РФФИ 19-08-00839 А

Персоналии

  • Панкратов Владимир Михайлович д.т.н., г.н.с. лаборатории анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН;
  • Барулина Марина Александровна, д.ф.-м.н., зав. лабораторией анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН;
  • Голиков Алексей Викторович, к.т.н., в.н.с. лаборатории анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН;
  • Панкратова Елена Владимировна, к. ф.-м.н., в.н.с. лаборатории анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН;

Грантовая поддержка и исследований

Работа исследовательской группы поддержана проектом РФФИ № 19-08-00839 А «Исследование влияния внешних динамических тепловых возмущений различного характера на волоконно-оптические гироскопы блока измерения угловых скоростей с двухконтурной системой терморегулирования на элементах Пельтье. Выявление возможных хаотических режимов в процессе эксплуатации блока измерения угловых скоростей на волоконно-оптических гироскопах»

Направления исследований

Одним из основных направлений развития волоконно-оптических информационно-измерительных систем последнего времени является разработка датчика угловой скорости (волоконно-оптического гироскопа) навигационного класса точности при достижении высокой стабильности его работы с учетом минимизации зависимости выходного сигнала от температуры.
В последние десятилетия волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) применяются в системах навигации, управления и стабилизации различных объектов. При относительной простоте ВОГ весьма восприимчив к различным внешним воздействиям, приводящим к уменьшению точности прибора. К таким факторам относятся температурные возмущения, вибрации, флуктуации интенсивности и поляризации проходящих световых сигналов, нелинейные оптические эффекты, невзаимности различного рода в оптическом контуре, дробовые шумы в фотодетекторах и т.д. Современный уровень развития техники и волоконно-оптических технологий выдвигает высокие требования к точности. Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться разработчикам ВОГ, является высокая чувствительность гироскопа к внешним и внутренним возмущениям и нестабильностям, что приводит к паразитным дрейфам и, как следствие, ошибкам в выходном сигнале.
В отечественной и зарубежной научной литературе имеется достаточно много публикаций, посвященных проблемам ВОГ. Однако, их анализ свидетельствует о необходимости дальнейшего изучения вопросов улучшения метрологических характеристик приборов. Одной из основных проблем для разработчиков ВОГ навигационного класса точности (0,01 – 0,001°/ч) является достижение высокой стабильности его работы в нестабильных или экстремальных условиях окружающей среды, в частности с учетом чувствительности выходного сигнала к температуре.
Особенно в этом смысле опасны колебания температуры (даже с очень малыми амплитудами и темпами), вызывающие длительные тепловые дрейфы ВОГ.
Большинство указанных возмущений в ВОГ вызывают изменения температуры окружающей среды, приводящих к возникновению длительных дрейфов прибора в виде термически индуцированной («кажущейся») угловой скорости. Практически все узлы и элементы, входящие в состав измерительного гироскопического комплекса, реагируют на изменение их теплового состояния и вносят свой вклад в возникновение кажущейся угловой скорости. Однако, наибольшую роль здесь играет ВОГ, содержащий главный измерительный элемент гироскопа – оптоволоконный контур.
Основные проблемы, которые приходится решать при создании приборов, связаны с подверженностью блока чувствительности тепловым внешним воздействиям, искажающим исходный сигнал и приводящим к возникновению «кажущейся» угловой скорости.
Исследования показывают, что причина явления заключается в изменении показателя преломления волокна в условиях изменяющегося поля термоупругих напряжений в контуре. Причем свой вклад вносят как напряжения от несогласованной деформации каркаса катушки и оптоволоконного массива, так и напряжений при медленном изменении температуры.

Цель и задачи проекта

Целью проекта является повышение точности измерения угловых скоростей ВОГ до уровня навигационного класса точности. 
В ходе выполнения проекта будут: 
1. Разработаны на основе модернизированного метода «элементарных» балансов тепловые модели трехмерных, неоднородных и нестационарных температурных полей БИУС без активной СТР и с СТР на элементах Пельтье.
2. Разработаны на основе модернизированного метода «элементарных» балансов тепловые модели трехмерных, неоднородных и нестационарных температурных полей ВОГ в составе БИУС без активной СТР и с СТР на элементах Пельтье
3. Разработаны специализированные программные комплексы расчета трехмерных, неоднородных и нестационарных температурных полей БИУС и ВОГ в составе БИУС без активной СТР и с СТР на элементах Пельтье.
4. Выполнен сравнительный анализ трехмерных неоднородных и нестационарных температурных полей БИУС и ВОГ в составе БИУС без активной СТР и с СТР на элементах Пельтье.
5. Произведена оценка повышения точности ВОГ в составе БИУС за счет минимизации температурной погрешности путем использования двухконтурной СТР на элементах Пельтье.
6. Получена количественная оценка изменений габаритно-массовых характеристик и энергопотребления в конструкции БИУС за счет дополнительного использования СТР.

Апробация результатов

Публикации

  1. Голиков А.В., Панкратов В.М., Барулина М.А., Панкратова Е.В., Ефремов М.В. Исследование температурных полей в сложных навигационных устройствах, предназначенных для эксплуатации в космосе. Инновации и инвестиции. 2019. № 11 С. 167-175.
  2. Барулина М.А., Фомин Д.В., Голиков А.В., Струков Д.О., Герман А.С. Температурные поля элементов наноспутников. Современная наука: Актуальные проблемы теории и практики. Серия Естественные и Технические Науки. 2019. №12

Конференции

  1. 3rd International Conference on Information Processing and Control Engineering (ICIPCE 2019) Голиков А.В, Барулина М.А., Панкратова Е.В., Голикова О.В. Modeling of thermal effects on aerospace devices and their components.
    Докладчик – Барулина М.А., пленарный доклад.