半球谐振陀螺发展综述

帅 鹏,魏学宝,邓 亮

(1.装备采购中心,北京100071;2.北京自动化控制设备研究所,北京100074)

0引言

半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro,HRG)是一种没有高速转子和活动支承的振动陀螺,具有精度高、质量小、体积小、启动时间短、高过载(3000g)的特性,连续工作15年的可靠度高达0.995,被誉为最具潜力的哥式振动陀螺[1-3].国外HRG研制主要集中在美国、俄罗斯与法国这3个国家,于20世纪90年代在理论及应用上便已实现突破,目前已达到惯性级精度水平,并成功应用在各个领域.美国Northrop Grumman公司的HRG系统主要应用在对可靠性、抗电磁辐射要求较高的空间飞行器、卫星等项目中[4],根据最新数据(2018年初)统计,其HRG系统已在空间飞行超过4000万h,且100%任务成功;法国萨基姆公司的HRG系列产品已成功应用在卫星、陆用装备、海军装备、飞航导弹、石油探测等多个领域;俄罗斯HRG主要应用在通信卫星及武器系统中.国内HRG研制起步相对较晚,但在理论及试验验证等方面也取得了一定的成果,目前已经完成某些国家重大课题验收及卫星飞行试验.

1技术原理及优势

HRG的工作原理是基于半球壳谐振子绕中心轴旋转时产生的哥氏效应,而使其振型在环向相对壳体进动的物理机制.

图1所示为HRG工作原理.当壳体绕中心轴转过Φ角时,振型相对半球壳反向转过θ角,且有θ=KΦ,K为振型的进动因子.只要精确测出振型相对壳体转过的角度θ,就可测出壳体绕中心轴转过的角度[6-8].

HRG结构非常简单,如图2所示,基本组件为激振器(激励罩、激励电极)、一个由熔融石英材料制成的谐振子和检测器(读出电极、读出基座).因此,成本相对较低[9];装配完成后,整个陀螺形成一个完全固连的整体,这种固体化的结构可保证其能够承受3000g的冲击;选用元器件数量非常少,谐振子的振动仅有几微米,对结构不产生任何破坏,也不会产生应力集中,因此在结构上保证其具有极高的可靠性,HRG连续工作15年的可靠度高达0.995[10];工作原理为振动特性,在惯性作用下,当HRG断电15min依然可以完成角速率测量;部件主要为石英结构,且无热能、光源等器件,因此,抗电离辐射能力极强;其理论精度不受尺寸效应的限制,因此在同等精度陀螺中,具有一定的体积优势;通过控制电路,可实现在线标定陀螺漂移,减少后期的维护成本[11-13].

2国内外研究进展

2.1国外研究进展

国外最早研制HRG的国家主要为美国、俄罗斯及法国,目前HRG已成功应用在空间型号、飞机、导弹及海洋领域.此外,英国、日本等国家也有多家公司在研制HRG.

2.1.1 美国研究进展

1890年,G.H.Bryan发现在振动的壳体(高脚杯)旋转时,由于哥氏惯性力的作用,壳体壁挠性振动主振型的自振频率发生裂解,导致驻波既相对高脚杯又相对惯性空间进动,此理论奠定了HRG的基础.此后,A.Kalnin提出了薄壳型振子的振动理论,Chintsun对半球壳的轴对称和非轴对称振动的研究取得了一定的成果.1965年,Dr.David Lynch建立了第一个半球壳的振动理论模型,并利用振动金属环证明了G.H.Bryan论述的理论可行性.1975年,在美国海军的支持下,Delco公司采用低阻尼的熔融石英为谐振子材料,从而奠定了HRG能够达到高水平的陀螺的基础.经过不懈的努力,1979年成功研制Φ58mm的酒杯型Block 10 HRG,并成功申请了专利.1982年9月,性能更高的蘑菇型Block 20HRG问世,经海军测试,其精度优于1(°)/h,由此获得海军的认可,从而刺激了HRG的迅速发展.随着调平算法的发明,1983年,性能更高的双基振子的Block 30 HRG问世.Block系列产品如图3所示[14-15].

随着工艺和电子学水平的提高,HRG性能不断提升,1986年新一代HRG产品研制成功,主要包括可在恶劣条件下工作的HRG158,用于战略防御拦截导弹、战术导弹及返回式导弹的HRGR130和用于动力推进杀伤性武器的HRG115.1987-1990年,通过利用激光去除质量的谐振子平衡装 置、更新电路系统、改进工艺等,最终成功研制出体积更小、精度更高的HRG130T.同时在空军的支持下,对HRG进行核辐射条件下的兼容性测试,测试结果证明HRG完全可以在外太空或高辐射条件下应用.1987年,Delco公司与波音公司联合在波音767商用运输机上对采用HRG的捷联导航系统进行了试验,并获得成功.1991年,以开发飞机导航用惯性参考装置为宗旨的Carousel-400计划启动,采用6轴冗余设计的HRG158X由此研制成功.不久后又完成了基于HRG158Y的Carousel-404的设计,由德国汉莎航空公司的飞行测试表明,其导航精度优于0.8nmile/h.1991年,在波音747飞机上成功采用HRG惯导系统,连续飞行3000h无故障.海湾战争造成航空业的不景气,使得HRG订单远低于预期,Delco公司被迫停止了HRG的生产.HRG 158X/HRG158Y如图4所示[16-18].

1994年,Litton公司收购了Delco公司的惯性事业部,并对HRG投入了大量的资源支持,由此,HRG性能得到全面提升,产品也开始向更多应用领域拓展.HRG 130R在原有技术的基础上,通过优化电极配置、采用新材料、减小尺寸等方法,满足了石油钻井行业对极端温度(-40~155℃)下工作、可承受恶劣的环境(500g冲击,30g-RMS随机振动)的需求;由 HRG 130Y改进设计的 HRG 130P,通过金属壳密封,消除氮渗漏问题,成为目前主推的HRG产品;Hubble HRG通过改进封装工艺,最大限度地减少了输出噪声及热干扰,最终满足了哈勃太空望远镜的需求.1994-1995年,Draper实验室对HRG130Y进一步升级,此后在海军SP23战略导弹导航部门与空军弹道导弹办公室的联合支持下,包含4个HRG130Y的空间惯性基准单元(Space Inertial Reference Unit,SIRU)于1996年正式应用在外太空项目中,该系统在15年中任务成功概率高达0.998[19].由于SIRU性能良好,此后NEAR小行星登陆、水星探险、撞入彗星、商业通信卫星及CASSINI(2017年9月正式完成任务)的土星环绕任务、韦伯望远镜(预计2018年底发射)的导航系统都采用了SIRU系统.1999-2004年,为满足鱼叉Mk6LE系统要求,海军对HRG130P进行了全面测试,包括长达100d的稳定性测试、标度因子线性度测试、振动测试、电磁特性测试等,测试结果表明,HRG130P完全满足Mk6LE系统要求.HRG130P/HRG 130Y如图5所示.

2.1.2 俄罗斯研究进展

在得知美国在HRG领域取得的成果后,苏联认为HRG为必须拥有的技术,此后大量科研单位参与研究.1985年,茹拉夫廖夫В.Ф.和克里莫夫Д.М.的基础性专著《半球陀螺》奠定了理论基础.而后,拉明斯克仪器制造设计局相继完成了Φ100mm和Φ50mm的HRG的研制,零偏稳定性可达0.005(°)/h~0.01(°)/h.俄罗斯莫斯科机电自动化仪表研究所开发了Φ60mm和Φ25mm的HRG,零偏稳定性可达0.01(°)/h.俄罗斯 SIE Medicon研究了直径为30mm的 HRG,并开发了独特的调平技术,产品拟用于井斜测试.国立莫斯科罗蒙诺索夫大学、俄罗斯科学院莫斯科机械研究所、俄罗斯朱可夫斯基空军工程研究院等对 HRG的振动模型进行了深入的研究,对改进HRG的设计极为关注.最新资料表明,近几年来俄罗斯的半球陀螺研制取得了很大的进展,2002年底,俄罗斯拉明斯克设计局研制的以HRG构成的垂直导航系统已完成项目的全部论证,并考虑正式投入武器装备应用.鉴于HRG的低成本、高可靠性的特点,俄罗斯惯导装备开始大量装备HRG.2003年起,苏霍伊设计局生产的苏系飞机,惯性系统将全部换装为由HRG构成的惯性导航单元.近年来,随着其航天工业的复苏,HRG技术的研究也进一步加深和完善,HRG在俄罗斯各领域导航系统中仍然占据重要地位.

2.1.3 法国研究进展

Sagem公司(目前已被Safran集团收购)从20世纪90年代开始在法国国家空间研究中心和法国武器装备部的大力支持下,开始对HRG技术进行研究.1994年,通过对幅度控制、速率控制、正交控制等技术的完善,最终完成了全角控制方案;1998年,通过使用高精度内圆磨床进行加工,采用轮廓仪、多普勒激光测振仪进行检测,实现了高Q值谐振子的加工;2004年,使用同一组电机,回路间通过多种方式进行解耦,完成了高精度控制电路的设计;同年,HAMMER/AASM战术级惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)成功应用在AASM(Modular Air-to-Ground Weapon)项目中,截止到2016年,该项目共使用超过4000只HRG,长期订货合同超过10000只;2007年,REGYS 20陀螺成功应用在Spacebus 4000、Alphabus等卫星项目中,截止到2014年,超过100只HRG(REGYS20)在超过8颗在轨卫星上使用,产品性能良好;2009年,采用激光、离子束进行调平、调频,修正重心位置、Q值、频差的非均匀性,完成了6自由度(自动化)调平;2010年,使用CA回路在线标定陀螺标度因数,利用控制回路冗余进行误差在线标定,从此完成了HRG关键技术攻关.随着HRG的完善,公司也不断完善HRG寻北仪、惯导系统、罗盘技术,并根据陆地、海上、空中环境的不同,基于相同精度HRG陀螺开发不同类型的产品.2012年,STERNA寻北仪、Sigma20 M惯导、BlueNaute系列惯性导航产品成功应用在各种舰船及坦克项目中;2013年,SkyNaute惯导成功应用在商用航空领域;2015年,PRIMUS IMU成功应用在OEM领域;2016年,阿里安6型火箭采用SpaceNate惯导,预计将会在2020年完成首次发射,自2023年起每年进行11次发射.Sagem公司HRG技术的发展及产品应用情况如图8所示[29].

2.2国内研究进展

19世纪80年代,受美俄在HRG领域研究进展的鼓舞,国内也开始展开研究,并取得了阶段性成果.此后,由于海湾战争导致航空业不景气,HRG订单也受到了影响,国内对HRG的前景预期降低,HDR研究一度陷入停顿阶段.直到十.五期间,国内有关HRG的研究开始步入正轨,中电26所、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、北京航空航天大学、国防科学技术大学、原第二炮兵学院、东南大学等多所研究所及高校展开理论研究,主要包括力学模型、信号检测、误差机理分析、振幅控制、动态建模、温度特性以及应用层面进行理论分析及样机研制,并取得了丰硕的理论成果.2002年,中电26所完成了第一个力平衡模式HRG样机研制,此后,该所承担了多项国家课题,攻克了谐振子加工平衡、电路优化设计、谐振子工艺等多项技术难点,实现了HRG产品在应用领域的突破;2012年10月,该所的半球谐振陀螺姿态控制系统成功完成为期2年的空间卫星飞行试验;2015年,顺利通过了国家863项目长寿命高可靠半球谐振陀螺项目验收,该陀螺零偏稳定性为0.0016(.)/h,达到国际先进水平[1].上海航天控制技术研究所经过6年技术攻关,突破高精度敏感器件控制技术、温度控制技术、信号采集处理技术等多项关键技术,实现HRG惯性系统自主研发,2018年在通信技术试验卫星成功首飞[30].图9为该系统展示图.

半球谐振陀螺飞行试验的成功,且能够满足一定的使用要求,但距离达到工程化、实用化还有相当长的距离,其原因在于半球谐振陀螺敏感表头的制作过程中,误差差异性较大,导致陀螺的一致性、可靠性问题较为突出.其中小批量生产中同一批次的陀螺敏感表头品质因数和频差相差较大,进而 直接影响陀螺性能的差异,影响半球谐振陀螺的共性与机理性研究.

随着欧美国家对mHRG的研究不断深入,国内也开始重视mHRG的研制.mHRG技术难点主要为微加工工艺,清华大学、兵器214所都在展开mHRG的研究,目前国内尚无关于mHRG样机研制成功的报道.

3 HRG产品在海上应用及探讨

随着世界各国对海洋领域的不断重视,各国海军装备技术发展如火如荼,各式新型舰艇不断入列,相关舰载技术和武器装备愈加先进.仅在2017年,英国伊丽莎白女王号航母正式加入英国海军、英国新一代护卫舰上装备的海上拦截者防空导弹系统首次发射、美国海军第二艘朱姆沃尔特级驱逐舰进行了首次海试、美国和英国共同研发的哥伦比亚级新一代弹道导弹核潜艇已取代目前正在服役的俄亥俄级核潜艇、澳大利亚海军新一代导弹驱逐舰霍巴特号正式加入现役、俄罗斯北风之神-A级潜艇首艇弗拉基米尔大公号在北方机器制造厂下水.2017年国内海军装备发展同样精彩不断,054A型护卫舰、056轻型护卫舰、052D型驱逐舰等先进舰艇批量服役,首艘国产航母入水、055型万吨级驱逐舰下水、4万吨级901型综合补给舰服役、新型训练舰戚继光舰入列.随着各国对先进海军舰艇、装备、技术的不断投入,未来战争也将向着高技术、高可控、高度自动化、高对抗性、更广阔空间、作战方式多样化等方向发展,因此,对武器系统提出了更高的要求,也对武器系统的核心部件-惯导系统提出了更高的要求.高精度、长航时、高可靠性、长寿命、抗电磁干扰等将是现在及未来惯导系统的不懈追求.目前,国内长时间连续工作导航设备中的陀螺主要为静电陀螺、液浮陀螺、激光陀螺以及光纤陀螺.静电陀螺及液浮陀螺精度较高,但存在体积大、结构复杂、可靠性低、带宽和动态范围窄等问题;激光陀螺及光纤陀螺精度潜力较高,且具有较高的性能、体积优势,但精度易受电磁环境及温度影响,同时由于组成器件较多,可靠性相对较差,海军装备的光学陀螺惯导系统通常采用冗余备份方案来解决可靠性不高的问题.同时,海军武器及装备对惯导系统提出了20年甚至更高的免维护要求,但受限于现有陀螺稳定性不高,尚无法满足高可靠性、长寿命的要求,这将严重制约我国海军武器装备的研制及发展.因此,迅速开展长寿命、高可靠性的陀螺研究,对我国海军武器装备的发展,具有极其深远的意义.HRG的高精度、高可靠性、长寿命等特点可满足此要求,目前国外已有HRG成功应用在海军装备的成功先例.

在海上应用的HRG产品主要为Safran集团的BlueNaute系列惯导及罗盘产品.目前在全球出货量已超过400套,成功应用在海上工程船舶、科学考察船、水下机器人、海警船、海上油气平台、后勤补给舰等多种平台上,同时挪威、加拿大、法国、瑞典、以色列等多国海军也在使用该系统,如图10所示.

BlueNaute系列惯导系统主要针对常规海上任务的需求,寻北精度为0.4°~0.08°.采用激光陀螺的SIGMA 40系列产品则在工作条件恶劣、工作时间更长的情况下使用,如FREMM级护卫舰、Barracuda级潜艇.根据Safran官方最新资料显示,SIGMA 40系列惯导系统将采用HRG替代激光陀螺,如图11所示.

随着国内海军装备的发展,各型作战平台及长航时武器设备对高精度、高可靠性、长寿命惯性导航设备有着迫切需求.美国在太空中成功应用HRG系统已经证明其具有极高可靠性,法国HRG在海洋领域的应用也为我国突破长航时、高可靠性 惯导系统的瓶颈提供了参考,因此,国内需继续加强HRG的研发力度,早日实现海洋领域的应用.

4展望

国外HRG发展主要分为4个阶段,第1阶段以理论研究及原理样机为主;第2阶段以型号为背景,开展产品研究;第3阶段,在型号基础上,将典型产品系列化,推广到更广的应用领域;第4阶段,与MEMS技术相结合开展更为深入的研究,以小型化、低成本、高性能为目标,开拓更广阔的市场.目前,已成功在深空探测姿态参考、洲际弹道的升空和再入制导、定向钻井方向控制和钻井测量、潜艇舰船精确导航、人造地球卫星和宇宙飞船的姿态参考等领域成功应用,其发展及产品应用对我国HRG发展具有一定的指导及借鉴意义.

我国长航时武器系统及作战平台等对连续长时间工作、高可靠性、抗电磁特性的惯性产品需求仍然迫切,HRG自身特点可填补这一需求空白.目前,我国HRG还处于试验阶段,距离市场应用还有很长的路要走.对HRG的误差建模技术、谐振子加工工艺、谐振子调平、高精度控制电路、微振动信号处理技术等关键技术有待进一步研究,与国外开展技术合作及引进、HRG理论研究、惯导/罗盘产品化的研究仍需同步开展,以争取早日实现HRG的产品化及领域应用.

近10年来,国外HRG主要以微型化为研究方向,同时小型化、轻质化、低成本也成为目前惯性器件的重要发展方向,因此,小体积、微型化的 HRG仍然会是未来发展的重要方向.