簡介 半球諧振陀螺儀是一種高精度、高可靠和長壽命的新型固態(tài)陀螺儀，它是利用半球殼唇緣的徑向振動駐波進(jìn)動效應(yīng)來感測基座旋轉(zhuǎn)的一種哥式振動陀螺。 [1] 它具有很高的測量精度、超強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性、良好的抗沖擊振動性及溫度性能，還特別具有獨(dú)特的關(guān)機(jī)抗輻射能力。特別是預(yù)期壽命高達(dá)15年，是衛(wèi)星或空間飛行器慣性測量單元、姿態(tài)穩(wěn)定控制的關(guān)鍵部件，在空間應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢和廣闊的前景。 [3] 第一，沒有機(jī)械轉(zhuǎn)子。HRG是靠半球諧振子唇沿高頻振動產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來敏感角運(yùn)動的，也就沒有了由于機(jī)械摩擦而引起的陀螺儀漂移，并具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。由于諧振子振動的慣性，HRG斷電15分鐘仍可以完成角速率的測量。 第二，長壽命。如果HRG的內(nèi)部密閉性良好，則HRG能夠連續(xù)工作15年以上而能夠滿足所要求的性能，美國Northrop Grumman 公司開發(fā)的型號為H130P半球陀螺儀在89顆衛(wèi)星上的91個系統(tǒng)，工作時間12百萬小時100%的任務(wù)成功率。 [3] 因此HRG被公認(rèn)為目前壽命最長的陀螺儀，并能夠滿足長壽命航天器的需求。
第三，高精度。當(dāng)HRG作為角速率傳感器時，其隨機(jī)漂移在10-2o/hr量級，而作為積分陀螺時，其隨機(jī)漂移可達(dá)10-4o/hr量級，哈勃望遠(yuǎn)鏡里的HRG模塊性能達(dá)到：Bias Stability為0.00008o/hr；ARW為0.000010o/?hr， AWN為 0.000150 arc-sec/?Hz。因此HRG是非常有前景的慣性敏感器件 [3] 。 另外HRG還具有體積小，低噪聲，低功耗，高穩(wěn) 定性，高分辨率，高可靠性，對加速度不敏感，抗核輻射等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨螲RG的優(yōu)點(diǎn)，它將在飛船與衛(wèi)星的穩(wěn)定性控制、航天器導(dǎo)航、石油鉆孔勘探等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 目前美國已經(jīng)將HRG 成功的應(yīng)用在空間飛行器導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈導(dǎo)航、通訊衛(wèi)星姿控系統(tǒng)、精確指向及深空探測任務(wù)中，達(dá)到了100%的成功率。 HRG 在空間領(lǐng)域應(yīng)用的第一個任務(wù)是近地小行星(NEAR)的登陸，其導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的陀螺儀是HRG130Y。飛行器于1996 年發(fā)射升空，1997 年飛過253Mathilde 小行星，在飛過地球加速后于2000 年進(jìn)入繞“Eros”小行星的軌道。NEAR 在完成了科研任務(wù)之后于2001 年2 月12 日成功的軟著陸在“Eros”小行星上 [3] 。 HRG 的第二次成功應(yīng)用是在SATCOM 商業(yè)衛(wèi)星上的應(yīng)用，然后是在太空觀測器CASSINI 號中的應(yīng)用。 [9] 1997 年10 月15 日帶有觀測土衛(wèi)六(泰坦)任務(wù)的太空觀測器CASSINI 號發(fā)射升空。在飛躍金星(兩次)，地球與木星之后，CASSINI 號于2004 年7 月1 日成功進(jìn)入土星軌道，12 月5 日Huygens探測器與CASSINI 號分離并進(jìn)入觀測泰坦的軌道，于2008 年6 月30 日成功完成了觀測任務(wù) [3] 。 2004 年8 月3 日，NASA 實(shí)施水星探測任務(wù)的飛行器發(fā)射升空。慣組系統(tǒng)采用的是由HRG130P 組成的SSIRU 系統(tǒng)，任務(wù)預(yù)計飛行器于2011 年3 月8 日進(jìn)入預(yù)定軌道。這次任務(wù)是SSIRU 系統(tǒng)第一次向世人展示其優(yōu)越的性能。由HRG130P 組成的SSIRU 系統(tǒng)第二次應(yīng)用是撞擊Tempel 一號彗星。2005 年1 月12 日，執(zhí)行任務(wù)的飛行器發(fā)射升空，7 月4 日完成撞擊任務(wù)，如圖所示。這次撞擊任務(wù)中的最后階段是由SSIRU 系統(tǒng)獨(dú)立引導(dǎo)撞擊器撞向目標(biāo)，從而再次展示了SSIRU 系統(tǒng)的卓越性能。 [3] 美國已成功減小mHRG半徑至3.5cm，重量113.4g。 [6] 目前美國正大力研發(fā)新一代半球陀螺儀（半徑100um-10mm），基于MEMS技術(shù)有望大大降低HRG的制作成本，體積也大大減小。 工作原理
半球諧振子通常用熔石英加工而成，其具有穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，加工成型的諧振子固封于高真空環(huán)境中，具有很高的品質(zhì)因數(shù)，通常在1E7以上。目前熔融石英HRG的Q值已超過25E6。 [3] HRG 主要由激勵罩，半球諧振子和含有信號檢測電極(位移拾振傳感器)的基座三部分構(gòu)成。激勵罩位于陀螺儀的頂端，其上有分布電極。在諧振子加工完畢后要在諧振子表面和激勵罩的分布電極處進(jìn)行金屬鍍膜，從而使諧振子與激勵罩分布電極處形成電容器。根據(jù)電容器原理，當(dāng)對激勵罩上的離散激勵電極或環(huán)形激勵電極施加激勵電壓時，電極將對諧振子產(chǎn)生電力作用，進(jìn)而提供諧振子振動所需要的能量。激勵電極產(chǎn)生的激勵力是實(shí)現(xiàn)諧振子振動振幅控制與正交控制的控制力。圖示出了離散激勵電極、信號檢測電極和諧振子自由端的平圖。 [8] 半球諧振子是敏感HRG 輸入角速率的元件，是HRG 的主體部分，其形狀為半球形。半球諧振子通過支撐桿與激勵罩和基座相連，諧振子與支撐桿之間的焊接剛度會直接影響到陀螺儀的精度。當(dāng)焊接剛度不好時，會使HRG 易受非敏感方向輸入加速度的影響，從而導(dǎo)致HRG 角速率估計誤差。國內(nèi)研制的半球諧振子的材質(zhì)是熔融石英晶體，工作時主振型為四波腹的二階振型，其主振型的振動頻率為4kHz~5kHz。波腹是指諧振子徑向振動位移幅值極大值處，波腹相對于諧振子0°位置的夾角稱為波腹方位角。對波腹方位角的檢測是整個HRG控制系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，同時也決定著陀螺儀角速率估計的精度。陀螺儀精度的高低主要取決于諧振子的加工精度及其材質(zhì)的均勻性，因此實(shí)際當(dāng)中對諧振子的加工精度要求非常高，這也是其次品率較高和價格昂貴的主要原因。 [8] 上圖所示為美國Delco 公司制造的HRG [4] ，此圖給出了HRG 的基本結(jié)構(gòu)。通過吸氣裝置抽出諧振子振動腔體內(nèi)的空氣，從而保證了腔體內(nèi)的高度真空。基座上有檢測諧振子振動的四對信號檢測電極，激勵罩上有實(shí)現(xiàn)諧振子振動控制的八對離散激勵電極和一個環(huán)形激勵電極。 [8]
飛行控制、導(dǎo)航、顯示、控制和記錄系統(tǒng)其他科技名詞
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