РЕЗОНАНСНЫЙ ГИРОСКОП НА ОСНОВЕ МАГНЕТРОНА

Предполагаемая полезная модель предназначена для использования в системах стабилизации, ориентации и управления подвижных объектов -самолетов, кораблей автомобилей, а также в таких элементах, как валы, колеса и площадки, размещаемые на указанных выше подвижных объектах. Гироскоп служит для определения одного компонента абсолютной угловой скорости подвижного объекта или интеграла от нее.
Известны приборы СВЧ-типа, например, микроволновый гироскоп (US №386220, МПК G01P 15/08, 1975 г., автор Felsenthal, Jr.). Прибор содержит волноводный контур, на выходах которого наблюдаются два сигнала СВЧ, которым соответствуют две частоты электромагнитных колебаний микроволновых волн. В этом патенте отмечается, что прибор сходен с лазерным гироскопом, но в нем несущая частота относится к микроволновому диапазону. Сигналы с выходов волноводного контура подаются на схему супергетеродинного типа, где с помощью схем радиоэлектроники (низкочастотных фильтров, усилителей, смесителей и других элементов) выделяется разность частот выходных сигналов волновода, пропорциональная измеряемой угловой скорости подвижного объекта.
Недостатком прибора являются большая сложность радиоэлектронной схемы супергетеродинного типа аппаратного исполнения и необходимость в периодических ее тестировании и регулировке на предмет определения и списания погрешностей.
Известен кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона (RU №2207511, МПК G01C 19/64, 2003, автор Плотников П.К.). В его состав входит чувствительный элемент в виде митрона, т.е. магнетрона, настраиваемого напряжением, содержащего герметичную замкнутую полость, анодом с резонаторами и катодами, расположенными внутри митрона, источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации, источники питающих напряжений, содержащий еще один чувствительный элемент, а также кронштейн, регулируемые опоры для крепления к кронштейну чувствительных элементов и два прецизионных переменных резистора, причем один из митронов укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, входящей в состав резонатора, второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угловых градусов положении по отношению к первому митрону, при этом прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона.
Недостатком данного прибора является то, что он состоит из двух отдельных сборочных единиц митронов, которые должны обладать одинаковыми параметрами. При наличии погрешностей в элементах митронов их частоты колебаний будут различными, и в сигнале разностной частоты появится погрешность даже при отсутствии измеряемой абсолютной угловой скорости со подвижного объекта (ПО).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона (Патент RU №116999, МПК G01C 19/64, 2012, авторы Плотников П.К. и др.). В данной полезной модели предусмотрено создание конструкции резонансной системы, размещаемой в едином герметичном пространстве прибора. Два замкнутых почти кольцевых резонансных анодных и два катодных устройства конструктивно образуют взаимосвязанную систему, запитаны от единых источников напряжений и в центральной части электромагнитные потоки двух резонаторов пролетают между общей, короткой по длине, системы возбуждения, называемой пространством взаимодействия. Указанные меры направлены на обеспечение одинаковых частот генерации двух встречных потоков электронов (при отсутствии измеряемой угловой скорости), что способствует значительному повышению точности измерения угловой скорости подвижного объекта. Оба чувствительных элемента установлены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности корпуса прибора компланарно, причем их измерительные оси встречно-параллельны, первый холодный катод является круговым, второй неполным круговым, выполненным в виде большого сектора катода, и первый из них охватывается соответствующим резонансным анодом по окружностям и второй охватывает второй круговой резонансный анод до центральной зоны, где друг против друга располагаются малые секторы холодного катода и анода, по длине содержащего несколько штырей и впадин, при этом замкнутые резонансные аноды первого и второго митронов содержат четные одинаковые количества штырей и впадин с одинаковым угловым шагом.
Недостатком прототипа является сложность конструктивного и технологического исполнения: из двух катодов один является составным, в него входит малый и большой секторы холодного катода. Аналогично из двух анодов один состоит из малого и большого секторов анода.
Задачей данной полезной модели является упрощение конструкции прибора и технологии его изготовления.
Технический результат полезной модели состоит в улучшении эксплуатационных и технологических показателей за счет конструктивного исполнении резонансного гироскопа на основе магнетрона, состоящим из двух частей единого анода и единого холодного катода.
Поставленная задача решается тем, что в резонансном гироскопе на основе магнетрона, в состав которого входят два магнетрона, настраиваемых напряжением (два митрона), каждый из которых состоит из пары установленных в герметичной вакуумированной полости резонансных узлов, при этом каждый из них выполнен в виде холодного катода и концентричного ему резонансного с резонаторами, а также из электронной пушки, содержащей нить накала, подогревной катод и конический анод, в состав магнетронов также входят блок источников постоянного магнитного поля и электроды вывода информации, причем их ось симметрии, являющаяся измерительной по абсолютной угловой скорости объекта, параллельна оси магнитной индукции источника постоянного магнитного поля так, что измерительные оси митронов направлены встречно-параллельно, имеется электрод вывода информации, согласно заявляемому техническому решению два магнетрона размещены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности корпуса прибора компланарно, каждый из двух резонансных узлов состоит из круговой части катода и охватывающей его почти круговой части резонансного анода с четным числом резонаторов, причем в зоне непосредственного взаимодействия каждая часть резонансного анода срезана на протяжении полутора-двух резонаторов и соединен электрически и механически жестко со вторым блоком, образуя зону непосредственного взаимодействия анода и катода, причем разделенные этой зоной круговые холодные катоды соединены сверху связкой, выполненной из того же материала, что и холодные катоды, образуя вместе с боковыми частями этих катодов и их изолирующими основаниями отверстие для обеспечения пролета двух «электронных спиц» двух резонаторов.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема резонансного гироскопа на основе магнетрона. На фиг. 2 дана плоская кинематическая схема его размещения на корпусе ПО. На фиг. 3 представлена функциональная электрическая схема прибора.
1
2
В состав резонансного гироскопа на основе магнетрона входят два магнетрона, настраиваемых напряжением (два митрона), каждый из которых состоит из установленных компланарно в вакуумированной полости первого и второго резонансных узлов; одинаковые круговые части катода 3 и 4, жестко соединенные связкой 5, выполненной из одного и того же материала, что и круговые части катода 3 и 4. Кроме того, в состав каждого из резонансных узлов 1 и 2 входят одинаковые почти круговые части анода 6 и 7, охватывающие круговые части катода 3 и 4 с образованием четных одинаковых количеств резонаторов 8 в каждом из узлов 1 и 2. Причем в зоне непосредственного взаимодействия каждая часть резонансного анода 6 и 7 срезана на протяжении полутора-двух зубцов резонаторов и соединен электрически и механически жестко со вторым блоком, образуя зону непосредственного взаимодействия анода и катода. Электроды 9 и 10 выполнены с возможностью вывода информации из резонансных узлов 1 и 2 соответственно через изолятор 11. На корпусе 13 ПО укреплен металлический корпус 12 с образованием герметичной вакуумированной полости. Между одинаковыми круговыми частями катода 3 и 4, связкой 5 и изолирующей прокладкой выполнено отверстие 14. «Электронная пушка» 15 аналогична описанной в патенте №2207511. Источник постоянного магнитного поля 16 выполнен в виде постоянного магнита или электромагнита с парой полюсов N и S, векторы индукции которого направлены вдоль оси Оξ ПО, являющейся измерительной для прибора. Ось Оη правой декартовой системы координат Оξηζ связана с корпусом 13 ПО, а также с корпусом 12. Оси Oξ и Oξ проходят через центры резонансных узлов 1 и 2, ω - измеряемая абсолютная угловая скорость ПО. Ось инжектирования электронов в электронной пушке 15 направлена вдоль оси Оξ в пространство непосредственного взаимодействия катода 3, 4, 5 и анода 6, 7. Резонансный узел 1 предназначен для обеспечения левостороннего вращения электронного потока в виде «электронной спицы» с частотой Ω при ω=0. Резонансный узел 2 предназначен для обеспечения правостороннего вращения также с частотой Ω при ω=0 электронного потока в виде «спицы». Конструкция и материалы заявляемого устройства - обычные для магнетронов и митронов. Все электроэлементы изолированы друг от друга и от корпусных частей прибора.
Число впадин, как и выступов (N) в резонансных узлах 1 и 2 с учетом промежутков между ними должно быть четным, периметры и числа резонаторов соответствуют условиям обеспечения резонанса и вращения «электронных спиц». Аналогичные требования идентичности относятся и к угловому расстоянию между штырями и промежутками между ними.
a1
н
a
Нить накала 17, конический анод 18 и подогревной катод 19 образуют электронную пушку 15 и соединены с положительным зажимом напряжения U и минусовым зажимом (металлическим герметичным корпусом 12) соответственно. Нить накала подсоединена к источнику напряжения U блока источников питания 20. С этим зажимом соединен также холодный катод, состоящий из элементов 3, 4, 5. Концентричный ему резонансный анод в виде элементов 6 и 7 соединен с положительным зажимом U источника анодного напряжения либо через резисторный делитель, как в патенте №2207511, либо через волновод как в патенте №128710. Из оксидного материала выполнены круговые части катода 3, 4 и связка 5 с обеспечением более плотного потока электронов в сторону пространства взаимодействия. Зажимы почти круговых частей анодов 6 и 7 подключены к входам устройства обработки сигналов 21.
Работает резонансный гироскоп на основе митронов следующим образом.
a1
При включении питающих напряжений от блока источников питания 20 в герметичной вакуумированной полости, заключенной в приборном корпусе 12, резонансные узлы 1 и 2 обеспечивают возбуждение электромагнитных волн. Это происходит за счет нагревания нитью накала 17 катода 19, который эмиттирует электронное облако, устремляющееся благодаря положительному анодному напряжению U конического анода 18 в пространство непосредственного взаимодействия круговых частей катода 3, 4 и почти круговых частей анода 6, 7 резонансных узлов 1 и 2 соответственно. Под влиянием магнитной индукции, создаваемой источником магнитного поля, в скрещенном магнитном и электрическом полях, электронные потоки искривляются и приобретают две круговые траектории с частотами Ω встречных колебаний, одна из них располагается в окружности первого резонансного узла 1, другая располагается в окружности второго резонансного узла 2 в пространствах взаимодействий. Соответствующие двум траекториям два электронных потока образуют благодаря резонаторам 8 в пространствах взаимодействий, вращающиеся в противоположных направлениях «электронные спицы» с частотой Ω при ω=0. В меньшей по протяженности области между круговыми частями катода 3, 4 и связкой 5 непосредственного взаимодействия имеют место параллельные однонаправленные электронные потоки от взаимодействия скрещенных электрического и магнитного полей.
При невращающемся ПО, а, значит, и корпусе 13 (ω=0), частоты встречных электронных потоков одинаковы. Поэтому на электродах вывода информации 9 и 10 наблюдаются СВЧ сигналы одинаковой частоты ν [Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот, т. 2. М.: ВШ. 1972 с. 270-271]:
где λ - длина электромагнитной волны в свободном пространстве (вакууме); с - скорость света; Ω, ν - частоты колебаний в свободном пространстве и в РГнОМ; N - число резонаторов (т.е. штырей и впадин); n - число, определяющее сдвиг фаз в соседних резонаторах; р=0; ±1; ±2… - число, кратное периоду (времени) пробега волны между соседними щелями, «+» соответствует положительному, «-» - отрицательному направлению вращения «электронных спиц». Обеспечению условий их наличия способствует блок источников питания 20.
При появлении угловой скорости ω ПО частота колебаний в первом резонансном узле 1, например, уменьшится, а во втором резонансном узле 2 увеличится так, что их разность будет равна (патент на ПМ №128710):
Эта разность частот, пропорциональная измеряемой угловой скорости ПО, выделяется в схеме обработки сигналов прибора 20, выполненной, например, по патенту №2207511 или по патенту на ПМ №128710. С выхода устройства обработки сигналов 21, при появлении сигналов от выходов электродов 9 и 10 резонансных узлов 1 и 2, в систему ориентации, стабилизации или в другую поступает информация в виде оценки  измеряемой угловой скорости ПО. Она определяется из выражений:
Может также определяться интеграл от угловой скорости, что широко используется на практике, например, в лазерных гироскопах:
где ω, ψ - частота и фаза информационного сигнала на выходе 21 прибора.
Технико-экономический эффект состоит в упрощении конструкции и технологии изготовления прибора, что должно сопровождаться удешевлением его производства. Упрощается технология изготовления деталей, узлов, а также сборки и тестирования прибора.
Таким образом, поставленная задача в полезной модели достигнута.