2.2. ЛАЗЕРНАЯ ГИРОСКОПИЯ

Хорошо известно из учебников средней школы, что основой механического гироскопа является ротор, обладающий свойством сохранять свое положение в пространстве. Чем ротор быстрее вращается, тем упорнее и с большей силой он сопротивляется всякой попытке изменить направление оси его вращения. Поэтому такой ротор используют как хранитель направления, датчик угла поворота и т. д. Скорости современных роторов достигают десятков тысяч оборотов в минуту. И вот стали проявляться недостатки гироскопов, использующих быстро вращающиеся роторы: во-первых, требуются уникальные подшнпники, во-вторых, необходима предельная балансировка, в-третьих, из-за влияния трения в осях происходит «уход» гироскопа, который необходимо компенсировать, чтобы получить правильные показания.

Ученые стали искать устройства, которые смогли бы заменить роторный гироскоп. Вспомнили об эксперименте Альберта Майкельсона, выполненном в конце прошлого века. А. Майкельсон задумал обнаружить влияние вращения на скорость распространения света. Для этого он использовал суточное вращение Земли. Ввиду малого значения угловой скорости Земли (15 угловых градусов в час) ему пришлось сделать прибор большого размера. Схема этого прибора показана на рис. 23. На нем показана система зеркал, образующая большой контур и малый контур. В левой части контура размещается источник света от которого свет через щель направляется на полупрозрачное зеркало . Световой поток разделяется на два, один идет в обход малого и большого контуров по часовой стрелке, другой — против. Затем они встречаются на элементе которым может быть матовое стекло. Предположим теперь, что Майт кельсон имел монохроматический источник света.

Рис. 23. Схема экспериментальной установки Майкельсона

Тогда на приёмное устройство приходили две световые волны и они складывались, т. е. давали интерференционную картину, представляющую собой чередование черно-белых полос. Характер этой картины зависел от сдвига фаз этих волн. Для света относительный сдвиг фаз лучей в данной точке зависит от начального состояния лучей, от частоты колебаний и от разности путей для этих двух лучей до данной точки. Так как для всего поля наблюдения разность хода различна, то в различных местах поля происходит либо взаимное ослабление, либо взаимное усиление складывающихся лучей света. Полосы эти четко наблюдаются на матовом стекле. При неподвижной системе эти полосы стоят неподвижно. Если теперь всю систему зеркал, источник света и наблюдательную систему привести во вращение по часовой стрелке, то путь луча А до наблюдательного прибора увеличится (за время распространения света наблюдательный прибор как бы убегает от него), а путь луча уменьшается (наблюдательный прибор набегает на второй луч). Поэтому положение интерференционных полос в поле зрения наблюдательного прибора должно измениться, полосы сместятся. Увеличим скорость вращения, полосы сместятся на еще большую величину. По этому смещению можно судить о скорости поворота системы. Майкельсон не мог остановить Землю с тем, чтобы получить начальную точку отсчета. Поэтому он и ввел дополнительный контур. Промежуточные зеркала позволяли включать в работу то один контур, то другой, для этого нужно было отбросить зеркала. Источником света служила узкая щель, и если изображения источника, получающиеся при обходе двух контуров, точно совпадали бы друг с другом, то, если бы не сказывалось вращение, должны были бы совпадать и системы полос. При длине волны 0,57 мкм эффект вращения Земли на широте должен был вызвать смешение, равное 0,236 полосы.

Рис. 24. Схема лазерного ДУС

Наблюдаемое смещение составило 0,230 полосы. Для проведения этого уникального эксперимента Майкельсон вынужден был использовать контур значительной площади — Свет проходил по трубам, из которых был выкачан воздух.

Сдвиг интерференционных полос определялся по формуле

где сдвиг интерференционной полосы в долях полосы, площадь светового контура; угловая скорость вращения Земли, К — длина волны света.

С появлением лазеров родилась идея поставить вместо источника излучения лазер внутри контура. Это сразу сулило ряд технических достоинств. Во-первых, резко сократились размеры контура из-за того, что в кольцевом лазере оба луча многократно обегают окружность и имеет место накопление фазового сдвига. Во-вторых, лучи не ослабляются в среде, как это было в эксперименте А. Майкельсона, а усиливаются за счет получения энергии от активного вещества. Схема лазерного датчика угловой скорости показана на рис. 24. Видно, что в

контуре циркулируют два луча навстречу друг другу. Они приходят на приемник излучения ФЭУ, перед которым расположена щель. Поскольку набег фазы происходит непрерывно, то интерференционная картина как бы бежит перед щелью. Это приводит к тому, что на экране осциллографа отображаются синусоидальные колебания. Зависимость частоты от скорости вращения носит линейный характер. Первый такой прибор, созданный в 1963 году, имел габариты При испытаниях его вращали с угловыми скоростями от 2 до 600 град/мин, что приводило к частоте на выходе ФЭУ от 500 Гц до 150 кГц. Лазерный гироскоп более поздней конструкции [21] был изготовлен на монолитном основании и имел вид равностороннего треугольника. Зеркал в резонаторе было три и располагались они по вершинам. Через одно из зеркал сигнал подавался на фотоприемник. Внутренние полости заполнялись гелий-неоновой смесью. Такой прибор отличался тем, что имел очень жесткое исполнение, размеры его не более 25 см по одной из сторон, а время готовности к работе всего 1...2 с. Поскольку поле тяготения Земли здесь не влияло (которое в роторных гироскопах приводит к трению в осях и к уходу), то «уход» его определялся стабильностью работы лазера и составлял всего несколько угловых секунд в сутки.

Сравнительные данные роторного и лазерного гироскопов даны в табл. 10.

Таблица 10 (см. скан) Характеристики лазерных и роторных гироскопов [7]

Лазерные гироскопы находят применение в зарубежных устройствах измерительной техники, в системах наземной ориентации,

Рис. 25. Функциональная схема инерциальной системы

в системах ориентации воздушных и космических аппаратов, а также при создании бесплатформенных инерциальных систем (БИС) навигации [22] Рассмотрим последнюю из этих систем.

Функциональная схема инерциальной системы без гиростабилизированной платформы [7] приведена на рис. 25. Назначение отдельных блоков понятно из рисунка. Видно, что в системе для счисления пути используются датчики первичной информации и вычислительные устройства. Такими датчиками являются блок гироскопов, блок акселерометров (измерителей ускорений), блок оптических телескопов. Поступающая информация обрабатывается в вычислительном устройстве и поступает на органы летательного аппарата, управляющие и регулирующие его движение (рулевые органы, двигательную установку). Все вычисления при работе БИС разбивают на две группы: вычисление ориентации объекта и навигационные вычисления. Для коррекции БИС используются оптические телескопические системы типа солнечных или звездных ориентаторов. БИС наиболее чувствительна к ошибкам группы приборов, выдающей информацию об угловом движении объекта. Поэтому использование лазерных датчиков угловой скорости вращения дает существенные преимущества. Ожидается, что с их применением можно построить высокоточную, простую, малогабаритную БИС, пригодную к использованию в быстроманеврирующих объектах. В иностранной печати сообщалось, что если БИС, построенная на роторных гироскопах, стоит 90 000 дол., то использование лазерных датчиков при сохранении той же точности

позволит снизить стоимость БИС вдвое. Масса трехосного лазерного гироскопа, предназначенного для использования в БИС, не будет цревышать 6,5 кг [7].

Лазерный гироскоп не свободен и от недостатков. К ним относятся необходимость оснащения прибора "рядом вспомогательных систем, трудности калибровки и т. п. Их наличие позволяет сделать вывод, что лазерный гироскоп не сможет полностью заменить роторный. Скорее всего он будет применяться в комплексе измерителей первичной информации и лишь в отдельных случаях использоваться самостоятельно.