А.В. Соловьёв
(Филиал ФГУП «ЦЭНКИ» – «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова»)
Анализ вариантов конструктивных реализаций кремниевого подвеса для
Рассмотрены варианты конструктивных реализаций кремниевого подвеса для микромеханического вибрационного гироскопа (МВГ) с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации. Частотное разнесение первичных и вторичных колебаний кремниевого подвеса МВГ позволяет разделять полезную и квадратурную составляющие выходного сигнала по частоте, что способствует повышению точности прибора.
Введение
Вибрационные гироскопы на базе микромеханических чувствительных элементов (ЧЭ) в настоящее время получили широкое распространение. Причина востребованности таких гироскопов на рынке объясняется рядом их технических преимуществ перед традиционными роторными гироскопами:
низкая стоимость;
малые габариты;
малая потребляемая мощность;
высокая надёжность;
высокая устойчивость к внешним возмущающим воздействиям;
серийное производство на основе микротехнологий.
В соответствии с последними тенденциями развития МВГ приоритетом стало получение прецизионного гироскопа для применения в точных инерциальных приборах. Одной из доминирующих причин, тормозящих создание прецизионного МВГ, является наличие квадратурной ошибки.
В работе рассмотрены варианты конструкции кремниевого ЧЭ для МВГ с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации, различающиеся как кинематикой рабочих движений, так и технологией производства. Частотное разнесение первичных и вторичных колебаний кремниевого подвеса микромеханического вибрационного гироскопа позволяет разделять полезную и квадратурную составляющие выходного сигнала по частоте, что способствует повышению точности прибора. Именно частотное разделение полезной и квадратурной составляющих выходного сигнала, реализованное в представленных вариантах конструкций, и является их преимуществом перед существующими схемами. Описан принцип действия прибора и выведены уравнения движения его подвижной части. Представлены результаты конечно-элементного анализа вариантов конструкций.
Основная часть
Принцип действия
Примерный вид конструкции МВГ с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации представлен на рис.1 .
По рис.1 видно, что данный гироскоп состоит из подвижной и неподвижной частей , соединённых торсионами .
Система координат OXYZ образована следующим образом: О – центр масс подвеса, ось Y – направлена вдоль оси торсионов, ось Z – перпендикулярна плоскости подвеса, ось Х – дополняет систему до правой.
Для описания принципа работы гироскопа воспользуемся рис. 2 .
Предположим, что возбуждение происходит вокруг оси Х . На рис. 2 показана угловая скорость поворота подвижной части гироскопа. Движение, вызванное возбуждением , является относительным движением.
 |  |
| Рис.1 Примерный вид конструкции МВГ | Рис.2 К принципу работы |
Переносным же движением в данном случае является движение основания, обозначенное как 
.
Соответственно, выходные колебания будут направлены вокруг оси Y .
Стоит отметить, что в данном случае все торсионы работают на кручение.
Рассмотрим случай, когда входная угловая скорость совпадает с осью наружных торсионов 
(см. рис. 3
).
Очевидно, в возникновении ускорения Кориолиса
«виновна» та составляющая суммарной скорости 
, которая перпендикулярна входной угловой скорости 
, т.е. 
.
Известно, что 
Значит, 
. При 
получим: 
.
Значит, .
Видно, что в данном случае ускорение Кориолиса пропорционально частоте возбуждения.
Ускорение Кориолиса
образует пару сил
, которые создают момент
, направленный перпендикулярно плоскости подвижной рамки, т.е. по оси 
(см. рис. 4
).
Момент от Кориолисовых сил
равен: 
, где:
– масса подвижной части
;
– плечо пары сил (длина рамки)
.
Тогда, в проекции на ось наружных торсионов : .
Получается, что момент от действия ускорения Кориолиса
– гироскопический момент
– пропорционален удвоенной частоте возбуждения
: 
.
Именно гироскопический момент вызовет реакцию прибора на внешнюю угловую скорость – колебания вдоль оси наружных торсионов .
Таким образом, колебания вокруг оси имеют следующие параметры: 
Иначе, 
Следовательно, именно при совпадении оси чувствительности прибора с его выходной осью возникают вторичные колебания на частоте, вдвое большей частоты возбуждения.
Уравнения движения
Для вывода уравнений движения подвижных элементов подвеса гироскопа необходимо осуществить некоторую последовательность поворота, физически показывающую его степени свободы (см. рис. 5 ).
Рис. 5 Последовательность поворотов
В данном случае осуществим последовательно 4 ре
поворота:
Получившаяся в итоге всех поворотов система координат 
состоит из главных осей инерции
подвеса.
Составим матрицу направляющих косинусов, определяющую переход от первоначальной системы координат 
к конечной .
Значит, , где нижний индекс означает систему координат до поворота, а верхний – после.
Тогда, согласно последовательности поворотов , изображённых на рис. 5 , получим:
Откуда, 
, где:
Определитель
данной матрицы равен единице
, поскольку модуль вектора при перепроектировании
его из одной системы координат в другую не должен изменяться.
Вектор абсолютной угловой скорости
в проекциях на оси состоит из двух составляющих: вектора переносной угловой скорости
и вектора относительной угловой скорости
, т.е. 
.
Здесь, 
Следовательно, проекции абсолютных угловых скоростей на главные оси инерции имеют следующий вид: 
, где:
Поскольку оперировать такими большими выражениями неудобно, сделаем допущение: пусть углы 
, т.е. достаточно малы, чтобы 
Раскроем скобки в полученном выражении, сохраняя 
, но пренебрегая произведениями 
:
Инерционные моменты
подвеса определим с помощью динамических уравнений Эйлера
, которые имеют следующий вид: 
Интерес представляют только уравнения по осям 
, так как по ним подвес обладает степенями свободы.
Подставляя в полученные выше уравнения значения угловых скоростей
, а также добавляя жесткостные члены
, демпфирование 
, получим уравнения движения подвеса микромеханического вибрационного гироскопа с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации
:
В данной записи для удобства анализа в уравнении для оси 
вначале выписаны члены с удвоенной
частотой (первые две строки), а затем – с одинарной. В уравнении же для оси 
, наоборот, сначала идут члены на частоте возбуждения (одинарной
) (первые две строки), потом – на удвоенной
. Эти уравнения показывают необходимость создания конструкции ЧЭ резонансного МВГ с собственными частотами, отличающимися друг от друга вдвое, для реализации принципа частотного разделения.
Анализ уравнений движения
Первое уравнение системы соответствует реакции подвеса гироскопа на внешнюю угловую скорость, т.е. это – вторичные движения .
Второе уравнение системы соответствуют колебаниям подвеса гироскопа при его возбуждении, т.е. это – первичные движения .
Входной
, или измеряемой
, угловой скоростью в данном случае является скорость, совпадающая с осью вторичных движений
.
Анализ системы начнём с перекрёстного влияния
каналов друг на друга. Это члены с комбинацией моментов инерции 
. Получается, что в выходном сигнале 
, пропорциональном удвоенной частоте возбуждения 
, будет содержатся составляющая возбуждающего сигнала 
, пропорционального одинарной 
.
Кроме того, в выходном сигнале также на частоте будет присутствовать гироскопический момент
, образующийся «классическим»
образом при действии внешней угловой скорости 
. Это составляющая 
. Этот же гироскопический момент содержится и в канале возбуждения – 
.
Полезным сигналом в канале будет являться составляющая 
. Произведение 
обуславливает его удвоенную частоту .
Предположим, что каналы обладают высокой добротностью
. Тогда, в уравнениях останутся только члены со «своей»
частотой: – для канала , 
– для канала .
Уравнения в этом случае примут следующий вид:
Видно, что в канале присутствуют две составляющие, 
которые обуславливают связь
двух движений помимо наличия гироскопического момента
.
Рассмотрим уравнение для канала более подробно. Как уже было отмечено, помимо полезного гироскопического момента в нём присутствуют дополнительные три составляющие: и 
.
Первая составляющая
обусловлена геометрическими несовершенствами
при производстве подвеса (
– неперпендикулярность осей подвеса, 
– несовпадение главной оси инерции и оси внутренних торсионов
). Следует отметить, что эта составляющая изменяется с двойной частотой и находится в фазе с полезным сигналом .
Для её снижения необходимо как можно сильнее уменьшать момент инерции 
. Чтобы добиться этого, рамку нужно делать в виде стержня
вдоль оси
. Тогда, 
В качестве сравнения приведём формулу данной погрешности для «классической»
схемы ММВГ: 
. Видно, что для новой схемы влияние этой погрешности меньше.
Вторая составляющая
является добавкой к жесткости подвеса
, а значит, влияет на величину собственной частоты. Выполнение рамки в виде стержня
делает возможным снижение и этой погрешности.
Третья составляющая
является погрешностью от произведения поперечных угловых скоростей
. Её величина во многом зависит от значений внешних угловых скоростей и 
.
Полезный момент, определяемый соотношением , будет пропорционален не первой степени амплитуды возбуждения 
, а её квадрату 
. Поэтому целесообразно использовать данное преимущество и задавать как можно большим. Однако, большие амплитуды означают большие зазоры в емкостных датчиках, а это усложняет их применение.
Таким образом, микромеханический вибрационный гироскоп с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации позволяет значительно уменьшить влияние геометрических погрешностей конструкции подвеса при его производстве, частотно разде лить каналы возбуждения и съёма информации, а также обладает квадратичной зависимостью полезного сигнала от амплитуды возбуждения.
Конструкция МВГ и варианты его кремниевого подвеса
Конструкция МВГ представляет собой сборку (см. рис. 6), в состав которой входят следующие элементы:
корпус;
стеклянная (электрическая) плата;
кремниевый ЧЭ;
крышка.
Рис.6 Составные элементы конструкции МВГ-2 с вариантами кремниевого ЧЭ
Металлический корпус обеспечивает степень вакуума до 
и предусматривает установку геттера, позволяющего сохранять заданную степень в течение длительного времени.
На стеклянной плате, варианты которой представлены на рис. 7, расположены ответные электроды для управления движением кремниевого ЧЭ МВГ и для снятия информации об этом движении. Различие в рисунках напылённых емкостных датчиков
на её поверхности, материалом которых является алюминий,
обусловливается типом кремниевого ЧЭ МВГ. К алюминиевым площадкам подпаиваются золотые канительки, обеспечивающие электрический контакт стекла с корпусом гироскопа.
Одним из основных элементов конструкции микромеханического вибрационного гироскопа с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации
является его кремниевый чувствительный элемент,
варианты которого показаны на рис. 8.
Рассмотрим каждый подвес более подробно.
Вариант 1
На рис. 9 представлен кремниевый ЧЭ МВГ, выполненный по классической схеме.
Рис. 9 Кремниевый ЧЭ МВГ (классическая схема)
подвес выполнен по классической схеме (схема карданова подвеса), что позволяет использовать унифицированную стеклянную плату прибора более ранней разработки;
рельеф внутренней рамки обеспечивает увеличенный емкостной зазор с целью повышения амплитуды возбуждения колебаний (см. рис. 10);
различные геометрические параметры наружных и внутренних торсионов связаны, во-первых, с необходимостью разнесения собственных крутильных частот подвеса по этим осям, и, во-вторых, с технологическими возможностями российских производителей (см. рис. 11).
объёмного травления (плазмохимическое травление). Данная технология выбрана по причине необходимости получения чётких границ перехода торсионов в рамки (без подтравов), которых невозможно добиться, например, жидкостным травлением в растворе KOH .
Вариант 2
На рис. 12 представлен кремниевый ЧЭ МВГ, выполненный по схеме внутреннего Карданова подвеса.
Рис. 12 Кремниевый ЧЭ МВГ (внутренний подвес)
Отметим особенности данного кремниевого подвеса, который является чувствительным элементом проектируемого прибора:
Подвес выполнен по обращённой схеме (схема внутреннего подвеса), что позволяет максимально использовать его геометрию при возбуждении;
Крестообразные торсионы обеспечивают требуемую крутильную жёсткость при значительно большей линейной, что значительно увеличивает собственные линейные частоты подвеса (см. рис. 13 );
Различные геометрические параметры наружных и внутренних торсионов связаны, во-первых, с необходимостью разнесения собственных крутильных частот подвеса по этим осям, и, во-вторых, с технологическими возможностями российских производителей (см. рис. 14 ).
 |  |
| Рис. 13 Крестообразные торсионы кремниевого подвеса | Рис. 14 Геометрические параметры крестообразных торсионов |
Кремниевый подвес производится хорошо известными и проработанными методами объёмного травления (жидкого травления раствором KOH ). Данная технология выбрана по причине необходимости получения крестообразных торсионов, которые невозможно получить, например, плазмохимическим травлением.
Вариант 3
На рис. 15, 16 представлен кремниевый ЧЭ МВГ, выполненный по схеме с одной парой упругих перемычек и его расчётная схема.
Главной особенностью данного подвеса является возможность такого подбора параметров упругих перемычек, при котором погрешности производства не будут оказывать воздействия на отношения собственных частот. Инвариантность отношения частот к погрешностям производства обеспечивается следующим соотношением геометрических параметров: 
, где: 
– модуль сдвига (модуль упругости второго рода); 
– модуль Юнга (модуль упругости первого рода); 
– моменты инерции кремниевого подвеса; 
– геометрические параметры.
 |  |
| Рис. 15 Кремниевый ЧЭ МВГ (с одной парой упругих перемычек) | Рис. 16 Расчётная схема |
Вариант 4
Погрешность совмещения фотошаблонов при двусторонней литографии приводит к изменению геометрии упругих торсионов кремниевого подвеса. Их сечение вместо прямоугольного становится ступенчатым (см. рис. 17). При этом наблюдается эффект возникновения тангенциального перемещения при осевом нагружении. График отношения амплитуд тангенциального перемещения к осевому в зависимости от ширины ступеньки D представлен на рис. 18. Это отношение может достигать 50…60. Поэтому данный эффект возможно использовать для создания первичных колебаний кремниевого подвеса в плоскости емкостных датчиков без использования гребенчатого привода.
 |  |
| Рис. 17 Ступенчатый упругий торсион | Рис. 18 График |
Расчёт собственных частот подвесов
Результаты расчёта методом конечных элементов собственных частот представленных вариантов конструкции кремневых ЧЭ МВГ представлены в таблице 1 (вариант 4 не рассматривался). Их значения покрывают значительный диапазон частот, позволяющих расширить диапазон применения таких датчиков.
Таблица 1
Собственные частоты кремниевых ЧЭ МВГ
 |  |  |
| 1600 Гц | 3200 Гц |
|
 |  |  |
| 400 Гц | 800 Гц |
|
 |  |  |
| 700 Гц | 1400 Гц |
Влияние вибрационных воздействий
Влияние вибрационных воздействий будем оценивать на примере конструкции ЧЭ МВГ с внутренним подвесом (вариант 2).
Рассмотрим следующие уровни вибраций:
Как было получено ранее
собственные частоты кремниевого подвеса МВГ
равны:
Следовательно, линейные собственные частоты находятся «далеко» от частот, на которых действуют вибрации.
Построим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) механической части микромеханического вибрационного гироскопа с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации .
Разбиение кремниевого подвеса на конечные элементы была выполнена 20-узловым элементом типа « solid » . Кроме того, дополнительный упор был сделан на упругие торсионы – на них была задана регулярная сетка с меньшим размером элементов. Итог разбиения подвеса представлен на рис. 19, а АЧХ – на рис. 20.
Как видно по рис. 20
, диапазон 
можно считать линейным. Кроме того, частоты в и 
соответствуют крутильным колебаниям, а не линейным. Первая линейная частота соответствует 
, что очень далеко. Тем самым действие вибраций сводится к статической задаче
.
Синусоидальные вибрации
Получим теоретическую формулу для определения деформаций подвеса при действии указанных выше синусоидальных вибраций.
Известно, что линейная собственная частота
определяется следующим соотношением: 
.
Здесь, 
– собственная частота подвеса, 
; 
– жёсткость подвеса, 
; – масса подвеса, 
.
Произведём некоторые математические преобразования с этой формулой: .
Здесь, 
– линейная податливость, 
; – вес подвеса, 
; 
– ускорение свободного падения, 
;
– линейная деформация, 
.
Множитель 
у определяет уровень действующей перегрузки.
Следовательно, формула для линейной деформации при действии ускорения имеет следующий вид: 
.
По-другому выведенную формулу можно записать так: 
, где: 
– перегрузка, 
.
Результаты вычислений по полученной формуле представлены в таблице 2 .
Таблица 2
Результаты вычислений «По формуле»
Произведём расчёт деформации с помощью Ansys . Это позволит наглядно проверить достоверность выведенной формулы.
Поскольку
диапазон линейных частот 5000 … 6000 Гц, то расчёт будем вести статичным образом, т.е., задав ускорение формулой 
, где:
– ускорение, действующее на подвес вдоль входной оси, [м / с 2 ];
– перегрузка, действующая на подвес вдоль входной оси,[б / р];
– значение линейной частоты вдоль входной оси, ;
– время, [с].
Форма ускорения, приложенного к кремниевому подвесу микромеханического вибрационного гироскопа с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации, представлена на рис. 21.
Форма деформации при действии синусоидальной вибрации и её значение при 
представлены на рис. 22
.
Численные значения деформаций, возникающих при действии ускорения представлены в таблице 3 .
Таблица 3
Результаты вычислений «Ansys»
Сравнение результатов, полученных с использованием формулы 
и моделированием в Ansys
11
, представлено в таблице 4
.
Таблица 4
Сравнение результатов вычислений
Как видно, различия минимальны . Значит, формула верна .
Случайные вибрации
Для анализа действия случайных вибраций необходимо определить среднеквадратическое ускорение
, которое действует на кремниевый подвес.
Воспользуемся известной формулой: 
.
Здесь, – среднеквадратическое значение ускорения, [м / с 2 ];
– линейная частота вдоль входной оси, ;
– коэффициент передачи, ;
– спектральная плотность вибрации, .
Следовательно, 
.
Поскольку нас интересует диапазон 
, то он составляет 
.
Подставим это значение в полученную ранее формулу: 
.
Решая задачу статичным методом в Ansys
, т.е. используя ту же модель ускорения, что и в случае синусоидальной вибрации
, получим следующую деформацию: 
.
Видно, что формула работает.
Однако, в данном случае не совсем корректно использовать такую же модель, поскольку случайная вибрация обладает иной природой.
В Ansys имеется специальный тип расчёта « Random Vibration » , которым и воспользуемся.
Модель ускорения , заданная таким образом, показана на рис. 23 .
Форма деформации и её численное значение изображена на рис. 24 .
В данном случае, деформация
составила 
для 
. Это значение существенно меньше, вычисленного по приближённой формуле, что является положительным результатом.
Ударное воздействие
Ударное воздействие характеризуется амплитудой импульса и его длительностью .
Рассмотрим следующие параметры ударного воздействия: 
Импульс
зададим с помощью одного полупериода
синусоиды с частотой 
и амплитудой 
. Форма импульса, созданного в Ansys
, представлена на рис.25
.
Рис. 25 Ударное воздействие на прибор
Рассмотрим реакцию подвеса микромеханического вибрационного гироскопа с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации на его собственных частотах: (см. рис. 26, 27, 28 ).
 |  |  |
| Рис. 26 Реакция на удар (400 Гц)
| Рис. 27 Реакция на удар (800 Гц)
| Рис. 28 Реакция на удар (5240 Гц)
|
Максимальное ускорение действует при частоте 
и составляет 
. Проверим, выдерживает ли сам кремниевый подвес такую перегрузку (см. рис. 29, 30
).
Максимальные напряжения
, как видно из рис. 29, 30
, возникают в торсионах вблизи их заделок в рамку, и равны 
.
Как известно, предел прочности
кремния составляет 
. Следовательно, подвес выдержит
данную перегрузку.
Введение амортизатора
Для уменьшения действий вибрационных и ударных воздействий целесообразно ввести в прибор амортизатор . Но, амортизировать один микромеханический гироскоп нецелесообразно. Поэтому предположим, что гироскоп находится в составе блока датчиков угловых скоростей , который амортизирован на частоте.
Амортизаторы, используемые в настоящее время в НИИ ПМ им. ак. В.И. Кузнецова в бесплатформенных инерциальных блоках
, обладают частотами 
. Примем, что в данном случае частота составляет 
.
Модель расчёта представлена на рис. 31 , а его результат – на рис.32 .
Видно, что уровень ускорения
, действующего на прибор, снижен с до 
, т.е. в 8 раз
. Кроме того, введение амортизатора существенно снизит и действие случайной вибрации
.
Заключение
В результате проведённого математического моделирования была подтверждена работоспособность идеи прецизионного микромеханического вибрационного гироскопа с разнесёнными частотами возбуждения и съёма информации. Кроме того,
создана математическая модель такого прибора с учётом погрешностей при его производстве;
разработаны варианты конструкции кремниевого ЧЭ для различных технологий изготовления;
проведено моделирование вариантов кремниевых чувствительных элементов.
Филиал ФГУП «ЦЭНКИ» — «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова» — ведущее предприятие России по созданию высокоточных гироскопических командных приборов для ракет и космических объектов.
История:
Научно-исследовательский институт прикладной механики, ныне носящий имя академика В. И. Кузнецова, был образован в сентябре 1955 года.
Тогда на базе Специального конструкторского бюро НИИ - 10 был создан НИИ гироскопической стабилизации (позднее получивший наименование НИИ-944) Министерства судостроительной промышленности СССР, с 1994 года — НИИ прикладной механики имени академика В. И. Кузнецова Российского космического агентства (ныне — Федерального космического агентства).
С 2006 года институт входит в состав Федерального государственного унитарного предприятия «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры».
НИИ ПМ стал первым в России предприятием, основной задачей которого являлось создание высокоточных гироскопических командных приборов для ракетно-космической техники.
В течение 50 лет НИИ ПМ имени академика В. И. Кузнецова осуществлял разработку гироскопических приборов и систем для большинства баллистических ракет, разработанных Главными конструкторами С. П. Королевым, М. К. Янгелем, В. Н. Челомеем, В. Ф. Уткиным.
Созданные предприятием комплексы командных гироскопических приборов обеспечили приоритет нашей Родины в освоении космического пространства и надежную защиту Отечества.
Для решения народнохозяйственных и научных задач за прошедшие годы создано несколько поколений различных гироскопических приборов и систем для ракет-носителей и космических аппаратов, в том числе для ряда космических аппаратов специального назначения.
Приборы НИИ ПМ обеспечили выведение на орбиту первого спутника Земли, полет Юрия Гагарина, стыковку в космосе кораблей по программе «Союз-Аполлон», облет и фотографирование обратной стороны Луны, доставку на Землю в автоматическом режиме лунного грунта, работу долговременных орбитальных станций и комплексов и многое другое. Разработанные в институте приборы обладают высокими конструктивными качествами, точностью и надежностью и имеют уникальные эксплуатационные характеристики: до 150 тысяч часов непрерывной работы и более 25 лет эксплуатации.
Сегодня гироскопические приборы НИИ ПМ обеспечивают реализацию программ отечественной космической промышленности; разработаны и внедрены гироскопические системы для нового поколения космических аппаратов. Кроме того, институт занимается разработкой приборов по конверсионным программам для техники других отраслей.
Основными конверсионными работами стали разработки гироскопических приборов для авиации и нефтяной промышленности.
Гироскопические приборы для ракетных комплексов
Начало ракетно-космической гироскопии было положено при создании первых советских ракет Р-1, созданных на базе немецкой трофейной техники — ракет Фау-2, к изучению которых были подключены известные специалисты в области гироскопической техники. Возглавил эти работы Виктор Иванович Кузнецов, занимавшийся до этого разработкой приборов для военно-морского флота. Приборы для ракет Р-1 — гирогоризонты, гировертиканты и гироинтеграторы (ГГ-1, ГВ-1, ИГ-1) — были в основном повторением немецкой конструкции и изготавливались по чертежам, скопированным с немецких чертежей.
Следующая ракета — Р-2 — была, по существу, первой в нашей стране жидкостной баллистической ракетой отечественной конструкции и отличалась от ракеты Р-1 габаритами, комплектацией и повышенными тактико-техническими характеристиками с дальностью полета 600 км. Для повышения точности Р-2 имела отделяемую головную часть. В состав комплекса командных приборов системы управления входили модифицированные гироприборы.
При следующей разработке нового изделия Р-5 потребовалось резко улучшить тактико-технические характеристики приборов, в первую очередь — повысить точность и надежность. Конструкции гиро-приборов (гировертикантов ГВ-5 и гирогоризонтов ГГ-5) были разработаны заново.
В конце 60-х—начале 70-х годов в ракетостроении сложилась конкурентная ситуация, в которую были вовлечены главные конструкторы М. К. Янгель и В. Н. Челомей. КБ «Южное» предлагало создать и развернуть новое изделие Р-36М и заменить изделия УР-100 и УР-100К. ОКБ-52 (главный конструктор В. Н. Челомей) предложило сохранить значительное количество изделий УР- 100 и УР-100К и разработать новые комплексы с изделием УР-100Н. По решению правительства были реализованы оба проекта, в разработку были запущены комплексы с изделиями Р-36М и УР-100Н. НИИ ПМ приступил к созданию более точного, чем в предыдущих изделиях, прибора — унифицированной гиростабилизированной платформы для ракет Р-36М и УР-100Н. В этой платформе были применены более точные гироблоки и гироинтеграторы на «сухом» подвесе. В результате комплекса мероприятий, предпринятых несколькими группами разработчиков, точность приборов была повышена на 55-60%. Была решена задача дистанционных периодических проверок приборов, что повысило эксплуатационные характеристики комплекса.
Следующим шагом по пути совершенствования гиростабилизированной платформы и увеличения точности стала разработка унифицированной платформы для изделий Р-36М УТТХ и УР-100НУ. В 1983 году КБ «Южное» под руководством главного конструктора Владимира Федоровича Уткина приступило к разработке ракеты по теме «Воевода» (Р-36М2). Для системы управления этого изделия институтом был разработан комплекс командных приборов.
Разработчиками было найдено много новых решений по схеме построения платформы и всего комплекса, а также по методам выставки и калибровки многочисленных параметров, влияющих на точность и обеспечение надежности работы комплекса гироприборов. По техническому уровню решаемых задач этот комплекс высокоточных командных гироскопических приборов значительно превосходит разработки отечественных приборов других фирм и не имеет аналогов среди зарубежных гироскопических приборов систем управления ракет.
Комплексы командных приборов изделий Р-36М УТТХ, УР-100НУ и Р-36М2 эксплуатируются по настоящее время. Институт осуществляет авторский надзор за их эксплуатацией.
Гироскопические приборы для ракет-носителей
Создание боевых ракетных комплексов неразрывно связано с разработкой ракет космического назначения. Менее чем через два месяца после первого успешного старта ракеты Р-7 на ракете, переделанной из боевой, в космос отправился первый искусственный спутник Земли. Процесс преобразования боевой ракеты в средство выведения космических объектов требовал как модификации существующих гироприборов, так и создания новых.
К 1960 году для системы управления РН «Восток», предназначенной для выведения на околоземную орбиту космического корабля с человеком на борту, институтом были разработаны: гирогоризонт КИ11-29, гировертикант И55-11, два датчика регулятора скорости КИ12-18, КИ12-19 (для первой и второй ступеней), гирогоризонт И11- 15, гировертикант КИ55-16, датчик регулятора скорости КИ12-20, три интегратора И22-8 (для третьей ступени).
12 апреля 1961 года в Советском Союзе выведен на орбиту вокруг Земли первый в мире космический корабль-спутник «Восток» с человеком на борту — Юрием Алексеевичем Гагариным. Модификации знаменитой ракеты Р-7, разработанной под руководством С. П. Королева, вот уже 50 лет продолжают использоваться для выведения в космос большого числа спутников и межпланетных кораблей. Это единственный тип ракет в России, который до сегодняшних дней используется в пилотируемой космонавтике. Приборы типа гирогоризонт, гировертикант, датчик регулятора скорости и гироинтегратор разработки НИИ ПМ нашли широкое применение почти во всех модификациях ракеты Р-7 («Восток», «Восход», «Молния», «Союз»).
Помимо гироприборов для различных модификаций ракеты Р-7 институт разрабатывал изделия и для сверхтяжелых носителей, таких как Н1 и «Энергия». Для системы управления ракеты Н1, разрабатывавшейся в рамках лунной программы, НИИ ПМ была создана гиростабилизированная платформа КИ10-17 с применением поплавковых гироблоков. При подготовке к пуску и в полете комплекс разработанных приборов работал нормально. Короткие сроки проектирования, сокращение программы испытаний явились роковым обстоятельством для осуществления проекта. Все четыре пуска были аварийными; лунная программа была закрыта.
В 1974 году началась разработка проекта «Энергия-Буран». На ракете-носителе «Энергия» были установлены гиростабилизированные платформы КИ21-36М и БУГ-039, которые обеспечивали управление движением на активном участке полета и точное выведение на заданную орбиту. Все испытания, подготовку к полету приборы прошли без замечаний с большим запасом по точности и надежности.
Несмотря на успешные летные испытания, это направление с 1990 года было закрыто. Для системы управления ракеты-носителя космических объектов «Рокот», созданной на базе ракеты УР-100Н и доразгонного блока, институтом был разработан комплекс командных приборов. Разработка началась в 1985 году и была значительно облегчена использованием опыта и технических решений, полученных при создании прибора КИ45-2 для крылатой ракеты «Метеорит», разработанной в 1978-1980 гг. под руководством Главного конструктора В. Н. Челомея. Это позволило завершить работу в короткие сроки и без больших технических ошибок. В окончательном варианте комплекс командных приборов состоит из командного прибора КИ45-7 и блока вторичных источников питания, разработанного НПО «Полюс». Прибор КИ45-7 представляет собой единую конструкцию (в которой размещены гиростабилизатор и все электронные устройства), предназначенную для измерения и выдачи в цифровом виде в систему управления ракеты-носителя «Рокот» параметров движения носителя (приращение линейной скорости, углы рыскания, вращения и тангажа).
Изготовление приборов КИ45-7 началось в 1987 году и с перерывами продолжается в настоящее время. Результаты эксплуатации подтвердили точность и надежную работу прибора при запусках коммерческих полезных нагрузок ракетой «Рокот». Гироскопические приборы для космических аппаратов Сфера деятельности института не ограничивалась созданием приборов для боевых ракет и ракет-носителей.
Гироскопические приборы для космических аппаратов
4 октября 1957 года с космодрома Байконур был запущен созданный в СССР первый в мире искусственный спутник Земли, который своими позывными возвестил о начале новой — космической — эры в истории человечества. В этой работе приняли активное участие подразделения НИИ-944 под руководством В. И. Кузнецова.
Для пилотируемых космических кораблей «Восток» были разработаны гироорбитант КИ00-8, блок свободных гироскопов КИ27-1 и блок курсовых приборов. Решение задачи управления полетом космического корабля было очень ответственным, поскольку при неправильном движении корабль мог перейти на невозвращаемую орбиту или, наоборот, войти в атмосферу с большими перегрузками. Поэтому в течение многих лет в институте велись работы по повышению надежности и точности гироприборов.
Разработанные коллективом НИИ гироорбитант КИ00, гироинтегратор КИ22 и блок свободных гироскопов КИ27-1 успешно применялись в различных космических кораблях («Восток», «Восход», «Союз», «Прогресс» и др.), как в пилотируемых, так и в беспилотных вариантах. Для системы ориентации и управления движением космических кораблей «Союз» и «Прогресс» и долговременных орбитальных станций, а также для системы управляемого спуска космонавтов с орбиты и систем аварийного спасения в процессе выведения космического корабля на орбиту в НИИ ПМ был разработан целый ряд надежных и высокоточных гироскопических приборов и струнных акселерометров (КИ38-1, КИ22-40, КИ27-2, КИ00-11, КИ00-18, КИ00-14Б, КИ68-1, КИ68-100), которые выполнили возложенные на них задачи. Модификации вышеназванных приборов и сегодня используются в процессе запуска и возврата на Землю космических экипажей при пилотируемых пусках.
Для управления спуском корабля с орбиты был разработан прибор КИ00-18, особенностью которого стал большой диапазон угловых поворотов (±180°) по наружной оси. Другое направление космической деятельности — создание межпланетных аппаратов. Работу в этом направлении возглавляло Научно-производственное объединение имени С. А. Лавочкина.
В 1960-х годах здесь начались работы по созданию космического аппарата, предназначенного для исследования поверхности Луны (программа Е8-5). Комплекс командных приборов для этого аппарата, разработка которого была поручена НИИ ПМ, должен был обеспечивать выдачу информации о параметрах движения аппарата на всех этапах его полета к Луне, начиная с этапа доразгона. Задачи обеспечения межпланетных экспедиций были решены с помощью приборов КИ21-19 и КИ22-40Б.
Приборы в течение нескольких лет использовались в программах Е-8 и Е8-5 и обеспечили высокую точность и надежность при доставке на Луну двух луноходов и оборудования для забора лунного грунта, а также при выведении на лунную орбиту нескольких искусственных спутников Луны.
При доставке на Землю лунного грунта использовались гироприборы КИ55-25, КИ22-41Л, КИ00-12Л. Кроме того, гироприборы разработки НИИ ПМ устанавливались на космических аппаратах, исследовавших Марс, Венеру и комету Галлея.
В начале 1970-х годов в Советском Союзе началось строительство долговременных орбитальных станций. ОКБ-1 создает серию орбитальных станций «Салют» для исследования околоземного пространства и планет в научных целях, а НПО машиностроения (главный конструктор — В. Н. Челомей) — станцию «Алмаз» и транспортный корабль снабжения к нему. Для управления станцией «Алмаз», транспортным кораблем снабжения и возвращаемым аппаратом институтом в 1971 году был разработан комплекс гироприборов в составе КИ21- 29, КИ41-1, КИ22-36А, КИ11-39, КИ00- 14Б, КИ22-46Н, БУИ-6, БЭ-026, БПИ- 066. Устанавливались приборы НИИ ПМ и на станциях «Салют».
В начале 1980-х годов НПО «Энергия» приступило к созданию большой орбитальной станции «Мир». Создание и 15-летняя эксплуатация уникального орбитального комплекса, базовый блок которого был запущен в 1986 году, стали выдающимися достижениями отечественной космонавтики. Для системы управления станции в НИИ ПМ был разработан прибор ГИВУС (гироскопический измеритель вектора угловой скорости). Было создано несколько модификаций приборов КИ34- 2А, КИ34-3, КИНД34-020, КИНД34-027.
Первый прибор, установленный на модулях орбитальной станции «Мир», безотказно и непрерывно отработал двойной ресурс (15 лет) и показал рекордную точность. Успешное применение гироскопических измерителей вектора угловой скорости на станции «Мир» позволило и в дальнейшем широко применять такие приборы. Специалисты института продолжали работать над совершенствованием схемы и конструкции прибора.
Приборы ГИВУС, изготовленные в НИИ ПМ, поставлялись по заказу ряда крупных российских предприятий ракетно-космической промышленности: РКК «Энергия» им. С. П. Королева, ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, НПО ПМ им. М. Ф. Решетнева, НПО им. С. А. Лавочкина. Эти приборы используются на функциональном грузовом блоке (ФГБ) и на служебном российском модуле Международной космической станции. Высокая чувствительность приборов (0,01 угловой секунды) была реализована в космических аппаратах типа «Спектр», «Аракс» НПО им. С. А. Лавочкина и др., где требовалось наведение оптической аппаратуры на исследуемый объект с высокой точностью.
В дальнейшем приборы ГИВУС нашли применение при решении задачи наведения с высокой точностью антенн спутников связи на стационарных орбитах в космических аппаратах Sesat, «Экспресс», «Глонасс» (разработки НПО ПМ им. М. Ф. Решетнева), «Ямал» (РКК «Энергия»), «Монитор-Э», «Казсат» (ГКНПЦ им. М. В. Хруничева), а также при решении задач специального назначения.
Практическое использование приборов ГИВУС (с 1986 года по 2001 год — приборы КИ34 различных модификаций, а с 1999 года по настоящее время — приборы КИНД34-020, КИНД34-027 с повышенными точностными характеристиками и увеличенным сроком работы на орбите) в системах управления космических аппаратов различного назначения подтвердило полное выполнение технических требований эксплуатирующих фирм.
Одной из новейших разработок института по космической тематике является измеритель ускорения и скорости СИПС (система измерения приращения скорости), созданный по заказу «ЦСКБ-Прогресс» для ряда космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.
В этой системе использованы в качестве чувствительных элементов струнные акселерометры оригинальной конструкции. Приборы СИПС прошли наземную отработку и показали надежную работу в составе космических аппаратов в орбитальном полете, в том числе и при эксплуатации КА «Ресурс-ДК».
Материал из Википедии - свободной энциклопедии
| НИИ ПМ им. академика В. И. Кузнецова | |
| Прежние названия | |
|---|---|
| Год основания | |
| Директор |
Денискин Д. Г. |
| Расположение |
Россия
Россия , Москва |
| Награды | |
Научно-исследовательский институт прикладной механики имени академика В. И. Кузнецова - советское и российское предприятие, ведущее исследования в области гироскопических приборов и инерциальной навигации для ракетно-космической, авиационной, судостроительной и других видов техники .
История
В 1946 году для разработки гироскопических командных приборов баллистических ракет в НИИ-10 был создан отдел № 2. В 1947 году его возглавил В. И. Кузнецов , соратник С. П. Королёва , член неформального Совета главных конструкторов . В 1953 году отдел преобразован в специальное конструкторское бюро (СКБ НИИ-10), на базе которого в сентябре 1955 года создан Научно-исследовательский институт гироскопической стабилизации (НИИ-944 ) в составе Министерства судостроительной промышленности . Главным конструктором НИИ назначен В. И. Кузнецов .
Коллективом института разработаны гироскопические приборы для ракет Р-7 и Р-7А : гировертикант И55-1, гирогоризонт И11-1А-3, датчики регулятора скорости И12-6-3, И12-7-3. В 1957 году ракетой Р-7 осуществлён запуск первого в мире искусственного спутника Земли .
В 1960 году заступила на боевое дежурство ракета средней дальности Р-12 , которая была оборудована разработанной НИИ-944 полностью автономной инерциальной системой управления. Эти технические решения легли в основу гироприборов для межконтинентальной баллистической ракеты Р-9 .
В июле 1960 года «за создание и освоение производства высокоточных приборов» институт награждён орденом Ленина, а в июне 1961 года - орденом Трудового Красного Знамени «за успешное выполнение заданий правительства по созданию специальной техники» .
С 1965 года - Научно-исследовательский институт прикладной механики (НИИ ПМ ) в составе Министерства общего машиностроения .
В 1992 году институту присвоено имя его основателя, академика В. И. Кузнецова.
Напишите отзыв о статье "НИИ прикладной механики имени В. И. Кузнецова"
Примечания
Отрывок, характеризующий НИИ прикладной механики имени В. И. Кузнецова
Не простившись с своим новым другом, Пьер нетвердыми шагами отошел от ворот и, вернувшись в свою комнату, лег на диван и тотчас же заснул.На зарево первого занявшегося 2 го сентября пожара с разных дорог с разными чувствами смотрели убегавшие и уезжавшие жители и отступавшие войска.
Поезд Ростовых в эту ночь стоял в Мытищах, в двадцати верстах от Москвы. 1 го сентября они выехали так поздно, дорога так была загромождена повозками и войсками, столько вещей было забыто, за которыми были посылаемы люди, что в эту ночь было решено ночевать в пяти верстах за Москвою. На другое утро тронулись поздно, и опять было столько остановок, что доехали только до Больших Мытищ. В десять часов господа Ростовы и раненые, ехавшие с ними, все разместились по дворам и избам большого села. Люди, кучера Ростовых и денщики раненых, убрав господ, поужинали, задали корму лошадям и вышли на крыльцо.
В соседней избе лежал раненый адъютант Раевского, с разбитой кистью руки, и страшная боль, которую он чувствовал, заставляла его жалобно, не переставая, стонать, и стоны эти страшно звучали в осенней темноте ночи. В первую ночь адъютант этот ночевал на том же дворе, на котором стояли Ростовы. Графиня говорила, что она не могла сомкнуть глаз от этого стона, и в Мытищах перешла в худшую избу только для того, чтобы быть подальше от этого раненого.
Один из людей в темноте ночи, из за высокого кузова стоявшей у подъезда кареты, заметил другое небольшое зарево пожара. Одно зарево давно уже видно было, и все знали, что это горели Малые Мытищи, зажженные мамоновскими казаками.
– А ведь это, братцы, другой пожар, – сказал денщик.
Все обратили внимание на зарево.
– Да ведь, сказывали, Малые Мытищи мамоновские казаки зажгли.
– Они! Нет, это не Мытищи, это дале.
– Глянь ка, точно в Москве.
Двое из людей сошли с крыльца, зашли за карету и присели на подножку.
– Это левей! Как же, Мытищи вон где, а это вовсе в другой стороне.
Несколько людей присоединились к первым.
– Вишь, полыхает, – сказал один, – это, господа, в Москве пожар: либо в Сущевской, либо в Рогожской.
Никто не ответил на это замечание. И довольно долго все эти люди молча смотрели на далекое разгоравшееся пламя нового пожара.
Старик, графский камердинер (как его называли), Данило Терентьич подошел к толпе и крикнул Мишку.
– Ты чего не видал, шалава… Граф спросит, а никого нет; иди платье собери.
– Да я только за водой бежал, – сказал Мишка.
– А вы как думаете, Данило Терентьич, ведь это будто в Москве зарево? – сказал один из лакеев.
Данило Терентьич ничего не отвечал, и долго опять все молчали. Зарево расходилось и колыхалось дальше и дальше.
– Помилуй бог!.. ветер да сушь… – опять сказал голос.
– Глянь ко, как пошло. О господи! аж галки видно. Господи, помилуй нас грешных!
– Потушат небось.
– Кому тушить то? – послышался голос Данилы Терентьича, молчавшего до сих пор. Голос его был спокоен и медлителен. – Москва и есть, братцы, – сказал он, – она матушка белока… – Голос его оборвался, и он вдруг старчески всхлипнул. И как будто только этого ждали все, чтобы понять то значение, которое имело для них это видневшееся зарево. Послышались вздохи, слова молитвы и всхлипывание старого графского камердинера.
Камердинер, вернувшись, доложил графу, что горит Москва. Граф надел халат и вышел посмотреть. С ним вместе вышла и не раздевавшаяся еще Соня, и madame Schoss. Наташа и графиня одни оставались в комнате. (Пети не было больше с семейством; он пошел вперед с своим полком, шедшим к Троице.)
Графиня заплакала, услыхавши весть о пожаре Москвы. Наташа, бледная, с остановившимися глазами, сидевшая под образами на лавке (на том самом месте, на которое она села приехавши), не обратила никакого внимания на слова отца. Она прислушивалась к неумолкаемому стону адъютанта, слышному через три дома.
