現代陀螺技術(shù)的發(fā)展及應用分析論文
1 現代陀螺技術(shù)
1.1 有懸浮支承的機電轉子陀螺技術(shù)。
機電轉子陀螺是基于經(jīng)典力學(xué)原理制成的陀螺儀。其原理是利用繞對稱(chēng)軸高速旋轉的剛體具有穩定性和進(jìn)動(dòng)性的特性來(lái)實(shí)現對角速度和角偏差的測量。
采用懸浮支撐技術(shù)的轉子陀螺發(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，有報道稱(chēng)第四代三浮陀螺的精度甚至可達1.5×10-7°/h。動(dòng)力調諧陀螺技術(shù)體積小、重量輕，是轉子陀螺技術(shù)上的重大革新，國外產(chǎn)品精度可達0.001°/h。而采用真空靜電懸浮技術(shù)的靜電陀螺，其轉子不存在接觸摩擦，摩擦干擾力矩幾乎趨近于零，是目前公認的精度最高的轉子陀螺，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)效應制成的陀螺。其原理是通過(guò)測量?jì)墒獠ㄑ刂?zhù)同一個(gè)圓周路徑反向而行產(chǎn)生的光程差來(lái)實(shí)現對角速度測量。1963 年，美國Sperry 公司首次成功研制出環(huán)形激光陀螺。1975 年，Honeywell 公司研制出機械抖動(dòng)偏頻激光陀螺，采用激光陀螺技術(shù)的捷聯(lián)慣性導航系統真正進(jìn)入了實(shí)用階段。20 世紀90 年代末期，Litton 公司又研制出了無(wú)機械抖動(dòng)的四頻差動(dòng)激光陀螺，精度可達0.001°/h。目前Honeywell公司最新型的GG1389 激光陀螺精度已達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(cháng)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)數量級，有效克服了激光陀螺的閉鎖問(wèn)題。美國Northrop Grumman 公司生產(chǎn)的高精度光纖陀螺是FOG 2500，其動(dòng)態(tài)范圍最大值100°/s，標度因數0.01arc sec，標度因數穩定性1ppm，隨機游走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中所采用的光纖陀螺據稱(chēng)是當時(shí)能夠產(chǎn)品化、性能最好的光纖陀螺，其角度隨機游走(ARW)<0.0001°/姨h ，漂移率<0.0003°/h。
1.3 微機械陀螺技術(shù)。
20 世紀80 年代后期，由于微米/納米、微電子機械系統(MEMS)等技術(shù)的引入，基于MEMS 工藝的微機械陀螺應運而生。微機械陀螺是基于哥氏效應(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(dòng)模式激勵到另一種振動(dòng)模式，后一種振動(dòng)模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過(guò)測量振幅實(shí)現對角速度的測量。
微機械陀螺是采用硅體微機械加工技術(shù)中的深反應離子刻蝕技術(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械面振動(dòng)陀螺經(jīng)補償后精度已達到1°～10°/h，允許的環(huán)境溫度可達到-40～85℃，可承受強加速度沖擊，在戰術(shù)武器等中、低精度領(lǐng)域已有批量應用。從整體來(lái)看，微機械陀螺目前還僅處在中低精度范疇，今后精度會(huì )越來(lái)越高。我國的MEMS 研究始于20 世紀90 年代，目前還處于基礎理論研究階段，由于技術(shù)、精度水平的限制，產(chǎn)品的性能和穩定性與國外還有較大差距。
1.4 新型陀螺技術(shù)。
隨著(zhù)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、超導陀螺等新型陀螺不斷涌現。比較有前景的是量子陀螺。量子陀螺，也稱(chēng)原子陀螺，是目前分辨率最高的陀螺。原子陀螺從測量機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(lèi)似，是利用同源原子束形成原子波干涉，產(chǎn)生類(lèi)似光學(xué)的薩格納克效應，通過(guò)測量其相位差實(shí)現對角速度測量。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)量遠大于光子的相對質(zhì)量，閉環(huán)區域相同的條件下，原子干涉陀螺對旋轉的靈敏度要比光學(xué)陀螺提高10 個(gè)量級以上。原子自旋陀螺則與轉子陀螺類(lèi)似，是利用原子核或電子自旋的動(dòng)量矩和磁矩在慣性空間具有定軸性來(lái)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(lái)陀螺更新?lián)Q代的主導型戰略級陀螺。目前美國已開(kāi)發(fā)出精度達到6×10-5°/h 的原子陀螺，并希望借此研制出5m/h 的超高精度慣性導航系統。
2 陀螺技術(shù)應用
2.1 機電轉子陀螺。
目前高精度機電式陀螺(包括液浮陀螺和靜電陀螺)是高精度市場(chǎng)的主導產(chǎn)品。高精度液浮陀螺主要用于遠程導彈、軍用飛機、艦船和潛艇導航系統中，中精度液浮陀螺則在平臺羅經(jīng)、導彈、飛船及衛星中得到應用，而更高精度的三浮陀螺則應用于戰略武器和航天領(lǐng)域，如美國應用在遠程戰略導彈制導浮球平臺系統中TGG 型三浮陀螺，一直以來(lái)就擁有占有不可動(dòng)搖的地位。靜電陀螺目前仍然是高精度慣性導航系統的首選慣性基準器件，在今后10～20 年內的高性能慣性導航系統領(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航系統、動(dòng)力調諧陀螺四軸平臺系統已相繼應用于長(cháng)征系列運載火箭。
2.2 光學(xué)陀螺。
光學(xué)陀螺的全固態(tài)，沒(méi)有旋轉和摩擦部件，壽命長(cháng)，動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動(dòng)，結構簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，信息易數字化等優(yōu)點(diǎn)，是轉子陀螺所無(wú)法比擬的，因而光學(xué)陀螺已逐步替代了轉子陀螺，在中高精度的應用領(lǐng)域中一直占據著(zhù)主導位置，特別適合捷聯(lián)式制導系統使用。國外全固態(tài)結構、全數字、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)域獲得普遍應用，成為當今慣性技術(shù)領(lǐng)域的主導型陀螺之一。在空間飛行器、艦船等高精度應用領(lǐng)域，光纖陀螺正逐步代替激光陀螺，未來(lái)在戰略級高精度應用領(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(lái)，我國光學(xué)陀螺技術(shù)進(jìn)步很快，目前已達到國際先進(jìn)水平。光纖陀螺、激光陀螺慣導裝置等也已經(jīng)大量應用于戰術(shù)制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。漂移率0.01°～0.02°/h 的新型激光捷聯(lián)系統被應用于新型戰機上;漂移率0.05°/h 以下的光纖陀螺捷聯(lián)慣導應用于艦艇、潛艇上。
2.3 微機械陀螺。
與光學(xué)陀螺一樣，微機械陀螺從結構上也沒(méi)有了高速旋轉的轉子，除具備光學(xué)陀螺的大多數優(yōu)點(diǎn)外，尺寸更小(微米/納米級)，功耗更低，價(jià)格低廉，應用范圍更加廣泛。
自20 世紀90 年代以來(lái)，微機械陀螺已經(jīng)在超音速戰機、巡航導彈、無(wú)人偵察機等軍事領(lǐng)域得以運用。隨著(zhù)微米/納米加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，隨著(zhù)尺寸和精度的進(jìn)一步改善，微機械陀螺將取代光纖陀螺，獲得較好的應用前景。低成本、體積小、反應快，動(dòng)態(tài)范圍大、能適應惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，使微機械陀螺將會(huì )在汽車(chē)制造、數碼電子設備、飛機輔助導航、生物、醫療、工業(yè)器械等民用領(lǐng)域具有更為廣闊的市場(chǎng)，有望占領(lǐng)整個(gè)中低端市場(chǎng)。
陀螺技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，取得了長(cháng)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、精密及微結構加工工藝等基礎工業(yè)水平的制約，現代陀螺制造技術(shù)的發(fā)展跟國際上一些發(fā)達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)境適應性、產(chǎn)品一致性、參數長(cháng)期穩定性等方面不斷改進(jìn)，尤其要著(zhù)力加大對陀螺技術(shù)基礎理論、應用材料、方法工藝的研究力度，提高慣性?xún)x表水平。
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