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國內(nèi)外激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用概況分析

國內(nèi)外激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用概況分析

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  • 發(fā)布時間:2021-01-12
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【概要描述】1913年,法國科學(xué)家Sagnac進(jìn)行了環(huán)形光路中外界轉(zhuǎn)動引起干涉條紋變化的實驗,并從理論上對此現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,提出了著名的sagnac效應(yīng) 。

國內(nèi)外激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用概況分析

【概要描述】1913年,法國科學(xué)家Sagnac進(jìn)行了環(huán)形光路中外界轉(zhuǎn)動引起干涉條紋變化的實驗,并從理論上對此現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,提出了著名的sagnac效應(yīng) 。

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  一 激光陀螺發(fā)展歷史

  1913年,法國科學(xué)家Sagnac進(jìn)行了環(huán)形光路中外界轉(zhuǎn)動引起干涉條紋變化的實驗,并從理論上對此現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,提出了著名的sagnac效應(yīng) 。但是,隨后很長一段時間里,由于沒有合適的相干光源,光學(xué)Sagnac效應(yīng)的研究基本上沒有任何進(jìn)展。直到1960年,激光在世界上首次出現(xiàn),激光陀螺作為激光技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域成為世界各國研究的熱點。1961年,美國科學(xué)家C.V。Heer在美國物理學(xué)會上發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)激光陀螺的報道。他介紹了采用測量環(huán)形激光諧振腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的正反兩束激光之間的頻率差來感知外界輸入角速率的變化口 。隨后,美國斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺儀的實驗裝置。1966年,美國霍尼威爾公司開始使用石英作腔體,并研究出交變機(jī)械抖動偏頻法,使這項技術(shù)有了實用的可能。經(jīng)過40多年的發(fā)展和完善,目前,激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍用和民用方面。在我國,二頻機(jī)抖激光陀螺技術(shù)也已基本成熟,將作為未來信息化武器裝備的關(guān)鍵器件。

  二 激光陀螺優(yōu)點

  傳統(tǒng)的陀螺儀利用高速轉(zhuǎn)動的機(jī)械轉(zhuǎn)子的定向性和進(jìn)動性來測定相對于慣性空間的轉(zhuǎn)速和方位。但 E是由于高速轉(zhuǎn)子的存在所帶來的缺陷,如不耐沖擊振動,何加速度效應(yīng)等等,使其在慣性導(dǎo)航中的應(yīng)用受到了限制,妨礙了進(jìn)一步的發(fā)展 。而激光陀螺的工作原理與常規(guī)機(jī)電陀螺完全不同,它具有下列優(yōu)點:

  1.性能穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng)。激光陀螺由于沒有高速轉(zhuǎn)子,因而堅固可靠、耐沖擊振動、抗加速度性能好。

  2.精度高。美國的高精度激光陀螺達(dá)到0.0005°/h,中高精度產(chǎn)品的零漂在0.001°-,0.01°/h之間。

  3.動態(tài)范圍寬,可測動態(tài)轉(zhuǎn)速范圍高。

  4.壽命長。可靠性好。國外產(chǎn)品的壽命已達(dá)10萬小時以上,平均無故障時間(MTBF)優(yōu)于1萬小時

  5.標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定。國外激光陀螺的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定度高達(dá)1ppm,國內(nèi)激光陀螺的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定度也己達(dá)到10 ppm。

  6.啟動迅速。由于沒有象機(jī)電陀螺一樣存在馬達(dá)的啟動與穩(wěn)定問題,激光陀螺啟動后可短時間內(nèi)(3-8s)輸出信息。

  7.數(shù)字量輸出、無需模數(shù)轉(zhuǎn)換。激光陀螺的輸出信號是脈沖形式,對脈沖進(jìn)行計數(shù)就得到對應(yīng)轉(zhuǎn)動角度的數(shù)字量,便于計算機(jī)處理,不需要高精度的AD電路。

  8.對于同樣的精度和性能要求,激光陀螺的成本比機(jī)電陀螺低。

  9.功耗低,體積小,重量輕。

  10.既是速率陀螺,也是位置陀螺。使用靈活,應(yīng)用范圍廣。

  三 國外激光陀螺應(yīng)用情況

  目前世界上研制和生產(chǎn)激光陀螺及其系統(tǒng)的主要國家有美,英、德、法、日本和俄羅斯,其中美國和法國研制的水平最高,激光陀螺技術(shù)發(fā)展很成熟,并形成了二頻機(jī)抖、四頻差動、空間三軸、塞曼陀螺等不同類犁的系列產(chǎn)品,目前已經(jīng)達(dá)到最高水平的零漂值為0。00015。/h,輸入速率動態(tài)范圍±1500。/s,使用壽命20萬小時以上,輸入軸對準(zhǔn)穩(wěn)定度達(dá)到微弧量級 。

  美國研制激光陀螺儀的廠家有霍尼威爾,利頓、斯佩里和辛格?;鶢柛L氐裙?。斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺儀的實驗裝置。1972年,霍尼威爾公司研制出GO-1300型激光陀螺儀。1974年美國國防部下令海軍和空軍聯(lián)合制定研究計劃,1975年在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)試飛成功,1976年在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈試驗成功。此后,激光陀螺儀在航空,航天、航海、戰(zhàn)車定位定向方面廣泛應(yīng)用。

  法國SEXTANT公司在1972年開始研究激光陀螺儀,成功應(yīng)用于“美洲虎”直升機(jī)、ANS超音速導(dǎo)彈和“阿里安’'4火箭,并在法國未來戰(zhàn)略導(dǎo)彈項目上中標(biāo)。SAGEM公司從1977年開始研究環(huán)行激光陀螺儀,應(yīng)用于航空及潛水艇的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng);其生產(chǎn)的GLCl6型樣機(jī)主要用于直升機(jī)和小型運(yùn)載火箭的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。1994年2月,日本H2運(yùn)載火箭呼嘯升空,激光陀螺首次在航天運(yùn)載器中取代撓性陀螺。,國外激光陀螺實用產(chǎn)品精度性能參數(shù)如表1。1所示

  美軍現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)、航空制導(dǎo)武器等大多都裝備了激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。為了提高激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度和可靠性,美軍采用GPS與之進(jìn)行組合來提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度,這樣就可以通過低成本、中等精度的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS組合得到高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)。在科索沃戰(zhàn)爭中,美軍使用的各類作戰(zhàn)飛機(jī)、戰(zhàn)斧I(xiàn)I型巡航導(dǎo)彈,GBU-15航窄制導(dǎo)炸彈等均采用激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)采用P(Ⅵ碼GPS時,組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度可以達(dá)到8m(CEP)??扑魑謶?zhàn)爭后,美軍加大了激光陀螺捷聯(lián)慣WGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的生產(chǎn)量,以滿足制導(dǎo)武器的需求。并且美軍計劃在未來十年里將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度提高到3m(CEP)。

  四 國內(nèi)激光陀螺應(yīng)用情況

  國內(nèi)激光陀螺起步于六十年代,大約七十年代初,清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、蘇州第一光學(xué)儀器。,中國計量科學(xué)院、航空部303所先后開始了激光陀螺的研究,曾進(jìn)行過抖動偏頻、四頻差動激光陀螺的方案與實驗,同時對激光陀螺的基本理論進(jìn)行了探討。八十年代,航空部618所、航天部12所、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等開始了第一輪的激光陀螺研究。到“八五’期間,國防科技大學(xué)。航空部618所先后進(jìn)行了技術(shù)鑒定。“九五”期間及以后,國內(nèi)進(jìn)行激光陀螺元件與整機(jī)研制的單位主要是:中國航空工業(yè)總司618所和國防科技大學(xué)。在激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)技術(shù)研究領(lǐng)域,國內(nèi)起步于80年代初期,80年末開始從前蘇聯(lián)引進(jìn)少量二頻機(jī)抖激光陀螺開展關(guān)鍵技術(shù)的研究工作,國產(chǎn)激光陀螺樣機(jī)研制成功后則轉(zhuǎn)向主要針對國產(chǎn)激光陀螺開展系統(tǒng)研究工作。

  發(fā)展至今,國產(chǎn)激光陀螺已成功應(yīng)用于現(xiàn)役武器裝備改造和新型武器系統(tǒng)研制。八五”初期,國防科技大學(xué)率先引進(jìn)俄羅斯生產(chǎn)的KM2型二頻機(jī)抖激光陀螺,研制出國內(nèi)第一套激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng),并成功應(yīng)用于無人駕駛核化偵察裝甲車。之后,又引進(jìn)俄羅斯生產(chǎn)的 e3二頻機(jī)抖激光陀螺研制出激光陀螺定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)。成功應(yīng)用于軍用機(jī)器人系統(tǒng)。同期研制的激光陀螺捷聯(lián)慣性定位定向系統(tǒng)樣機(jī)也已成功應(yīng)用于”,陣地聯(lián)測子系統(tǒng),解決了武器系統(tǒng)在復(fù)雜氣象、地理環(huán)境下的定位、定向、導(dǎo)航問題,提高了部隊的反應(yīng)能力 ,目前國防科大等科研院所也在開展遠(yuǎn)程彈載,船(艇)載激光陀螺捷聯(lián)慣性測量組合系統(tǒng)的研究

 

中科科美制造陀螺混氣臺

  我國作為發(fā)展中國家,樹立了打贏高技術(shù)條件下局部戰(zhàn)爭為目標(biāo)的戰(zhàn)爭觀,這就決定了我軍裝備發(fā)展中必須堅持有所為和有所不為發(fā)展策略。而有所為的核心是必須首先對空中來犯之?dāng)辰o予有效打擊。要達(dá)到這一基本目的就必須強(qiáng)化空空、面空、地空、艦空等戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器的發(fā)展和強(qiáng)化獲得這些武器使用的平臺和信息的技術(shù)。同時必須具有一定的威懾反擊能力,相應(yīng)地加強(qiáng)地地導(dǎo)彈、反艦武器的發(fā)展。

  國外上述戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器的裝備和發(fā)展中。幾乎無一例外地均采用了慣性測量單元(IMU)作為中制導(dǎo)的核心部件。通過慣性+GPS,慣性+無線電指令,慣性+雷達(dá),慣性+紅外/激光,慣性+圖象等等實現(xiàn)了導(dǎo)彈的精確打擊和智能化,實現(xiàn)了離軸發(fā)射和發(fā)射后不管的新空戰(zhàn)模式,實現(xiàn)了面防空和面反導(dǎo)的能力。其典型裝備如戰(zhàn)斧、愛國者、AM。1 20、HUMRAAM(高機(jī)動車載防空系統(tǒng))、R.27、R.77、PBB—AE、S-300、X-59、花崗巖、SS。N。12、捕鯨叉、米卡,箭1/2等等。

  因此慣性測量單元(IMU)已經(jīng)成為戰(zhàn)術(shù)武器的核心傳感器,已成為當(dāng)今高技術(shù)武器裝備中必須優(yōu)先發(fā)展和大力加強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)和環(huán)節(jié)。

  我國目前的戰(zhàn)術(shù)武器的慣性技術(shù)主要基于撓性陀螺,存在最大的問題是動態(tài)范圍小、準(zhǔn)備時間長、環(huán)境適應(yīng)性差、可靠性低和標(biāo)校周期短。

  基于激光陀螺的慣性測量單元恰好可以較為有效地解決上述問題。

  國內(nèi)激光陀螺經(jīng)過20余年的研制,逐漸形成了多個研制核心,個別單位目前已經(jīng)形成了一定的小批量生產(chǎn)能力。其中618所為某重點戰(zhàn)機(jī)型號配套的激光陀螺組合已經(jīng)批量交付。航天33所為某重點型號配套激光陀螺已經(jīng)進(jìn)行了靶試,航天13所的慣導(dǎo)系統(tǒng)也進(jìn)行了試飛。。目前我國除飛機(jī)外,近程地地導(dǎo)彈、中程空空導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈、艦空導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、魚雷武器、等多種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器應(yīng)用對激光陀螺慣性測量單元都有強(qiáng)烈需求

  我國研制生產(chǎn)的激光陀螺性能也達(dá)到了一定水平,如618所 研制的激光陀螺由于采用了微處理器電子控制模塊,使激光陀螺的尺寸和重量都到了減少,同時還擴(kuò)大了激光陀螺的工作溫度范圍,提高了漂移的重復(fù)性,達(dá)到0.01°~0.005°/h同時還減少了激光陀螺的隨機(jī)游走,達(dá)到0.002°~0.003°/h(指標(biāo)對比參加表1)

  五 激光陀螺生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備

  在激光陀螺生產(chǎn)過程中,會用到陀螺儀表檢測裝置、陀螺儀充油裝置、陀螺儀充排氣臺、高真空釬焊退火爐等,北京中科科美科技股份有限公司是國內(nèi)最早從事陀螺儀表生產(chǎn)裝備制造廠商,其生產(chǎn)的設(shè)備廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各個陀螺生產(chǎn)企業(yè)幾研究所。陀螺儀表生產(chǎn)裝備市場占有率超過80%。以下是幾種關(guān)鍵陀螺生產(chǎn)設(shè)備簡介

  5.1陀螺儀專用檢測裝置

  用于陀螺儀除氣、充氣及密封檢漏。廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等軍工業(yè)及民用領(lǐng)域。該系統(tǒng)具有防爆安全措施;系統(tǒng)采用濾油裝置,具有環(huán)保措施,泵的排氣口裝有防毒過濾器。

 

 

  技術(shù)參數(shù)

  1.系統(tǒng)極限真空度:1×10-5Pa;

  2.系統(tǒng)工作真空度:1×10-4Pa;

  3.系統(tǒng)漏氣率:≤1×10-10Pa•m3/s;

  4.系統(tǒng)放氣率:≤1×10-7Pa•m3/s;

  5.充氣壓力范圍: 100Pa-100kPa;

  6.系統(tǒng)連續(xù)工作時間:≥36 h;

  7.真空儲存罐耐壓:≤20atm;

  8.真空儲存罐內(nèi)氣體露點≤-65℃。

  5.2陀螺儀真空滴油臺

  應(yīng)用領(lǐng)域

  高真空滴油臺可提供一個清潔無油的高真空環(huán)境,可用于精密儀表、陀螺、精密傳感器和變送器等需要充注高純度油的器件上,實現(xiàn)其加熱除氣及充油。

 

 

  技術(shù)參數(shù)

  1.空載冷態(tài)極限真空:優(yōu)于5.0×10-5Pa;

  2.加熱溫度:20℃~600℃;

  3.充油速度可控:1~10滴/分(可調(diào))或根據(jù)要求定制。

  5.3激光陀螺充排氣臺

  應(yīng)用概述

  主要用于激光陀螺諧振腔陰極的真空處理。具有無油蒸汽污染,排氣速度快,極限真空度高等特點,而且具有停水、停電自動保護(hù)報警和系統(tǒng)過壓保護(hù)功能。

 

 

  技術(shù)參數(shù)

  1.系統(tǒng)極限真空度:5×10-7Pa;

  2.鐘罩極限真空度:5×10-4 Pa;

  3.烘烤溫度:400℃可控可調(diào);

  4.鐘罩內(nèi)徑:定制;

  5.提升高度:按需求;

  6.工件個數(shù):5-10個;

  5.4高真空釬焊退火爐系統(tǒng)

  產(chǎn)品描述

  該系列設(shè)備主要用于陀螺儀表,在真空環(huán)境下做釬焊、退火等工藝處理。

 

 

  技術(shù)參數(shù)

  1.系統(tǒng)極限真空度5×10-5Pa;

  2.工作真空度1×10-4Pa。

  3.系統(tǒng)漏率≤1×10-10Pam3/S;

  4.最高加熱溫度≥1000℃;

  5.升溫速率0.5~10℃/min;

  6.溫度均勻性≤±5℃;

  7.控溫精度≤±2℃;

  8.均溫區(qū)范圍≥∅250mm×400mm。

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