¿Las naves espaciales y los transbordadores espaciales fabricados por el hombre todavía necesitan giroscopios como estabilizadores direccionales en el espacio? Alrededor de 800 palabras de divulgación científica.
Los giroscopios de fibra óptica modernos incluyen giroscopios de interferencia y giroscopios resonantes, ambos desarrollados en base a la teoría de Segnik. La esencia de la teoría de Segnik es la siguiente: cuando un haz de luz se propaga en un canal anular, si el propio canal anular tiene una velocidad de rotación, el tiempo de viaje del haz en la dirección de rotación del canal es más largo que en la dirección opuesta. Es decir, cuando el bucle óptico gira, la trayectoria óptica del bucle óptico cambia en diferentes direcciones con respecto a la trayectoria óptica del bucle cuando está estacionario. Aprovechando este cambio en la trayectoria óptica, se puede fabricar un giroscopio interferométrico de fibra óptica si la velocidad de rotación del bucle se mide por la interferencia entre la luz que viaja en diferentes direcciones. Si aprovecha este cambio en la trayectoria óptica, es decir, ajustando la frecuencia de resonancia de la luz en el bucle de fibra y luego midiendo la velocidad de rotación del bucle para lograr interferencia entre la luz que circula en el bucle, puede crear un Giroscopio resonante de fibra óptica. De esta simple introducción se puede ver que la diferencia de trayectoria óptica del giroscopio de interferencia es pequeña, por lo que la fuente de luz que requiere puede tener un ancho espectral mayor, mientras que la diferencia de trayectoria óptica del giroscopio resonante es mayor, por lo que la fuente de luz requiere Debe tener buena monocromaticidad. Desde la década de 1970, el desarrollo de los giroscopios modernos ha entrado en una nueva etapa. En 1976, otros propusieron la idea básica del moderno giroscopio de fibra óptica. Después de los años 80, los giroscopios de fibra óptica modernos se desarrollaron muy rápidamente. Al mismo tiempo, los giroscopios de resonancia láser también lograron grandes avances. Debido a que los giroscopios de fibra óptica tienen las ventajas de una estructura compacta, alta sensibilidad y fácil operación, han reemplazado completamente a los giroscopios mecánicos tradicionales en muchos campos y se han convertido en un componente clave de los instrumentos de navegación modernos. Con el desarrollo de los giroscopios de fibra óptica, no solo existen giroscopios láser de anillo, sino también giroscopios de vibración integrados modernos, que están más integrados y son más pequeños. También son una importante dirección de desarrollo de los giroscopios modernos.
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Los giroscopios de fibra óptica modernos incluyen giroscopios de interferencia y giroscopios resonantes, ambos desarrollados en base a la teoría de Segnik. La esencia de la teoría de Segnik es la siguiente: cuando un haz de luz se propaga en un canal anular, si el propio canal anular tiene una velocidad de rotación, el tiempo de viaje del haz en la dirección de rotación del canal es más largo que en la dirección opuesta. Es decir, cuando el bucle óptico gira, la trayectoria óptica del bucle óptico cambia en diferentes direcciones con respecto a la trayectoria óptica del bucle cuando está estacionario. Aprovechando este cambio en la trayectoria óptica, se puede fabricar un giroscopio interferométrico de fibra óptica si la velocidad de rotación del bucle se mide por la interferencia entre la luz que viaja en diferentes direcciones. Si aprovecha este cambio en la trayectoria óptica, es decir, ajustando la frecuencia de resonancia de la luz en el bucle de fibra y luego midiendo la velocidad de rotación del bucle para lograr interferencia entre la luz que circula en el bucle, puede crear un Giroscopio resonante de fibra óptica. De esta simple introducción se puede ver que la diferencia de trayectoria óptica del giroscopio de interferencia es pequeña, por lo que la fuente de luz que requiere puede tener un ancho espectral mayor, mientras que la diferencia de trayectoria óptica del giroscopio resonante es mayor, por lo que la fuente de luz requiere Debe tener buena monocromaticidad.
Principios para editar este párrafo
Un giroscopio es básicamente un instrumento direccional fabricado aprovechando que cuando un objeto gira a gran velocidad, el momento angular es muy grande, y el eje de rotación siempre apuntará de manera estable en una dirección. Pero debe girar lo suficientemente rápido o la inercia es lo suficientemente grande (es decir, el momento angular es lo suficientemente grande). De lo contrario, incluso una pequeña cantidad de par afectará seriamente su estabilidad. Al igual que en la actividad de la página 4, podemos cambiar fácilmente la dirección del eje de rotación. Por tanto, los giroscopios instalados en aviones y misiles son la fuerza motriz interna que los mantiene girando a altas velocidades.
Objetivo de la edición de este párrafo
Los giroscopios suelen instalarse en vehículos o portaaviones, como aviones, naves espaciales, misiles, satélites, submarinos, etc. , puede determinar la dirección este-oeste, norte-sur. Es la base principal para determinar la orientación en la aviación, la navegación y los sistemas de navegación aeroespacial. Esto se debe a que el eje de rotación del giroscopio apunta de manera estable en una dirección fija bajo rotación de alta velocidad. Comparando esta dirección con el eje de la aeronave, se puede determinar con precisión la orientación correcta de la aeronave. La brújula no puede reemplazar al giroscopio, porque la brújula solo puede determinar la dirección del avión, por otro lado, el giroscopio es más conveniente que la brújula tradicional, porque la brújula tradicional está orientada por el campo magnético de la tierra, por lo que será así; Por otro lado, el polo norte geográfico y el polo norte magnético se ven afectados por la distribución de minerales, como por ejemplo en el fuselaje de los aviones o sustancias que contienen hierro en el casco, por lo que los giroscopios y los sistemas de navegación por satélite no funcionan correctamente. Actualmente se utilizan como principales instrumentos de orientación en aviación y navegación.
Edite este párrafo del giroscopio láser
Principio
El principio del giroscopio láser es utilizar la diferencia de trayectoria óptica para medir la velocidad angular de rotación (efecto Sagnac) . En una trayectoria óptica cerrada, dos haces de luz en sentido horario y antihorario emitidos desde la misma fuente de luz interfieren entre sí. Al detectar la diferencia de fase o los cambios en las franjas de interferencia, se puede medir la velocidad angular de rotación de la trayectoria óptica cerrada. El componente básico de un giroscopio láser es un láser anular. El láser anular consta de un camino óptico cerrado triangular o cuadrado, uno o varios tubos llenos de una mezcla de gases (helio y gas neón), dos reflectores opacos y un reflector semitransparente. El gas mezclado se excita mediante una fuente de alimentación de alta frecuencia o una fuente de alimentación de CC para producir un láser monocromático. Para mantener la resonancia del anillo, la circunferencia del anillo debe ser un múltiplo entero de la longitud de onda de la onda de luz. Se utiliza un espejo semitransparente para guiar el láser fuera del bucle. Dos rayos láser transmitidos en direcciones opuestas interfieren entre sí a través del espejo, y se introduce una señal digital con un ángulo equivalente al ángulo de salida a través del fotodetector y el circuito. . Cruzar a la derecha
El diagrama es más fácil de entender. Los principales principios técnicos que los giroscopios láser deben superar son la deriva, el ruido y el umbral de bloqueo.
Deriva del giroscopio láser
La deriva del giroscopio láser se manifiesta como la inestabilidad del sesgo cero. Las principales fuentes de error son: anisotropía del índice de refracción de la trayectoria óptica resonante, He- El. flujo de plasma de Ne, anisotropía de difusión del medio, etc.
Ruido del giroscopio láser
El ruido del giroscopio láser se refleja en la medición de la velocidad angular. El ruido proviene principalmente de dos aspectos: uno es la emisión espontánea del medio láser, que es el límite cuántico del ruido giroscópico del láser. En segundo lugar, el difuminado mecánico es la tecnología de polarización de frecuencia utilizada actualmente por la mayoría de los giroscopios láser. Cuando el movimiento de oscilación cambia de dirección, la velocidad angular de oscilación es baja y cae por debajo del umbral de bloqueo en un corto período de tiempo, lo que provocará fugas de la señal de entrada y cambios aleatorios en el ángulo de fase de la señal de salida.
Umbral de bloqueo del giroscopio láser
El umbral de bloqueo afectará la linealidad y estabilidad del factor de escala del giroscopio láser. El umbral de bloqueo depende de las pérdidas en el camino óptico resonante, principalmente de las pérdidas en el espejo. El giroscopio láser es un nuevo tipo de instrumento de navegación desarrollado basándose en el principio de interferencia óptica. Se ha convertido en un componente principal ideal de la nueva generación de sistemas de navegación inercial con correas, que se utilizan para posicionar con precisión el objeto imaginario. El acelerómetro de péndulo flexible es un elemento sensible fabricado de acero fundido. La estructura de péndulo flexible está equipada con un amplificador de retroalimentación y un sensor de temperatura para medir la aceleración lineal a lo largo del eje del portador. La unidad de medición inercial de tres ejes con giroscopio de fibra óptica consta de tres giroscopios de fibra óptica y tres acelerómetros de péndulo flexibles sensibles al tiempo. Puede generar datos de velocidad angular, aceleración lineal y velocidad lineal del portador en tiempo real, y tiene muchas funciones tales. como alineación, navegación, referencia de actitud de rumbo, etc. Este modo de trabajo se utiliza para la navegación y posicionamiento combinados de portadores en movimiento, proporcionando datos precisos para el dispositivo de control mecánico de la siguiente antena. Rendimiento principal: La precisión de medición es 1×10-4g; la precisión del giroscopio de fibra óptica (estabilidad de deriva) es ≤1°/h la linealidad de la escala fija es ≤5×10-4. por primera vez en el mundo. Desde 65438 hasta 0962, Estados Unidos, Gran Bretaña, Francia y la ex Unión Soviética comenzaron a desarrollar un láser como buscador de dirección, llamado giroscopio láser, casi simultáneamente. El principio del giroscopio láser es utilizar la diferencia de trayectoria óptica para medir la velocidad angular de rotación (efecto Sagnac). En una trayectoria óptica cerrada, dos haces de luz en sentido horario y antihorario emitidos desde la misma fuente de luz interfieren entre sí. Al detectar la diferencia de fase o los cambios en las franjas de interferencia, se puede medir la velocidad angular de rotación de la trayectoria óptica cerrada. El componente básico del giroscopio láser es un láser anular, que consta de un camino de luz cerrado triangular o cuadrado, uno o varios tubos llenos de una mezcla de gases (gas He-Ne), dos reflectores opacos y una composición reflectora translúcida. El gas mezclado se excita mediante una fuente de alimentación de alta frecuencia o una fuente de alimentación de CC para producir un láser monocromático. Para mantener la resonancia del anillo, la circunferencia del anillo debe ser un múltiplo entero de la longitud de onda de la onda de luz. Se utiliza un espejo semitransparente para guiar el láser fuera del bucle. Los dos rayos láser transmitidos en direcciones opuestas interfieren entre sí a través del espejo y se introduce una señal digital proporcional al ángulo de salida a través del fotodetector y el circuito. [Tecnologías relacionadas] Tecnología de control; Tecnología de medición; Tecnología de semiconductores; Tecnología microelectrónica; Tecnología informática
Dificultades técnicas en la edición de este párrafo
Las principales tecnologías que los giroscopios láser necesitan para superar son la deriva. y umbral de ruido y bloqueo.
Deriva del giroscopio láser
La deriva del giroscopio láser se manifiesta como la inestabilidad del sesgo cero. Las principales fuentes de error son: anisotropía del índice de refracción de la trayectoria óptica resonante, He- El. flujo de plasma de Ne, anisotropía de difusión del medio, etc.
Ruido del giroscopio láser
El ruido del giroscopio láser se refleja en la medición de la velocidad angular. El ruido proviene principalmente de dos aspectos: uno es la emisión espontánea del medio láser, que es el límite cuántico del ruido giroscópico del láser. En segundo lugar, el difuminado mecánico es la tecnología de polarización de frecuencia utilizada actualmente por la mayoría de los giroscopios láser. Cuando el movimiento de oscilación cambia de dirección, la velocidad angular de oscilación es baja y cae por debajo del umbral de bloqueo en un corto período de tiempo, lo que provocará fugas de la señal de entrada y cambios aleatorios en el ángulo de fase de la señal de salida.
Umbral de bloqueo del giroscopio láser
El umbral de bloqueo afectará la linealidad y estabilidad del factor de escala del giroscopio láser. El umbral de bloqueo depende de las pérdidas en el camino óptico resonante, principalmente de las pérdidas en el espejo.
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En 1963, Sperry Company produjo el primer dispositivo experimental de giroscopio láser. Desde 65438 hasta 0966, la American Honeywell Company comenzó a utilizar la sincronización como cavidad resonante y desarrolló un método de compensación de frecuencia para alternar el tramado mecánico, haciendo posible el uso de esta tecnología. En 1972, Honeywell desarrolló el giroscopio láser GG-1300. En 1974, el Departamento de Defensa de Estados Unidos ordenó a la Armada y la Fuerza Aérea que desarrollaran conjuntamente un plan de investigación, que se probó con éxito en aviones tácticos en 1975 y en misiles tácticos en 1976. Desde la década de 1980, la Fuerza Aérea de los EE. UU. ha declarado que aplicará firmemente giroscopios láser a los sistemas de la Fuerza Aérea y ha firmado dos contratos con McDonnell Douglas para implementar un programa de investigación llamado "Módulo de referencia inercial integrado". Sistema de sensor de módulo de caja mediante giroscopio láser. La Armada también planea utilizar un sistema de navegación inercial giroscópico láser, llamado CA1NS1, en aviones con base en portaaviones en la década de 1980. El Ejército se está preparando para utilizar giroscopios láser en sistemas de posicionamiento/navegación, vigilancia/reconocimiento, control de fuego y control de vuelo para aviones del Ejército. Después de que Estados Unidos propusiera la Iniciativa de Defensa Estratégica (IDE) en 1985, la aplicación de la tecnología láser en sistemas militares y armas espaciales atrajo mucha atención. Según el presupuesto del SDI, la inversión en esta área en el año fiscal 1985 fue de 10.400 millones de dólares, la mayor parte de los cuales se utilizó para realizar experimentos con láser, incluido el desarrollo de giroscopios láser. En la década de 1990, basándose en los requisitos de misiles de crucero avanzados y navegación aérea táctica, Estados Unidos llevó a cabo una investigación sobre el rendimiento de los giroscopios láser (SPS). McDonnell Douglas fue seleccionado como contratista principal de SPS, seguido por Honeywell, Litton, Rockwell, Singer Guilford y otras empresas. Hay muchas unidades extranjeras de investigación de giroscopios láser, entre las cuales Estados Unidos y Francia tienen niveles de desarrollo relativamente altos, así como Rusia, Alemania y otros países. 1. Los fabricantes estadounidenses de giroscopios láser incluyen Honeywell, Litton y Sperry. (1) El dispositivo inercial táctico ideal de Honeywell debe tener las características de bajo costo, tamaño pequeño, peso ligero y robustez. GG1308 y GG1320 de Honeywell son los últimos productos desarrollados para este propósito. Las tecnologías clave adoptadas por la empresa son: 1) La tecnología de subdivisión de la señal de salida mejora la precisión y mantiene la resolución requerida en RLG miniaturizados. Aumente la frecuencia de compensación de difuminado para aumentar la frecuencia de muestreo de RLG. El RLG miniaturizado tiene una pequeña inercia y una alta frecuencia de resonancia, por lo que la frecuencia se puede aumentar en el diseño del polarizador de dither. Por lo tanto, se puede aumentar la frecuencia de muestreo del RLG y la frecuencia de cálculo del sistema de navegación inercial con correa, lo que es beneficioso para garantizar la precisión del sistema de navegación inercial con correa. 2) En términos de reducción de costos, el proceso de sinterización de vidrio se utiliza para sellar el reflector y el electrodo. El vidrio óptico BK-7 se utiliza para reemplazar materiales con coeficiente de expansión cero como Zerodur. Por tanto, es necesario establecer las condiciones para que las ondas de luz resuenen en el resonador y compensen los errores de temperatura. Un sistema de navegación inercial compuesto por GG1308 es el HGl500-IMU. El sistema de navegación inercial compuesto por GG1320 es el H-764C. (2) Basado en el RLG de un solo eje, Kilford desarrolló un giroscopio láser de tres ejes en miniatura MRLG para satisfacer las necesidades de pequeños satélites y naves espaciales. La empresa utiliza acelerómetros de retroalimentación de fuerza y MRLG para formar una unidad de medida inercial (IMU). Este sistema de navegación inercial también se puede utilizar en armas tácticas, incluidos torpedos. 2. Francia tiene una gran fortaleza técnica en giroscopios láser y tecnología de sistemas. Las empresas francesas SWXTANT y SAGEM comenzaron a investigar la tecnología de giroscopios láser en la década de 1970 y ahora han desarrollado giroscopios láser de diferentes tamaños y precisiones. (1) Sextant Company Sextant Company comenzó a investigar giroscopios láser en 1972. Los giroscopios láser sextantes se utilizaron por primera vez en vuelos de helicópteros Jaguar en 1979.
En 1981, el giroscopio láser de 33 cm ganó la licitación en el proyecto de misiles supersónicos ANS. En 1987, se utilizó por primera vez para el vuelo del cohete Ariane 4. En 1990, la empresa Sextant ganó la licitación en el futuro proyecto francés de misiles estratégicos. (2) Sagem Company Sagem Company comenzó a investigar giroscopios láser de anillo en 1977. El primer prototipo GLS32 se montó en 1987. Una vez que la tecnología madure, producirá principalmente sistemas de navegación inercial para aviación y submarinos. El prototipo GLC16 se ensambló en 1987 y se utiliza principalmente para sistemas de navegación inercial de helicópteros y pequeños vehículos de lanzamiento.
El impacto de editar este párrafo
Como núcleo del sistema de navegación inercial de la aeronave, los dispositivos inerciales desempeñan un papel muy importante en muchos campos de la ciencia y la tecnología de la defensa nacional y de la economía nacional. . Se necesitó mucho tiempo y mucha inversión para resolver el problema del bloqueo de los giroscopios láser. No fue hasta principios de la década de 1980 que se desarrollaron instrumentos de navegación aérea, que luego se aplicaron rápidamente a aviones y helicópteros, reemplazando los giroscopios motorizados por giroscopios mecánicos integrados. Ha sido ampliamente utilizado en navegación, radar, orientación y otros campos.