Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе


Подавляющее большинство движущихся объектов (от самолетов, ракет, кораблей, танков до современных буров, железнодорожных путеизмерителей, роботов и прочей техники для гражданских применений) нуждается в гироскопических датчиках для систем управления и навигации. Поэтому рынок гироскопических модулей имеет положительную динамику: в 2015 году за рубежом был достигнут объем продаж $2,2 млрд., а к 2019 году он возрастет, как ожидается, до $2,4 млрд. с прогнозируемым среднегодовым темпом роста 4,5 %.

По зарубежным данным в настоящее время лазерно-гироскопические системы преобладают на рынке систем управления и навигации, что полностью подтвердило надежды ученых на качественный прорыв в гироскопии благодаря появлению лазерного гироскопа. Доля рынка, занимаемая лазерно-гироскопическими системами, зависит от области применения и достигает максимального значения 70 % для стратегических применений.

Впервые лазерные гироскопы возникли и начали активно развиваться с 1964 года практически одновременно в США (фирма Honeywell) и в СССР (в НИИ «Полюс»), а позднее – во Франции и в Англии.

Конкурентными преимуществами лазерных гироскопов являются сочетание высокой точности и устойчивости к разнообразным (в том числе жестким) условиям эксплуатации. Зарубежные эксперты отмечают, что массово и стабильно производимые лазерные гироскопы в настоящее время достигли такого высокого уровня точностных характеристик, что с ними не могут соперничать другие типы новых более дешевых, но менее точных гироскопов, а по стабильности масштабного коэффициента лазерным гироскопам нет и не будет равных даже в перспективе. Для других типов гироскопов остаются те области применения, которые не требуют обладания всем комплексом характеристик, присущих лазерным гироскопам.

Лидирующее положение в лазерной гироскопии на мировом рынке, по мнению зарубежных экспертов, занимают американские фирмы Honeywell, Northrop Grumman, Kearfott, французская Thales, израильская Israel Aerospace Ind./TAMAM, а из российских – АО «НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха».
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 1
Достижения кольцевого направления
В «Полюсе» лазерные гироскопы начали разрабатываться по двум направлениям: гироскопы на виброподвесе и полностью монолитные магнитооптические гироскопы. Гироскопы на виброподвесе в силу наличия постоянных механических вибраций лазера имеют большую чувствительность к внешним механическим воздействиям, и вследствие этого область их применения – головные комплексы с относительно комфортными условиями (самолеты, корабли и т. п.). Магнитооптические лазерные гироскопы используют эффект Зеемана – расщепление уровней рабочего газа в магнитном поле – для вывода рабочей точки в линейный диапазон измерений, поэтому не нуждаются ни в каких вибрационных колебаниях и не имеют подвижных механических частей. Это определяет области их применения, а именно – движущиеся комплексы с повышенными вибрациями, ударами и климатическими перепадами.

Пионерами в исследованиях и разработке первых лазерных гироскопов были основатель и первый директор НИИ «Полюс» М.Ф. Стельмах, начальник первого гироскопического отделения НИИ «Полюс» Б.В. Рыбаков, теоретики А.М. Хромых, И.И. Савельев, исследователи-разработчики А.В. Мельников, С.Г. Скроцкий, А.И. Якушев, Л.А. Халдеев, Ю.В. Демиденков, В.К. Просветов, А.И. Чемерис и др. Впоследствии этот коллектив существенно расширился, произошла смена поколений, и сегодня направление зеемановских лазерных гироскопов и созданных систем на их основе представлено крупным Научно-производственным комплексом (НПК-470), возглавляемым лауреатом Премии Правительства РФ 2014 года Ю.Д. Голяевым, и большим числом смежных кооперированных подразделений как внутри НИИ «Полюс», так и внешних предприятий. Костяк ведущих специалистов составляют Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, В.Н. Свирин, Ю.А. Винокуров, И.В. Дронов, М.А. Иванов, Н.Г. Вахитов и др.

Таблица 1. Параметры лазерных гироскопов типа МТ
Прибор Параметр МТ-501 МТ-401 МТ-3
Состояние Достигнутый уровень Перспетивный уровень Достигнутый уровень Перспективный уровень Достигнутый уровень Перспективный уровень
Точность (с предстартовой калибровкой), °/ч 0,03 – 0,1 0,005 – 0,01 0,1 – 0,2 0,02 – 0,05 1 – 1,5 0,3 – 0,5
Нестабильность масштабного коэффициента (2 – 4)·10–5 (0,5 – 1)·10–5 2 ·10–4 0,5 ·10–4 5·10–4 1·10–4
Диапазон измеряемых угловых скоростей, °/с ± 600 ± 1200 ± 600 ± 1200 ± 1200 ± 1200
Масса, кг 7,5 5,4 3,6
Габаритные размеры, мм Ø220×H180 Ø180×H140 Ø180×H120


За время, прошедшее с запуска первого лазерного гироскопа, коллективом института выполнен огромный объем исследований и разработок, созданы конструкции и технологии приборов различного назначения. Если первые годы разработки ограничивались созданием лазерных гироскопических датчиков, впоследствии приборы были доукомплектованы электронными блоками питания, поджига, регулировки периметра, подставки, обработки информации. Именно такие, более сложные, но функционально законченные приборы нашли применение у заказчиков – разработчиков систем управления комплексов вооружения.
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 2
Производимые датчики
Путем совершенствования конструкции и технологии лазерных датчиков, электронных блоков, обеспечения их функционирования и программно-математических средств парирования дрейфа нуля гироскопов был достигнут значительный прогресс в точности лазерных гироскопов: от 30 °/ч до 0,1°/ч при сохранении высокой устойчивости к жестким условиям эксплуатации.

Существенным скачком в дальнейшем повышении точности явилось использование четырехчастотного режима работы лазерного гироскопа вместо двухчастотного методом электронного переключения (реверса) двух пар частот (мод) с ортогональными поляризациями в этих парах, что позволяет «автоматически» скомпенсировать погрешности в выходном сигнале. Таким образом, вместо усложнения конструкции в результате введения сложного магнитооптического элемента (что используется зарубежной фирмой Litton для создания четырехчастотного режима) проблема переносится на программно-математические методы переключения мод и последующей обработки выходных сигналов датчиков, что легко решается при современном уровне микроЭВМ.
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 3
Юрий Юрьевич Колбас — ведущий разработчик лазерных инерциальных систем, кандидат техничесих наук
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 4
Вячеслав Николаевич Свирин — ведущий разработчик лазерных гироскопических систем, кандидат техничесих наук
Метод реверса мод открывает возможность дальнейшего повышения точности (выше 0,1 °/ч) путем совершенствования зеркал лазера, технологии изготовления резонатора, методов парирования остаточных дрейфов нуля гироскопа и т. д.

Наличие двух направлений в разработке кольцевых лазеров создавало творческую конкуренцию на всем протяжении существования НИИ «Полюс». «Творческая конкуренция – вещь полезная, – отмечает руководитель НПК-470 Ю.Д. Голяев. – Полезной она оказалась и для “Полюса” – улучшаются параметры гироскопов». В итоге, ставка на высокодобротный призменный резонатор, ВЧ-накачку, моноблочную конструкцию и механическую частотную «подставку» позволили коллективу создать наиболее точные в нашей стране и долгоживущие приборы, организовать их производство, внедрить их в ряд престижных навигационных систем.
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 5
Перспективные датчики
Таблица 2. Параметры инерциального измерительного блока 9Б918
Параметр Достигнутый уровень Перспективный уровень
По каналу лазерных гироскопов Точность, °/ч 0,03 – 0,1 0,005 – 0,01
Нестабильность масштабного коэффициента (2 – 4)·10–5 (0,5 – 1)·10?–5
По каналу акселерометров Точность, g 2,2·10–4 0,5·10–4
Нестабильность масштабного коэффициента 1,5·10–4 0,5·10–4
Диапазон измеряемых угловых скоростей, °/с ± 600 ± 1000
Диапазон измеряемых линейных ускорений, g ± 35 ± 35
Масса, кг 17 17
Габаритные размеры, мм 309×288,5×271 309×288,5×271


Особенностью лазерных гироскопов НИИ «Полюс» с магнитооптической (зеемановской) частотной подставкой является полное отсутствие механических движущихся деталей (включая виброподвес) для выхода на линейный участок характеристики, что к прочим достоинствам добавляет повышенную устойчивость к жестким условиям эксплуатации, а также исключение шумов виброподставки.

При этом необходимо снижать чувствительность гироскопов к магнитному полю Земли. На «Полюсе» эта проблема успешно решается помещением приборов в пермаллоевый магнитный экран, а также переводом гироскопов на генерацию четырех частот одновременно или последовательно. Лазерные гироскопы с магнитооптической частотной подставкой от зарубежных экспертов получили название «лазерные гироскопы нового поколения», т. к. именно они позволяют в полной мере реализовать концепцию «немеханического гироскопа» и достичь наиболее высоких параметров. Из зарубежных фирм только фирме Northrop Grumman (поглотившей Litton) удалось реализовать схему с магнитооптической частотной подставкой, однако ее недостатком является введение внутрь резонатора сложного магнитооптического элемента (ячейки Фарадея), что усложняет конструкцию и создает на пути лазерного луча термочувствительную, оптически неоднородную зону. Оригинальная концепция НИИ «Полюс» на основе магнитоэлектрической частотной подставки с использованием эффекта Зеемана в неплоском оптическом резонаторе защищена рядом патентов, первый из которых был получен в 1965 году (№ 30161, приоритет от 11.07.64).

В настоящее время АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» является признанным лидером в отечественной лазерной гироскопии, организовав серийный выпуск лазерных гироскопов на основе самой современной концепции построения оптической схемы, не имеющей аналогов в Росси и за рубежом. Большая часть оригинальных решений по лазерным гироскопам и инерциальным блокам оформлена многочисленными публикациями и патентами, вобравшими идеи талантливых ученых и инженеров направления. Несмотря на трудности постперестроечного периода, удалось сохранить фундаментальные достижения советских времен, а в дальнейшем организовать техперевооружение производственной базы, используя лучшие образцы современной технологической и испытательной аппаратуры. Отметим, что для изготовления лазерного гироскопа необходим комплекс оптических, вакуумных, механических, электронных технологий.
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 6
Валентина Васильевна Азарова — ведущий разработчик лазерных зеркал, кандидат физико математических наук
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 7
Нина Рудольфовна Запотылько — ведущий разработчик системы управления периметром лазерного гироскопа, кандидат техничесих наук
Принципиальные преимущества магнитооптических зеемановских лазерных гироскопов и инерциальных блоков на их основе, такие как практически неограниченный динамический диапазон, отсутствие вращающихся, колеблющихся или перемещающихся узлов и деталей и обусловленные этим повышенная устойчивость к условиям эксплуатации и большой срок службы, малые габариты и хорошая совместимость с цифровой техникой обработки информации, малое время готовности после включения обусловили рост потребности в этих изделиях ряда важнейших современных и перспективных головных комплексов.
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 8
Лазерные гироскопы МТ-501, МТ-401, МТ-300
Таблица 3. Перспективы развития лазерных гироскопов в НИИ «Полюс»
ГодТочность гироскопов град/чОбъем, литров
Без калибровкиС калибровкой
2017 г.0, 1-0,30,01-0,033,6
2022 г.0,01-0,030,001-0,0032,0
2027 г.0,001-0,0030,0001-0,00031,0


Созданный потенциал НПК-470 позволил перейти на более высокий уровень интеграции: на базе трехосных зеемановских лазерных гироскопов МТ-401, МТ-501 были разработаны два типа инерциальных измерительных блоков и организовано их производство: лазерный гирокомпас ЛГК-4 и лазерный инерциальный измерительный блок 9Б918.

Созданный лазерный гирокомпас ЛГК-4 является первым в России лазерным гирокомпасом, производящимся серийно и успешно применяющимся в головном комплексе спецтехники.

Инерциальный блок 9Б918 вобрал в себя лучшие достижения российской промышленности в части лазерных гироскопов, компактных маятниковых акселерометров (разработки ЗАО «ИТТ»), высокоэффективных АЦП и микроЭВМ (разработки ОАО «НИЦЭВТ»). Производится серийно для новейших комплексов спецприменения.
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 9
Прогресс в точности лазерных гироскопов
По совокупности своих точностных, эксплуатационных, массогабаритных и стоимостных параметров оба инерциальных блока не имеют аналогов в России и обладают значительным потенциалом к дальнейшему совершенствованию. Параметры зеемановских лазерных гироскопов АО «НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха» и инерциального измерительного блока 9Б918 приведены в табл. 1 и 2, в которых показан достигнутый и перспективный уровни основных характеристик для различных модификаций приборов.

Растущий спрос на лазерные гироскопы в нашей стране отражает тенденции, существующие в мире: все более массовое использование лазерных гироскопов в самых разных областях – от научных исследований до авиационной и ракетно-космической техники. Стоит отметить, что за рубежом интенсивность и масштабы внедрения лазерных гироскопов опережают отечественные показатели из-за недостатка в России целевой рекламной информации. Перспективы развития зеемановских лазерных гироскопов по точностным и массогабаритным характеристикам отражены в таблице 3.

Монолитность конструкции, исключение движущихся деталей, свободный от каких-либо неоднородных оптических элементов путь для лазерного луча, оптимизированная электроника обеспечения функционирования и обработки информации, эффективное математическое и программное обеспечение – благодаря этой совокупности достоинств зеемановские лазерные гироскопы отвечают всем современным и перспективным требованиям к датчикам систем управления гражданскими и специальными средствами транспорта и доставки: диапазоны измеряемых угловых скоростей до 3600 °/с, точность до 0,01 °/ч и выше, диапазон температур от –55 до +65 °С, диапазон перегрузок: по ударам – до 100 g, по вибрациям – до 20–30 g, по линейным ускорениям – до 150 g. И это еще не предел.

АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» выполняет договоры на разработку, производство и поставку зеемановских лазерных гироскопов и систем на их основе, а также оказывает спектр высокотехнологичных услуг:
– изготовление и метрология прецизионных зеркал;
– изготовление пъезокорректоров зеркал для лазеров и интерферометров;
– поставка холодных катодов;
– изготовление и поставка газопоглотителей (геттеров);
– вакуумная очистка и газонаполнение;
– спектральный анализ газовых смесей;
– испытания и калибровка гироскопов, инерциальных измерительных блоков, БИНС;
– разработка математического и программного обеспечения для инерциальных блоков и испытательных стендов.

Отметим, что лазерная гироскопия завоевывала признание на фоне устоявшейся промышленности механических гироскопов, где царила идеология платформенных систем, имелась развитая теория, материальная база, наработки и устоявшиеся традиции.

Поэтому на предприятиях, которые занимались разработкой механических навигационных систем, лазерная гироскопия была конкурентом традиционной технике, в силу чего испытывала трудности в развитии и признании. «Повезло» лазерной гироскопии на предприятии, где не было давящего авторитета традиционных гироскопистов, а было далеко смотрящее руководство в лице директора НИИ «Полюс» М.Ф. Стельмаха и Министра электронной промышленности А.И. Шокина.

Лазерные гироскопы по праву относят к числу самых наукоемких и уникальных лазерных приборов, производство которых аккумулирует и стимулирует развитие новейших технологий, включая нанотехнологии. Прогресс в лазерной гироскопии, прогнозируемый в XXI веке, позволит отечественному приборостроению расширить выпуск конкурентоспособной высокотехнологичной продукции. Ю.Д. Голяев резюмирует: «Зеемановские гироскопы должны заменить все виды гироскопов. В этом наша глобальная задача».
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 10
Лазерный гирокомпас ЛГК-4
Глава 7. Лазерные гироскопы и системы на их основе. Фото 11
Инерциальный блок ИИБ 9Б918
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1