Блок лазерных гироскопов

Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к бесплатформенным инерциальным навигационным системам (БИНС) на основе лазерных гироскопов.
Основная информация в БИНС снимается с датчиков линейных ускорений, называемых акселерометрами, и датчиков углового движения, выполненных на основе лазерных гироскопов. Акселерометры устанавливаются в корпусе БИНС, при этом ориентация в пространстве осей чувствительности акселерометров вычисляется по сигналам блока лазерных гироскопов, также жестко зафиксированного в корпусе БИНС. БИНС наиболее чувствительна к ошибкам приборов, выдающих информацию об угловом движении объекта, поэтому предлагается повышение точности БИНС путем сокращения тепловыделения в лазерных гироскопах в составе блока за счет снижения тока в катушках зеемановской магнитооптической частотной подставки и, как следствие, уменьшения приводящих к разъюстировке термических деформаций резонаторов лазерных гироскопов и минимизации градиентов температур в корпусах лазерных гироскопов, приводящих к асимметричному нагреву газовой смеси, создающего этим потоки газа и, соответственно, ошибки. Кроме того, уменьшаются тепловые флуктуации ориентации акселерометров относительно гироскопов. Также улучшение характеристик достигается за счет более равномерного нагрева и распределения потоков тепла при использовании оптимального расположения лазерных гироскопов в блоке с их дополнительной фиксацией путем постановки на оптический контакт.
Близким по технической сущности является блок лазерных гироскопов [1]. Блок лазерных гироскопов выполнен в виде куба и содержит 6 лазерных гироскопов, взаимная ориентация осей чувствительности и активных каналов в которых жестко фиксирована. При этом лазерные гироскопы в составе блока не имеют собственных отдельных корпусов.
Недостатком такого блока лазерных гироскопов является непредусмотренная возможность полной замены неисправного лазерного гироскопа в составе блока в отличие от блока лазерных гироскопов, предлагаемого в полезной модели. Также изготовление трех лазерных гироскопов в монолитном едином корпусе требует сложной оснастки, высокой однородности материала и связано с техническими и технологическими трудностями.
Известны блоки на основе трехосных лазерных гироскопов [2, 3]. Блок таких лазерных гироскопов выполнен в монолитном куске материала (кварца, ситалла, церодура (Zerodur)) и состоит из трех сообщающихся камер (по одной на каждую ось чувствительности), образующих правильный восьмигранник с восемью треугольными гранями. Поджиг газового разряда осуществляется конфигурацией из одной катодной камеры, сообщающейся с резонаторными камерами посредством катодных каналов, и нескольких электродов.
Сложностью при изготовлении таких блоков лазерных гироскопов является выполнение с высокой точностью большого количества посадочных плоскостей под оптический контакт для зеркал и использование большого числа электродов в одном нераздельном блоке. Размер и форма электродов накладывают ограничение на протяженность и положение каналов для распространения лучей в лазерных гироскопах в связи с возникновением нежелательных электрических взаимодействий и газовых потоков, образующихся из-за асимметричного нагрева блока (эффект Ленгмюра). Недостатком таких блоков также являются повышенные требования по мощности и выходному напряжению к источнику высоковольтного питания. Неразборная монолитная конструкция не предусматривает замену отдельных деталей блока лазерных гироскопов в случае их частичного отказа.
Технический результат, обеспечивающийся полезной моделью, заключается в повышении точности БИНС за счет сокращения тепловыделения как в блоке лазерных гироскопов в целом, так и в каждом из лазерных гироскопов вследствие снижения тока в катушках зеемановской магнитооптической частотной подставки. Лазерные гироскопы в блоке при этом могут быть как двухчастотными, так и многочастотными. Предлагаемое размещение позволяет воздействовать магнитным полем зеемановской магнитооптической частотной подставки не только на активный канал лазерного гироскопа, вокруг которого намотана катушка, но и на активные каналы соседних лазерных гироскопов, внося вклад в продольную составляющую магнитного поля и вызывая дополнительный разнос генерируемых частот во избежание явления захвата.
На фиг. 1 представлена зависимость модуля индукции магнитного поля катушки зеемановской магнитооптической частотной подставки от расстояния до оси катушки (закон Био-Савара-Лапласа).
Характерен быстрый спад модуля индукции магнитного поля, что означает неэффективность воздействия катушкой зеемановской магнитооптической частотной подставки на активный канал, находящийся на некотором характерном расстоянии от оси катушки, которое в предлагаемой конфигурации блока лазерных гироскопов составило 4 см.
Однако при размещении лазерных гироскопов в блоке таким образом, чтобы:
- активный канал одного лазерного гироскопа был от оси катушки зеемановской магнитооптической частотной подставки другого лазерного гироскопа на расстоянии, меньшем, чем характерное расстояние ослабления магнитного поля, которое для предлагаемой конфигурации блока лазерных гироскопов составило 4 см;
- активный канал одного лазерного гироскопа был ориентирован под минимальным углом к вектору индукции магнитного поля, созданного катушкой зеемановской магнитооптической частотной подставки другого лазерного гироскопа,
возможно обеспечение вклада соседних лазерных гироскопов в индукцию магнитного поля вдоль активного канала лазерного гироскопа до 20% и соответствующее снижение величины тока в катушках зеемановской магнитооптической частотной подставки.
Применяется механическое крепление лазерных гироскопов в расчетных положениях, дополнительная фиксация обеспечивается оптическим контактом между гранями корпусов лазерных гироскопов. Выполнение всех трех лазерных гироскопов из одного материала и их соединение методом оптического контакта повышает эффективность размещения лазерных гироскопов, так как обеспечивается однородность теплового расширения лазерных гироскопов, а большая площадь соприкосновения лазерных гироскопов оптимизирует отвод тепла и снижает величину механических напряжений в зоне оптического контакта. Стабильность взаимной ориентации осей чувствительности лазерных гироскопов также обеспечивается оптическим контактом.
В случае отказа одного из лазерных гироскопов в блоке сохраняется возможность его замены. Отсутствие требований к взаимной ортогональности осей чувствительности лазерных гироскопов упрощает их крепление в БИНС и конструкцию в целом. Вследствие этого повышается надежность и точность блока лазерных гироскопов.
На фиг. 2 представлен общий вид лазерного гироскопа, в состав блока входит три таких лазерных гироскопа. На фиг. 3 представлен вид на катушку зеемановской магнитооптической частотной подставки. На фиг. 4 представлен вид блока лазерных гироскопов, в котором зеемановские магнитооптические частотные подставки каждого лазерного гироскопа воздействуют на все три лазерных гироскопа одновременно.
Источники информации:
1. Блок лазерных гироскопов, Патент РФ 2359231, URL: http://bd.patent.su/2359000-2359999/pat/servl/servletbef2.html.
2. Nonplanar three-axis ring laser gyro with shared mirror faces, US Patent 4795258 A, URL: https://patents.google.com/patent/US4795258.
3. Трехосный лазерный прецессионный гироскоп, симметричный относительно его приводной оси, Патент РФ 2210737, URL: http://www.findpatent.ru/patent/221/2210737.html.