РЕЗОНАТОР ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА

Техническое решение относится к конструкции резонаторов твердотельных волновых гироскопов, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах подвижных объектов различных классов, в том числе летательных аппаратов, космических летательных аппаратов и других.
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 твердотельного волнового 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; A - 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, приводящие в итоге к низкой добротности резонатора.
Максимальную добротность металлического цилиндрического резонатора оценим по следующей 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 эти величины составляют: ζ≈0,004 и γ≈1 см/с [Зинер К. Упругость и неупругость металлов. // Сб.: Упругость и неупругость металлов. // Ред. Вонсовский СВ. - 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 угл. град/ч.
Известен резонатор для твердотельного волнового гироскопа, выполненный в виде металлического цилиндра с дном (Патент РФ на изобретение №2357214, МПК G01C 19/56, 2007 г., опубликовано 27.05.2009 г.). В кромке цилиндра, служащей рабочей частью, параллельно образующей цилиндра выполнены отверстия, радиусом, равным четверти толщины стенки цилиндра и глубиной в половину радиуса цилиндра, располагающиеся на расстоянии друг от друга, равном утроенному радиусу отверстия. 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 три раза, так как теплопередача происходит только через узкие перемычки между отверстиями. В результате добротность резонатора также возрастет в примерно три раза, что приведет к пропорциональному уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа.
Однако такое значение добротности также не очень велико и снижает точность работы твердотельного волнового гироскопа примерно до 4…17 угл. град/ч.
Задачей предполагаемой полезной модели является устранение указанного недостатка.
Техническим результатом является повышение добротности резонатора, что приводит к существенному уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа
Указанный результат 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, причем в качестве материала металлического цилиндра использован аморфный нанокристаллический металл или металлический сплав.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез, а на фиг. 2 - поперечный разрез предлагаемого резонатора. Резонатор имеет цилиндрическую часть 1 и основание (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, а в качестве материала металлического цилиндра использован аморфный или нанокристаллический металл или металлический сплав.
Предложенный резонатор работает следующим образом. Резонатор скрепляется с другими частями чувствительного элемента посредством основания 2. 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 три раза, так как теплопередача происходит только через узкие перемычки между отверстиями. Использование в качестве материала металлического цилиндра аморфного или нанокристаллического металла (металлического сплава) позволяет примерно в 15-20 раз повысить добротность резонатора, что приводит к пропорциональному уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа.
Отметим, что аморфные сплавы представляют собой новый особый класс прецизионных сплавов, отличающийся от кристаллических сплавов структурой, способом изготовления, областью существования на температурно-временной диаграмме и свойствами.
В 60-х годах прошлого века эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов, которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла, обнаружили, что в некоторых случаях кристаллическая решетка в металле вообще отсутствует, а расположение атомов характерно для бесструктурного, аморфного тела.
Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости и характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. Оказалось, что у аморфного металла совсем другие, не сходные свойства с кристаллическим металлом. Он становится в несколько раз прочнее, повышается его стойкость к коррозии, меняются электромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант - модуль упругости. В отличие от сплавов с кристаллической структурой, технология получения которых имеет серьезные проблемы, связанные с антагонизмом свойств компонентов на этапе кристаллизации, в аморфных сплавах прекрасно соединяются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждении сплав затвердевает, прежде чем компоненты-антагонисты успевают проявить свой антагонизм. Это открывает широчайшие возможности поиска оптимальных комбинаций компонентов для получения конкретных свойств.
Аморфные сплавы получили название металлических стекол. Аморфное состояние сплавов достигается подбором химического состава и использованием специальной технологии охлаждения из расплава со скоростью выше критической, определенной для каждого состава. Отсутствие дислокаций приводит к тому, что металлические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали. Высокая твердость влечет за собой их великолепную износостойкость. Другим важнейшим преимуществом аморфных металлических сплавов является их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не коррозируют. Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель и хром, в растворе соляной кислоты практически равна нулю. Одна из основных причин такой высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов состоит в том, что, не имея кристаллической решетки, они лишены и характерных "дефектов" кристаллов - дислокаций и, главное, границ между зернами. Высокая плотность упаковки атомов в кристалле вблизи этих "дефектов" уменьшается столь резко, что вдоль них легко проникают в металл "вражеские агенты". Важно, что бездефектная структура аморфного сплава придается той тонкой окисной пленке, которая образуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и в дальнейшем защищает металл от прямого контакта с "агрессором". Причем термообработка, деформирование и тому подобное влияет на внутреннюю структуру аморфных металлов. Сплавы, получаемые путем сверхбыстрого охлаждения из жидкого состояния или конденсацией пара на охлажденных подложках, не являются термодинамически стабильными и последующий отжиг, не приводящий к кристаллизации, сопровождается изменениями в структуре, в результате которых происходит уплотнение, увеличение модуля Юнга, охрупчивание, подавление диффузионных процессов, уменьшение внутреннего трения, изменение магнитных свойств и так далее. Поэтому в аморфных металлах отсутствуют в значительном количестве локализованные вакансионно-подобные эффекты - дислокации, вакансии, границы зерен и прочее [Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. - М.: Металлургия, 1986 г. - 176 с].
Вторым представителем нового класса метастабильных быстроохлажденных сплавов и активным соперником аморфных сплавов являются нанокристаллические сплавы. Их особенность - сверхмелкокристаллическая структура. Размер кристаллов (наночастицы) в этих сплавах составляет от 1 до 10 нм. Нанокристаллические и аморфные сплавы - ближайшие родственники. Их «родство» основано на двух обстоятельствах. Во-первых, это структурное сходство. Как известно, структура аморфных сплавов имеет ближний порядок, то есть состоит из упорядоченных микрогруппировок атомов, размеры которых близки к размерам нанозерен нанокристаллических сплавов. Во-вторых, это технология получения. В настоящее время наиболее распространенным методом получения наноструктуры является регулируемая кристаллизация из исходного аморфного состояния. Таким образом, «материнской» основой нанокристаллического сплава является аморфный сплав. Структура нанокристаллического сплава представляет собой двухфазную систему, одной из фаз которой являются нанокристаллы, а другой - остаточная аморфная матрица. Свойства наносплава зависят от состава, размера и количества нанокристаллов, а также их соотношения с аморфной фазой.
Укажем, что из-за таких особенностей строения внутренней структуры параметр - ζ - интенсивность внутреннего трения у аморфных сплавов, например, на основе циркония (Zr), составляет величину примерно ζ≈0,0002-0,0003 [S. Bossuyt, S. Giménez, J. Schroers. Resonant vibration analysis for temperature dependence of elastic properties of bulk metallic glass. // J. Mater. Res., Vol. 22, No. 2, Feb. 2007, p.p. 533-537], что при тех же числовых параметрах по формуле (2) дает значение максимальной добротности тонкостенного металлического цилиндра: Q≈465000-620000.
Поэтому данное значение добротности обеспечивает точность работы волнового твердотельного гироскопа до величины 0,25…0,9 угл. град/ч.
Предлагаемый резонатор для твердотельного волнового гироскопа может быть изготовлен, например, - способом охлаждения, при котором струя жидкого металла с определенной скоростью направляется на поверхность быстро вращающегося цилиндра, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью, - из тонкого листа аморфного сплава, из которого после этого после этого в режиме сверхпластической формовки в состоянии переохлажденной жидкости выдувается требуемая полусферическая форма с последующей требуемой механической обработкой [J. Schroers, T. Hodges, G. Kumar, Η. Raman, Α. Barnes, Q. Pham, T. Waniuk // Thermoplastic blow molding of metals // Materials Today, Jan-Feb 2011, Volume 14, No. 1-2, p.p. 14-19].
Дополнительно отметим, что поскольку аморфный металл (металлический сплав) и нанокристаллический металл (металлический сплав) схожи по своим особенностям строения внутренней структуры, то одним из вариантов изготовления резонатора твердотельного волнового гироскопа является изготовление резонатора твердотельного волнового гироскопа наборным, то есть набор требуемой толщины стенки резонатора осуществляется из отдельных частей подобной ему формы, изготовленных, например, вытяжкой из лент аморфных или нанокристаллических металлов (металлических сплавов) толщиной 25…30 мкм каждая [ОАО "АМЗ", г. Аша, www.amet.ru; ТУ 12-123-149-2009], чередующихся в наборе между собой, с его последующим отжигом до температуры, не приводящей к кристаллизации.
Таким образом, по сравнению с известным резонатором предложенный резонатор имеет более высокую, как минимум, на порядок, добротность, что приводит к уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа примерно в 15-20 раз, что обеспечивает точность работы волнового твердотельного гироскопа до величины 0,25…0,9 угл. град/ч., позволяя использовать подобный твердотельный волновой гироскоп для решения многочисленных и разнообразных задач навигации и ориентации подвижных объектов различных классов. Дополнительным положительным эффектом использования предлагаемого резонатора является то, что в конструкцию существующих твердотельных волновых гироскопов не вносится никаких принципиальных изменений, поскольку в нее устанавливается резонатор таких же геометрических размеров, но изготовленный аморфного или нанокристаллического металла (металлического сплава).