Способ устранения тренда в модуляционном гироскопе

Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано в системах инерциального управления объектами. Специальный режим термообработки ротора гироскопа, изготовленного из дисперсионно-твердеющего элинвара, позволяет получить условие динамической настройки гироскопа, инвариантное к температуре окружающей среды в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 80°C. Выполненная в ампуле гироскопа операция вакуумного оксидирования позволяет сохранить вакуум в ампуле. Техническим результатом изобретения является повышение точности гироскопа. 1 ил.

 

Изобретение относятся к гироскопии и может быть использовано в системах инициального управления наземными, подземными, подводными, надводными и воздушными объектами.

Известен динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ), содержащий корпус, ротор и датчик угла закрепленные во вращающейся герметичной ампуле, электропривод, высокоскоростные газодинамические опоры, опорные поверхности которых выполнены в корпусе полусферическими, устройство передачи информации от датчика к корпусу и устройства передачи энергии от корпуса [Патент на изобретение RU 2101679, G 01 C 19/56]. Во внутренней полости первого фланца установлены герметичная ампула и преобразователь сигнала датчика угла в код, а во внутреннюю полость второго фланца установлены элементы электропривода и генератора опорных импульсов. В указанном ДНГ реализован ампульный вариант герметизации ротора, съем сигнала с ротора и управление ротором во вращающейся системе координат, а также применение газодинамических сферических опор, которое стало возможным вследствие разделения полостей, содержащих ротор и газодинамическую опору (опора работает на воздухе, а ротор - в вакууме или сильно разреженной среде), и модуляционный (колебательный) принцип работы ротора гироскопа.

Со временем в гироскопе происходит нарушение состояния вакуума в полости, содержащей ротор, что приводит к нарушению режима работы ДНГ. Для устранения этого недостатка были применены геттеры (газопоглотители), лазерная сварка крышки и корпуса ампулы лазерным швом на материале 12Х18Н10Т, а также лазерная герметизация ампулы, сварка внутри ампулы в сочетании с ультразвуковой промывкой в среде трихлорэтилена. Но все эти меры не позволили преодолеть данный недостаток.

Кроме того, указанному ДНГ свойственна сильная зависимость его точностных параметров от температуры, не смотря на то, что ротор гироскопа сделан из дисперсионно-твердеющего элинвара, причем торсионы и сам ротор сделаны из одного и того же материала за одно целое.

Перечисленные недостатки снижают точность гироскопа за счет возникновения тренда (накапливающего дрейфа), который присущ всем без исключения гироскопам.

Техническим результатом изобретения является повышение точности гироскопа за счет устранения тренда (медленного изменения точностного параметра со временем) путем обеспечения стабильности вакуума в рабочей ампуле гироскопа и термообработки ротора гироскопа.

Указанный результат достигается за счет термообработки ротора модуляционного гироскопа, изготовленного из материала 45НХТЮ (дисперсионно-твердеющего элинвара), осуществляемой путем закалки, выдержки и отжига, при которой с целью устранения температурного дрейфа осуществляют закалку при температуре 950°С и выдержке 25 минут, выдержку при температуре 700°С в течение 4 часов и стабилизирующий отжиг в вакууме 10^-3 мм рт.столба при температуре 300°С с последующей выдержкой в течение 4 часов, охлаждением с печью до 150°С, далее на воздухе.

Указанный результат достигается тем, что обеспечивают стабильность вакуума в рабочей ампуле гироскопа за счет исключения органических веществ из полости, содержащей ротор, откачки воздуха из ампулы до остаточного давления (1÷2)·10^-4 мм рт.столба, лазерной герметизации ампулы в момент откачки и вакуумного оксидирования внутренней поверхности титановых стенок ампулы по следующему режиму: промывка в нефрасе, вакуумное обезгаживание в вакууме (1÷2)·10^-2 мм. рт.столба при температуре 600÷650°С в течение 2 часов, остывание с печью до 100°С, далее на воздухе.

На чертеже представлена конструкция модуляционного гироскопа. Ротор 1, имеющий неравные экваториальные моменты инерции и равножесткий упругий подвес крестообразного профиля сечения торсионов с вырожденным промежуточным кольцом, помещен в вакуумированную вращающуюся вместе с ротором ампулу 2, приводимую во вращение с помощью торцевого электрического вентильного двигателя 3 с резонансной угловой скоростью Ω. Устройство съема информации с ротора выполнено во вращающейся вместе с ротором системе координат в виде емкостного датчика угла 4, емкостно-частотного преобразователя (ЕЧП) 5, токоподвода-токосъема 6, служащего для запитки ЕЧП и съема информации с ротора. Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) 7 вместе с двумя электронными диодами, конструктивно входящими в ЕЧП, и двумя электромагнитами 8 служит для управления ротором во вращающейся системе координат. Электромагнитные датчики момента гироскопа не чувствительны к знаку управления, поэтому на их входе стоят электронные диоды, которые одну половину синусоиды подают на один электромагнит, а другую половину синусоиды - на другой. Генераторы опорных импульсов (ГОИ) 9, формируют опорное напряжение для разложения сигнала на две составляющие. Такой гироскоп имеет две оси чувствительности и может заменить собой два классических гироблока.

Модуляционный гироскоп основан на модуляционном принципе действия, который заключается в формировании прикладываемых к ротору модуляционного гироскопа модулированных внешних моментов с помощью неравенства экваториальных моментов инерции ротора. Точность гироскопа зависит от температуры окружающей среды, которая для гироскопа установлена в пределах от минус 50 до плюс 80°С. Ротор гироскопа сделан из дисперсионно-твердеющего элинвара (45НХТЮ), жесткость которого при нагревании увеличивается, в отличие от обычных металлов, жесткость которых падает с увеличением температуры. Исследования показали, что, несмотря на это, температурный дрейф при изменении температуры имеет место. При нагревании моменты инерции ротора увеличиваются. Это увеличение можно скомпенсировать следующим образом.

Условие резонансной настройки гироскопа (обозначим его символом Δ) без учета промежуточного кольца имеет вид

где К - крутильная жесткость пары соосных торсионов;

J_x, J_y, J_z - осевой и экваториальные моменты инерции ротора соответственно;

Ω - угловая скорость собственного вращения ротора.

Найдем частную производную от этого выражения при изменении температуры окружающей среды:

где γ_Е - температурный коэффициент модуля упругости;

α_t - коэффициент линейного расширения материала торсионов. Знак "+", стоящий перед членом К·γ_Е в уравнении (2), указывает на то, что с ростом температуры частота растет. Для того, чтобы модуляционный гироскоп был инвариантен (невосприимчив) к изменению температуры, необходимо чтобы

Подставляя формулу (2) в (3) с учетом (1), получаем

откуда

Условие (4) можно выполнить при использовании сплава типа элинвар и подборе специального режима термообработки. Сплав 45НХТЮ, из которого изготовлены роторы, относится к категории дисперсионно-твердеющих элинваров, упрочняющихся при термостарении. Он отличается сложным комплексом физических и механических свойств, главные из которых:

- низкий коэффициент линейного расширения;

- стабильность геометрических размеров;

- высокая прочность, малый температурный коэффициент модуля

упругости (γ_Е) и т.д.

Путем подбора режима термообработки была установлена возможность получения соотношения температурного коэффициента модуля упругости и коэффициента линейного расширения, близкого к единице. При закалке при температуре 950°С и отпуске при температуре около 700°С значение температурного коэффициента модуля упругости находится в интервале минус (2÷6)·10^-6 1/град, а значение коэффициента линейного расширения при указанных режимах составляет порядка плюс (4-6)·10^-6 1/град. Отношение температурного коэффициента модуля упругости к коэффициенту линейного расширения, равное минус единице, было получено на сплаве 45НХТЮ на специальных образцах. Закалка осуществлялась при температуре 950°С, среда нагрева образцов при закалке - окислительная, время выдержки при закалке 25 минут, среда охлаждения - подсоленная вода. Выдержка осуществлялась при температуре 700°С в течение 4 часов. Твердость HRC 35-37 единиц. После окончания механической обработки производился стабилизирующий отжиг в вакууме 10^-3 мм. рт.столба при температуре 300°С, далее выдержка 4 часа, охлаждение с печью до 150°С, далее на воздухе.

Полученные результаты были проверены экспериментально. Испытания показали отсутствие зависимости изменений параметров в роторе от температуры на уровне уходов 0,005°/час.

Для решения проблемы сохранения вакуума в полости, содержащей ротор, применялось изготовление ампулы и всего модуляционного гироскопа из титана типа ВТ-5, поскольку известно, что титан является пассивным геттером (газопоглотителем). Технология изготовления гермовыводов из титана позволила частично решить проблему вакуума на срок 2-3 месяца, после чего постоянная времени гироскопа "τ" снова падала. Постоянная времени "τ" является одним из параметров, определяющих точность гироскопа:

где ω_др - дрейф гироскопа, α_ст - статическая ошибка системы стабилизации или арретирования. Таким образом, постоянная времени "τ" входит в формулу, определяющую дрейф гироскопа. Исследования показали, что причиной газовыделения является сам титан, имеющий пористую структуру. Титан поглощает водород, который начинает выделяться в полость ампулы после ее герметизации из титановых стенок ампулы. Сохранение вакуума стало возможным благодаря вакуумному оксидированию поверхности ампулы путем промывки в нефрасе, вакуумного обезгаживания в вакууме (1÷2)·10^-2 мм рт. столба при температуре 600-650°С в течение двух часов и остывания с печью до 100°С, далее на воздухе. В случае несоблюдения указанного режима происходит возгонка окисной пленки и ее оседание на внутренней стороне герметизированного металлического приспособления для обезгаживания, которая не дает возможности производить герметизацию.

Заявляемый способ позволяет устранить тренд в модуляционном гироскопе, повысить точность и сохранить ее на весь срок эксплуатации прибора (10 лет), что невозможно сделать в других гироскопах без частых калибровок и тарировок вследствие "сползания" точностного параметра во времени (так называемого накапливающего дрейфа). Изобретение позволяет решить проблему температурного дрейфа, проблему постоянной времени и, как следствие, проблему тренда.

Проведенные испытания показали, что изобретение позволило выйти на уровень точностей 0,005°/час (3σ) без тарировок и калибровок, перегрузочной способности 40 g и ресурса работы 100 тыс.часов.

Способ устранения тренда в модуляционном гироскопе, содержащем ротор, помещенный в герметизированную, вакуумированную, вращающуюся вместе с ротором ампулу, включающий откачку воздуха из рабочей ампулы гироскопа до остаточного давления (1÷2)·10^-4 мм рт. ст. и ее герметизацию в момент откачки, отличающийся тем, что проводят термообработку ротора гироскопа, изготовленного из дисперсионно-твердеющего элинвара, осуществляемую в вакууме путем закалки, выдержки и отжига, причем закалку осуществляют при температуре 950°С и выдержке 25 мин, выдержку - при температуре 700°С в течение 4 ч и стабилизирующий отжиг в вакууме 10^-3 мм рт. ст. при температуре 300°С с последующей выдержкой в течение 4 ч, охлаждением с печью до 150°С, далее на воздухе, и затем обеспечивают стабильный вакуум в рабочей ампуле гироскопа путем оксидирования внутренней поверхности титановых стенок ампулы по следующему режиму: промывка в нефрасе, вакуумное обезгаживание в вакууме (1÷2)·10^-2 мм рт. ст. при температуре 600÷650°С в течение 2 ч, остывание с печью до 100°С, далее на воздухе.