Улитка гироскопических инноваций

Инерциальные системы навигации — вершина развития систем навигации с древнейших времен. В основе инерциальной навигации лежат простые соображения: измеряя ускорение движения, можно путем его интегрирования вычислять скорость, а интегрированием скорости можно определять текущее местоположение (координаты) движущегося объекта.

Ускорение — векторная величина, которая имеет не только численное значение, но и направление. Следовательно, система датчиков, определяющая ускорение, должна измерять и его величину, и его направление. Величину ускорения определяет специальный прибор — акселерометр, который был изобретен в конце XIX века для установки в автомобилях и паровозах с целью контроля скорости их движения. Информацию о направлении движения объекта дают гироскопы, обеспечивающие опорную систему координат для акселерометров.

Полтора века гироскопии

В то время как устройство акселерометров принципиально не менялось с момента их создания, гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии четыре больших этапа принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий.

Столь длительный цикл не случаен. Создание гироскопов, их доведение до уровня промышленных образцов — это длинный путь, двадцать, а то и тридцать лет. Не приходится ожидать, что кто-то вдруг придумает новый тип гироскопа, тут же запустит его в производство и всех опередит. Цикл жизни таких изделий тоже очень длинный: затраты на их разработку очень велики, и, пока они не окупятся, никто и не будет спешить что-то менять в системах, где они используются. А предшествующая разработка теоретических основ гироскопии потребовала еще больше времени.

Этот гирокомпас использовался во Второй мировой войне для управления полетом ракет «Фау-2»

Фотография: gettyimages.ru

Первый этап — это классический механический гироскоп, который был изобретен французским физиком Жаном Бернаром Леоном Фуко в середине XIX века. Первые промышленные образцы появились в конце XIX века — австрийский инженер Людвиг Обри применил гироскоп для стабилизации курса торпеды.

Хотя детская игрушка — волчок, изучение поведения которого легло в основу теории гироскопов, — известна с древнейших времен, создание гироскопа стало возможным только после серьезного развития классической механики и ее математического аппарата, что заняло значительную часть XVIII и XIX веков. В основу теории гироскопов легли труды многих величайших ученых — от Ньютона и Эйлера до Ковалевской и Жуковского. Одновременно, во многом на основе тех же теоретических достижений, развивались технологии точной обработки металлов, появилось современное металлорежущее оборудование, без которого изготовление гироскопов невозможно.

Второй этап развития гироскопии — это кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ). Их создание стало возможным только после длительного периода развития квантовой электроники, занявшего почти весь ХХ век. В ее основе лежат труды творцов современной физики, начиная с Эйнштейна и заканчивая создателями первых квантовых генераторов — Прохоровым, Басовым, Таунсом. В нашей стране их начали разрабатывать еще в 1970-е, а пик применения — это уже 2000 годы. Создание лазерных гироскопов стало возможным благодаря появлению прецизионных методов механической и физической обработки различных материалов, в первую очередь зеркальных стекол. Шероховатость их поверхности — пять ангстрем — это уже на уровне размера атома. А радиус кривизны такого зеркала составляет семь метров при размере два сантиметра.

Третий этап развития гироскопии, пик которого приходится на наше время, — это использование в системах навигации волновых твердотельных гироскопов (ВТГ). На их примере можно видеть спираль развития гироскопов, что называется, в натуральном виде: от механического гироскопа через оптико-электронный, снова к механическому, основанному на другом принципе (он описан ниже). Этот принцип был разработан уже в конце ХIX века, создание самих гироскопов стало возможным благодаря переходу на следующий этап развития средств обработки различных материалов, того же стекла. Ведь точность обработки резонаторов ВТГ достигает одного микрона. Но и этой точности для работы ВТГ недостаточно. Приходится проводить его дополнительную ионоплазменную балансировку с точностью до десятков ангстрем. К механической обработке добавилась физическая.

Наконец, четвертый этап развития гироскопии — это появление микроэлектромеханических систем, МЭМС, физические принципы работы которых такие же, как и у больших гироскопов, но изготавливаются они на основе технологий обработки кремния — тех же самых, что используются при изготовлении микросхем и сверхбольших интегральных схем (СБИС). В 1964 году компания Westinghouse выпустила первую серийную МЭМС — резонансный затворный транзистор. А английская компания Silicon Sensing произвела первый МЭМС-гироскоп в 1985 году. В переплетении спиралей развития физики и технологий механической обработки материалов появилась спираль электронных технологий1.

Механический гироскоп

В 1852 году французский физик, механик и астроном, будущий член Парижской академии наук и член-корреспондент Петербургской академии наук, Жан Бернар Леон Фуко описал созданный им прибор, который он назвал гироскопом (от греч. gyros — «круг», gyrou — «кружусь», «вращаюсь» и scopeo — «смотрю», «наблюдаю»). Как показал Фуко, с его помощью можно автономно определять направление движения объекта и его скорость.

Как уже было сказано, изобретение гироскопа стало в известном смысле результатом изучения поведения древнейшей детской игрушки — волчка. Если раскрутить волчок относительно оси симметрии, то выясняется, что он оказывает энергичное сопротивление попытке изменить положение оси вращения, его ось вращения устойчиво сохраняет свое положение при наклонах основания или толчках. Именно в силу этого свойства вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали; это движение называется регулярной прецессией тяжелого твердого тела. Можно показать, что ось волчка в конце концов устанавливается параллельно земной оси. Этим и объясняется применение «волчка» в гироскопах.

В гироскопе Фуко ротор (волчок) был установлен в карданов подвес с вертикальной осью наружной рамки. Фуко указал на три возможности использования гироскопа:

• если быстровращающийся ротор имеет три степени свободы, то его ось вращения сохраняет неизменную ориентацию в инерциальном пространстве, что позволяет с помощью такого прибора наблюдать вращение Земли;

• если внутреннюю рамку жестко связать с наружной так, чтобы ось ротора могла поворачиваться лишь в горизонтальной плоскости, то эта ось стремится установиться в плоскость меридиана;

• если наружную рамку жестко связать с корпусом, а внутренней рамке дать свободу вращения относительно ее оси и установить ось ротора в плоскость меридиана, то она стремится установиться параллельно оси вращения Земли.

   Гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии четыре больших этапа принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий

Свободно вращающийся гироскоп под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей — прецессирует. В авиации, например, это свойство позволяет судить о движении самолета в пространстве в отсутствие ориентиров. Прецессия возникает, например, если крыло самолета, в котором установлен гироскоп, начинает крениться. Тогда пилот на приборной доске видит угол поперечного крена, что очень важно, если нет никаких ориентиров. Кроме того, он видит продольный крен, от носа до хвоста. Если гироскоп связан с акселерометрами (приборами, измеряющими скорость самолета), то может функционировать как автопилот, то есть автоматически поддерживать самолет на курсе.

Лазерный гироскоп

Действие лазерных гироскопов основано на эффекте Саньяка, названном по имени французского физика Жоржа Саньяка, который в 1913 году построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения. Суть эффекта Саньяка в том, что во вращающейся системе координат время прохождения электромагнитной волны по замкнутому контуру отличается от времени его прохождения по такому же контуру в покоящейся системе координат и зависит еще и от направления вращения. Световой луч, создаваемый источником света, разделялся на две части, которые шли в противоположных направлениях по периметру платформы и попадали на интерферометр. По изменению интерференционной картинки можно было судить о скорости вращения системы.

Однако реализовать его в гироскопии стало возможным только после изобретения лазера. Впервые сообщение о возможности создания на основе лазеров принципиально новых измерительных приборов — лазерных гироскопов — было сделано в конце 1962 года будущим лауреатом Нобелевской премии Александром Прохоровым в Физическом институте АН СССР. Но еще за десять лет до появления первых лазеров в Советском Союзе Израиль Берштейн провел экспериментальные исследования эффекта Саньяка в радиодиапазоне по схеме, которая по существу соответствует современной архитектуре построения волоконно-оптических гироскопов. Предпосылок для перенесения этих исследований в оптический диапазон тогда еще не было, но приоритет Израиля Берштейна, предвосхитившего концепцию построения волоконно-оптического гироскопа, признают в России и в СШA.

Одновременно в 1962 году А. Розенталь (США) предложил, а В. Мацек и Д. Дэвис (США) реализовали первый He-Ne лазер с кольцевым резонатором (кольцевой лазер), с которого началось развитие лазерной гироскопии. А одну из первых моделей лазерного гироскопа продемонстрировала компания Lockheed Martin уже в середине 1960-х.

Лазерный гироскоп называется кольцевым, поскольку луч в нем, отражаясь от зеркал, проходит по замкнутому контуру в форме квадрата или треугольника. По кольцевому контуру проходят два луча лазера в противоположных направлениях, навстречу друг другу. Если вся эта система лазера и зеркал неподвижна в инерциальной системе отсчета, то частоты обоих лучей, воспринимаемые детектором, будут одинаковы. Но если эта система будет вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости траектории лучей, то измеряемые частоты лучей вследствие эффекта Доплера будут различаться. Причем тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения. Ее можно определить по интерференционной картинке на детекторе.

Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ)

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. Х. Брайаном еще в 1892 году, реальные работы над ВТГ начались в 80-е годы ХХ века.

Брайан обратил внимание 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, он 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. Это явление по своим физическим основаниям сродни прецессии оси волчка. Из этого наблюдения и появилась идея ВТГ.

Хотя теория этого явления была во многом разработана к концу XIX столетия, должно было пройти еще полвека, прежде чем специалисты исследовательской компании Delco Wakefield в Массачусетсе заново открыли работу Брайана. В результате их разработок был создан современный ВТГ, который затем нашел практическое применение.

Важную роль в разработке теории ВТГ сыграли ученые Института проблем механики имени А. Ю. Ишлинского РАН.

Как было сказано выше, ВТГ имеет форму полусферической оболочки, или бокала с жестко зафиксированной точкой крепления на основании полусферы. При ударе по верхнему ободку оболочки ободок полусферы приходит в движение и производит стоячую волну, которая резонирует на определенной частоте. Положение пучностей и узлов возникшей стоячей волны стабильно относительно оболочки, однако, если оболочка вращается вокруг опорной точки или стержня, стоячая волна отстает от физического вращения оболочки на определенный период. Например, если оболочка физически поворачивается на 90°, стоячая волна запаздывает на 27°. При вращении основания вокруг оси симметрии оболочки стоячая волна, возбужденная в резонаторе, начинает поворачиваться как относительно резонатора, так и относительно инерциального пространства. Зная угол поворота волны относительно резонатора, можно рассчитать угол поворота основания.

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.

Уникальность прибору обеспечивает множество параметров, в частности минимальное по сравнению с аналогами время готовности, максимально широкий динамический диапазон, высокая устойчивость к механическим воздействиям.

Микромеханические гироскопы

Вскоре после разработки первых микросхем возникла идея создания микромеханических систем по аналогичным технологиям. МЭМС-устройства изготавливают на кремниевой подложке аналогично технологии производства однокристальных интегральных микросхем, поэтому их размеры варьируются от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров.

Изготовление МЭМС очень похоже на создание микросхем. Здесь тоже используется кремний — самый популярный в микроэлектронике материал, а технология создания МЭМС-устройств очень напоминает процедуру создания интегральных схем. И в той и в другой есть

возможность создавать необходимые структуры в едином технологическом процессе.

Первыми по этой технологии были созданы датчики давления и ускорения. Массовое производство первого датчика давления, выполненного по МЭМС-технологии, было освоено компанией National Semiconductor в 1974 году, а начало производства МЭМС-датчиков давления и акселерометров для подушек безопасности автомобилей в мировом масштабе относится к началу 1990-х.

В середине 1980-х начались интенсивные поиски путей создания микроминиатюрных, дешевых, пригодных для крупносерийного производства гироскопов. В Британии это была, как мы уже упомянули, компания Silicon Sensing, во Франции — Sagem, а в США — Лаборатория им. Ч. Дрейпера. МЭМС-гироскопы, предназначенные для различных гаджетов, выпускаются сегодня миллионами штук фирмами разных стран.

В России исследования микромеханических гироскопов (ММГ) начались в конце 1990-х, и сейчас их выпускает ряд отечественных компаний.

Существуют МЭМС-гироскопы, работающие как ВТГ и как вибрационные гироскопы. Работа вибрационных гироскопов основана на свойстве камертона, заключающемся в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. Теория и эксперимент показывают, что в ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодический момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы.

Лазерный гироскоп — навигационный прибор авиационной и космической промышленности производства Раменского приборостроительного завода

Фотография: visualrian.ru

В микромеханическом гироскопе вибрационного типа кремниевое кольцо свободно подвешено на изогнутых кремниевых пружинках, которые одним концом крепятся к неподвижной центральной шайбе. Когда на управляющие электроды подается напряжение, то под действием электростатических сил кольцо начинает вибрировать, возникает стоячая волна, которую отслеживают считывающие электроды. Если кольцо под действием внешних сил поворачивается, стоячая волна искажается, и сигнал о направлении поворота поступает на считывающие электроды. По величине искажений можно судить о скорости поворота.

Поскольку требования к точности и надежности гироскопов и систем навигации постоянно повышаются, в мире идут поиски путей создания гироскопов на новых принципах. Одно из направлений — так называемые квантовые гироскопы, в основу действия которых положены гироскопические свойства частиц: атомных ядер, электронов, фотонов и т. д. Так что можно ожидать, что мы (или наши потомки) будем наблюдать новые витки гироскопической спирали.