Способ изготовления чувствительного элемента криогенного гироскопа

Использование: для изготовления криогенного гироскопа. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления чувствительного элемента криогенного гироскопа содержит: формообразование сферического ротора, представляющего собой заготовку из углеродного нанокомпозита, покрытую сверхпроводящим слоем ниобия, нанесение в зоне шарового пояса, у которого ось симметрии совпадает с динамической осью ротора, а высота определяется широтным углом α, растрового рисунка в виде равновеликих отрезков сферических линий, выполненных с одинаковым угловым шагом, изготовление двух керамических полусфер и центрирующего кольца, формирование на внутренней поверхности полусфер системы электродов электростатического подвеса, а между электродами подвеса и на внутренней цилиндрической поверхности кольца - тонкопленочных измерительных витков сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков, выполнение в стенках полусфер оптических окон для световодов оптического датчика и выемок для размещения обмоток статора сверхпроводящего магнитного подвеса ротора, при этом концы каждого из отрезков растрового рисунка замыкают с концами, по меньшей мере, одного из соседних отрезков перемычками, которые выполняют за пределами зоны упомянутого шарового пояса, образуя на поверхности ротора замкнутые контуры, при этом упомянутые отрезки и перемычки формируют в виде тонкопленочных структур нитрида ниобия, а обмотки статора сверхпроводящего подвеса размещают и соединяют с элементами управления подвеса, образуя многофазную систему, обеспечивающую создание вращающего магнитного поля на поверхности ротора. Технический результат: обеспечение возможности сокращения времени готовности КГ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при изготовлении криогенного гироскопа (КГ). Использование сверхпроводящего КГ в навигационных системах и комплексах позволяет существенно повысить их точность и надежность, поскольку дрейфовые ошибки, обусловленные нестабильностью свойств материалов узлов гироскопа и изменением их размеров, в значительной мере могут быть снижены. Кроме того, сверхпроводящий подвес устойчив, в нем практически отсутствует трение, и потому не происходит износа его узлов.

Известна технология изготовления криогенного гироскопа [патент США №3044309], при которой формообразование ротора осуществляют посредством изготовления заготовок из двух полусфер, выполненных из сверхпроводящего материала, преимущественно ниобия, с использованием, например, штамповки. Каждая из этих полусфер имеет выступающую часть обода, к которому прикреплено арматурное кольцо из сверхпроводящего материала, например, ниобия, окружающее экваториальную часть сферического ротора. Арматурное кольцо, а также возможность формообразования полусфер с переменной толщиной стенки обеспечивают условия создания осевого и экваториального моментов инерции ротора. Ротор, полученный соединением, тщательно балансируют.

Недостатком данного способа является то, что изготовленная полая сфера имеет низкую удельную жесткость, определяемую соотношением Е/γ (Е - модуль упругости, γ - удельный вес), не превышающую 3,6⋅104 м. Поэтому при перегрузках форма ротора искажается, отклоняясь от сферичности. Это приводит к ошибкам при съеме информации с ротора и, тем самым, резко снижает точность навигационной системы.

В определенной степени данные проблемы могут быть решены при изготовлении сплошных роторов шаровых гироскопов, в том числе и криогенного. Можно отметить следующие основные особенности шарового гироскопа со сплошным ротором, позволяющие существенно повысить точность изделия и его эксплуатационные характеристики. Это практическое отсутствие деформаций под влиянием центробежных сил при его вращении и улучшение качества подвеса с точки зрения повышения надежности, перегрузочной способности, стабильности рабочих характеристик.

Уменьшение диаметра ротора повышает устойчивость гироскопа к аварийным посадкам благодаря относительно малой кинетической энергии ротора.

Известен способ изготовления ротора криогенного гироскопа [патент РФ №2460971], включающий формирование металлической подложки в виде шара, нанесение на ее поверхность сверхпроводящего покрытия электрохимическим осаждением из солевого расплава, механическое и электрохимическое полирование открытой поверхности сверхпроводящего покрытия. Перед нанесением сверхпроводящего покрытия на металлическую подложку наносят защитное покрытие из коррозионно-стойкого в солевом расплаве материала, в качестве которого используют один из таких материалов, как медь, никель, кобальт, хром, рений и молибден. Защита от коррозии позволяет использовать в качестве основы ротора материалы, имеющие низкий удельный вес при высокой удельной жесткости. Кроме того, защита подложки от коррозии в процессе электрохимического осаждения сверхпроводящего покрытия предотвращает неконтролируемое изменение размеров ротора, сохраняет его шарообразную форму и предотвращает загрязнение сверхпроводящего покрытия примесями в виде продуктов коррозии, приводящими к деградации его критических характеристик. При этом сверхпроводящее покрытие формируют в виде двух расположенных один на другом слоев, выполненных из материалов с различной критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Это позволяет создать на поверхности ротора в его взвешенном состоянии заданное электрическое сопротивление и таким образом использовать магнитное поле для разгона ротора, а также осуществить магнитный подвес ротора за счет сверхпроводящего состояния внутреннего слоя.

Недостатком в данном случае является сложность изготовления подобной многослойной структуры последовательно наносимых покрытий, где требуется согласование свойств материалов формируемых слоев, и трудоемкость этого технологического процесса. Это связано с тем, что защитное покрытие из меди, никеля, кобальта, хрома и рения наносят электрохимическим осаждением из водных электролитов, покрытие из молибдена - методом плазменного напыления. При этом использование в качестве материалов, соответственно, внутреннего и наружного слоев сверхпроводящего покрытия таких пар, как станнид ниобия и ниобий, ниобий и ванадий, ниобий и тантал, предполагает их электрохимическое осаждение из расплава галогенидов щелочных металлов и солей тантала или ванадия, или ниобия, или олова и ниобия при температуре 600-800°С. Электрохимическое осаждение сверхпроводящего покрытия может быть выполнено также в интервалах температур 550-600°С и 800-850°С. Недостатками являются также возможное значительное расхождение в толщине наносимого сверхпроводящего слоя, что создает дополнительные проблемы при балансировке ротора, а также неустойчивость фронта роста осаждаемого покрытия и, соответственно, увеличение шероховатости покрытия. Это существенно усложняет последующие механическую и электрохимическую полировки.

Такая многоэтапная технология затрудняет комплексное обеспечение требуемых характеристик элементов ротора и обуславливает сложности процесса изготовления гироскопа.

Известен также способ приведения во вращения ротора с помощью сверхпроводящих двигателей [Малеев П.И. Новые типы гироскопов // Л.: Судостроение. 1971, с. 57-59], принцип действия которых заключается в использовании эффекта Мейснера - выталкивании магнитного поля из сверхпроводника, или свойства сохранения неизменным магнитного потока в замкнутом контуре. Недостатком данного способа разгона ротора является искажение сверхпроводящей сферы ротора в области экватора или полюса, что приводит к ограничению свободы перемещения ротора и точности гироскопа.

Одной из проблем, возникающих при создании КГ высокой точности, является проблема разгона идеального сферического сверхпроводящего ротора. Поскольку одной из особенностей сверхпроводника является идеальный диамагнетизм, магнитное поле выталкивается из сверхпроводника, между сверхпроводником и источником поля действуют силы отталкивания направленные перпендикулярно поверхности сверхпроводника (тангенциальная составляющая отсутствует), то при идеальной сферичности ротора отсутствует вращающий момент и традиционно используемый разгон ротора электромагнитным полем в данном случае невозможен.

Известен КГ и способ приведения его в рабочее состояние (разгон сверхпроводящего ротора) [патент РФ №1840511], предусматривающий использование комбинированного подвеса - электростатического и сверхпроводящего. Параллельное использование двух подвесов позволяет решить проблемы асинхронного разгона ротора и добиться частичной компенсации моментов от несферичности и дисбаланса ротора, а также снизить требования к этим параметрам, обеспечить центрирование ротора в подвесе и стабилизацию скорости вращения.

В данном случае гироскоп с ротором охлаждается до температуры, на несколько градусов превышающую температуру перехода материала ротора в сверхпроводящее состояние (например, ротор из ниобия охлаждается до температуры 10-11 К), прибор откачивается до давления 10-7-10-8 Па и ротор взвешивается в электростатическом подвесе. После этого подается питание в обмотки статора, создающего вращающееся электромагнитное поле в несверхпроводящем материале ротора. В роторе индуцируются токи, создающие магнитное поле, взаимодействие которого с полем статора приводит ротор во вращение (асинхронный привод). Протекающие в несверхпроводящем материале ротора токи приводят к потерям энергии на активном сопротивлении материала ротора, т.е. к нагреванию ротора. Это является весьма существенным недостатком, так как приводит к чрезмерно большому времени готовности КГ, которое определяется временем его охлаждения до рабочих температур, т.е. температур перехода в сверхпроводящее состояние, взвешенного в высоком вакууме в электростатическом поле ротора.

Это обусловлено тем, что вращающий момент асинхронного привода пропорционален мощности активных потерь энергии в роторе [Банникова Л.В. Исследование асинхронного двигателя с магнитоподвешенным шаровым ротором и экваториальной цилиндрической обмоткой статора // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Л., 1980 г.] в соответствие с зависимостью:

где М - развиваемый приводом вращающий момент, Ррот. - мощность активных потерь в роторе, ωр - частота вращения ротора.

При линейной зависимости потерь от скорости среднее значение момента Мср за время разгона определяется выражением:

где Ррот.ср. - среднее значение мощности активных потерь в роторе; ωр.ср. - средняя скорость ротора.

Время разгона Δt ротора до заданной скорости ωк зависит от вращающего момента Мср и момента инерции ротора:

где J - момент инерции ротора; Δω=ωкн - изменение скорости ротора; ωн - начальная скорость, ωк - конечная скорость.

При разгоне ротора начальная скорость ωн=0, тогда Δω=ωк, ωр.ср.л.2 и соответственно:

Энергия Qp, выделенная в роторе за время разгона Δt, которая приводит к повышению его температуры, определяется интегралом:

или приблизительно ,

Зная теплоемкость материала ротора при данной температуре и энергию потерь, выделившихся в роторе за время разгона до заданной скорости, можно рассчитать изменение температуры перегрева ротора ΔT по формуле [Литвин A.M. Теретические основы теплотехники // М.: Госэнергоиздат, 1969, с. 49]:

где m = масса ротора; Сср - средняя теплоемкость материала ротора в данном диапазоне температур; ΔT- изменение температуры ротора.

После окончания разгона охлаждение ротора происходит в высоком вакууме (необходимое условие для работы электростатического подвеса), где теплоотвод определяется в основном за счет излучения, и для отдачи накопленной энергии и перехода материала ротора в сверхпроводящее состояние требуется длительное время to, определяемое выражением:

где Рлуч - мощность, отдаваемая ротором за счет излучения (далее - мощность теплоотдачи); Ркон - мощность, отдаваемая ротором за счет конвекции.

Мощность Рлуч, отдаваемая ротором за счет излучения, может быть определена по известной формуле [Кухлинг X. Справочник по физике // М.: Мир, 1982, с. 210.]:

где εприв -приведенный коэффициент черноты поверхности ротора; Т - температура ротора; Тср - температура окружающей среды; F - площадь поверхности ротора.

Для ротора диаметром 10 мм при εприв=0,5, температуре ротора Т=10 К и температуре окружающей среды Тср=4,2 К мощность излучения Рлуч=5,67 10-8⋅0,5⋅(104-4,24)⋅4π⋅(5⋅10-3)2=0,86⋅10-7 Вт, т.е. находится на уровне 10-7 Вт. При снижении температуры ротора мощность излучения существенно падает (при Т=7 К Рлуч=1,86⋅10-8) и процесс охлаждения замедляется. В данных условиях следует учитывать и теплоотдачу конвекцией, мощность которой может быть рассчитана по формуле (Грошковский Я. Техника высокого вакуума, М.: Мир, 1975, с. 70, 71):

где β - коэффициент, учитывающий отклонение формы молекулы от шарообразной; α0 - приведенный коэффициент аккомодации, средний для обеих поверхностей - ротора и корпуса гироскопа; M0 - молекулярная масса газа (моль); F - площадь поверхности ротора (м2); Р - давление газа в зазоре (торр); Т0 - среднее значение температуры в диапазоне Т-Тср.

Из выражения (8) следует, что мощность Ркон ротора диаметром 10 мм при Р=10-7 Па в среде гелия (М0=4 г/моль, β=0, α0=0,5) при Т=7 К и Т0=0,5(7+4,2)=5,6 К составляет:

Ркон=6⋅102⋅0,5-√273/(4⋅5,6)⋅4π⋅(5⋅10-3)⋅10-7/133⋅(7-4,2)=0,69⋅10-9 Вт

Приняв допущение отсутствия других потерь (потери на трение об остаточный газ, вибрации и т.д.), можно считать, что энергия, выделенная в роторе, равна накопленной кинетической энергии и определяется выражением:

Таким образом, для охлаждения ротора диаметром 10 мм и массой 1 грамм, разогнанного до скорости 500 Гц (накопленная кинетическая энергия ), даже при средней мощности теплоотдачи на уровне 10-7 Вт, для перехода ротора в сверхпроводящее состояние потребуется время не менее , т.е. более 6 суток, а при разгоне ротора до скорости 1000 Гц время охлаждения будет около месяца, что делает прибор малопригодным для эксплуатации.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят способ изготовления КГ [С.Л. Левин, В.В. Святый, М.В. Степченко, В.Н. Цветков, П.А. Чесноков, А.Г. Щербак, В.А. Машичев. Результаты разработки конструкции и технологии изготовления элементов криогироскопа // Материалы XXX Конференции памяти Н.Н. Острякова, СПб.: ГНЦ РФ, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016, с. 99-106], при котором осуществляют формообразование сферического ротора в виде заготовки из углеродного нанокомпозита, покрытой сверхпроводящим слоем ниобия, на котором в зоне шарового пояса, определяемого широтным углом а, на поверхность ниобия наносят растровый рисунок в виде равновеликих отрезков сферических линий, изготовление двух керамическом полусфер и центрирующего кольца. На внутренней поверхности каждой полусферы формируют систему электродов электростатического подвеса, а между электродами подвеса и на внутренней цилиндрической поверхности кольца - тонкопленочные измерительные витки сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков (СКВИД-магнитометров), а также формируют системы сверхпроводящего магнитного и электростатического подвесов ротора и настройки КГ. После взвешивания ротора в электростатическом подвесе и сообщения ротору электромагнитным полем (асинхронный привод) угловой скорости, КГ охлаждают до сверхпроводящего состояния, взвешивают ротор в сверхпроводящем магнитном подвесе и измеряют скорость ухода КГ.

Недостатком способа-прототипа являются низкие эксплуатационные характеристики КГ, определяемые чрезмерно длительным временем готовности гироскопа, поскольку происходит разогрев ротора при разгоне за счет тепловыделения от индуцированных токов в материале ротора находящегося в высоковакуумном объеме, обеспечивающем работу электростатического подвеса. После окончания разгона охлаждение ротора происходит в высоком вакууме в основном за счет излучения и для перехода материала ротора в сверхпроводящее состояние, как показано выше, требуется длительное время.

Решаемая техническая проблема - совершенствование технологического процесса изготовления КГ.

Технический результат - сокращение времени готовности КГ.

Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что, концы каждого из отрезков растрового рисунка замыкают с концами, по меньшей мере, одного из соседних отрезков перемычками, которые выполняют за пределами зоны упомянутого шарового пояса, образуя на поверхности ротора замкнутые контуры, при этом упомянутые отрезки и перемычки формируют в виде тонкопленочных структур нитрида ниобия, а обмотки статора сверхпроводящего подвеса размещают и соединяют с элементами управления, образуя многофазную систему, обеспечивающую создание вращающего магнитного поля на поверхности ротора, при этом отрезки растрового рисунка и перемычки из нитрида ниобия на роторе формируют посредством лазерного маркирования поверхности ротора в среде избыточного давления азота.

Сущность изобретения, определяемая функционированием привода разгона ротора, поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид ротора и на фиг. 2 - упрощенная развертка поверхности ротора с растровым рисунком, концы отрезков которого соединены перемычками, и обмотки статора, в качестве которых могут использоваться обмотки сверхпроводящего подвеса.

На фиг. 1 и 2 обозначены:

1 - ротор из ниобия (далее - ротор);

2 - отрезки сферических линий растрового рисунка, выполненного в виде тонкопленочных структур нитрида ниобия посредством лазерного маркирования поверхности ротора в среде избыточного давления азота (далее - отрезки сферических линий);

3 - перемычки, соединяющие концы отрезков сферических линий растрового рисунка (далее - перемычки);

4, 5 и 6 - катушки статора;

7 - направление тока в катушке статора;

8 - направления тока в сверхпроводящем контуре на поверхности ротора;

α - широтный угол, определяющий зону нанесения растрового рисунка (далее - широтный угол);

h - высота шарового слоя, в котором размещены отрезки 2 растрового рисунка (далее - высота);

Нк - магнитное поле, возникающее в катушке статора 4 при подаче в нее тока;

Hr - поле, создаваемое появлением сверхпроводящего тока, которое возникает в сверхпроводящем контуре растрового рисунка под действием поля Нк;

F - сила, возникающая вследствие взаимодействия магнитных полей тока катушки

Нк и тока сверхпроводящего контура Hr ротора, стремящаяся вытолкнуть контур из зоны действия поля катушек статора.

Способ заключается в выполнении следующей совокупности и последовательности операций.

1. Средствами механической обработки (точение, шлифование, доводка) производят формообразование сплошной сферической заготовки из композитного материала на основе углерода, осуществляя ее предварительную балансировку до получения заготовки заданного диаметра D1. Диаметр D1 выполняют меньше, чем диаметр Dp конечного ротора на величину, определяемую толщиной Δ наносимого сверхпроводящего покрытия, которая выбирается с учетом финишной обработки ротора с покрытием. В данном случае возможно использование углеродного нанокомпозита по ТУ 1915-001-490509-14-20-13, представляющего собой композиционный материал системы углерод-углерод, имеющий конденсационно-кристаллизационную структуру и состоящий из дисперсных сферических частиц углерода размером в сотни нанометров. Углеродный нанокомпозит имеет плотность 1,8-2,1 г/см3, обладает достаточно высокими механическими свойствами (предел прочности на сжатие 455±36 МПа), а также имеет достаточно близкий к ниобию коэффициент термического линейного расширения (3,62⋅10-6 К-1) в интервале температур 293-1173 К-1. На заготовке предусматривают выполнение элементов, обеспечивающих создание моментов инерции ротора одним из известных способов, например запрессовкой армирующих элементов [Щербак А.Г., Кедров В.Г., Технология прецизионной диффузионной сварки в точном приборостроении // СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 1996, 166 с.] или напылением кольцевого фрагмента на охватываемую деталь, соединяемую по телескопической поверхности с охватывающей деталью [Патент РФ №2286535]. Очевидно, что выбирая значения геометрических параметров и материалы основы ротора и армирующих элементов, можно регулировать величины осевого Io и радиального IP моментов инерции ротора, а также соотношение этих моментов.

2. Далее на полученную заготовку из углеродного нанокомпозита наносят сверхпроводящее покрытие из ниобия электрохимическим осаждением из солевого расплава или методом магнетронного напыления (конкретная технология формирования покрытия не является принципиальной), формируя при этом заготовку ротора сферической формы диаметром Dp1, где Δ1 - припуск на балансировку ротора.

3. После этого осуществляют финишную балансировку ротора до получения требуемых значений дисбаланса и геометрических параметров (диаметр Dp и несферичность) и на наружной сферической поверхности ротора 1 (фиг. 1) в зоне шарового пояса, у которого ось симметрии совпадает с динамической осью ротора, а высота h определяется широтным углом а, методом лазерного маркирования формируют растровый рисунок в виде одинаковых отрезков 2 сферических линий, выполняемых с равным угловым шагом, ориентируя направление отрезков 2 от одного полюса ротора 1 к другому. Одновременно с формированием растрового рисунка концы каждого из указанных отрезков 2 замыкают с концами, по меньшей мере, одного из соседних отрезков перемычками 3, которые выполняют за пределами зоны упомянутого шарового пояса, образуя на поверхности ротора замкнутые контуры. При этом процесс лазерного маркирования осуществляют в среде избыточного давления азота, используя, например, обдув зоны маркировки азотом из баллона через раструб. Тем самым создаются условия протекания на поверхности модифицируемого слоя топохимической гетерофазной реакции с образованием нитрида ниобия NbN черного цвета, который является бинарным неорганическим соединением ниобия и азота, что обеспечивает контрастность растрового рисунка. Нитрид ниобия NbN может иметь значительные отклонения от стехиометрии, и в зависимости от состава при 13÷16 К переходит в сверхпроводящее состояние. При этом формирование нитрида ниобия NbN осуществляется посредством структурно-фазовой модификации тонкого приповерхностного слоя ниобия и искажения формы ротора не происходит, т.е. сохраняется полученная на стадии балансировки точность наружной сферы ротора 1. Известное техническое решение получения сверхпроводящих пленок из нитрида ниобия [патент США №4726890], когда формирование пленки нитрида ниобия NbN осуществляют магнетронным распылением ниобия на подложку в реакционной газовой смеси высокочистых аргона и азота в вакууме, не обеспечивает указанного сохранения точности сферической поверхности. По этой же причине малоприемлема технология [Патент РФ №2173733], которая основана на распылении металлического ниобия в скрещенных магнитном и электрическом полях в потоке газовой смеси инертного газа и азота.

Указанные отрезки 2 должны быть наклонены под определенным углом к экваториальной плоскости ротора, что необходимо для функционирования оптоэлектронной системы съема информации. Использование контуров в качестве элементов разгона ротора, взвешенного в электростатическом поле, электромагнитным полем более эффективно, когда угол наклона указанных отрезков к экваториальной плоскости ротора минимален.

Очевидно, что могут быть различные варианты формирования контуров, включая соединение перемычками каждого из отрезков 2 с несколькими другими отрезками, что не влияет на условия выполнения замкнутыми контурами на поверхности ротора функции элементов, обеспечивающих его разгон.

3. Одновременно с ротором осуществляют изготовление керамических полусфер и центрирующего кольца, на внутренней поверхности полусфер формируют систему тонкопленочных электродов электростатического подвеса, а между электродами подвеса на полусферах и на внутренней цилиндрической поверхности кольца - сверхпроводящие тонкопленочные измерительные витки сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков. С наружной стороны в стенках полусфер выполняют отверстия, в которые впаивают оптические окна световодов оптического датчика, а также формируют выемки и пазы для размещения в них при сборке обмоток статора сверхпроводящего магнитного подвеса и привода разгона ротора.

4. Далее осуществляют сборку полусфер на центрирующем кольце, задавая их требуемую взаимную угловую ориентацию и помещая в выемки полусфер сферический ротор, и размещают в требуемых позициях обмотки статора 4, 5 и 6 (фиг. 2) сверхпроводящего магнитного подвеса ротора. Очевидным условием является то, что обмотки статора сверхпроводящего подвеса, соединенные с элементами управления подвеса, образуют многофазную систему, обеспечивающую создание вращающего магнитного поля. Это обеспечивается тем, что обмотки статора 4, 5 и 6 сверхпроводящего подвеса смещены на различные углы относительно контуров ротора 1, образованных отрезками 2 и перемычками 3.

Функционирует представленная схема привода следующим образом. При подаче тока 7, например, в катушку 5 (фиг. 2) статора возникает магнитное поле Нк, которое в сверхпроводящем контуре растрового рисунка наводит сверхпроводящий ток 8, создающий поле Hr, препятствующее проникновению магнитного потока в контур и, соответственно, в тело ротора 1. Взаимодействие магнитных полей тока 7 катушки и тока 8 сверхпроводящего контура ротора приводит к возникновению силы F, стремящейся вытолкнуть контур из зоны действия поля катушки статора. Ротор 1 поворачивается, при этом контур перемещается в зону действия второй катушки. При последовательной коммутации токов в катушках статора, например, по индуктивным или оптическим датчикам, ротор 1 может быть разогнан до заданной скорости без активных потерь, так как токи протекают в сверхпроводящих контурах. Принципиально схема работы привода не изменится при замыкании всех линий растра. Работа привода аналогична работе синхронного двигателя с постоянными магнитами.

После достижения заданной скорости ротор охлаждают до перехода материала всей поверхности ротора (ниобия) в сверхпроводящее состояние и вся поверхность ротора становится сверхпроводящей, имеющей заданную сферическую форму.

Таким образом, формирование перемычек между отрезками растрового рисунка обеспечивает выполнение растра в виде системы замкнутых контуров, имеющих более высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, чем материал ротора (ниобий), В этом случае для ротора, взвешенного в электростатическом поле, при температуре, когда ротор находится в несверхпроводящем состоянии, а растр в сверхпроводящем, обеспечивается возможность создания вращающих и демпфирующих моментов за счет взаимодействия коммутируемого магнитного поля с индуцируемыми токами в сверхпроводящих контурах растрового рисунка ротора и осуществляется, таким образом, разгон и приведение оси вращения ротора в заданное положение без выделения потерь в роторе.

Так как при разгоне сверхпроводящим приводом ротор не нагревается, то время охлаждения определяется начальной температурой и теплоемкостью материала ротора. При массе ротора m=1 г, средней теплоемкости Сср=5⋅10-5 Дж/г К и температуре, при которой происходит разгон ротора Тр=10 К, энергия, выделенная в роторе за время разгона, равна Qp=2.9⋅10-4 Дж, а время охлаждения составляет , т.е. не превышает 1 часа независимо от конечной скорости ротора.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет существенно сократить время готовности и, соответственно, улучшить эксплуатационные характеристик КГ по сравнению с известными аналогами и способом-прототипом.

Это обеспечивается за счет образования на поверхности ротора замкнутых контуров, посредством соединения перемычками отрезков растрового рисунка, при этом отрезки и перемычки формируют лазерной обработкой в среде избыточного давления азота в виде тонкопленочных структур нитрида ниобия, имеющего температуру перехода в сверхпроводящее состояние существенно выше, чем материал ротора - ниобий.

Таким образом, заявленный технический результат достигнут.На данный момент в АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» осуществляется апробация предлагаемого способа при изготовлении экспериментальных образцов ЧЭ КГ.

1. Способ изготовления чувствительного элемента криогенного гироскопа, при котором осуществляют формообразование сферического ротора, представляющего собой заготовку из углеродного нанокомпозита, покрытую сверхпроводящим слоем ниобия, нанесение в зоне шарового пояса, у которого ось симметрии совпадает с динамической осью ротора, а высота определяется широтным углом α, растрового рисунка в виде равновеликих отрезков сферических линий, выполненных с одинаковым угловым шагом, изготовление двух керамических полусфер и центрирующего кольца, формирование на внутренней поверхности полусфер системы электродов электростатического подвеса, а между электродами подвеса и на внутренней цилиндрической поверхности кольца - тонкопленочных измерительных витков сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков, выполнение в стенках полусфер оптических окон для световодов оптического датчика и выемок для размещения обмоток статора сверхпроводящего магнитного подвеса ротора, отличающийся тем, что концы каждого из отрезков растрового рисунка замыкают с концами, по меньшей мере, одного из соседних отрезков перемычками, которые выполняют за пределами зоны упомянутого шарового пояса, образуя на поверхности ротора замкнутые контуры, при этом упомянутые отрезки и перемычки формируют в виде тонкопленочных структур нитрида ниобия, а обмотки статора сверхпроводящего подвеса размещают и соединяют с элементами управления подвеса, образуя многофазную систему, обеспечивающую создание вращающего магнитного поля на поверхности ротора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отрезки растрового рисунка и перемычки из нитрида ниобия на роторе формируют посредством лазерного маркирования поверхности ротора в среде избыточного давления азота.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы на электростатических гироскопах в условия полета космического аппарата.

Использование: для производства криогенных гироскопов со сферическим ротором. Сущность изобретения заключается в том, что криогенный гироскоп содержит герметичный корпус, сферический ротор, выполненный из сверхпроводящего материала, комбинированный подвес ротора, включающий систему сверхпроводящих экранов, установленных в корпусе попарно вдоль осей подвеса с противоположных сторон ротора и формирующих магнитное поле в рабочем зазоре подвеса, рабочая поверхность каждого из сверхпроводящих формирующих экранов, обращенная к ротору, выполнена в виде профилированной части сферы и образует со сферической поверхностью ротора переменный рабочий зазор, обеспечивающий равномерную плотность магнитного потока в зазоре, катушки возбуждения магнитного подвеса, установленные над экранами, схему управления магнитным подвесом, формирующую токи, протекающие в катушках возбуждения, схему управления электростатическим подвесом, формирующую электрический потенциал на поверхности сверхпроводящих формирующих экранов, на профилированную рабочую поверхность каждого сверхпроводящего формирующего экрана установлен дополнительный экран, имеющий электрический контакт со сверхпроводящим формирующим экраном из материала, не обладающего сверхпроводящими свойствами, рабочая поверхность которого выполнена в виде части сферы и образует со сферической поверхностью ротора равномерный зазор, что обеспечивает равномерность плотности электрических сил в зазоре.

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ). Сущность изобретения заключается в том, что способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа дополнительно содержит этапы, на которых после раскрутки ротора до рабочей частоты вращения величину начального напряжения на электродах устанавливают равной нулю, а приращение напряжения подают только на электрод подвеса, от которого удаляется ротор, кроме того, для создания момента сил, стабилизирующих вращение ротора на рабочей частоте, коэффициент усиления К1 напряжения, пропорционального смещению по осям подвеса, увеличивают на величину ΔK где ΔK - коэффициент увеличения коэффициента К1;U0 - начальное напряжение на электродах подвеса до раскрутки ротора;Um - амплитуда переменной составляющей приращения напряжения до установки значения начального напряжения равного нулю.
Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ). Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа, согласно которому в начале процесса взвешивания создают временную паузу, преобразуют величину смещения ротора из центра подвеса вдоль каждой из его осей в эквивалентную величину электрического напряжения, которое подвергают частотной коррекции, результат коррекции складывают с опорным напряжением, результат сложения усиливают, полученное высоковольтное напряжение подают на силовой электрод подвеса, одновременно результат коррекции вычитают из опорного напряжения, результат вычитания усиливают, полученное высоковольтное напряжение подают на другой силовой электрод подвеса, введены операции, согласно которым перед взвешиванием ротора гироскоп ориентируют в положение, при котором одна из ортогональных осей подвеса вертикальна, а в течение временной паузы на силовые электроды подвеса подают только опорные напряжения, в результате чего прижимают ротор к упорам, расположенным вокруг нижнего силового электрода, центрируя его в зазоре между силовыми электродами, оси которых расположены в горизонтальной плоскости.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации и навигации подвижных объектов (самолет, корабль, автомобиль), в инклинометрах (для подземной навигации) и других устройствах, где требуется информация об угловых скоростях, получаемая с помощью микромеханического гироскопа.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления различных подвижных объектов. Предложенный электростатический гироскоп содержит ротор, основной статор с поддерживающими электродами на цилиндрической рабочей поверхности, два дополнительных статора с электродами и привод вращения ротора, ротор выполнен в виде кольца со сферической наружной (внешней) поверхностью, дополнительные статоры, прилегающие к основному центральному статору, выполнены с электродами на сферических рабочих поверхностях или на конических поверхностях, касательных к сферической поверхности ротора, а привод вращения ротора выполнен в виде обращенного статора с обмотками и внешней рабочей поверхностью, расположенной напротив внутренней цилиндрической поверхности кольца ротора.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления подвижными объектами (ПО). Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора и полной первичной информацией дополнительно содержит измерительные цепочки, электроды, фазочувствительные выпрямители (ФЧВ), сумматоры, масштабирующие элементы.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в неконтактных гироскопах, акселерометрах и магнитных подшипниках. Предложенный неконтактный подвес ротора содержит пары диаметрально противоположно расположенных поддерживающих ротор элементов в виде электромагнитов или электродов, подключенных к выходам фазоинвертора, вход которого соединен с источником переменного напряжения, и один общий настроечный элемент в виде конденсатора или катушки индуктивности, примененный для каждой пары поддерживающих элементов и включенный между общей точкой соединения пары поддерживающих элементов и общей точкой фазоинвертора.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором и оптической системой съема информации об угловом положении оси ротора относительно корпуса.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных систем на электростатических гироскопах.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в бесплатформенных инерциальных системах ориентации (БИСО) для орбитальных космических аппаратов (КА), измерительный модуль (блок чувствительных элементов -БЧЭ) которых содержит электростатические гироскопы (ЭСГ). Способ калибровки погрешностей ЭСГ БИСО в условиях орбитального КА заключается в последовательном вращении КА вокруг осей, связанных с его корпусом, вычислении углового положения КА относительно инерциальных осей по данным измерений астровизирующего устройства (АВУ), вычислении на основе априорных значений коэффициентов модели дрейфа калибруемого гироскопа, расчетных значений направляющих косинусов орта его кинетического момента в инерциальных осях, формирование по данным списывающих устройств гироскопа измеренных значений направляющих косинусов орта его кинетического момента в корпусных осях, вычисление оценок ухода гироскопа в инерциальных осях и их коррекцию. При этом по данным измерений АВУ осуществляют формирование идеального (без дрейфа) гироскопа. По измеренным значениям направляющих косинусов орта кинетического момента калибруемого гироскопа и значениям направляющих косинусов орта кинетического момента идеального гироскопа формируют правый ортогональный гироскопический трехгранник, вычисляя значения матрицы ориентации осей гироскопического трехгранника относительно корпусных осей блока гироскопов, формируют измеренные значения косинуса угла между ортами кинетических моментов идеального и калибруемого гироскопов, по расчетным значениям направляющих косинусов орта кинетического момента калибруемого и идеального гироскопов формируют правый ортогональный инерциальный трехгранник. Затем вычисляют значения матрицы ориентации гироскопического трехгранника относительно инерциального трехгранника, формируют расчетные значения косинуса угла между ортами кинетических моментов идеального и калибруемого гироскопов, затем в моменты поступления данных от АВУ пересчитывают расчетные и измеренные значения направляющих косинусов орта кинетического момента калибруемого гироскопа на оси квазиинерциального трехгранника и формируют два скалярных измерения, первое измерение вычисляют как разность расчетного и измеренного значений косинуса угла между ортами кинетических моментов идеального и калибруемого гироскопов, а второе измерение вычисляют как разность первых элементов расчетного и измеренного значений направляющих косинусов орта кинетического момента калибруемого гироскопа в осях квазиинерциального трехгранника, после чего осуществляют линеаризацию полученных скалярных измерений и с привлечением расчетной модели уходов гироскопа в осях квазиинерциального трехгранника вычисляют оценки погрешностей привязки измерительных осей калибруемого гироскопа относительно осей АВУ и оценки погрешностей априорных значений коэффициентов его модели дрейфов. Технический результат – повышение точности калибровки погрешностей ЭСГ БИСО. 2 ил.

Использование: для изготовления криогенного гироскопа. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления чувствительного элемента криогенного гироскопа содержит: формообразование сферического ротора, представляющего собой заготовку из углеродного нанокомпозита, покрытую сверхпроводящим слоем ниобия, нанесение в зоне шарового пояса, у которого ось симметрии совпадает с динамической осью ротора, а высота определяется широтным углом α, растрового рисунка в виде равновеликих отрезков сферических линий, выполненных с одинаковым угловым шагом, изготовление двух керамических полусфер и центрирующего кольца, формирование на внутренней поверхности полусфер системы электродов электростатического подвеса, а между электродами подвеса и на внутренней цилиндрической поверхности кольца - тонкопленочных измерительных витков сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков, выполнение в стенках полусфер оптических окон для световодов оптического датчика и выемок для размещения обмоток статора сверхпроводящего магнитного подвеса ротора, при этом концы каждого из отрезков растрового рисунка замыкают с концами, по меньшей мере, одного из соседних отрезков перемычками, которые выполняют за пределами зоны упомянутого шарового пояса, образуя на поверхности ротора замкнутые контуры, при этом упомянутые отрезки и перемычки формируют в виде тонкопленочных структур нитрида ниобия, а обмотки статора сверхпроводящего подвеса размещают и соединяют с элементами управления подвеса, образуя многофазную систему, обеспечивающую создание вращающего магнитного поля на поверхности ротора. Технический результат: обеспечение возможности сокращения времени готовности КГ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх