Преодолевая двадцатилетний разрыв

Наука и технологии
ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ
«Эксперт» №48 (1009) 28 ноября 2016
Оказалось, что даже двадцатилетнее отставание можно преодолеть, владея теорией вопроса и развивая ее, опираясь на опыт и школу предыдущих поколений инженеров и «бирюзовые» настроения специалистов
Преодолевая двадцатилетний разрыв

Инерциальная навигация — единственное на сегодняшний день автономное средство определения местоположения и ориентации объекта. В настоящее время автономные системы инерциальной навигации — неотъемлемая часть любого подвижного объекта: ракеты, самолета, вертолета, корабля, а сейчас уже и автомобилей, танков, БМП и даже отдельных бойцов, поскольку везде требуется информация о положении объекта в пространстве и везде присутствует инерциальная система. А сейчас отрасль переживает настоящий бум в связи с тем, что появляется управляемое оружие, беспилотные летательные аппараты, военные роботы — все эти объекты требуют управления с использованием информации о местоположении и углах ориентации. Ключевой элемент системы инерциальной навигации — это гироскоп, устройство, которое в сочетании с другим устройством — акселерометром* позволяет определять параметры, характеризующие движение (или положение) объекта, на котором оно установлено, а также осуществлять стабилизацию этого объекта.

На прошлой неделе информационные потоки сошлись таким образом, что все говорили о новой технологической революции, в которую должна «вписаться» Россия
Редакционная статья

В компании «Инерциальные технологии “Технокомплекса”» (ИТТ) занимаются несколькими типами гироскопов, в первую очередь для летательных аппаратов, ракет и для использования в космосе. Если говорить о технологиях вчерашнего дня, то это механические гироскопы. Технологии сегодняшнего дня — гироскопы лазерные. А технологии завтрашнего дня — это, во-первых, микроэлектромеханические системы (МЭМС), устройства, которые объединят в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты, по сути, это микросхемы; во-вторых, в точной области — волновой твердотельный гироскоп (ВТГ), новый тип датчиков, на который делают ставку самые передовые компании мира. В мире такой техникой — инерциальными навигационными системами высокой точности — обладают только четыре страны помимо России: США, Франция, Израиль и Китай, который с нашей помощью овладел этой технологией в 90-е годы прошлого века.

Бирюзовые цвета будущего

По мнению генерального директора ИТТ Андрея Требухова (хотя он и делает оговорку, что, возможно, с такой оценкой согласятся не все специалисты в этой области), «еще недавно Россия отставала от развитых стран в области инерциальных систем лет на двадцать. И обусловлено это было практикой копирования иностранных образцов, принятой в СССР». Ситуация усугубилась в 1990-е.

Но за последние годы после создания ИТТ, по мнению Требухова и других сотрудников компании, ИТТ максимально приблизилась к мировым лидерам отрасли во всех ее направлениях: механических, лазерных системах, системах на ВТГ и МЭМС.

Это потребовало разработки многих очень сложных технологий. Отмечая важность разнообразных тонких технологий, которыми приходится заниматься специалистам ИТТ, Андрей Требухов подчеркивает, что в основе успехов компании в разработке приборов и технологий лежит т

Принципы работы гироскопов

В настоящее время термин «гироскоп» используется применительно к любым устройствам, содержащим материальный объект, совершающий быстрые колебания, воздействие на которые эффекта Кориолиса (см. «Эффект Кориолиса») делает эти устройства чувствительными к вращению в инерциальном пространстве, что позволяет определять положение объекта. Каждый этап развития гироскопии связан с использованием нового типа колебаний: прецессии оси вращающегося волчка (юлы), электромагнитных волн, механических колебаний стенок сосудов.

В основе работы механического гироскопа лежит свойство волчка (юлы) сохранять неизменным направление оси вращения при отсутствии воздействия момента внешних сил и сопротивляться изменению направление оси вращения.

В основе работы кольцевых лазерных гироскопов (КЛГ) лежит использование колебаний электромагнитных волн. КЛГ — это, по сути, лазер с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные стоячие электромагнитные волны. Волновые фронты лучей интерферируют друг с другом, создавая интерференционные полосы на приемнике излучения. При вращении резонатора лазерного гироскопа путь, проходимый лучами по контуру, оказывается разным, и частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Интерференционные полосы начинают перемещаться со скоростью, пропорциональной скорости вращения гироскопа. Это позволяет определить угол поворота объекта, на котором установлен гироскоп.

В основе работы волновых твердотельных гироскопов лежит использование механических колебаний стенок сосудов, которые используются как резонаторы колебания. Хотя идея волнового твердотельного гироскопа зародилась в конце XIX века и была высказана английским ученым Дж. Брайаном еще в 1892 году, реальная работа над ВТГ началась в мире в 80-е годы ХХ века.

«Брайан обратил внимание, — рассказывает главный научный сотрудник Института проблем механики РАН Юрий Жбанов, один из ведущих разработчиков теории ВТГ, — на то, что если щелкнуть по бокалу, сделанному из хорошего хрусталя, он достаточно долго звенит, и если его в это время поворачивать, то звон пульсирует. Наблюдая в микроскоп за краем бокала, Брайан увидел, что при этом возникают изгибные колебания края бокала, которые представляют собой стоячую волну, и что при вращении бокала эта волна тоже вращается, но с меньшей скоростью. Брайан доказал, что вращение бокала относительно основания приводит к тому, что узлы колебаний на краю оболочки движутся с угловой скоростью (или скоростью прецессии) меньшей, чем скорость самой оболочки. Он объяснил это эффектом Кориолиса. Из этого наблюдения и появилась идея ВТГ».

На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, образующие вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы, которые служат для силового воздействия на резонатор с целью возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды и позволяют замерять величину колебаний стенок резонатора.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — это технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Одним из видов МЭМС-микросхем являются гироскопы, позволяющие определять скорость вращения устройства вокруг одной или нескольких осей. Преимуществом этих гироскопов перед гироскопами других типов состоит в компактности. МЭМС-гироскопы относятся к вибрационным гироскопам. Принцип действия состоит в отклонении постоянно колеблющегося грузика во время вращения под действием силы Кориолиса. Данное отклонение определяется за счет изменения электрической емкости между грузиком и специальными пластинами, что фиксируется специальной электрической схемой, которая выдает напряжение, пропорциональное величине отклонения грузика.

Эффект Кориолиса

Эффект Кориолиса — физическое явление, заключающееся в возникновении при движении материальной точки в неинерциальной системе отсчета силы инерции, которая позволяет учитывать влияние вращения подвижной системы отсчета на относительное движение точки. Силе Кориолиса соответствует ускорение Кориолиса.

Инерциальная система отсчета — такая система отсчета, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно либо покоятся. С определенной степенью точности инерциальной системой можно считать систему отсчета, неподвижную относительно звезд. Неинерциальной системой отсчета называется система, движущаяся с ускорением относительно инерциальной — например, вращающаяся. В неинерциальной системе отсчета для осуществления равномерного движения тела вдоль некоторого вращающегося радиуса, направленного от центра вращения, требуется приложение силы, чтобы придавать телу касательное к окружности вращения ускорение. Это ускорение и есть ускорение Кориолиса, а сила — сила Кориолиса.

Влияние Кориолисовых сил необходимо учитывать в ряде случаев для объяснения явлений, связанных с движением тел относительно земной поверхности. Сила Кориолиса приводит к тому, что у рек подмывается всегда правый берег в северном полушарии и левый — в южном. Эти же причины объясняют неодинаковый износ рельсов железнодорожных путей.

*Устройство, способное измерять ускорение предмета.

**Термин введен бельгийским социологом Фредериком Лалу, бывшим партнером McKinsey & Co. Если на всех предшествующих стадиях человек, приходя в компанию, должен был обязательно изменить себя, подчиниться существующему в них порядку, то «бирюзовые» организации поступают ровно наоборот. Их основной принцип — «стань собой», следуй своему призванию и неси это в коллектив.

***Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания.