РЕЗОНАТОР ПРОСТРАНСТВЕННОГО ИНТЕГРИРУЮЩЕГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к конструкции чувствительных элементов - резонаторов твердотельных волновых гироскопов, которые используются для определения параметров ориентации и угловых скоростей в навигационных устройствах на подвижных объектах различных классов, в частности на летательных аппаратах.
Твердотельный волновой гироскоп (ТВГ) является сложной системой, в состав которой входят резонатор, измерительная, вычислительная и управляющая компоненты. Принцип действия ТВГ основан на свойствах инерции упругих стоячих волн в твердом осесимметричном упругом теле, проявляющее себя в виде отставания угла поворота стоячей волны от поворота основания.
В настоящее время известны следующие формы резонаторов с осевой симметрией: полусферические, тороидальные (полусферические с плоским торцем), кольцевые и цилиндрические.
В частности, известен резонатор твердотельного волнового гироскопа (см. патент РФ № 2744820 по кл. МПК G01C 19/56, опуб. 16.03.2021), содержащий рабочую часть в форме усеченного конуса с цилиндрической внутренней частью, меньшее основание которого сопряжено с подвесом, а со стороны большего основания по всему диаметру, выполнен торец-кромка, образованный внутренней и наружной поверхностями рабочей части, на котором возникает прецессия стоячей волны при воздействии на гироскоп измеряемой угловой скорости или угла поворота, днище, узел крепления резонатора к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения стоячей волны и детектирования сигнала с внешней стороны днища.
Основными недостатками цилиндрических резонаторов являются вырожденный краевой эффект, который проявляется в уменьшении колебаний при удалении от свободной кромки резонатора, недостаточная компактность и высокая чувствительность к вибрациям окружающей среды.
Полусферическая и, отчасти, тороидальная формы резонаторов обладают важным свойством краевой локализации колебаний вблизи свободной кромки резонатора. Именно изменение амплитуды колебаний свободной кромки резонатора является источником первичной инерциальной информации в ТВГ. Кроме того, полусферическая конфигурация резонатора обладает наивысшей добротностью среди различных трех- и двухмерных конфигураций.
Известен резонатор вибрационного гироскопа со сферическими поверхностями (см. патент РФ № 2298766 по кл. МПК G01C 19/56, опуб. 15.05.2007), содержащий корпус с полюсом, установленным на несущем стержне, при этом корпус содержит кольцевую кромку, образованную внутренней и наружной поверхностями, являющимися гомотетическими между собой, и расположенную вокруг общей оси вращения, внутренняя и наружная поверхности смещены между собой по оси вращения таким образом, что толщина корпуса вдоль кольцевой кромки превышает толщину около полюса. Внутренняя и наружная поверхности выполнены в виде шарового сегмента, имеющего форму, близкую к полусфере.
Однако изготовление сферического резонатора переменной толщины достаточно сложный и трудоемкий процесс. Кроме того, возникают остаточные температурные напряжения из-за разницы температурных коэффициентов линейных расширений между толщиной корпуса вдоль кольцевой кромки и около полюса, что существенно снижает добротность резонатора.
Наиболее близким к заявляемому является резонатор пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа (см. патент РФ № 2763688 по кл. МПК G01C 19/56, опуб. 30.12.2021), выполненный в виде пространственного вакуумированного модуля, состоящего из концентрически размещенных одна внутри другой наружной и внутренней полых сфер из магнитного материала с взаимно-противоположным направлением намагничивания, причем во внутренней сфере размещен источник питания, обмотки электромагнитного центрирования и блок управления, а на наружной стороне внутренней сферы размещены электроды управления и вспомогательный электрод; на внутренней стороне наружной сферы размещены датчики измерения положения стоячей волны и на наружной стороне наружной сферы размещены обмотки электромагнитного центрирования.
Недостатком резонатора является сложность и трудоемкость изготовления наружной и внутренней полых сфер из магнитного материала с взаимно-противоположным направлением намагничивания, содержащих слои магнитного материала значительной толщины, а также сложность обеспечения равномерного намагничивания магнитных слоев, что в итоге может привести к неравномерности взаимного движения сфер при неравномерном (в т.ч. ускоренном) движении подвижного объекта и, как следствие, недостаточная надежность и долговечность в экстремальных условиях эксплуатации, например, при ударных нагрузках и т.д.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание резонатора пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа с длительным сроком службы в экстремальных условиях эксплуатации.
Техническим результатом является повышение надежности и долговечности резонатора пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа за счет повышения однородности магнитных слоев.
Указанный технический результат достигается тем, что в резонаторе пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа, содержащем концентрически размещенные одна внутри другой наружную и внутреннюю полые сферы, тонкостенную сферу, размещенную с наружной стороны внутренней сферы и выполненной охватывающей внутреннюю сферу с ее наружной стороны, обмотки электромагнитного центрирования, электроды управления и вспомогательный электрод, датчики измерения положения стоячей волны, во внутренней сфере размещен источник питания, согласно полезной модели, на наружную и внутреннюю поверхности внутренней и наружной сфер соответственно нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, при этом электроды управления и вспомогательный электрод расположены на слое моноэлектрета, размещенном на наружной поверхности внутренней сферы, а датчики измерения положения стоячей волны расположены на слое моноэлектрета, размещенном на внутренней поверхности наружной сферы.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где схематично представлена конструкция резонатора в виде пространственного вакуумированного модуля.
На чертеже позициями обозначено:
1 - наружная полая сфера,
2 - внутренняя полая сфера,
3 - тонкостенная сфера,
4 - обмотки электромагнитного центрирования,
5 - источник питания,
6 - слой моноэлектрета,
7 - электроды управления,
8 - вспомогательный электрод,
9 -датчики измерения положения стоячей волны,
10 - втулки.
Резонатор выполнен в виде пространственного вакуумированного модуля и содержит концентрически размещенные одна внутри другой наружную 1 и внутреннюю 2 полые сферы, тонкостенную сферу 3, размещенную с наружной стороны внутренней сферы 2 и выполненную охватывающей внутреннюю сферу 2 через немагнитные втулки 10. Тонкостенная сфера 3 выполнена из материала с малыми параметрами внутреннего трения (то есть высокой добротностью), например, из аморфного или нанокристаллического металла/сплава.
На наружную и внутреннюю поверхности внутренней 2 и наружной 1 сфер нанесены слои моноэлектрета 6, имеющие заряд одного знака и величины, представляющие собой, например, моноэлектретную пленку.
Во внутренней сфере 2 размещен источник питания 5 с преобразователем DC-AC для питания обмоток электромагнитного центрирования 4, установленных во внутренней сфере 2.
Электроды управления 7 и вспомогательный электрод 8 расположены на слое моноэлектрета, размещенном на наружной поверхности внутренней сферы, а датчики измерения положения стоячей волны 9 расположены на слое моноэлектрета, размещенном на внутренней поверхности наружной сферы 1.
3
Внутренняя 2 и наружная 1 сферы изготовлены из немагнитного материала, например, из высокопрочных композитных материалов малой плотности (ρ=1,45…1,6 г/см) на основе, например, углепластиков; либо полидициклопентадиена.
Резонатор работает следующим образом.
При подаче напряжения питания (включении гироскопа) на обмотки электромагнитного центрирования 4 активируется пространственный вакуумированный модуль резонатора, обеспечивая бесконтактный подвес внутренней полой сферы 2 и тонкостенной сферы 3.
Для параметрического возбуждения пространственной механической стоячей волны к тонкостенной сфере 3 прикладываются две диаметрально противоположные силы, создаваемые электродами управления 7. Количество электродов управления обусловлено особенностями конструкции ТВГ и параметрами создаваемой стоячей волны в резонаторе, т.к. эти электроды задают генерацию стоячей волны. В прототипе такие электроды использовались в количестве 16 штук, а располагались они в местах пучности стоячей волны. Под действием приложенных сил тонкостенная сфера 3 примет эллипсоидальную форму. Приложенные силы в заданные моменты времени становятся равными нулю, а тонкостенная сфера 3, обладающая определенной жесткостью, проходя через недеформированное состояние, под действием сил инерции будет деформироваться в ортогональном направлении. Возбуждение пространственной стоячей волны в тонкостенной сфере 3 происходит в режиме автогенератора на собственной частоте колебаний.
Отметим, что в научных работах (V. Zhuravlev, S. Perelyaev, D. Borodulin “Strapdown inertial navigation system of minimum dimension (3D oscillator as a complete inertial sensor”. 2018 DGON Inertial Sensors and System (ISS), September 11-12, 2018. Braunschweig, Germany; V. Zhuravlev, S. Perelyaev, D. Borodulin "The Generalized Foucault Pendulum is a 3D Integrating Gyroscopes Using the Three-Dimensional Precession of Standing Waves in a Rotating Spherically Symmetric Elastic Solid". 2019 DGON Inertial Sensors and System (ISS), September 10-11, 2019. Braunschweig, Germany; Zhuravlev V. Ph., Perelyaev S.E. "3-D Micromashined Spherical Shell Resonators: Implementation Vision". Inertial Sensors and Systems. International Scientific - Practical Conference "INFORMATION INNOVATIVE TECHNOLOGIES", 2019 и др.) показано, что для полной 3D сферической оболочки коэффициент Брайана равен примерно 0,25 и он носит пространственный характер. Коэффициент Брайана определяет пропорциональность друг другу векторов угловых скоростей. Поэтому стоячая волна в виде, например, эллипсоида, прецессирует относительно тела (в данном случае подвижного объекта) с вектором угловой скорости, пропорциональным вектору угловой скорости самого тела относительно абсолютного пространства.
По достижении заданной амплитуды колебаний тонкостенной сферы 3 электроды управления 7 отключаются, и включается вспомогательный электрод 8, поддерживающий постоянство амплитуды колебаний в тонкостенной сфере 3 для любого положения стоячей волны относительно основания. При колебаниях тонкостенной сферы 3 изменяется площадь перекрытия электродов датчиков 9, выполняющих функцию измерения положения стоячей волны. Выходные сигналы электродов датчиков 9, соответствующие трем компонентам вектора входной угловой скорости подвижного объекта, подаются на блок управления ТВГ.
После программной математической обработки сигнала в электронном блоке вычислителя определяется угол поворота/угловая скорость объекта, на котором установлен ТВГ.
Величина осевой "жесткости" пространственного вакуумированного модуля резонатора обеспечивается конструктивно на этапе проектирования, исходя из заданных параметров линейного и углового движения подвижного объекта, а также выбором параметров обмоток электромагнитного центрирования - то есть формой и количеством витков, напряжением питания, электростатическим зарядом моноэлектрета и др.; а также геометрическими размерами внутренней 2 и наружной 1 сфер из немагнитного материала, в которых на наружную и внутреннюю поверхности внутренней и наружной сферы соответственно нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, определяющими величину электростатических сил, характеризующих силы взаимного отталкивания.
Принципиальным отличием новых электретов является то, что их получают не из готовых термопластичных полимеров, а из олигомерных термореактивных смол (эпоксидных, фенолформальдегидных или полиэфирных). Важной особенностью изготовления таких электретов является то, что поляризация происходит в процессе отверждения олигомерной смолы на подложке: металлической или полимерной (см., например, патент РФ №2298245).
-8
-4
2
Величина основной характеристики электретов - поверхностной плотности зарядов σ (10…10 Кл/м) - определяется главным образом разностью потенциалов сторон электрета и зависит от химической природы наполнителя [Марценюк, В. В. Полимерные электреты на основе реактопластов / В. В. Марценюк // Тенденции развития науки и образования. - 2021. - № 78-2. - С. 56-59. - DOI 10.18411/trnio-10-2021-54].
3
3
3
3
В качестве примера неорганических электретных материалов можно назвать тикондовую керамику (на основе MgTiО, SrTiО, СаTiO, ВаТiOи др.). Однако наиболее широкое применение в электретных устройствах находят полимерные пленки. Подходящими материалами служат такие полимеры, как политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилфторид, поливинилиденфторид и др. С течением времени заряд электретов изменяется обычно более быстро в первые часы после окончания электризации и отноcительно медленно - в последующий период.
Стабильность заряда у большинства электретов повышается при их нагревании в процессе электризации. Моноэлектретные пленки оказываются наиболее стабильными и в условиях повышенной влажности. Период времени, в течение которого поверхностная плотность заряда уменьшается в «е» раз, принимают за время жизни электрета. Расчетное время жизни для электретов из ПТФЭ составляет не менее 200 лет. Для других диэлектриков оно может составлять от нескольких месяцев до десятков лет и зависит не только от свойств материала, но и от условий хранения электрета.
3
2
-4
2
Релаксация электретного состояния также может происходить и вследствие адсорбции ионов поверхностью диэлектрика из окружающей атмосферы. Однако, если атмосферный объем, в котором хранится электрет, достаточно мал, процессами внешней релаксации практически можно пренебречь. Например, полагая, что все ионы, образующиеся в нормальных условиях в 1 см воздуха, осаждаются на участке поверхности электрета площадью 1 см, то при начальной поверхностной плотности σ=10 Кл/м время, необходимое для полной компенсации электретного заряда, составит около 200 лет. Также укажем, что путем изменения величины поверхностной плотности заряда моноэлектрета на наружной и внутренней поверхностях внутренней и наружной сферы, имеющего заряд одного знака и величины и определяющий величину электростатических сил, характеризующих силы взаимного отталкивания, можно обеспечивать требуемый рабочие параметры радиальной и осевых нагрузок пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа.
-6
2
В качестве моноэлектрета, используемого в слоях, могут быть использованы электретные пленки поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ) [Формирование поверхности в смесях полистирола с поли-бис-трифторэтоксифосфазеном / И. О. Волков, Д. Р. Тур, А. И. Перцин [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. - 2002. - Т. 44. - № 5. - С. 882-885, Smirnova, N.N., Lebedev, B.V., Bykova, T.A. et al. Thermodynamic properties of poly[bis(trifluoroethoxy) phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K // J. Therm. Anal. Calorim, 2009. - Vol. 95, P. 229-234 URL: https://doi.org/10.1007/s10973-008-9038-7], например, толщиной 100…300 (мкм), имеющие начальную поверхностную плотность заряда, например, σ=10 Кл/м, что обеспечивает временной интервал, необходимый для полной компенсации электретного заряда в пространственном вакуумированном модуле резонатора, около 150 лет, а также величину сил кулоновского взаимодействия (отталкивания), обеспечивающую радиальную и осевую нагрузку ТВГ при величине зазора между поверхностями сфер порядка 5 мм в первом приближении на уровне 360 N.