現(xiàn)代陀螺技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用分析論文

　　1 現(xiàn)代陀螺技術(shù)

　　1.1 有懸浮支承的機(jī)電轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)。

　　機(jī)電轉(zhuǎn)子陀螺是基于經(jīng)典力學(xué)原理制成的陀螺儀。其原理是利用繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的剛體具有穩(wěn)定性和進(jìn)動性的特性來實(shí)現(xiàn)對角速度和角偏差的測量。

　　采用懸浮支撐技術(shù)的轉(zhuǎn)子陀螺發(fā)展至今已十分成熟，目前單軸液浮陀螺精度已達(dá)0.001°/h，采用鈹材料浮子后可優(yōu)于0.0005°/h，三浮陀螺的精度優(yōu)于1.5×10-5°/h，有報(bào)道稱第四代三浮陀螺的精度甚至可達(dá)1.5×10-7°/h。動力調(diào)諧陀螺技術(shù)體積小、重量輕，是轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)上的重大革新，國外產(chǎn)品精度可達(dá)0.001°/h。而采用真空靜電懸浮技術(shù)的靜電陀螺，其轉(zhuǎn)子不存在接觸摩擦，摩擦干擾力矩幾乎趨近于零，是目前公認(rèn)的精度最高的轉(zhuǎn)子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h。

　　1.2 光學(xué)陀螺技術(shù)。

　　1) 激光陀螺技術(shù)。激光陀螺是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)制成的陀螺。其原理是通過測量兩束光波沿著同一個(gè)圓周路徑反向而行產(chǎn)生的光程差來實(shí)現(xiàn)對角速度測量。1963 年，美國Sperry 公司首次成功研制出環(huán)形激光陀螺。1975 年，Honeywell 公司研制出機(jī)械抖動偏頻激光陀螺，采用激光陀螺技術(shù)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)真正進(jìn)入了實(shí)用階段。20 世紀(jì)90 年代末期，Litton 公司又研制出了無機(jī)械抖動的四頻差動激光陀螺，精度可達(dá)0.001°/h。目前Honeywell公司最新型的GG1389 激光陀螺精度已達(dá)0.00015°/h。2)光纖陀螺技術(shù)。光纖陀螺與激光陀螺原理相同，不同之處是用光纖作為激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纖可以繞制，因此光纖陀螺的激光回路長度比環(huán)形激光陀螺大大增加，檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺也提高了幾個(gè)數(shù)量級，有效克服了激光陀螺的閉鎖問題。美國Northrop Grumman 公司生產(chǎn)的高精度光纖陀螺是FOG 2500，其動態(tài)范圍最大值100°/s，標(biāo)度因數(shù)0.01arc sec，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性1ppm，隨機(jī)游走0.0006°/姨h ，漂移率0.001°/h。2003年9月，Honeywell公司的高性能慣性參考系統(tǒng)中所采用的`光纖陀螺據(jù)稱是當(dāng)時(shí)能夠產(chǎn)品化、性能最好的光纖陀螺，其角度隨機(jī)游走(ARW)<0.0001°/姨h ，漂移率<0.0003°/h。

　　1.3 微機(jī)械陀螺技術(shù)。

　　20 世紀(jì)80 年代后期，由于微米/納米、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等技術(shù)的引入，基于MEMS 工藝的微機(jī)械陀螺應(yīng)運(yùn)而生。微機(jī)械陀螺是基于哥氏效應(yīng)(coriolis)制成的陀螺。其原理是利用柯氏力進(jìn)行能量的傳遞，將諧振器的一種振動模式激勵(lì)到另一種振動模式，后一種振動模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過測量振幅實(shí)現(xiàn)對角速度的測量。

　　微機(jī)械陀螺是采用硅體微機(jī)械加工技術(shù)中的深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(DRIE)，用化學(xué)蝕刻方法在單晶硅片上制成的超小型測角裝置。目前國外制造的硅微機(jī)械面振動陀螺經(jīng)補(bǔ)償后精度已達(dá)到1°～10°/h，允許的環(huán)境溫度可達(dá)到-40～85℃，可承受強(qiáng)加速度沖擊，在戰(zhàn)術(shù)武器等中、低精度領(lǐng)域已有批量應(yīng)用。從整體來看，微機(jī)械陀螺目前還僅處在中低精度范疇，今后精度會越來越高。我國的MEMS 研究始于20 世紀(jì)90 年代，目前還處于基礎(chǔ)理論研究階段，由于技術(shù)、精度水平的限制，產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性與國外還有較大差距。

　　1.4 新型陀螺技術(shù)。

　　隨著對陀螺技術(shù)研究的不斷深入，如量子陀螺、核磁共振陀螺、超流體陀螺、超導(dǎo)陀螺等新型陀螺不斷涌現(xiàn)。比較有前景的是量子陀螺。量子陀螺，也稱原子陀螺，是目前分辨率最高的陀螺。原子陀螺從測量機(jī)理上可分為原子干涉陀螺和原子自旋陀螺。其原理與光學(xué)陀螺類似，是利用同源原子束形成原子波干涉，產(chǎn)生類似光學(xué)的薩格納克效應(yīng)，通過測量其相位差實(shí)現(xiàn)對角速度測量。實(shí)際上就是利用原子波干涉代替光波干涉。由于原子質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子的相對質(zhì)量，閉環(huán)區(qū)域相同的條件下，原子干涉陀螺對旋轉(zhuǎn)的靈敏度要比光學(xué)陀螺提高10 個(gè)量級以上。原子自旋陀螺則與轉(zhuǎn)子陀螺類似，是利用原子核或電子自旋的動量矩和磁矩在慣性空間具有定軸性來測量角速度。原子陀螺因其超高的精度潛力，有望成為引領(lǐng)未來陀螺更新?lián)Q代的主導(dǎo)型戰(zhàn)略級陀螺。目前美國已開發(fā)出精度達(dá)到6×10-5°/h 的原子陀螺，并希望借此研制出5m/h 的超高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　2 陀螺技術(shù)應(yīng)用

　　2.1 機(jī)電轉(zhuǎn)子陀螺。

　　目前高精度機(jī)電式陀螺(包括液浮陀螺和靜電陀螺)是高精度市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。高精度液浮陀螺主要用于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、軍用飛機(jī)、艦船和潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)中，中精度液浮陀螺則在平臺羅經(jīng)、導(dǎo)彈、飛船及衛(wèi)星中得到應(yīng)用，而更高精度的三浮陀螺則應(yīng)用于戰(zhàn)略武器和航天領(lǐng)域，如美國應(yīng)用在遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈制導(dǎo)浮球平臺系統(tǒng)中TGG 型三浮陀螺，一直以來就擁有占有不可動搖的地位。靜電陀螺目前仍然是高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的首選慣性基準(zhǔn)器件，在今后10～20 年內(nèi)的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域，高精度靜電陀螺仍不可被取代。在我國，液浮陀螺平臺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、動力調(diào)諧陀螺四軸平臺系統(tǒng)已相繼應(yīng)用于長征系列運(yùn)載火箭。

　　2.2 光學(xué)陀螺。

　　光學(xué)陀螺的全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，信息易數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，是轉(zhuǎn)子陀螺所無法比擬的，因而光學(xué)陀螺已逐步替代了轉(zhuǎn)子陀螺，在中高精度的應(yīng)用領(lǐng)域中一直占據(jù)著主導(dǎo)位置，特別適合捷聯(lián)式制導(dǎo)系統(tǒng)使用。國外全固態(tài)結(jié)構(gòu)、全數(shù)字、低功耗的光纖陀螺至今已趨于成熟，覆蓋了高、中、低精度范圍，在各領(lǐng)域獲得普遍應(yīng)用，成為當(dāng)今慣性技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)型陀螺之一。在空間飛行器、艦船等高精度應(yīng)用領(lǐng)域，光纖陀螺正逐步代替激光陀螺，未來在戰(zhàn)略級高精度應(yīng)用領(lǐng)域也將占有一定的份額，進(jìn)而逐步取代靜電陀螺。

　　近年來，我國光學(xué)陀螺技術(shù)進(jìn)步很快，目前已達(dá)到國際先進(jìn)水平。光纖陀螺、激光陀螺慣導(dǎo)裝置等也已經(jīng)大量應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器、飛機(jī)、艦艇、運(yùn)載火箭、宇宙飛船等。漂移率0.01°～0.02°/h 的新型激光捷聯(lián)系統(tǒng)被應(yīng)用于新型戰(zhàn)機(jī)上;漂移率0.05°/h 以下的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)應(yīng)用于艦艇、潛艇上。

　　2.3 微機(jī)械陀螺。

　　與光學(xué)陀螺一樣，微機(jī)械陀螺從結(jié)構(gòu)上也沒有了高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，除具備光學(xué)陀螺的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)外，尺寸更小(微米/納米級)，功耗更低，價(jià)格低廉，應(yīng)用范圍更加廣泛。

　　自20 世紀(jì)90 年代以來，微機(jī)械陀螺已經(jīng)在超音速戰(zhàn)機(jī)、巡航導(dǎo)彈、無人偵察機(jī)等軍事領(lǐng)域得以運(yùn)用。隨著微米/納米加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，隨著尺寸和精度的進(jìn)一步改善，微機(jī)械陀螺將取代光纖陀螺，獲得較好的應(yīng)用前景。低成本、體積小、反應(yīng)快，動態(tài)范圍大、能適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，使微機(jī)械陀螺將會在汽車制造、數(shù)碼電子設(shè)備、飛機(jī)輔助導(dǎo)航、生物、醫(yī)療、工業(yè)器械等民用領(lǐng)域具有更為廣闊的市場，有望占領(lǐng)整個(gè)中低端市場。

　　陀螺技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了長足進(jìn)步，為航天、航空、航海事業(yè)及武器裝備的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。但受材料、微電子器件、精密及微結(jié)構(gòu)加工工藝等基礎(chǔ)工業(yè)水平的制約，現(xiàn)代陀螺制造技術(shù)的發(fā)展跟國際上一些發(fā)達(dá)國家相比有明顯的差距，今后還需在產(chǎn)品的精度、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、產(chǎn)品一致性、參數(shù)長期穩(wěn)定性等方面不斷改進(jìn)，尤其要著力加大對陀螺技術(shù)基礎(chǔ)理論、應(yīng)用材料、方法工藝的研究力度，提高慣性儀表水平。