РЕЗОНАТОР
RESONATOR

Изобретение относится к конструкции резонаторов волновых твердотельных гироскопов, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах самолетов, космических аппаратов, управляемых бурильных головок.
Известен резонатор, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с дном. Резонатор скрепляется дном с другими частями чувствительного элемента. Кромка тонкостенного цилиндра на противоположном конце служит рабочей частью резонатора и совершает изгибные колебания при работе резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)]. При вращении колеблющегося резонатора вокруг оси симметрии из-за действия кориолисовых сил угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными, что позволяет определить угловую скорость вращения резонатора.
Известно, что максимальная скорость систематического дрейфа волнового твердотельного гироскопа обратно пропорциональна добротности резонатора и может быть определена по формуле [Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. - М.: Наука, 1985. 125 с.]:
где  - максимальная скорость систематического дрейфа; А - постоянный коэффициент; f - частота изгибных колебаний кромки резонатора; Q - добротность резонатора; k - постоянный коэффициент, учитывающий неизотропность резонатора.
Однако добротность резонаторов, выполненных в виде тонкостенных оболочек, оказывается низкой, так как в этом случае энергия колебаний превращается в тепловую за счет теплопереноса между зонами с различной температурой. При изгибных колебаниях внешние и внутренние слои металла оболочки испытывают различные деформации: если внешние слои растягиваются, то внутренние сжимаются и наоборот. Локальная деформация материала приводит к локальному изменению температуры, при сжатии материала локальная температура повышается, а при растяжении уменьшается. Так же как и деформация, эти температурные изменения будут различны для внешних и внутренних слоев материала: если в некоторый момент времени температура внешних слоев повышается, то при этом температура внутренних уменьшается и наоборот. Между областями оболочки резонатора, которые имеют разную локальную температуру, возникают тепловые потоки, которые и представляют собой потери энергии колебаний и которые приводят к низкой добротности резонатора. Оценим максимальную добротность металлического цилиндрического резонатора по формуле [Зинер К. Упругость и неупругость металлов. // Сб.: Упругость и неупругость металлов. // Ред. Вонсовский С.В. - М.: ИЛ, 1954. С.9-168.]:
где γ - коэффициент температуропроводности; h - толщина стенки резонатора; ζ - интенсивность внутреннего трения.
2
Для большинства металлов: ζ≈0.004 и γ≈1 см/с [Зинер К. Упругость и неупругость металлов. // Сб.: Упругость и неупругость металлов. // Ред. Вонсовский С.В. - М.: ИЛ, 1954. С.9-168.]. Принимая h=0.1 см и f=2 кГц, получаем значение максимальной добротности тонкостенного металлического цилиндра: Q≈31000.
Поэтому данное значение добротности снижает точность работы волнового твердотельного гироскопа до 10-50 град/ч.
Целью изобретения является устранение указанного недостатка. Эта цель достигается за счет предложенной конструкции резонатора. Резонатор выполнен в виде металлического цилиндра с дном. В кромке цилиндра, служащей рабочей частью, выполнены отверстия параллельно образующей цилиндра, радиусом, равным четверти толщины стенки цилиндра, глубиной в половину радиуса цилиндра, на расстоянии друг от друга, равном утроенному радиусу отверстия.
На чертеже показан предлагаемый резонатор.
Резонатор имеет цилиндрическую часть 1 и дно 2. В кромке цилиндра, служащей рабочей частью, выполнены отверстия 3 параллельно образующей цилиндра, радиусом, равным четверти толщины стенки цилиндра, глубиной в половину радиуса цилиндра, на расстоянии друг от друга, равном утроенному радиусу отверстия.
Предложенный резонатор работает следующим образом. Резонатор скрепляется с другими частями чувствительного элемента посредством дна. При работе возбуждают изгибные колебания рабочей кромки резонатора. Так же как и в известном резонаторе, при вращении колеблющегося предложенного резонатора вокруг оси симметрии из-за действия кориолисовых сил угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными, что позволяет определить угловую скорость вращения резонатора. При изгибных колебаниях рабочей части внешние и внутренние слои материала испытывают различные по знаку деформации, в результате чего локальные температуры внешней и внутренней стенки цилиндра оказываются различными. Разность локальных температур приводит к возникновению тепловых потоков, однако в предложенной конструкции резонатора интенсивность теплового потока между внешней и внутренней поверхностями резонатора уменьшается. При радиусе отверстия, равном четверти толщины стенки цилиндра, глубине отверстия в половину радиуса цилиндра и при расположении отверстий на расстоянии, равном утроенному радиусу отверстий, интенсивность теплового потока уменьшается примерно в 3 раза, так как теплопередача происходит только через узкие перемычки между отверстиями. В результате добротность резонатора также возрастет в 3 раза, что приведет к пропорциональному уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа.
Таким образом, по сравнению с известным резонатором предложенный резонатор имеет более высокую добротность, что приводит к уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа в 3 раза.