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国内外激光陀螺惯导系统应用概况分析

国内外激光陀螺惯导系统应用概况分析

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【概要描述】1913年,法国科学家Sagnac进行了环形光路中外界转动引起干涉条纹变化的实验,并从理论上对此现象进行了解释,提出了著名的sagnac效应 。

国内外激光陀螺惯导系统应用概况分析

【概要描述】1913年,法国科学家Sagnac进行了环形光路中外界转动引起干涉条纹变化的实验,并从理论上对此现象进行了解释,提出了著名的sagnac效应 。

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  一 激光陀螺发展历史

  1913年,法国科学家Sagnac进行了环形光路中外界转动引起干涉条纹变化的实验,并从理论上对此现象进行了解释,提出了著名的sagnac效应 。但是,随后很长一段时间里,由于没有合适的相干光源,光学Sagnac效应的研究基本上没有任何进展。直到1960年,激光在世界上首次出现,激光陀螺作为激光技术的一个重要应用领域成为世界各国研究的热点。1961年,美国科学家C.V。Heer在美国物理学会上发表了世界上第一篇有关激光陀螺的报道。他介绍了采用测量环形激光谐振腔内运转的正反两束激光之间的频率差来感知外界输入角速率的变化口 。随后,美国斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺仪的实验装置。1966年,美国霍尼威尔公司开始使用石英作腔体,并研究出交变机械抖动偏频法,使这项技术有了实用的可能。经过40多年的发展和完善,目前,激光陀螺捷联惯导系统已广泛应用于军用和民用方面。在我国,二频机抖激光陀螺技术也已基本成熟,将作为未来信息化武器装备的关键器件。

  二 激光陀螺优点

  传统的陀螺仪利用高速转动的机械转子的定向性和进动性来测定相对于惯性空间的转速和方位。但 E是由于高速转子的存在所带来的缺陷,如不耐冲击振动,何加速度效应等等,使其在惯性导航中的应用受到了限制,妨碍了进一步的发展 。而激光陀螺的工作原理与常规机电陀螺完全不同,它具有下列优点:

  1.性能稳定,抗干扰能力强。激光陀螺由于没有高速转子,因而坚固可靠、耐冲击振动、抗加速度性能好。

  2.精度高。美国的高精度激光陀螺达到0.0005°/h,中高精度产品的零漂在0.001°-,0.01°/h之间。

  3.动态范围宽,可测动态转速范围高。

  4.寿命长。可靠性好。国外产品的寿命已达10万小时以上,平均无故障时间(MTBF)优于1万小时

  5.标度因数稳定。国外激光陀螺的标度因数稳定度高达1ppm,国内激光陀螺的标度因数稳定度也己达到10 ppm。

  6.启动迅速。由于没有象机电陀螺一样存在马达的启动与稳定问题,激光陀螺启动后可短时间内(3-8s)输出信息。

  7.数字量输出、无需模数转换。激光陀螺的输出信号是脉冲形式,对脉冲进行计数就得到对应转动角度的数字量,便于计算机处理,不需要高精度的AD电路。

  8.对于同样的精度和性能要求,激光陀螺的成本比机电陀螺低。

  9.功耗低,体积小,重量轻。

  10.既是速率陀螺,也是位置陀螺。使用灵活,应用范围广。

  三 国外激光陀螺应用情况

  目前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美,英、德、法、日本和俄罗斯,其中美国和法国研制的水平最高,激光陀螺技术发展很成熟,并形成了二频机抖、四频差动、空间三轴、塞曼陀螺等不同类犁的系列产品,目前已经达到最高水平的零漂值为0。00015。/h,输入速率动态范围±1500。/s,使用寿命20万小时以上,输入轴对准稳定度达到微弧量级 。

  美国研制激光陀螺仪的厂家有霍尼威尔,利顿、斯佩里和辛格。基尔福特等公司。斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺仪的实验装置。1972年,霍尼威尔公司研制出GO-1300型激光陀螺仪。1974年美国国防部下令海军和空军联合制定研究计划,1975年在战术飞机试飞成功,1976年在战术导弹试验成功。此后,激光陀螺仪在航空,航天、航海、战车定位定向方面广泛应用。

  法国SEXTANT公司在1972年开始研究激光陀螺仪,成功应用于“美洲虎”直升机、ANS超音速导弹和“阿里安’'4火箭,并在法国未来战略导弹项目上中标。SAGEM公司从1977年开始研究环行激光陀螺仪,应用于航空及潜水艇的捷联惯导系统;其生产的GLCl6型样机主要用于直升机和小型运载火箭的捷联惯导系统。1994年2月,日本H2运载火箭呼啸升空,激光陀螺首次在航天运载器中取代挠性陀螺。,国外激光陀螺实用产品精度性能参数如表1。1所示

  美军现役战斗机、航空制导武器等大多都装备了激光陀螺捷联惯导系统。为了提高激光陀螺捷联惯导系统的精度和可靠性,美军采用GPS与之进行组合来提高系统的导航精度,这样就可以通过低成本、中等精度的捷联惯导系统与GPS组合得到高精度的导航系统。在科索沃战争中,美军使用的各类作战飞机、战斧II型巡航导弹,GBU-15航窄制导炸弹等均采用激光陀螺捷联惯导/GPS组合导航系统。当采用P(Ⅵ码GPS时,组合导航系统的精度可以达到8m(CEP)。科索沃战争后,美军加大了激光陀螺捷联惯WGPS组合导航系统的生产量,以满足制导武器的需求。并且美军计划在未来十年里将组合导航系统的精度提高到3m(CEP)。

  四 国内激光陀螺应用情况

  国内激光陀螺起步于六十年代,大约七十年代初,清华大学、国防科技大学、苏州第一光学仪器。,中国计量科学院、航空部303所先后开始了激光陀螺的研究,曾进行过抖动偏频、四频差动激光陀螺的方案与实验,同时对激光陀螺的基本理论进行了探讨。八十年代,航空部618所、航天部12所、国防科技大学、清华大学等开始了第一轮的激光陀螺研究。到“八五’期间,国防科技大学。航空部618所先后进行了技术鉴定。“九五”期间及以后,国内进行激光陀螺元件与整机研制的单位主要是:中国航空工业总司618所和国防科技大学。在激光陀螺捷联系统技术研究领域,国内起步于80年代初期,80年末开始从前苏联引进少量二频机抖激光陀螺开展关键技术的研究工作,国产激光陀螺样机研制成功后则转向主要针对国产激光陀螺开展系统研究工作。

  发展至今,国产激光陀螺已成功应用于现役武器装备改造和新型武器系统研制。八五”初期,国防科技大学率先引进俄罗斯生产的KM2型二频机抖激光陀螺,研制出国内第一套激光陀螺捷联系统,并成功应用于无人驾驶核化侦察装甲车。之后,又引进俄罗斯生产的 e3二频机抖激光陀螺研制出激光陀螺定位定向导航系统。成功应用于军用机器人系统。同期研制的激光陀螺捷联惯性定位定向系统样机也已成功应用于”,阵地联测子系统,解决了武器系统在复杂气象、地理环境下的定位、定向、导航问题,提高了部队的反应能力 ,目前国防科大等科研院所也在开展远程弹载,船(艇)载激光陀螺捷联惯性测量组合系统的研究

 

中科科美制造陀螺混气台

  我国作为发展中国家,树立了打赢高技术条件下局部战争为目标的战争观,这就决定了我军装备发展中必须坚持有所为和有所不为发展策略。而有所为的核心是必须首先对空中来犯之敌给予有效打击。要达到这一基本目的就必须强化空空、面空、地空、舰空等战术导弹武器的发展和强化获得这些武器使用的平台和信息的技术。同时必须具有一定的威慑反击能力,相应地加强地地导弹、反舰武器的发展。

  国外上述战术导弹武器的装备和发展中。几乎无一例外地均采用了惯性测量单元(IMU)作为中制导的核心部件。通过惯性+GPS,惯性+无线电指令,惯性+雷达,惯性+红外/激光,惯性+图象等等实现了导弹的精确打击和智能化,实现了离轴发射和发射后不管的新空战模式,实现了面防空和面反导的能力。其典型装备如战斧、爱国者、AM。1 20、HUMRAAM(高机动车载防空系统)、R.27、R.77、PBB—AE、S-300、X-59、花岗岩、SS。N。12、捕鲸叉、米卡,箭1/2等等。

  因此惯性测量单元(IMU)已经成为战术武器的核心传感器,已成为当今高技术武器装备中必须优先发展和大力加强的关键技术和环节。

  我国目前的战术武器的惯性技术主要基于挠性陀螺,存在最大的问题是动态范围小、准备时间长、环境适应性差、可靠性低和标校周期短。

  基于激光陀螺的惯性测量单元恰好可以较为有效地解决上述问题。

  国内激光陀螺经过20余年的研制,逐渐形成了多个研制核心,个别单位目前已经形成了一定的小批量生产能力。其中618所为某重点战机型号配套的激光陀螺组合已经批量交付。航天33所为某重点型号配套激光陀螺已经进行了靶试,航天13所的惯导系统也进行了试飞。。目前我国除飞机外,近程地地导弹、中程空空导弹、远程空空导弹、地空导弹、舰空导弹、反舰导弹、巡航导弹、鱼雷武器、等多种战术导弹武器应用对激光陀螺惯性测量单元都有强烈需求

  我国研制生产的激光陀螺性能也达到了一定水平,如618所 研制的激光陀螺由于采用了微处理器电子控制模块,使激光陀螺的尺寸和重量都到了减少,同时还扩大了激光陀螺的工作温度范围,提高了漂移的重复性,达到0.01°~0.005°/h同时还减少了激光陀螺的随机游走,达到0.002°~0.003°/h(指标对比参加表1)

  五 激光陀螺生产关键设备

  在激光陀螺生产过程中,会用到陀螺仪表检测装置、陀螺仪充油装置、陀螺仪充排气台、高真空钎焊退火炉等,北京中科科美科技股份有限公司是国内最早从事陀螺仪表生产装备制造厂商,其生产的设备广泛应用于国内各个陀螺生产企业几研究所。陀螺仪表生产装备市场占有率超过80%。以下是几种关键陀螺生产设备简介

  5.1陀螺仪专用检测装置

  用于陀螺仪除气、充气及密封检漏。广泛应用于航空、航天、船舶等军工业及民用领域。该系统具有防爆安全措施;系统采用滤油装置,具有环保措施,泵的排气口装有防毒过滤器。

 

 

  技术参数

  1.系统极限真空度:1×10-5Pa;

  2.系统工作真空度:1×10-4Pa;

  3.系统漏气率:≤1×10-10Pa•m3/s;

  4.系统放气率:≤1×10-7Pa•m3/s;

  5.充气压力范围: 100Pa-100kPa;

  6.系统连续工作时间:≥36 h;

  7.真空储存罐耐压:≤20atm;

  8.真空储存罐内气体露点≤-65℃。

  5.2陀螺仪真空滴油台

  应用领域

  高真空滴油台可提供一个清洁无油的高真空环境,可用于精密仪表、陀螺、精密传感器和变送器等需要充注高纯度油的器件上,实现其加热除气及充油。

 

 

  技术参数

  1.空载冷态极限真空:优于5.0×10-5Pa;

  2.加热温度:20℃~600℃;

  3.充油速度可控:1~10滴/分(可调)或根据要求定制。

  5.3激光陀螺充排气台

  应用概述

  主要用于激光陀螺谐振腔阴极的真空处理。具有无油蒸汽污染,排气速度快,极限真空度高等特点,而且具有停水、停电自动保护报警和系统过压保护功能。

 

 

  技术参数

  1.系统极限真空度:5×10-7Pa;

  2.钟罩极限真空度:5×10-4 Pa;

  3.烘烤温度:400℃可控可调;

  4.钟罩内径:定制;

  5.提升高度:按需求;

  6.工件个数:5-10个;

  5.4高真空钎焊退火炉系统

  产品描述

  该系列设备主要用于陀螺仪表,在真空环境下做钎焊、退火等工艺处理。

 

 

  技术参数

  1.系统极限真空度5×10-5Pa;

  2.工作真空度1×10-4Pa。

  3.系统漏率≤1×10-10Pam3/S;

  4.最高加热温度≥1000℃;

  5.升温速率0.5~10℃/min;

  6.温度均匀性≤±5℃;

  7.控温精度≤±2℃;

  8.均温区范围≥∅250mm×400mm。

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