Аннотация: Рассмотрены принцип действия бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), их преимущества по сравнению с электромеханическими гироплатформами, технологические проблемы производства чувствительных элементов БИНС и отражены достижения отечественных предприятий в сфере создания БИНС авиационного назначения.
Ключевые слова: инерциальные навигационные системы, бесплатформенные инерциальные навигационные системы, лазерный гироскоп.
Решение проблем точной навигации в военном деле играет ключевую роль. Они одинаково важны для боевых самолетов, баллистических ракет, подводных лодок и танков. Уже более полувека основным методом точного определения координат в пространстве является инерциальная навигация, а инструментальным средством для нее – гироплатформа, вырабатывающая информацию для формирования сигналов управления, подаваемых затем на рулевые устройства.
Эйфория, охватившая мир в связи с появлением глобальных спутниковых навигационных систем, довольно быстро прошла, поскольку военные и гражданские специалисты быстро пришли к выводу, что ни американский GPS, ни российский ГЛОНАСС, ни детище единой Европы «Галилео», равно как индийские, китайские и японские спутниковые системы, не способны стать панацеей для достижения военного превосходства в силу своей низкой помехозащищенности от бурно прогрессирующих средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Национальные системы глобального позиционирования в гражданском сегменте можно рассматривать как элемент экономической и политической самодостаточности государства, но в военной сфере они с определенными оговорками хороши только в мирное время.
Точка зрения российских военных состоит в том, что в военной технике наличие автономных инерциальных навигационных систем (ИНС) является обязательным. Уже в силу самого принципа своего действия ИНС априорно защищена от всех помех. У нее есть, пожалуй, только один недостаток – большая масса электромеханических гироскопов и акселерометров в кардановом подвесе, поэтому в последние десятилетия одна из ее разновидностей – бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) – находит наиболее широкое применение. Для каждого подвижного объекта предназначен свой тип БИНС, что связано с точностными требованиями, спецификой ее размещения и эксплуатации.
Кольцевые лазерные гироскопы и кварцевые акселерометры сегодня – самые точные и наиболее распространенные в мире. Они обладают высокой точностью, поэтому в настоящее время именно они, а не волоконно-оптические или волновые твердотельные аналоги используются в авиации и ракетостроении. Возможно, в скором будущем такие разработки, как ядерный магнитно-резонансный гироскоп или гироскоп на холодных атомах, превзойдут по своим характеристикам лазерные, но пока они существуют лишь в виде лабораторных образцов.
Кольцевой лазерный гироскоп
Принцип действия лазерного гироскопа заключается в следующем. Внутри замкнутого пространства, образованного системой зеркал и корпусом из особо чистого стекла, генерируются два встречных когерентных лазерных луча. Через одно из полупрозрачных зеркал на грани стеклянного корпуса проникает часть излучения, которое формирует интерференционную картину. Когда гироскоп начинает угловое движение, каждый из лучей согласно эффекту Доплера изменяет свою частоту в зависимости от скорости этого движения. При этом картина интерференции меняется по сравнению с состоянием покоя и смещается в направлении углового движения.
Фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический, весьма слабый, после чего уже в электронной части БИНС происходит его усиление, фильтрация шумов и устранение помех. Выделенный в результате обработки электрический сигнал соответствует величине угловой скорости вокруг оси чувствительности, которая перпендикулярна плоскости распространения лазерных лучей и направлению вращения базы гироскопа.
Для измерения шести параметров пространственного движения БИНС включает три лазерных гироскопа и три акселерометра, измеряющие линейные ускорения с точностью до 0,00001 g.
Современные БИНС на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах хотя и являются одним из наиболее сложных и высокотехнологичных изделий авиакосмической промышленности, но они уже достаточно хорошо отработаны для массовой эксплуатации. Их появление знаменовало качественный скачок в средствах автономной навигации за счет повышения точности измеряемых параметров и надежности системы в целом при снижении массогабаритных характеристик и энергопотребления.
БИНС выдают информацию для решения задач навигации, управления полетом, прицеливания, подготовки и наведения ракет, а также для обеспечения работоспособности радиолокационных, оптикоэлектронных, инфракрасных и других бортовых систем. Они являются основным средством навигации и определения пространственного положения и на современных самолетах гражданской авиации.
Технология производства лазерных БИНС освоена лишь в четырех странах мира – в России, США, Франции и Китае, а потому владение всей номенклатурой возможностей для разработки и производства высокоточных БИНС сразу выдвигает страну на передовые рубежи технического прогресса и непосредственно влияет на обеспечение безопасности государства.
Разработкой БИНС авиационного применения в России занимаются пять фирм, но только Московскому институту электромеханики и автоматики (ПАО «МИЭА» в составе КРЭТ) удалось довести свои разработки БИНС-СП-1 и БИНС-СП-2 (литеры «СП» в названии говорят о возможности спутниковой коррекции) до серийных образцов и добиться паритета по их техническим характеристикам с зарубежными системами аналогичного назначения. По словам генерального директора ПАО «МИЭА» д.т.н. А.Г. Кузнецова, навигационная система многофункционального истребителя МиГ-35 строится на базе изделия БИНС-СП-2. Несомненно, найдет она применение и на борту модернизируемых тяжелых авиационных комплексов.
Свой вариант навигационной системы на базе лазерных гироскопов – БИНС-2015 создал НИИ авиационного оборудования (АО «НИИАО» в составе КРЭТ), рассчитывая внедрить ее на борт гражданского лайнера МС-21 и в качестве импортозамещающего продукта – на самолет Sukhoj Superjet 100. Система прошла испытания, но распылять силы и средства в рамках одного холдинга было признано неразумным, и БИНС-2015 так и остался в опытном экземпляре. К такому же финалу пришли и разработки БИНС в Раменском приборостроительном конструкторском бюро (оно также входит в КРЭТ).
В соответствии с принятым в России ГОСТ БИНС различаются по трем классам точности. 1-му классу соответствует невязка координат в пределах 0,5 морской мили после одного часа полета. БИНС такого класса уже разработаны и передаются в производство. Наиболее массовыми являются системы 2-го и 3-го классов, которые применяются достаточно широко в военной и гражданской технике.
Лазерный гироскоп смело можно отнести к самым высокотехнологичным изделиям, поскольку для его производства необходимо особое стекло, прецизионное полирование до уровня шероховатости порядка 1 нанометра, ионное напыление зеркальной поверхности, создание абсолютно чистой инертной газовой среды.
Для оценки трудоемкости и стоимости лазерного гироскопа можно привести несколько примеров. Из исходной отливки стекла объемом примерно полкубометра, которая остывает в тигле примерно неделю (для достижения гомогенности массы), вырезают заготовки оптических блоков. Их проверяют на оптическую однородность и наличие трещин и включений. Как правило, даже при полном выполнении всех технических условий из шести заготовок бракуются четыре-пять.
Отобранная заготовка подвергается полированию, и в ней сверлят каналы, требования к геометрии которых соблюдаются до микронов. Для удаления последствий обработки каналов их моют кислотами до тех пор, пока не останется ни одной посторонней наночастицы. Полировка каналов осуществляется тоже кислотами, удаляющими микротрещины. Если корпус прибора вакуумировать без удаления трещиноватого слоя, из него начинают выделяться посторонние молекулы, портящие среду внутри гироскопа.
Зеркальное покрытие наносится методом ионного напыления в несколько слоев, толщина каждого из них – порядка 100 нанометров. Коэффициент отражения зеркала определяется количеством напыляемых слоев и регулируется необходимой величиной оптической энергии, которое зеркало должно пропустить. Качественное зеркало должно обеспечивать требуемый коэффициент отражения и при этом рассеивать и поглощать не более десяти частей на миллион от отраженного лазерного излучения.
На гироскопе размещаются электроды, на которые подается напряжение порядка 2 кВ (для сравнения: контактная сеть на электрифицированной железной дороге находится под напряжением 3 кВ постоянного тока). Электроды свариваются с корпусом гироскопа с соблюдением требований вакуумирования.
Много трудностей и в электронике, поскольку фотоприемник выдает слабый частотно-модулированный сигнал, который надо усилить и преобразовать в цифровой код. Не стоит забывать и о специальном математическом обеспечении, которое в конечном итоге и выдает потребителю информацию в «чистом» виде.
В структуре КРЭТ два предприятия выпускают лазерные гироскопы для авиации. Это Раменский приборостроительный завод (АО «РПЗ») и АО «Тамбовский завод «Электроприбор». Они овладели всей технологической цепочкой, гарантирующей надежную работу во всем диапазоне температур в процессе полного жизненного цикла авиационного изделия, который составляет десятки лет. Теперь речь уже идет о тиражировании, автоматизации операций с целью снижения издержек и повышения надежности готовых изделий и обеспечения требуемых точностных характеристик.
Однако решены еще далеко не все вопросы. Налицо избыточная номенклатура разрабатываемых систем практически с одинаковыми характеристиками в условиях дефицита кадров и бюджетного финансирования. Остро необходимо оснастить производства оборудованием для автоматизированной обработки оптических компонентов, нанесения интерференционных покрытий, юстировки и калибровки БИНС, без чего немыслимо существенное наращивание объемов выпуска в случае поступления заказов, а они вполне прогнозируемы.
Руководство АО «КРЭТ» сформировало проект технического перевооружения заводов для выхода продукции в объеме 1,5 тыс. систем в год, в том числе и для наземной техники. По плану производство систем в целом должно начаться в 2017 году.
comments powered by HyperComments