用領域的突破;2012年10月,該所的半球諧振陀螺姿態控制系統成功完成為期2年的空間衛星飛行試驗;2015年,順利通過了國家863項目長壽命高可靠半球諧振陀螺項目驗收,該陀螺零偏穩定性為0.0016(.)/h,達到國際先進水平[1].上海航天控制技術研究所經過6年技術攻關,突破高精度敏感器件控制技術、溫度控制技術、信號采集處理技術等多項關鍵技術,實現HRG慣性系統自主研發,2018年在通信技術試驗衛星成功首飛[30].圖9為該系統展示圖.

半球諧振陀螺飛行試驗的成功,且能夠滿足一定的使用要求,但距離達到工程化、實用化還有相當長的距離,其原因在于半球諧振陀螺敏感表頭的制作過程中,誤差差異性較大,導致陀螺的一致性、可靠性問題較為突出.其中小批量生產中同一批次的陀螺敏感表頭品質因數和頻差相差較大,進而 直接影響陀螺性能的差異,影響半球諧振陀螺的共性與機理性研究.

隨著歐美國家對mHRG的研究不斷深入,國內也開始重視mHRG的研制.mHRG技術難點主要為微加工工藝,清華大學、兵器214所都在展開mHRG的研究,目前國內尚無關于mHRG樣機研制成功的報道.

3 HRG產品在海上應用及探討

隨著世界各國對海洋領域的不斷重視,各國海軍裝備技術發展如火如荼,各式新型艦艇不斷入列,相關艦載技術和武器裝備愈加先進.僅在2017年,英國伊麗莎白女王號航母正式加入英國海軍、英國新一代護衛艦上裝備的海上攔截者防空導彈系統首次發射、美國海軍第二艘朱姆沃爾特級驅逐艦進行了首次海試、美國和英國共同研發的哥倫比亞級新一代彈道導彈核潛艇已取代目前正在服役的俄亥俄級核潛艇、澳大利亞海軍新一代導彈驅逐艦霍巴特號正式加入現役、俄羅斯北風之神-A級潛艇首艇弗拉基米爾大公號在北方機器制造廠下水.2017年國內海軍裝備發展同樣精彩不斷,054A型護衛艦、056輕型護衛艦、052D型驅逐艦等先進艦艇批量服役,首艘國產航母入水、055型萬噸級驅逐艦下水、4萬噸級901型綜合補給艦服役、新型訓練艦戚繼光艦入列.隨著各國對先進海軍艦艇、裝備、技術的不斷投入,未來戰爭也將向著高技術、高可控、高度自動化、高對抗性、更廣闊空間、作戰方式多樣化等方向發展,因此,對武器系統提出了更高的要求,也對武器系統的核心部件-慣導系統提出了更高的要求.高精度、長航時、高可靠性、長壽命、抗電磁干擾等將是現在及未來慣導系統的不懈追求.目前,國內長時間連續工作導航設備中的陀螺主要為靜電陀螺、液浮陀螺、激光陀螺以及光纖陀螺.靜電陀螺及液浮陀螺精度較高,但存在體積大、結構復雜、可靠性低、帶寬和動態范圍窄等問題;激光陀螺及光纖陀螺精度潛力較高,且具有較高的性能、體積優勢,但精度易受電磁環境及溫度影響,同時由于組成器件較多,可靠性相對較差,海軍裝備的光學陀螺慣導系統通常采用冗余備份方案來解決可靠性不高的問題.同時,海軍武器及裝備對慣導系統提出了20年甚至更高的免維護要求,但受限于現有陀螺穩定性不高,尚無法滿足高可靠性、長壽命的要求,這將嚴重制約我國海軍武器裝備的研制及發展.因此,迅速開展長壽命、高可靠性的陀螺研究,對我國海軍武器裝備的發展,具有極其深遠的意義.HRG的高精度、高可靠性、長壽命等特點可滿足此要求,目前國外已有HRG成功應用在海軍裝備的成功先例.

在海上應用的HRG產品主要為Safran集團的BlueNaute系列慣導及羅盤產品.目前在全球出貨量已超過400套,成功應用在海上工程船舶、科學考察船、水下機器人、海警船、海上油氣平臺、后勤補給艦等多種平臺上,同時挪威、加拿大、法國、瑞典、以色列等多國海軍也在使用該系統,如圖10所示.

BlueNaute系列慣導系統主要針對常規海上任務的需求,尋北精度為0.4°~0.08°.采用激光陀螺的SIGMA 40系列產品則在工作條件惡劣、工作時間更長的情況下使用,如FREMM級護衛艦、Barracuda級潛艇.根據Safran官方最新資料顯示,SIGMA 40系列慣導系統將采用HRG替代激光陀螺,如圖11所示.

隨著國內海軍裝備的發展,各型作戰平臺及長航時武器設備對高精度、高可靠性、長壽命慣性導航設備有著迫切需求.美國在太空中成功應用HRG系統已經證明其具有極高可靠性,法國HRG在海洋領域的應用也為我國突破長航時、高可靠性 慣導系統的瓶頸提供了參考,因此,國內需繼續加強HRG的研發力度,早日實現海洋領域的應用.

4展望

國外HRG發展主要分為4個階段,第1階段以理論研究及原理樣機為主;第2階段以型號為背景,開展產品研究;第3階段,在型號基礎上,將典型產品系列化,推廣到更廣的應用領域;第4階段,與MEMS技術相結合開展更為深入的研究,以小型化、低成本、高性能為目標,開拓更廣闊的市場.目前,已成功在深空探測姿態參考、洲際彈道的升空和再入制導、定向鉆井方向控制和鉆井測量、潛艇艦船精確導航、人造地球衛星和宇宙飛船的姿態參考等領域成功應用,其發展及產品應用對我國HRG發展具有一定的指導及借鑒意義.

我國長航時武器系統及作戰平臺等對連續長時間工作、高可靠性、抗電磁特性的慣性產品需求仍然迫切,HRG自身特點可填補這一需求空白.目前,我國HRG還處于試驗階段,距離市場應用還有很長的路要走.對HRG的誤差建模技術、諧振子加工工藝、諧振子調平、高精度控制電路、微振動信號處理技術等關鍵技術有待進一步研究,與國外開展技術合作及引進、HRG理論研究、慣導/羅盤產品化的研究仍需同步開展,以爭取早日實現HRG的產品化及領域應用.

近10年來,國外HRG主要以微型化為研究方向,同時小型化、輕質化、低成本也成為目前慣性器件的重要發展方向,因此,小體積、微型化的 HRG仍然會是未來發展的重要方向.