某型激光陀螺壽命分析與改進(jìn)

何 婕

（空軍駐232廠軍事代表室，北京100094）

0 引言

激光陀螺原理基于Sagnac效應(yīng)，具有高精度、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為精密的慣性傳感器件[1]并廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代末期，美國(guó)Honeywell公司突破了激光陀螺技術(shù)，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，國(guó)外激光陀螺技術(shù)已經(jīng)非常成熟，形成了一系列各具特色、從低精度到高精度完整覆蓋的系列化產(chǎn)品。

我國(guó)激光陀螺技術(shù)于20世紀(jì)90年代末取得了突破，此后以二頻機(jī)抖式激光陀螺為代表的高性能陀螺儀發(fā)展迅猛，已經(jīng)全面應(yīng)用到運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈武器、戰(zhàn)機(jī)、艦船、定位定向和衛(wèi)星飛船等領(lǐng)域。

隨著型號(hào)應(yīng)用的增多和使用要求的不斷提高，我國(guó)激光陀螺研究正從初期的重視精度性能研究，轉(zhuǎn)向加強(qiáng)可靠性和壽命方面的研究。據(jù)報(bào)道，國(guó)外以GG1342、GG1320為代表的高性能激光陀螺存儲(chǔ)壽命已經(jīng)普遍高達(dá)30年，工作壽命達(dá)到2×105h，平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）達(dá)1.5×105h。 我國(guó)激光陀螺發(fā)展成熟較晚，壽命指標(biāo)只是基于設(shè)計(jì)分析和短期工程驗(yàn)證，缺乏準(zhǔn)確、長(zhǎng)久的數(shù)據(jù)支撐。此外，陀螺壽命相關(guān)的驗(yàn)證方法和手段上還有欠缺。因此，開(kāi)展激光陀螺壽命相關(guān)研究，對(duì)提高儀表成熟度，推進(jìn)我國(guó)激光陀螺發(fā)展具有迫切和重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

1 激光陀螺組成

激光陀螺組成與基本工作過(guò)程如下：對(duì)各類(lèi)光學(xué)零件進(jìn)行超精密加工，并裝配成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)形光學(xué)諧振腔；然后在腔內(nèi)充入高純氦氖氣體，由對(duì)應(yīng)的高壓電路擊穿與放電驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的激光。壓電式抖動(dòng)機(jī)構(gòu)與光學(xué)諧振腔連接，同時(shí)也安裝在基座上，由對(duì)應(yīng)的抖動(dòng)電路對(duì)諧振腔進(jìn)行抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)和控制。腔長(zhǎng)控制機(jī)構(gòu)與諧振腔上的可形變鏡片粘連，由對(duì)應(yīng)的穩(wěn)頻控制電路進(jìn)行光路長(zhǎng)度的精密驅(qū)動(dòng)和控制。諧振腔輸出的激光經(jīng)過(guò)頻差輸出機(jī)構(gòu)后由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)為差頻電信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)處理電路進(jìn)行轉(zhuǎn)速信息的提取，輸出的轉(zhuǎn)速信息實(shí)時(shí)供給導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行當(dāng)前姿態(tài)和位置解算[4-7]，組成如圖1所示。

這其中，環(huán)形諧振腔是激光陀螺的功能核心。國(guó)內(nèi)外研究均表明，諧振腔是決定其壽命的關(guān)鍵部件，這一點(diǎn)也在大量的應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

2 影響陀螺壽命的機(jī)理研究

環(huán)型激光諧振腔的核心是一個(gè)高度密封的零膨脹微晶玻璃腔體，內(nèi)部由相互連通的毛細(xì)孔、光闌、儲(chǔ)氣孔、電極孔、吸氣劑孔等構(gòu)成，外部由3個(gè)金屬電極和4個(gè)玻璃材質(zhì)反射鏡密封組成[8]。腔體內(nèi)充有適當(dāng)比例和氣壓（約1000Pa）的高純度氦－氖同位素氣體，研究表明腔內(nèi)氦氖氣體的壓力、比例和純度會(huì)隨時(shí)間的變化，顯著改變諧振腔的增益系數(shù)，從而導(dǎo)致光強(qiáng)明顯下降。當(dāng)光強(qiáng)降低到一定程度后，如低于光電接收最小響應(yīng)或響應(yīng)值超出后續(xù)電路處理下限，陀螺無(wú)法正常工作輸出，可認(rèn)為達(dá)到壽命。試驗(yàn)證明，某型陀螺腔內(nèi)壓力下降到200Pa以下時(shí)，性能會(huì)明顯下降而失效。此外，腔內(nèi)出現(xiàn)極微量的雜氣就可以引起陀螺性能的急劇下降，甚至不出光。例如，氫氣含量增加0.01%或氧氣體含量增加0.1%，激光光強(qiáng)都會(huì)下降40%左右[9]。

2.1 存儲(chǔ)壽命機(jī)理研究

存儲(chǔ)壽命是指陀螺在規(guī)定的環(huán)境條件下，不通電自然存儲(chǔ)保持其規(guī)定功能和性能的最長(zhǎng)年限，國(guó)外激光陀螺的存儲(chǔ)壽命已達(dá)到了30年。存儲(chǔ)壽命主要取決于以下3個(gè)因素：1）陀螺腔體內(nèi)表面和內(nèi)部元件的放氣；2）用于吸收雜質(zhì)氣體的消氣劑的能力；3）密封區(qū)質(zhì)量及材料分子間隙引起的氦氖增益氣體外滲及外部雜氣滲入。

（1）陀螺內(nèi)表面和內(nèi)元件的放氣

任何材料在真空下都會(huì)釋放出一定量的氣體，放氣量取決于污染物種類(lèi)、污染物含量和表面積等因素。激光陀螺要經(jīng)過(guò)多道加工工序，生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)半年，工件不可避免地殘留大量的油脂、粉末并吸附氣體。這些表面殘留的污染物和所吸附的氣體會(huì)不斷釋放出來(lái)，降低氦氖工作氣體的純度，從而降低陀螺輸出光強(qiáng)。因此，陀螺上的各類(lèi)零件通常采用乙醇、丙酮和去離子水等多種溶劑進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)清洗，清洗后的零件再進(jìn)行高真空加熱除氣，使零件表面放氣量大大減少。陀螺密封裝配后釋放出的殘余微量氣體再被吸氣劑吸除，使工作氣體維持在超高純度狀態(tài)，確保了儀表性能穩(wěn)定及長(zhǎng)壽命。嚴(yán)格仔細(xì)地清洗陀螺零件，是確保陀螺長(zhǎng)壽命的基礎(chǔ)。

（2）氦氣的對(duì)外滲漏

陀螺內(nèi)部的氦原子滲漏到外界，使得氣壓降低及氦氖比例失調(diào)，儀表性能下降，甚至無(wú)激光輸出。氦氣是自然界最小的并以原子形態(tài)存在的氣體，其漏率比通常的氮?dú)?、氧氣和氖氣高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此氦氣的滲漏在一定程度上決定了儀表的存儲(chǔ)壽命。陀螺制造過(guò)程要求每個(gè)儀表必須通過(guò)嚴(yán)格的氦質(zhì)譜檢漏，經(jīng)過(guò)數(shù)十個(gè)溫度循環(huán)后，氦漏率不高于 1×10－11Pa·m3/s。

陀螺內(nèi)部的氣壓變化和漏率關(guān)系的公式如下：

式中，P為陀螺內(nèi)部氦氣分壓，單位為Pa；P0為陀螺內(nèi)部氦氣初始分壓，單位為Pa；Q為陀螺的氦滲漏率，單位為Pa·m3/s；V為陀螺的內(nèi)容積，單位為m3。

漏率Q與陀螺內(nèi)外氦氣壓差成正比，即Q＝BP，B為漏氣系數(shù)，單位為m3/s。帶入式（1）并按陀螺內(nèi)外部大氣無(wú)氦的自然滲漏計(jì)算，得到：

式（2）說(shuō)明：陀螺內(nèi)部的氣壓變化是隨時(shí)間指數(shù)規(guī)律衰減，要提高激光陀螺存儲(chǔ)壽命，必須增大陀螺的內(nèi)容積或減小氦氣的漏率。

（3）溫度對(duì)氦滲漏的影響

不同溫度下漏率也不同，氦氣在材料中的滲漏率隨溫度升高急劇增大。根據(jù)氣體在玻璃中滲透理論，氦氣穩(wěn)定擴(kuò)散時(shí)呈線性分布，即Fick第一定律滲透量：

K為滲透系數(shù)，單位為 Pa·m3/（s·cm2·Pa·mm－1），取決于材料和溫度；A為滲透元件表面積，單位為cm2；P為滲透元件兩側(cè)滲透氣體的壓差，單位為Pa；d為滲透元件的厚度，單位為mm。

滲透系數(shù)K是溫度的函數(shù)：

其中，k0為滲透常數(shù)，單位為Pa·m3/（s·cm2·Pa·mm－1）；E為滲透活化能，單位為 J/mol；R為Molar氣體常數(shù)，值為8.31，單位為 J/（mol·K）；T為絕對(duì)溫度，單位為K。

石英玻璃和微晶玻璃是激光陀螺常用的材料，石英玻璃滲透系數(shù)是微晶玻璃的數(shù)千倍，因此石英玻璃的氦滲透是主要的。石英玻璃在各溫度下的滲透系數(shù)如表1所示。

表1 石英玻璃對(duì)不同氣體的滲透系數(shù)KTable 1 Osmotic coefficient K of different gases in Quartz glass

（4）某型激光陀螺存儲(chǔ)壽命計(jì)算

根據(jù)式（2）和式（3），得到：

由某型陀螺結(jié)構(gòu)分析可知，采用石英玻璃穩(wěn)。陀螺工作頻反射鏡，其槽底部最薄處氦滲漏最大，其他部位氦滲漏基本可忽略，參數(shù)如表2所示。

表2 某型激光陀螺氦滲漏計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of osmotic coefficient of Helium of a type of RLG

計(jì)算得到不同溫度下存儲(chǔ)壽命，如圖3所示。

如果定義200Pa為陀螺壽命下限，則根據(jù)圖3得到在溫度低于50℃的存儲(chǔ)環(huán)境條件下，該型陀螺存儲(chǔ)壽命高達(dá)30年以上。

2.2 工作壽命機(jī)理研究

工作壽命是指陀螺儀在規(guī)定的工作環(huán)境條件下，通電工作保持其規(guī)定的功能和性能的最長(zhǎng)時(shí)限，目前國(guó)外激光陀螺普遍達(dá)到了2×105h。

激光陀螺工作期間，啟用高壓將工作氣體電離，其中正離子能量遠(yuǎn)高于電子并直接轟擊陰極，使其表面氧化層以原子量級(jí)逐漸消耗，即產(chǎn)生“微濺射”現(xiàn)象。該過(guò)程中，正離子特別是氖離子會(huì)嵌入到材料內(nèi)部，另外陰極濺射物也會(huì)覆蓋和吸附工作氣體。這兩種物理機(jī)制均會(huì)改變工作氣體壓力和比例，造成光強(qiáng)下降，從而對(duì)陀螺工作壽命有重要影響。通常陰極特性決定了激光陀螺的工作壽命，陰極材料必須具有很高的抗濺射能力，材料雜質(zhì)含量、表面狀態(tài)、放電環(huán)境氣壓、單位面積、電流等因素均可影響其抗濺射能力，其抗濺射能力可近似用式（7）表示：

其中，D為濺射率，I為電極表面的電流，S為電極面積，P為陀螺內(nèi)部環(huán)境氣壓，K為與電極材料和形狀相關(guān)的參數(shù)[10-11]。某型陀螺了選用超高純鋁作為陰極材料，放電內(nèi)表面為半球桶形，能夠支撐較長(zhǎng)的工作壽命。

3 長(zhǎng)壽命改進(jìn)技術(shù)措施

在激光陀螺全生命周期內(nèi)，存儲(chǔ)壽命和工作壽命的作用一直存在，且相互影響，當(dāng)其中任何一個(gè)壽命達(dá)到陀螺不能正常工作的條件時(shí)，累計(jì)時(shí)長(zhǎng)即成為儀表壽命。長(zhǎng)壽命的核心是確保工作氣體的穩(wěn)定，因此在儀表設(shè)計(jì)和制造工藝上，必須加強(qiáng)氣體所在內(nèi)環(huán)境的 “密封性”和 “惰性”的研究，避免由于滲漏、吸附和化學(xué)反應(yīng)等造成的工作氣體不穩(wěn)定情況。

1）加強(qiáng)陀螺內(nèi)表面的清洗，獲取超潔凈表面。可采用純度更高、溶解性更強(qiáng)、殘留更少的化學(xué)溶劑清洗陀螺儀，同時(shí)結(jié)合射頻等離子物理清潔技術(shù)，進(jìn)一步去處溶劑的殘余污染。

2）提高陀螺氣密材料的致密性，消除材料微缺陷。采用微晶玻璃作為反射鏡基材，可將反射鏡滲氦率降低到石英玻璃的數(shù)千分之一，從而大大提高激光陀螺的存儲(chǔ)壽命。

3）選取抗濺射更好的材質(zhì)作為陰極。高純鈹是長(zhǎng)壽命激光陀螺陰極的首選材質(zhì)，通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砑夹g(shù)，在放電面形成厚度適中、致密穩(wěn)定的氧化鈹保護(hù)層，使得陰極具有優(yōu)異的電子發(fā)射特性和抗濺射能力，從而大幅提高工作壽命。

4）在確保陀螺正常工作的情況下，盡量選用低的氣體放電電流。低電流使陰極表面的電流密度下降，延緩氧化層的消耗。一種有效的方法是根據(jù)陀螺光強(qiáng)下降值，定期自適應(yīng)提高陀螺的氣體放電電流，從而延長(zhǎng)激光陀螺的壽命。

5）氣體變化能夠體現(xiàn)在陀螺的光強(qiáng)和陰陽(yáng)極壓差等指標(biāo)上，是預(yù)測(cè)陀螺壽命的重要參數(shù)。美國(guó)GG1320數(shù)字化激光陀螺通過(guò)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)和陰陽(yáng)極壓差建立了壽命預(yù)測(cè)模型，作為陀螺健康管理的重要組成部分。

4 結(jié)論

本文從激光陀螺原理出發(fā)，指出環(huán)形諧振腔內(nèi)氣體壓力、成分的變化是決定陀螺儀壽命的關(guān)鍵所在，給出了存儲(chǔ)壽命和工作壽命的影響機(jī)理，提出加強(qiáng)陀螺儀壽命設(shè)計(jì)的關(guān)鍵分析和計(jì)算方法，給出了提高激光陀螺壽命的多項(xiàng)技術(shù)措施，對(duì)激光陀螺向長(zhǎng)壽命發(fā)展具有較大的意義。