Применение волоконно-оптического гироскопа в инерциальных системах воздушных судов малой авиации



В настоящее время малая авиация выходит из рамок, в которых она была заключена ранее: санитарный, связной, сельскохозяйственный или деловой. Соответственно, повышаются и требования к конструкции и оборудованию воздушных судов малой авиации. Это объясняется целым рядом обстоятельств в различных сферах промышленности и народного хозяйства:

1) Повышение механизации сельского хозяйства;

2) Усложнение бортового оборудования легких частных самолетов;

3) Новая тактика применения легких ВС в военном деле и службе МЧС; а также другими обстоятельствами.

Вышеперечисленные обстоятельства диктуют новые требования к пилотажно-навигационному комплексу (ПНК) самолета малой авиации.

Количество задач, решаемых ПНК легкого самолета, с каждым годом увеличивается, по функциональной и аппаратной сложности он приближается к ПНК тяжелых пассажирских и транспортных самолетов, но при этом должен иметь гораздо меньшие массу и габариты.

Из вышесказанного следует, что основная тенденция в развитии легких самолетов заключается не только в применении новых материалов в планере, но также и в дальнейшем увеличению функциональности ПНК.

Проблема реализации пилотажно-навигационных комплексов легких самолетов, отвечающих современным требованиям, особенно актуальна для Узбекистана. Наша страна имеет особые природно-климатические, экономические и прочие условия, при которых старые методы использования сельскохозяйственной авиации не применимы. И только одно обстоятельство бесспорно — с увеличившейся нагрузкой на пилота даже легкий самолет должен иметь полноценный пилотажно-навигационный комплекс, способный вести самолет в полностью автоматическом режиме. При всем этом, такой комплекс не претендует на попытку заменить пилота, но снижает рутинную нагрузку на него и улучшает безопасность полетов.

Одной из основных систем ПНК любого современного воздушного судна является инерциальная система, позволяющая измерять навигационные параметры воздушного судна –курс, крен, тангаж, истинную скорость и др. относительно системы координат, связанной с Землей (Рис.1).

Рис.1. Углы, определяющие ориентацию воздушного судна в пространстве.

Для измерения углов ориентации воздушного судна в пространстве в инерциальных системах воздушных судов применяется гироскоп.

До недавнего времени в системах навигации летательных аппаратов применялись механические гироскопы, работающие на основе эффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального пространства (Рис.2) [1]. Это, как правило, трехстепенные гироскопы, измеряющие крен, тангаж и курс воздушного судна.

Рис. 2. Устройство механического гироскопа

Цена механических гироскопов достаточно высока, так как для их корректной работы требуется высокая точность формы ротора и минимальное трение подшипников. Но, даже при выполнении этих требований, механические гироскопы достаточно недолговечны и ненадежны из-за износа трущихся частей. Кроме того, со временем у таких гироскопов появляется значительная погрешность измерения углов, влияющая на безопасность полета. Для ее уменьшения требуется производить частую поверку приборов с механическими гироскопами на стенде, что требует значительного расхода средств.

Из-за большой массы и габаритов, механические гироскопы нецелесообразно применять на самолетах малой авиации.

Недостатки механических гироскопов в значительной мере устраняются за счет применения оптических гироскопов. По сравнению с механическими они имеют следующие преимущества:

‒ отсутствие подвижных частей, что делает их более надежными;

‒ значительно более высокая чувствительность, а, следовательно, и более высокая точность измерения;

‒ высокая линейность характеристик;

‒ низкая потребляемая мощность;

Принцип действия большинства оптических гироскопов основан на измерении фазового сдвига между двумя волнами, пришедшими на оптический датчик различными путями. Фазовый сдвиг прямо пропорционален угловой скорости вращения, площади, охватываемой интерферометром, и частоте волны. Так как площадь и частота волны остаются неизменными во время работы гироскопа, следовательно, фазовый сдвиг пропорционален только угловой скорости [2].

В зависимости от конструкции замкнутого оптического контура различают два типа оптических гироскопов

1) Кольцевой лазерный гироскоп

2) Волоконно-оптический гироскоп

Конструкция кольцевого лазерного гироскопа показана на рис.3 Принцип работы таких гироскопов основан на разности частот двух генерируемых световых волн, распространяющихся в противоположных направлениях по треугольному оптическому пути, из-за разности оптической длины, проходимыми лучами из-за поворота гироскопа. В настоящее время кольцевые лазерные гироскопы являются наиболее распространенным типом гироскопов, применяемых в авиационных инерциальных системах (Inertial Reference System-IRS), выпускаемых компаниями Honeywell, Allied Signal, Rockwell Collins и др.

Рис. 3. Конструкция кольцевого лазерного гироскопа

Однако, несмотря на большую распространенность, кольцевые лазерные гироскопы также имеют ряд недостатков. К основным из них относятся:

1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости (влияние синхронизма).
2. Колебания выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере.
3. Кольцевой лазерный гироскоп очень чувствителен к различного рода деформациям оптического волновода, вызванных тепловым расширением, изменением давления.
4. Незначительное, по сравнению с механическими гироскопами, уменьшение массы и габаритов

Для устранения этих недостатков в инерциальных системах летательных аппаратов малой авиации предлагается использовать волоконно-оптический гироскоп.

Принцип действия волоконно-оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка, который заключается в появление фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. [2]

Главными элементами такого гироскопа, являются излучатель (источник света), расщепитель луча (полупрозрачное зеркало), многовитковый замкнутый контур (катушка) из одномодового световода с малым затуханием и фотоприемник (Рис.4).

Изменение геометрических размеров интерферометра под влиянием центробежных сил, а также поперечный сдвиг встречных волн под действием центробежных сил, связанных с кривизной их траектории в интерферометре, можно не учитывать, так как увеличение площади кольца, вызванное данными факторами, очень незначительно, причем это увеличение одинаково для обеих встречных волн и, следовательно, не приводит к появлению разности фаз между ними [2].

.

Рис. 4. Схема волоконно-оптического гироскопа

В отличие от кольцевых лазерных гироскопов волоконно-оптические гироскопы измеряют угловую скорость, а не её приращение. Соответственно, волоконно-оптические гироскопы имеют следующие преимущества перед кольцевыми лазерными гироскопами:

‒ Конструктивно волоконно-оптический гироскоп выполнен в форме твердотельного прибора, что делает его более надежным и простым в эксплуатации.

‒ Этот гироскоп непосредственно измеряет скорость вращения, а не вычисляет ее на основе измерения приращения скорости, как кольцевой лазерный гироскоп.

‒ Чувствителен к обратному (реверсному) направления вращения.

‒ С высокой точностью измеряет малые угловые скорости.

Но самым главным преимуществом волоконно-оптического гироскопа является значительное по сравнению с другими типами гироскопов, уменьшение массы и габаритов, что вносит экономический эффект при проектировании БНК для воздушных судов малой авиации.

Для применения в летательных аппаратах необходимо использовать трехстепенной волоконно-оптический гироскоп, оси катушек которого ориентированы по вертикальной, продольной и поперечной осям воздушного судна.

Таким образом развитие разработок в области применения волоконно-оптических гироскопов в БНК является перспективным направлением.

Литература:

1. Гироскоп // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %93 %D0 %B8 %D1 %80 %D0 %BE %D1 %81 %D0 %BA %D0 %BE %D0 %BF (дата обращения: 12.05.2017).
2. Волоконно-оптические гироскопы // dssp.petrsu.ru. URL: dssp.petrsu.ru/d/students/presents/2010/opto/prokopovich.pptx (дата обращения: 12.05.2017).