簡介 半球諧振陀螺儀是一種高精度、高可靠和長壽命的新型固態(tài)陀螺儀，它是利用半球殼唇緣的徑向振動駐波進動效應來感測基座旋轉(zhuǎn)的一種哥式振動陀螺。 [1] 它具有很高的測量精度、超強的穩(wěn)定性和可靠性、良好的抗沖擊振動性及溫度性能，還特別具有獨特的關(guān)機抗輻射能力。特別是預期壽命高達15年，是衛(wèi)星或空間飛行器慣性測量單元、姿態(tài)穩(wěn)定控制的關(guān)鍵部件，在空間應用領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢和廣闊的前景。 [3] 第一，沒有機械轉(zhuǎn)子。HRG是靠半球諧振子唇沿高頻振動產(chǎn)生的哥氏效應來敏感角運動的，也就沒有了由于機械摩擦而引起的陀螺儀漂移，并具有較強的抗沖擊能力。由于諧振子振動的慣性，HRG斷電15分鐘仍可以完成角速率的測量。 第二，長壽命。如果HRG的內(nèi)部密閉性良好，則HRG能夠連續(xù)工作15年以上而能夠滿足所要求的性能，美國Northrop Grumman 公司開發(fā)的型號為H130P半球陀螺儀在89顆衛(wèi)星上的91個系統(tǒng)，工作時間12百萬小時100%的任務成功率。 [3] 因此HRG被公認為目前壽命最長的陀螺儀，并能夠滿足長壽命航天器的需求。
第三，高精度。當HRG作為角速率傳感器時，其隨機漂移在10-2o/hr量級，而作為積分陀螺時，其隨機漂移可達10-4o/hr量級，哈勃望遠鏡里的HRG模塊性能達到：Bias Stability為0.00008o/hr；ARW為0.000010o/?hr， AWN為 0.000150 arc-sec/?Hz。因此HRG是非常有前景的慣性敏感器件 [3] 。 另外HRG還具有體積小，低噪聲，低功耗，高穩(wěn) 定性，高分辨率，高可靠性，對加速度不敏感，抗核輻射等優(yōu)點?；谝陨螲RG的優(yōu)點，它將在飛船與衛(wèi)星的穩(wěn)定性控制、航天器導航、石油鉆孔勘探等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。 目前美國已經(jīng)將HRG 成功的應用在空間飛行器導航、戰(zhàn)術(shù)導彈導航、通訊衛(wèi)星姿控系統(tǒng)、精確指向及深空探測任務中，達到了100%的成功率。 HRG 在空間領(lǐng)域應用的第一個任務是近地小行星(NEAR)的登陸，其導航系統(tǒng)應用的陀螺儀是HRG130Y。飛行器于1996 年發(fā)射升空，1997 年飛過253Mathilde 小行星，在飛過地球加速后于2000 年進入繞“Eros”小行星的軌道。NEAR 在完成了科研任務之后于2001 年2 月12 日成功的軟著陸在“Eros”小行星上 [3] 。 HRG 的第二次成功應用是在SATCOM 商業(yè)衛(wèi)星上的應用，然后是在太空觀測器CASSINI 號中的應用。 [9] 1997 年10 月15 日帶有觀測土衛(wèi)六(泰坦)任務的太空觀測器CASSINI 號發(fā)射升空。在飛躍金星(兩次)，地球與木星之后，CASSINI 號于2004 年7 月1 日成功進入土星軌道，12 月5 日Huygens探測器與CASSINI 號分離并進入觀測泰坦的軌道，于2008 年6 月30 日成功完成了觀測任務 [3] 。 2004 年8 月3 日，NASA 實施水星探測任務的飛行器發(fā)射升空。慣組系統(tǒng)采用的是由HRG130P 組成的SSIRU 系統(tǒng)，任務預計飛行器于2011 年3 月8 日進入預定軌道。這次任務是SSIRU 系統(tǒng)第一次向世人展示其優(yōu)越的性能。由HRG130P 組成的SSIRU 系統(tǒng)第二次應用是撞擊Tempel 一號彗星。2005 年1 月12 日，執(zhí)行任務的飛行器發(fā)射升空，7 月4 日完成撞擊任務，如圖所示。這次撞擊任務中的最后階段是由SSIRU 系統(tǒng)獨立引導撞擊器撞向目標，從而再次展示了SSIRU 系統(tǒng)的卓越性能。 [3] 美國已成功減小mHRG半徑至3.5cm，重量113.4g。 [6] 目前美國正大力研發(fā)新一代半球陀螺儀（半徑100um-10mm），基于MEMS技術(shù)有望大大降低HRG的制作成本，體積也大大減小。 工作原理
半球諧振子通常用熔石英加工而成，其具有穩(wěn)定的物理化學特性，加工成型的諧振子固封于高真空環(huán)境中，具有很高的品質(zhì)因數(shù)，通常在1E7以上。目前熔融石英HRG的Q值已超過25E6。 [3] HRG 主要由激勵罩，半球諧振子和含有信號檢測電極(位移拾振傳感器)的基座三部分構(gòu)成。激勵罩位于陀螺儀的頂端，其上有分布電極。在諧振子加工完畢后要在諧振子表面和激勵罩的分布電極處進行金屬鍍膜，從而使諧振子與激勵罩分布電極處形成電容器。根據(jù)電容器原理，當對激勵罩上的離散激勵電極或環(huán)形激勵電極施加激勵電壓時，電極將對諧振子產(chǎn)生電力作用，進而提供諧振子振動所需要的能量。激勵電極產(chǎn)生的激勵力是實現(xiàn)諧振子振動振幅控制與正交控制的控制力。圖示出了離散激勵電極、信號檢測電極和諧振子自由端的平圖。 [8] 半球諧振子是敏感HRG 輸入角速率的元件，是HRG 的主體部分，其形狀為半球形。半球諧振子通過支撐桿與激勵罩和基座相連，諧振子與支撐桿之間的焊接剛度會直接影響到陀螺儀的精度。當焊接剛度不好時，會使HRG 易受非敏感方向輸入加速度的影響，從而導致HRG 角速率估計誤差。國內(nèi)研制的半球諧振子的材質(zhì)是熔融石英晶體，工作時主振型為四波腹的二階振型，其主振型的振動頻率為4kHz~5kHz。波腹是指諧振子徑向振動位移幅值極大值處，波腹相對于諧振子0°位置的夾角稱為波腹方位角。對波腹方位角的檢測是整個HRG控制系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，同時也決定著陀螺儀角速率估計的精度。陀螺儀精度的高低主要取決于諧振子的加工精度及其材質(zhì)的均勻性，因此實際當中對諧振子的加工精度要求非常高，這也是其次品率較高和價格昂貴的主要原因。 [8] 上圖所示為美國Delco 公司制造的HRG [4] ，此圖給出了HRG 的基本結(jié)構(gòu)。通過吸氣裝置抽出諧振子振動腔體內(nèi)的空氣，從而保證了腔體內(nèi)的高度真空。基座上有檢測諧振子振動的四對信號檢測電極，激勵罩上有實現(xiàn)諧振子振動控制的八對離散激勵電極和一個環(huán)形激勵電極。 [8]
飛行控制、導航、顯示、控制和記錄系統(tǒng)其他科技名詞
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