半球諧振陀螺技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

賈智學(xué)，付麗萍，任佳婧

（1.陜西航天時(shí)代導(dǎo)航設(shè)備有限公司，寶雞721006；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京100048）

0 引言

半球諧振陀螺（Hemispherical Resonator Gyroscope，HRG）是基于哥氏振動(dòng)原理具有慣導(dǎo)級(jí)性能的高精度新型固體振動(dòng)陀螺，利用半球唇殼的徑向振動(dòng)駐波進(jìn)動(dòng)效應(yīng)感測(cè)基座旋轉(zhuǎn)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精度、長(zhǎng)壽命、高可靠、抗輻射的特點(diǎn)，有良好的振動(dòng)沖擊性能、溫度特性，具有獨(dú)特關(guān)機(jī)運(yùn)行和抗輻射能力，漂移精度達(dá)到0.0001（°）／h，壽命可達(dá)15年。半球陀螺獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在空間領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，如衛(wèi)星或空間飛行器慣性測(cè)量單元、姿態(tài)穩(wěn)定控制。

哥氏振動(dòng)陀螺不僅具有所有慣性?xún)x表的品質(zhì)，而且與 “兩光”陀螺比較，有小型化的優(yōu)勢(shì)。國(guó)際電子電氣工程協(xié)會(huì) （IEEE）編制了哥氏振動(dòng)陀螺規(guī)范指南與試驗(yàn)程序，哥氏振動(dòng)陀螺被列入具有極大發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸虘B(tài)陀螺，受到國(guó)際慣性技術(shù)界的重視。

1 半球諧振陀螺優(yōu)勢(shì)

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

半球諧振陀螺主要包括石英諧振子、激勵(lì)罩和敏感基座3個(gè)部分，圖1為美國(guó)Northrop Grumman HRG130P半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)圖。

1.2 高可靠性

半球諧振陀螺是振動(dòng)陀螺的一種，相比較其他類(lèi)型的慣性器件，如液浮式陀螺、動(dòng)調(diào)式陀螺、激光光纖陀螺等，零件數(shù)目減少很多，提高了可靠性。各類(lèi)陀螺零件對(duì)比如圖2所示。

圖2 各類(lèi)陀螺零件數(shù)比較圖Fig.2 Comparison of parts of all kinds of gyroscopes

截至2012年，有135顆衛(wèi)星應(yīng)用半球諧振陀螺系統(tǒng)，累計(jì)在空間無(wú)故障工作2×107h，無(wú)一失效。

1.3 高精度

半球諧振陀螺在其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的情況下，仍能做到0.0001（°）／h的高精度，較石英陀螺、硅基微陀螺精度高很多。針對(duì)航天衛(wèi)星任務(wù)需求，以及新一代戰(zhàn)略武器的長(zhǎng)距離、高精度的技術(shù)要求，半球諧振陀螺具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

從圖3可以看出，半球諧振陀螺覆蓋宇航、戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域，具有長(zhǎng)壽命、高可靠的特點(diǎn)，是21世紀(jì)最具前景的陀螺技術(shù)之一。

圖3 HRG零偏穩(wěn)定性Fig.3 Bias stability of HRG

2 工作原理

半球諧振陀螺機(jī)理是基于哥氏力，通過(guò)半球諧振子唇緣駐波進(jìn)動(dòng)效應(yīng)測(cè)量基座旋轉(zhuǎn)的新型振動(dòng)陀螺。半球諧振子在靜電力驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生二節(jié)駐波，振動(dòng)是四波幅振動(dòng)，駐波由4個(gè)波腹和4個(gè)波節(jié)組成。如圖4所示，當(dāng)基座靜止時(shí)，波腹和波節(jié)位置保持不變；當(dāng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，駐波發(fā)生進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角度為基座旋轉(zhuǎn)角度的30%。通過(guò)檢測(cè)波節(jié)出駐波振動(dòng)分量幅值和相位，就可得出旋轉(zhuǎn)角度或角速率。

圖4 工作原理圖Fig.4 Working principle of HRG

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 諧振子精密加工

半球陀螺的基座、諧振子和外罩均為熔融石英，材料具有極低的熱膨脹系數(shù)、極好的化學(xué)穩(wěn)定性、極高的品質(zhì)因數(shù)，但材料硬度高而脆，對(duì)于諧振子異型薄殼內(nèi)外球面同心度、圓度等形位公差要求在3μm以?xún)?nèi)，對(duì)加工設(shè)備、工藝方法要求很高。精密加工后的石英諧振子如圖5所示。

圖5 精密加工的諧振子圖Fig.5 Precision machined harmonic oscillator

3.2 球面鍍膜技術(shù)

在球殼的雙面均勻鍍膜，激勵(lì)罩、讀出基座相應(yīng)電極位置進(jìn)行金屬化處理，形成激勵(lì)電容施加靜電控制以及讀出電容檢測(cè)諧振子波形。鍍膜效果如圖6所示，球面鍍膜技術(shù)的關(guān)鍵在于鍍膜的均勻性和相應(yīng)電極位置的準(zhǔn)確性，稍有偏差就會(huì)對(duì)陀螺的精度產(chǎn)生影響。

圖6 鍍膜效果圖Fig.6 Diagram of coating effect

3.3 諧振子調(diào)平技術(shù)

加工出的石英諧振子與理想的對(duì)稱(chēng)形狀總是存在一些偏差，實(shí)際加工出來(lái)的諧振子具有圓柱度和同軸度超差的現(xiàn)象，普遍存在著諧振子質(zhì)量分布不平衡等，這樣導(dǎo)致諧振子頻率裂解增大。而高精度的陀螺要求頻率差小于0.01Hz，質(zhì)量的差異小于0.1mg，也就是說(shuō)差異越小越好，對(duì)稱(chēng)的程度影響著陀螺的精度。

圖7 陀螺穩(wěn)定性與裂解頻率的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the frequency mismatch and the stability of gyroscope

從圖7可以看出，當(dāng)阻尼ε一定時(shí)，縱坐標(biāo)漂移隨橫坐標(biāo)裂解頻率減小而成線(xiàn)性減小。裂解頻率提高一個(gè)量級(jí)，漂移也會(huì)隨著提高一個(gè)量級(jí)。而高精度陀螺的裂解頻率要在0.001Hz這個(gè)值附近，這就具有一定的難度。

3.4 驅(qū)動(dòng)與信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

HRG采用靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)，敏感模態(tài)信號(hào)微弱對(duì)驅(qū)動(dòng)控制和敏感系統(tǒng)要求很高，陀螺驅(qū)動(dòng)信號(hào)的中心頻率和幅值的穩(wěn)定控制也非常重要。

4 國(guó)內(nèi)外半球陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 國(guó)外研究情況

20世紀(jì)60年代，美國(guó)開(kāi)始研究半球陀螺。20世紀(jì)90年代，開(kāi)始采用基于HRG130P半球陀螺系統(tǒng)執(zhí)行NEAR著陸小行星任務(wù)。2001年，完成觸地著陸，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)首次小行星軟著陸。之后，又執(zhí)行了CASSINI環(huán)土星任務(wù)、水星探測(cè)任務(wù)、DEEPIMPACT撞擊彗星任務(wù)等。2009年，哈勃望遠(yuǎn)鏡上的氣體軸承的液浮陀螺全部被半球諧振陀螺替換，哈勃望遠(yuǎn)鏡測(cè)試陀螺性能零偏穩(wěn)定性為0.00008（°）／h。 圖8為美國(guó)半球諧振陀螺的研制進(jìn)程，表1為某半球諧振陀螺的技術(shù)參數(shù)。

圖8 美國(guó)HRG研制進(jìn)程圖Fig.8 Development process of American HRG

表1 半球諧振陀螺的技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of HRG

莫斯科鮑曼國(guó)立技術(shù)大學(xué)在半球諧振陀螺理論基礎(chǔ)方面進(jìn)行了深入研究，出版關(guān)于半球諧振陀螺的專(zhuān)著，并在諧振子調(diào)平方法、漂移模型和信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提出獨(dú)特的見(jiàn)解。拉明斯克設(shè)計(jì)局在20世紀(jì)90年代研制了直徑為Φ50mm和Φ100mm的半球諧振陀螺，隨機(jī)漂移精度達(dá)到0.005（°）／h～0.01（°）／h。 梅吉科科研所研制了直徑為Φ30mm的HRG，開(kāi)發(fā)獨(dú)特調(diào)平技術(shù)，產(chǎn)品用于石油探測(cè)，如圖9所示。

圖9 石油測(cè)斜儀Fig.9 Oil logging tool

法國(guó)的SAGEM公司研發(fā)了REGYS20半球諧振陀螺，優(yōu)化諧振子結(jié)構(gòu)進(jìn)一步小型化，適應(yīng)批生產(chǎn)要求，年生產(chǎn)5000只半球諧振陀螺。目前，形成了陸地導(dǎo)航系統(tǒng)、船用羅經(jīng)、機(jī)載慣性系統(tǒng)、空間導(dǎo)航等系列產(chǎn)品。2014年，8顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行，超過(guò)100只半球諧振陀螺應(yīng)用在空間領(lǐng)域。截止2016年，超過(guò)4000只半球諧振陀螺應(yīng)用在Hamner戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上。圖10為某半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)圖。

圖10 半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of HRG

4.2 國(guó)內(nèi)研究情況

國(guó)內(nèi)對(duì)半球諧振陀螺的研制起步比較晚，中電26所從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始研制，經(jīng)過(guò)20多年的研究，已能夠生產(chǎn)出滿(mǎn)足衛(wèi)星應(yīng)用的半球諧振陀螺，精度可達(dá) 0.02（°）／h。2012年，國(guó)產(chǎn)半球諧振陀螺已應(yīng)用在在軌運(yùn)行的空間衛(wèi)星上，如圖11所示。

圖11 國(guó)內(nèi)HRG陀螺的應(yīng)用Fig.11 Domestic HRG application

5 半球諧振陀螺技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

從國(guó)外半球諧振陀螺的技術(shù)應(yīng)用來(lái)看，未來(lái)陀螺將以HRG和MEMS為主，并作為空間應(yīng)用和戰(zhàn)略領(lǐng)域等高價(jià)值任務(wù)的首選產(chǎn)品。未來(lái)半球諧振陀螺的發(fā)展趨勢(shì)為：

1）高精度。國(guó)外半球諧振陀螺精度達(dá)到萬(wàn)分之一度以?xún)?nèi)，國(guó)內(nèi)差距尚遠(yuǎn)，還有很大提升空間。法國(guó)Sagem公司Φ30mm的半球諧振陀螺精度達(dá)到 0.005（°）／h， 美國(guó) Northrop Grumman 公司2012年研制Φ35mm半球陀螺 （mHRG）精度達(dá)到0.00035（°）／h。

2）小型化。美國(guó)半球諧振陀螺的直徑尺寸從Φ90mm逐漸減小至Φ45mm、Φ30mm、Φ25.4mm等，現(xiàn)有資料顯示，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始著手研制超微型半球諧振陀螺（μHRG）。

3）產(chǎn)品化、系列化。Sagem公司年產(chǎn)半球諧振陀螺5000只，廣泛用于船用羅經(jīng)、陸地導(dǎo)航、機(jī)載設(shè)備、空間導(dǎo)航領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi)對(duì)于半球諧振陀螺的研究比較單一，沒(méi)有形成產(chǎn)品化。

6 結(jié)論

半球諧振陀螺以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠、長(zhǎng)壽命、高精度等顯著特點(diǎn)，是繼光學(xué)陀螺之后的重點(diǎn)研究方向之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)外應(yīng)用證明在空間領(lǐng)域具有絕對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是高價(jià)值導(dǎo)航領(lǐng)域優(yōu)選產(chǎn)品，并且國(guó)外在產(chǎn)品化、系列化應(yīng)用中處于領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)在半球諧振陀螺研究上取得階段性成果，但仍不能適應(yīng)型號(hào)產(chǎn)品需求，仍要加強(qiáng)制造工藝研究，提高精度，提升產(chǎn)品化水平，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。

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