Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ"

Кафедра лазерных технологий и лазерной техники

РЕФЕРАТ

Тема: Современные лазерные гироскопы.

Работу выполнил Федоров Павел

Руководитель Парфенов Вадим Александрович

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2015



Содержание

• Введение
• 1. История развития
• 2. Классификация
• 3. Лазерные гироскопы
• 3.1 История развития лазерного гироскопа
• 3.1.1 Первый образец лазерного гироскопа
• 3.2 Принцип работы и принцип действия лазерного гироскопа
• 3.3 Конструктивные особенности лазерного гироскопа
• 3.4 Преимущества лазерного гироскопа
• 3.5 Лазерные гироскопы 70-х годов
• 3.6 Лазерные гироскопы 80-х
• 3.7 Сверхбольшие лазерные гироскопы
• 4. Современные лазерные гироскопы
• 5. Применение
• 6. Перспективы развития гироскопического приборостроения
• Заключение
• Библиографические ссылки

Введение

Гироскоп- это динамически сбалансированное тело вращения, которое с большой скоростью поворачивается вокруг оси, укрепленной в рамке, и имеет, по крайней мере, одну неподвижную точку. В переводе с греческого “гироскоп” означает указатель вращения. Поэтому под гироскопом можно понимать любой измеритель, выходной параметр которого зависит от скорости вращения.

Бурное развитие техники в последние десятилетия неразрывно связано с совершенствованием различных систем управления движущимися объектами. Системы управления торпедами, морскими кораблями, самолетами, ракетами и космическими объектами трудно представить себе без гироскопических приборов.

1. История развития

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях. Первое практическое применение гироскоп нашел в 1852 году , когда французский ученый Л. Фуко с помощью гироскопа подтвердил свой эксперимент с маятником, доказавший вращение Земли. Первый гироскопы имели большие погрешности, обусловленные несбалансированностью отдельных частей прибора, инерцией рамок, люфтами в соединениях, неравномерным трением в опорах кардана и т.п. Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях. Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Успехи в развитии квантовой электроники привели к созданию нового научного направления, которое можно назвать квантовой гироскопией.

2. Классификация

Основные типы гироскопов:

1. механические гироскопы

2. вибрационные гироскопы

3. квантовые гироскопы

4. оптические гироскопы

Механические гироскопы

Рисунок 1. Роторный гироскоп

Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп - быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого способна изменять ориентацию в пространстве. Это показано на рисунке 1. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа -- способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на неё моментов внешних сил. Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Вибрационные гироскопы -- устройства, сохраняющие свои колебания в одной плоскости при повороте. Данный тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторным гироскопом. В зарубежной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрирующие гироскопы» -- так как принцип их действия основан на эффекте силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.

Квантовая гироскопия -- собирательный термин для названия новой области квантовой электроники, занимающейся изучением принципов и возможностей создания устройств, в основу действия которых положены гироскопические свойства частиц, образующих рабочие тела датчика прибора. Эти свойства могут быть обусловлены спиновыми и орбитальными моментами атомных ядер, атомов, электронов или фотонов. Гироскоп находится в рабочем состоянии, когда механические моменты частиц предварительно ориентированы в некотором направлении. Приборы такого рода получили собирательное название квантовых гироскопов, в отличие от классических механических гироскопов, необходимым элементом которых является вращающееся или колеблющееся тело. Измеряемыми величинами в приборах такого рода являются, например, частоты вынужденных когерентных квантовых переходов между энергетическими подуровнями, соответствующими различным возможным значениям проекций механического момента частиц на физически выделенное направление. Вращение приборов вызывает смещение или расщепление энергетических подуровней системы, измерение частот переходов между которыми и позволяет обнаружить это вращение, а также определить направление и величину его угловой скорости.

Оптические гироскопы. Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка и теоретически объясняется с помощью специальной теорией относительности (СТО). Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от нее. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

3. Лазерные гироскопы

Лазерный гироскоп - устройство, в котором:

- используется оптический квантовый генератор направленного излучения;

- содержится плоский замкнутый контур, образованный тремя и более зеркалами, где циркулируют два встречных световых потока и применяется в системах инерциальной навигации.

Рисунок 2. Упрощенная схема лазерного гироскопа

Особенности и основные характеристики лазерных гироскопов

1. Отсутствие вращающегося ротора

2. Моноблочность и высокая механическая стойкость конструкции

3. Работоспособность при больших линейных перегрузках

4. Высокая чувствительность

5. большой диапазон измеряемых угловых скоростей

6. малый собственный дрейф

7. малое время готовности < 0,1 с;

8. малая потребляемая мощность - до 10 Вт;

9. большой ресурс работы > 3 10 ч;

10. высокая надежность;

11. дискретность выходного канала.

3.1 История развития лазерного гироскопа

Не секрет, что наиболее значительные научные и практические результаты в области лазерной и волоконно-оптической гироскопии были получены в недрах военно-промышленных комплексов ведущих государств. Детальная информация о технологических процессах, испытаниях и практических применениях лазерной гироскопии была и во многом остается до настоящего времени закрытой. Этот процесс усугублялся наличием "железного занавеса", разделявшего страны НАТО и участников Варшавского пакта. В этих условиях международное сотрудничество и научно-техническая кооперация исследователей и разработчиков лазерной гироскопии практически исключалась.

История развития лазерной гироскопии в нашей стране начинается почти одновременно с появлением в 1960 г. газовых лазеров. В те беспокойные годы на заре зарождения лазерной техники весь научный мир буквально будоражили многочисленные лазерные эффекты, открытия, смелые гипотезы, туманные перспективы, которые шумно и с энтузиазмом обсуждались, тогда еще немногочисленной группой пионеров лазерной техники, на еженедельных семинарах в ФИАНе, которые блестяще проводил Нобелевской лауреат, академик А.М. Прохоров.

На схеме 1 показано временное развитие лазерных гироскопов



Схема 1. Временное развитие лазерных гироскопов

3.1.1 Первый образец лазерного гироскопа

Одну из первых моделей продемонстрировала компания Lockheed Martin уже в середине 60-х годов. Фотография и конструкция предложенного устройства показаны на рис.2-3 . ЛГ был построен по модульной схеме и включал в себя He-Ne лазер с длиной волны 1152,3 нм, треугольный контур со сторонами 7,62 мм, образованный призмами полного внутреннего отражения, фарадеевскую ячейку для искусственного создания невзаимности и пьезоэлектрический привод на одной из призм для контроля и управления периметром. Резонатор был выполнен из алюминия и дополнительно оснащен датчиком температуры и набором обогревателей. Они поддерживали постоянную температуру 65?C, обеспечивая тем самым постоянство геометрических размеров резонатора. Конструкция в сборе помещалась в корпус, снабженный термо и магнитным экранами для сохранения стабильных условий эксплуатации. Так выглядел представленный впервые образец лазерного гироскопа, в котором отсутствовал вращающийся ротор.



Рисунок 3. Схема первого лазерного гироскопа

Рисунок 4. Фотография первого лазерного гироскопа

По своим характеристикам лазерный гироскоп оказался наиболее пригодным для использования в бесплатформенных инерциальных системах (БИНС), развитие которых началось бурными темпами, чему в немалой степени содействовало появление быстродействующей вычислительной техники. Заманчивой представлялась установка в корпус триады датчиков для создания инерциальных измерительных модулей. Несмотря на ряд недостатков (срок службы трубки менее 1000 ч, большое время готовности, высокое энергопотребление) разработанные гироскопы пользовались спросом. В частности, их испытаниями занимались в NASA, а также в лабораториях морских и военно-воздушных сил США.

3.2 Принцип работы и принцип действия лазерного гироскопа

Принцип работы лазерного гироскопа можно описать следующим образом, в кольцевом резонаторе под воздействием накачки возбуждаются две электромагнитные волны с частотами v₁ и н₂, распространяющиеся по замкнутому контуру в противоположных направлениях. Эти волны, интерферируя между собой, образуют стоячую волну с узлами и пучностями, так что суммарная амплитуда интенсивности электромагнитных колебаний либо максимальна, либо равна нулю. С помощью специального оптического смесителя -- интерферометра и при наличии внешнего возмущения в виде угловой скорости (t), которую нужно измерять, интерференционную картину можно зафиксировать. Если кольцевой резонатор привести во вращение, то на основании эффекта Саньяка в смесителе-интерферометре и в оптически связанном с ним фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты Fр ~ (н₁ - н₂) - частота биений, по которой можно четко различить прохождение темно светлых полосок интерференционной картины относительно фотоприемника. Чем быстрее вращается система в целом, тем чаще проходят темные полоски и тем выше частота выходного сигнала. Таким образом, мерой угловой скорости ? (t) служит сигнал разностной частоты F_р. Ток фотоприемника усиливается, формируется и преобразуется в электронном тракте в сигнал двоичного кода, который поступает в бортовую ЭВМ и далее, например, в контур управления полетом летательного аппарата. Лазерный гироскоп представляет собой многоконтурную взаимосвязанную систему автоматического регулирования, в которую помимо чувствительного модуля (кольцевого лазера) введен целый ряд систем: стабилизации мощности, магнитного поля, частоты, регулировки периметра резонатора. Для создания смещения по частоте, увеличения точности лазерного гироскопа и определения знака вводят систему частотной «подставки» и систему обработки информации.

Теоретически принцип действия лазерного гироскопа объясняется с помощью СТО (специальной теории относительности). Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от скорости света. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча. Действие лазерного гироскопа основано на зависимости разности собственной частоты кольцевого оптического резонатора для встречных волн от скорости его вращения относительно инерциальной системы отсчёта. В отличие от волоконно-оптического гироскопа, регистрирующего угловую скорость вращения, лазерный гироскоп позволяет определять изменение угла поворота.

Рисунок 5. Схема лазерного гироскопа.

3.3 Конструктивные особенности лазерного гироскопа

Усилия конструкторских разработок направлены на создание жесткой, малогабаритной и монолитной конструкции кольцевого резонатора лазерного гироскопа. В современных конструкциях лазерные гироскопы применяют как треугольные, четырехугольные, моноблочные, так и волоконно-оптические кольцевые резонаторы. Моноблочные резонаторы изготавливают из материалов, коэффициент линейного расширения которых мал: это инвар, плавленый кварц, ситалл и констасил, что частично решает проблему стабилизации параметров (в частности, выходной характеристики). Это достигается также одномодовым режимом работы и автоматической стабилизацией мощности и частоты излучения кольцевого лазера. Датчики угловых скоростей, устанавливаемые на - летательных аппаратах, должны быть компактными с отношением массы к объему ~1 кг/дм³. Надежность такой конструкции должна гарантировать срок службы 5000... 14 000 ч и срок хранения примерно 14 лет. В одной из последних конструкций лазерного гироскопа вместо отдельных трубок и зеркал используется заготовка из высококачественного плавленого кварца, в которой выточены отверстия и полости для генерационных каналов и имеются два анода, катод, а также отверстия для заполнения смесью газов (Рис.6). Четыре отверстия образуют генерационный канал -- квадратный световод с круглым сечением, который одновременно является и единой газоразрядной трубкой, наполненной смесью изотопов Не³ и Ne²⁰, Ne²².



Рисунок 6. Схема конструкции моноблочного лазерного гироскопа

1. кварцевый моноблок

2. газоразорядные каналы

3. аноды

4. элемент разноса частот

5. резервуар для газовой (гелий-неоновой) активной среды

6. призменный оптический смеситель

7. выходное зеркало

8. отодиоды

9. холодный катод

10. геттер

11. зеркало

12. отверстия для крепления длиной до 10 см каждый

3.4 Преимущества лазерного гироскопа

Лазерный гироскоп обладает угловым разрешением, недоступным механическим гироскопам. Так, если оптический резонатор имеет форму треугольника со стороной около 12 см, то каждому периоду синусоиды выходного сигнала соответствует поворот на одну угловую секунду. Показания лазерного гироскопа не зависят от линейных и угловых ускорений, выходной сигнал легко обрабатывается компьютерами, которые все шире используются в навигационных системах. С одинаковым изяществом такой гироскоп может измерять угловые скорости от тысяч оборотов в секунду до скоростей в сотни миллиардов раз меньших, до 0,01 градуса в час. Это очень мало: один оборот с такой скоростью занимает более четырех лет; часовая стрелка движется в 3.000 раз быстрее. Такая точность измерения соответствует точности прилунения в десять километров. Включение лазерного гироскопа занимает тысячные доли секунды. Принципиальный предел его точности, по некоторым оценкам, равен одной миллионной градуса в час. Это один оборот за 40 000 лет!

3.5 Лазерные гироскопы 70-х годов

Одним из недостатков, присущих ранним моделям ЛГ, являлось большое время выхода на рабочий режим. При этом большинство потенциальных применений требовало, чтобы датчик был готов к работе в течение нескольких минут после старта. Также неудовлетворительной была потребляемая мощность.

Основным компонентом, над которым велась работа, являлся резонатор. Его чувствительность к температуре приводила к большому времени готовности и требовала наличия нагревателей. Последние являлись основным потребителем энергии в ЛГ. Решением поставленной задачи стал переход от алюминия к стеклокерамике. Обладая практически нулевым коэффициентом температурного расширения, такой материал позволил регулировать периметр при помощи презопреобразователей на зеркалах и отказаться от нагревателей.

Другим элементом, подверженным температурной зависимости, были ППВО. На их место пришли многослойные диэлектрические зеркала. К тому времени технологии их производства сделали шаг вперед, и стало возможным изготавливать зеркала с коэффициентом отражения более 0,999. Также была подвергнута замещению и фарадеевская ячейка. Вместо нее были применены специальные магнитооптические зеркала. Их принцип работы основывался на эффекте Керра. Такое зеркало под воздействием магнитного поля вносило невзаимные фазовые сдвиги в падающие на него лучи. Внедрение всех вышеперечисленных новаций, а также совершенствование газоразрядной трубки позволили создать новое поколение ЛГ, время готовности которых было на уровне нескольких минут.

3.6 Лазерные гироскопы 80-х

С годами системы на основе ЛГ находили себе все новые и новые применения. При этом некоторые из них требовали от датчиков высокой стойкости к вибрациям и ударам. Как показали исследования, применяемый резонаторный блок из стеклокерамики не выдержит расчетных нагрузок. При этом переход к металлическому резонатору являлся по сути возвращением к первоначальной модели, образца середины 60-х годов. Однако именно он оказался путем к решению задачи. Модульная структура ЛГ позволила вынести газоразрядную трубку за пределы металлического резонатора. Температурные же эффекты, как оказалось, в данном случае не важны, т.к. время работы прибора мало настолько, что температура резонатора не успевает измениться. Таким образом, в начале 80-х разработчикам из “Lockheed Martin” удалось изготовить вибро- и ударопрочный ЛГ на основе резонатора из металла При этом принцип действия газоразрядной трубки требовал порядка нескольких минут для того, чтобы прошла первая искра. Для решения этой задачи в газоразрядную трубку ЛГ был добавлен небольшой радиоизотоп, который служил источником постоянной ионизации среды. В результате время готовности ЛГ снизилось до нескольких миллисекунд.

В СССР в этот период одной из основных решаемых задач являлось повышение точности ЛГ. Этого удалось достичь за счет улучшения компоновки гироскопа и сопутствующей электроники, перехода к стеклокерамическим материалам (ситалл и др.). Не был исключением и завод «Арсенал» со своим ЦКБ. В Киеве с середины 80-х годов, разрабатывались ЛГ с «пустым» (без невзаимного элемента) резонатором для навигационных систем. Они использовали традиционную виброподставку и обеспечивали дрейф нуля до 0,03 °/ч. В Великобритании в начале 80-х вновь была проведена демонстрация ЛГ на полигоне в г. Фарнборо. На сей раз свои разработки демонстрировали уже 2 компании: British Aerospace и Ferranti. Каждая представила свою систему на основе ЛГ с периметром 30 и 43 см, соответственно. В результате правительство заключило с каждой из фирм по контракту на 1 млн. Ј. Компании должны были представить к январю 1986 по 2 новые БИНС для авиационного применения. Следует отметить, что компания British Aerospace опиралась на американские патенты, полученные при покупке отделения Sperry Gyroscope, в то время как в Ferranti занимались собственными разработками

3.7 Сверхбольшие лазерные гироскопы

Несмотря на то, что большие усилия инженеров-гироскопистов связаны с уменьшением размеров датчиков, существует и противоположное направление - разработка и создание сверхбольших ЛГ, открывающих совершенно новые области их использования. В середине 80-х годов группа ученых из Кентерберийского Университета (г. Крайстчерч, Новая Зеландия) занялась разработкой лазерного гироскопа, способного улавливать различные эффекты, проявляющиеся при вращении Земли. Для достижения требуемых значений чувствительности было решено увеличить периметр резонатора по сравнению с обычными гироскопами. Первый образец такого датчика был изготовлен к 1989 году. Он назывался C-I и имел квадратный резонатор со стороной 85 см. С его помощью далось измерить скорость вращения Земли, а также показать возможность построения ЛГ с большим периметром. В дальнейшем было построено еще несколько установок с различными периметрами. Наиболее успешным является проект, реализованный в геофизической обсерватории, г. Ветцель, Германия.

В лаборатории приняты все меры для исключения паразитного влияния на ЛГ внешних факторов. В результате получился сверхпрецизионный прибор, способный измерять вращение Земли с высокой точностью. С его помощью удалось зафиксировать суточные колебания Земной оси (период ~ 24 часа, амплитуда 5-60 см), чандлеровские колебания (период 433 дня, амплитуда ~ 9 м), приливные колебания. Особую роль устройства подобного рода играют в сейсмологии. Благодаря высокой чувствительности, большие лазерные гироскопы способны улавливать сигнал от удаленных землетрясений. Сегодня существует целый ряд подобных устройств, расположенных в различных странах и преследующих различные цели: обнаружение сейсмической активности, исследование движения Земли, оценка колебаний опор здания, обнаружение смещений в конструкции детектора гравитационных волн и др. Наибольшим периметром (39,7Ч21 м) сегодня обладает гироскоп UG-2, расположенный в Кашмирской пещерной лаборатории (Новая Зеландия). Данный проект направлен на оценку возможности дальнейшего увеличения периметра лазерных гироскопов. Как отмечают исследователи, такие макеты показали, что при увеличении размеров нестабильность масштабного коэффициента растет значительно быстрее, чем чувствительность.

4. Современные лазерные гироскопы

Современный лазерный гироскоп представляет собой сложную оптико-электронную систему, основным элементом которой является КОКГ. Конструкция лазерного гироскопа выполняется в виде монолитного блока из высококачественного кварца или ситалла, в котором имеются каналы, образующие единый четырехугольный или треугольный контур. По углам оптического контура расположены зеркала с высоким коэффициентом отражения (или призмы полного внутреннего отражения), образующие кольцевой резонатор.

Для обеспечения высокой жесткости конструкции отражатели соединяют с моноблоком методом молекулярной адгезии, для чего контактирующие поверхности выполняются предельно плоскими и тщательно полируются, внутренние полости блока заполняются активным веществом, в качестве которого используется смесь гелия и неона при давлении около 2 6 Е10 Па.

В моноблоке расположены также электроды (анод и катод), необходимые для возбуждения активной среды. На электроды подается высокое напряжение, которое ионизирует газ и создает тлеющий разряд. Возникающее при этом незатухающее излучение когерентно, т.е. имеет одну и ту же частоту, положение фазы и плоскость колебания.

В одном из газоразрядных резонаторов устанавливается диафрагма, управление которой дает возможность получить одномодовый режим работы, при котором ОКГ генерирует излучение в одной узкой полосе спектра. Для выделения сигнала разностной частоты встречные лучи проходят через совмещающую призму и попадают на фотоэлектронный умножитель или фотокатод оптического детектора, имеющий две узкие чувствительные площадки, ориентированные вдоль светлых и темных полос. При этом площадки фотоприемника отстоят друг от друга на расстояние, равное 1/4 части периода интерференционной картины. Таким образом, световой сигнал преобразуется в электрический. На рис. 5 показан ход лучей в устройстве съема выходного сигнала.

Рисунок 5. Электромагнитные волны КОКГ.

лазерный гироскоп моноблочный конструктивный

На двух выходах фотоприемника, связанных с чувствительными площадками, наблюдаются два сигнала синусоидальной формы с фазовым сдвигом 90°. Информация об угле поворота кольцевого лазера содержится в изменении фазы каждого сигнала. При этом в случае вращения прибора против часовой стрелки фаза первого сигнала опережает на 90° фазу второго сигнала, а в случае вращения по часовой стрелке фаза второго сигнала опережает фазу первого сигнала на те же 90°. Таким образом, производя фазовый анализ сигналов, можно определить угол поворота кольцевого лазера и направление его вращения. Основной чувствительный элемент (моноблок с КОКГ) современного лазерного гироскопа работает со многими подсистемами, которые призваны ликвидировать влияние отдельных дестабилизирующих факторов и улучшить его характеристики. К ним относятся подсистема регулирования мощности накачки, подсистема стабилизации частоты излучения и стабилизации периметра резонатора, а также подсистема частотной подставки кинематического или электрического типа. Кроме того, в состав лазерных гироскопов входят подсистемы съема и преобразования выходной информации.



5. Применение

В настоящее время уже отчетливо виден ряд достоинств когерентных оптических гироскопов, которые могут определить области их практического применения. Также их характеристики, как нечувствительность к большим ускорениям, мгновенный выход на рабочий режим, широкий диапазон измеряемых угловых скоростей, частотная форма выходного сигнала и другие, определяют повышенный интерес прежде всего разработчиков авиационной и космической техники к новому датчику угловой скорости. Когерентный оптический (лазерный) гироскоп может быть использован в наземных геодезических системах управления огнем подвижных артиллерийских и ракетных установок, в измерительных системах для определения физических констант, скоростей потоков и жидкостей и ряде других областей. Лазерные гироскопы используются в системах ориентации, под которой понимается процесс совмещения одной или нескольких осей подвижного объекта с осями некоторой системы координат, называемой базовой системой отсчета. Движение последней в пространстве предполагается известным, поэтому выбор базовой системы отсчета определяет характер угловых движений космического аппарата. Это объясняется тем, что при идеальной ориентации космического аппарата его оси постоянно совмещены с осями базовой системы отсчета. Ее выбор в значительной степени определяется назначением аппарата.

Например, для фотографирования земной поверхности целесообразно ось объектива фотокамеры ориентировать по местной вертикали. При решении задач встречи и стыковки двух космических аппаратов целесообразно оси кораблей, перпендикулярные плоскости стыковки, направить по линии, которая соединяет центры масс кораблей, т.е. по линии визирования.

Также, в наши дни гироскопические приборы и системы применяются в самых различных областях техники: для автоматического управления и навигации, для стабилизации оружия на военных кораблях и танках, в горнорудной и нефтяной промышленности для прокладки шахт и туннелей, при бурении нефтяных скважин и т.д.

С помощью гироскопических приборов определяют направление истинного меридиана и величину отклонения от истинной вертикали, измеряют углы отклонения, угловые скорости и ускорения маневрирующего объекта.

Гироскопические приборы относят к основным элементам инерционных систем наведения, используемых для управления большинством иностранных баллистических ракет. Особое значение приобрели гироскопические приборы в системах навигации.

6. Перспективы развития гироскопического приборостроения

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических (МЭМС) гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер.

По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации. Сейчас разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приемников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси.

Однако системы GPS оказываются неспособны точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются и в лесистой местности. В самолётах GPS оказывается точнее акселерометров на длинных участках. Но использование двух GPS-приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью GPS также не является достаточно точным. Поэтому, в сегодняшних навигационных системах оптимальным решением является комбинация GPS и гироскопических систем. За последние десятилетия, эволюционное развитие гироскопической техники подступило к порогу качественных изменений. Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи: разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.

Заключение

Мы рассмотрели некоторые физические явления, которые могут быть положены в основу создания приборов, чувствительных к вращению. Задачи, в которых возникает необходимость применять гироскопические устройства, разнообразны, как по целям, так и по назначению. Наиболее интересным и перспективным среди гироскопических приборов является лазерный гироскоп. В данной работе была рассмотрена цепь развития лазерных гироскопов. С каждым годом они совершенствовались и теперь мы можем смело сказать что: «Лазерный гироскоп - ключевое звено в современных системах навигации, ориентации и стабилизации». Лазерные гироскопы по праву относятся к числу самых наукоемких и уникальных лазерных приборов, производство которых аккумулирует и стимулирует развитие новейших технологий, включая нанотехнологии. В заключение хочется добавить, что перспективы развития гироскопического приборостроения весьма велики, и лазерные гироскопы сохраняют сегодня лидирующие позиции в области высокоточных бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС).

Библиографические ссылки

1. Богданов А.Д. Гироскопы на лазерах // М., Военниздат - 1973. - Вып. 3. - С.

2. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. Под ред. проф. С.И. Бычкова // М., “Советское радио” - 1975. - Вып. 9. - С.

3. Лукьянов Д.П., Филатов Ю.В., Голяев Ю.Д., Курятов В.Н., Соловьева Т.И.,Васильев В.П., Бузанов В.И., Спекторенко В.П., Клочко А.И., Виноградов В.И.,Шрайбер К.У., Перлмуттер М. 50 лет лазерному гироскопу //Фотоника. - 2014. - № 1. - С. 42-60

4. Большая свободная энциклопедия. - электрон.дан.- Access regime: https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазерный_гироскоп , свободный.- Загл. с экрана.

5. Центр лазерных технологий. - электрон.дан.- Access regime: http://www.ltc.ru/newsltc/2/591_1.shtml , свободный.- Загл. с экрана.

6. Кин К. Е. Применение лазерных гироскопов на современных летательных аппаратах//диссерация на соискание академической степени магистра. -2012.-Вып.

7. Н.М. Померанцев, Г.В. Скроцкий Физические основы квантовой гироскопии // “Успехи физических наук” - март 1970. - вып.100 том3

Размещено на Allbest.ru