1 Tecnología giroscópica moderna
Tecnología giroscópica de rotor electromecánico con soporte suspendido.
El giroscopio de rotor electromecánico es un giroscopio basado en los principios de la mecánica clásica. El principio es utilizar las características de estabilidad y precesión de un cuerpo rígido que gira alrededor de un eje de simetría a alta velocidad para medir la velocidad angular y la desviación angular.
El desarrollo de la tecnología de giroscopio de rotor de soporte suspendido está ahora muy maduro. En la actualidad, la precisión de los giroscopios de flotación líquida de un solo eje ha alcanzado 0,001/h·h. Después de utilizar flotadores de material de berilio, puede ser mejor que 0,0005/h. La precisión de los giroscopios de triple flotación es mejor que 1,5×10-. 5/h Se informa que el giroscopio triple flotante de cuarta generación puede incluso alcanzar la precisión de un giroscopio. La tecnología de giroscopio sintonizada dinámicamente es pequeña en tamaño y liviana, y es una innovación importante en la tecnología de giroscopio de rotor. La precisión de los productos extranjeros puede alcanzar 0,001/h·h, pero el giroscopio electrostático que utiliza tecnología de levitación electrostática al vacío no tiene fricción de contacto en el rotor y el par de perturbación de la fricción es casi cero. Actualmente se le reconoce como el giroscopio de rotor con mayor precisión. La precisión típica es generalmente de 10-4 ~ 10-5/h.
1.2 Tecnología de giroscopio óptico.
1) Tecnología giroscópica láser. El giroscopio láser es un giroscopio basado en el efecto Sagnac. El principio es medir la velocidad angular midiendo la diferencia de trayectoria óptica de dos ondas de luz que se propagan en direcciones opuestas a lo largo de la misma trayectoria circular. En 1963, la empresa estadounidense Sperry desarrolló con éxito por primera vez el giroscopio láser anular. En 1975, Honeywell desarrolló el giroscopio láser de oscilación mecánica y el sistema de navegación inercial con correa que utiliza tecnología de giroscopio láser realmente entró en la etapa práctica. A finales de la década de 1990, Litton Company desarrolló un giroscopio láser diferencial de cuatro frecuencias sin fluctuación mecánica, con una precisión de 0,001/h·h. En la actualidad, la precisión del último giroscopio láser GG1389 de Honeywell ha alcanzado 0,00015/h. tecnología de giroscopio. El principio del giroscopio de fibra óptica es el mismo que el del giroscopio láser. La diferencia es que el giroscopio de fibra óptica se utiliza como bucle láser, que puede considerarse como el giroscopio láser de segunda generación. Debido a que la fibra óptica se puede enrollar, la longitud del anillo láser del giroscopio de fibra óptica aumenta considerablemente en comparación con la del giroscopio láser de anillo, y la sensibilidad de detección y la resolución también mejoran en varios órdenes de magnitud, superando efectivamente el bloqueo. Problema del giroscopio láser. FOG 2500 es un giroscopio de fibra óptica de alta precisión producido por Northrop Grumman en los Estados Unidos. Su rango dinámico máximo es 100/s, el factor de escala es 0,01 segundos de arco, la estabilidad del factor de escala es 1 ppm y el paseo aleatorio es 0,0006/. h, la tasa de deriva es de 0,001/h. En septiembre de 2003, la tecnología de giroscopio MEMS 1.3 de alto rendimiento de Honeywell.
A finales de la década de 1980, debido a la introducción de sistemas micro/nano, microelectromecánicos (MEMS) y otras tecnologías, surgieron los giroscopios micromecánicos basados en MEMS. Un giroscopio micromecanizado es un giroscopio basado en el efecto Coriolis. El principio es utilizar la fuerza de Coriolis para transferir energía y excitar un modo de vibración del resonador a otro modo de vibración. La amplitud del último modo de vibración es proporcional a la velocidad angular de entrada, y la velocidad angular se puede medir midiendo la amplitud.
El giroscopio micromecanizado es un dispositivo de medición de ángulos ultrapequeño producido en una oblea de silicio monocristalino utilizando tecnología de grabado de iones reactivos profundos (DRIE) en tecnología de micromecanizado de silicio. En la actualidad, la precisión de compensación de los giroscopios de vibración de superficie micromecanizados de silicio fabricados en el extranjero ha alcanzado 1 ~ 10/h, la temperatura ambiente permitida puede alcanzar -40 ~ 85 ℃ y puede resistir el impacto de la aceleración externa. lotes en armas tácticas y otros equipos de campo de precisión de media y baja tensión. En conjunto, los giroscopios MEMS se encuentran actualmente solo en la categoría de precisión baja a media, y su precisión será cada vez mayor en el futuro. La investigación de China sobre MEMS comenzó en la década de 1990 y todavía se encuentra en la etapa de investigación teórica básica. Debido a las limitaciones en tecnología y precisión, el rendimiento y la estabilidad del producto aún están muy por detrás de los de países extranjeros.
1.4 Nueva tecnología giroscópica.
Con la profundización de la investigación sobre la tecnología de giroscopios, constantemente surgen nuevos giroscopios como giroscopios cuánticos, giroscopios de vibración magnética nuclear, giroscopios superfluidos y giroscopios superconductores. Los giroscopios cuánticos son más prometedores. Los giroscopios cuánticos, también conocidos como giroscopios atómicos, son actualmente los giroscopios de mayor resolución. Los giroscopios atómicos se pueden dividir en giroscopios de interferencia atómica y giroscopios de espín atómico a partir del mecanismo de medición.
Su principio es similar al de un giroscopio óptico. Utiliza la interferencia de ondas atómicas formadas por haces atómicos homogéneos para producir un efecto óptico de Sagnac, y la velocidad angular se mide midiendo su diferencia de fase. De hecho, se utiliza la interferencia de ondas atómicas en lugar de la interferencia de ondas de luz. Dado que la masa de los átomos es mucho mayor que la masa relativa de los fotones, en la misma región de circuito cerrado, la sensibilidad de los giroscopios de interferencia atómica a la rotación es más de 10 órdenes de magnitud mayor que la de los giroscopios ópticos. Los giroscopios de espín atómico son similares a los giroscopios de rotor y utilizan el eje fijo del momento de impulso y el momento magnético del espín nuclear o del electrón en el espacio inercial para medir la velocidad angular. Se espera que los giroscopios atómicos se conviertan en los giroscopios estratégicos dominantes que lideren futuras actualizaciones de giroscopios debido a su potencial de precisión ultra alta. En la actualidad, Estados Unidos ha desarrollado un giroscopio atómico con una precisión de 6 × 10-5/h y espera desarrollar un sistema de navegación inercial de ultra alta precisión con una velocidad de 5 m/h.
2 Aplicación de la tecnología Gyro
2.1 Giroscopio de rotor electromecánico.
Actualmente, los giroscopios electromecánicos de alta precisión (incluidos los giroscopios flotantes de líquido y los giroscopios electrostáticos) son los productos líderes en el mercado de la alta precisión. Los giroscopios flotantes de líquido de alta precisión se utilizan principalmente en los sistemas de navegación de misiles de largo alcance, aviones militares, barcos y submarinos. Los giroscopios flotantes de líquido de precisión media se utilizan en brújulas de plataforma, misiles, naves espaciales y satélites. -Los giroscopios flotantes se utilizan en los campos de armas estratégicas y aeroespacial. Por ejemplo, el giroscopio de tres flotadores TGG utilizado en el sistema de plataforma flotante de guía de misiles estratégicos de largo alcance de EE. UU. siempre ha ocupado una posición inquebrantable. En la actualidad, los giroscopios electrostáticos siguen siendo el dispositivo de referencia inercial preferido para los sistemas de navegación inercial de alta precisión y no serán reemplazados en el campo de los sistemas de navegación inercial de alto rendimiento en los próximos 10 a 20 años. En nuestro país, en la serie de vehículos de lanzamiento Larga Marcha se han utilizado el sistema de navegación inercial de plataforma giroscópica flotante líquida y el sistema de plataforma giroscópica de cuatro ejes potenciado.
2.2 Giroscopio óptico.
Los giroscopios ópticos tienen las ventajas de ser totalmente de estado sólido, sin piezas giratorias ni de fricción, larga vida útil, gran rango dinámico, arranque instantáneo, estructura simple, tamaño pequeño, peso ligero e información fácil de digitalizar. , etc., que no tienen comparación con los giroscopios de rotor. Por lo tanto, los giroscopios ópticos reemplazan gradualmente a los giroscopios de rotor y siempre han ocupado una posición de liderazgo en aplicaciones de precisión media y alta, especialmente adecuados para sistemas de guía con correas. El desarrollo de giroscopios extranjeros de estructura totalmente de estado sólido, totalmente digitales y de fibra óptica de baja potencia ha madurado, cubre rangos de precisión alta, media y baja, y se usa ampliamente en diversos campos, convirtiéndose en uno de los giroscopios líderes. en el campo de la tecnología inercial. Los giroscopios de fibra óptica están reemplazando gradualmente a los giroscopios láser en aplicaciones de alta precisión, como naves espaciales y barcos. En el futuro, ocuparán una cierta participación en aplicaciones estratégicas de alta precisión y reemplazarán gradualmente a los giroscopios electrostáticos.
En los últimos años, la tecnología de giroscopio óptico de mi país ha progresado rápidamente y ha alcanzado el nivel avanzado internacional. Los giroscopios de fibra óptica y los dispositivos de navegación inercial giroscópicos láser también se han utilizado ampliamente en armas de guía táctica, aviones, barcos, vehículos de lanzamiento, naves espaciales, etc. El nuevo sistema de sujeción por láser tiene una tasa de deriva de 0,01 ~ 0,02/h y se aplica a nuevos aviones de combate. En barcos y submarinos se utilizan sistemas de navegación inercial con giroscopio de fibra óptica con una velocidad de deriva inferior a 0,05°/h.
2.3 Giroscopio MEMS.
Los giroscopios MEMS, al igual que los giroscopios ópticos, no tienen una estructura de rotor giratorio de alta velocidad. Además de tener la mayoría de las ventajas de los giroscopios ópticos, son más pequeños en tamaño (micras/nano) y tienen. Menor consumo de energía. Precio más bajo y aplicación más amplia.
Desde la década de 1990, los giroscopios MEMS se han utilizado en campos militares como aviones de combate supersónicos, misiles de crucero y aviones de reconocimiento no tripulados. Con el mayor desarrollo de la tecnología de procesamiento micro/nano y la mejora adicional del tamaño y la precisión, los giroscopios MEMS reemplazarán a los giroscopios de fibra óptica y obtendrán mejores perspectivas de aplicación. Los giroscopios micromecánicos tienen las ventajas de bajo costo, tamaño pequeño, respuesta rápida, amplio rango dinámico y adaptabilidad a entornos hostiles. Tendrán aplicaciones más amplias en campos civiles como la fabricación de automóviles, equipos electrónicos digitales, navegación auxiliar de aeronaves, biología y tratamiento médico. , y equipos industriales y se espera que ocupe todo el mercado de gama baja.
Después de décadas de desarrollo, la tecnología giroscópica ha logrado grandes avances, brindando un sólido soporte técnico para el desarrollo de la industria aeroespacial, la aviación, la navegación y las armas y equipos.
Sin embargo, debido a las limitaciones de los niveles industriales básicos, como materiales, dispositivos microelectrónicos, precisión y tecnología de procesamiento de microestructuras, existe una clara brecha entre el desarrollo de la tecnología moderna de fabricación de giroscopios y algunos países desarrollados del mundo. En el futuro, es necesario mejorar continuamente la precisión, la confiabilidad, la adaptabilidad ambiental, la consistencia del producto y la estabilidad de los parámetros a largo plazo de los productos. En particular, es necesario aumentar la investigación sobre la teoría básica, los materiales aplicados, los métodos y los procesos. tecnología giroscópica y mejorar el nivel de los instrumentos inerciales.
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