Инерциальная навигация: вне земных ориентиров

Облик оборонки в зеркалах лазерных гироскопов 15 Октябрь 2015, 13:44

Инерциальные навигационные системы КРЭТ установлены на самых современных и перспективных самолетах

Современные средства обороны и нападения «крутятся» вокруг точного определения координат – своих и противоборствующей стороны. Миллиарды долларов тратятся экономически развитыми странами на создание глобальных навигационных систем. В результате этого тренда в США появилась GPS, в России – ГЛОНАСС, в Европе – «Галилео». Но в последнее время политики, военные и ученые удивительно единодушно делают вывод о том, что своя глобальная навигационная система – это еще не панацея в достижении военного превосходства в современной войне.
Признаем честно: спутниковая система необходима, она в режиме реального времени дает высочайшую точность определения координат для самолетов, ракет, кораблей и наземной бронетехники. Но современными средствами радиоэлектронной борьбы противник может спутниковый сигнал исказить, «зашумить», отключить, в конце концов, уничтожить сам спутник.

Российская система ГЛОНАСС также, как и американская GPS, имеет два режима передачи навигационного сигнала – открытый и закрытый. Однако, если уровень помехового сигнала свыше 20 дБ, то можно заглушить любой навигационный сигнал – сейчас или в ближайшем будущем, ведь развитие техники и технологий не стоит на месте.

В батальонах и полках РЭБ есть штатная станция подавления сигнала GPS. И случаи пропажи спутников в мировой космической практике тоже известны. Поэтому у российских военных есть догма: на любом объекте должна быть автономная инерциальная навигационная система (ИНС). В силу принципа своего действия ИНС является помехозащищенным, не подверженным действиям средств из арсенала РЭБ источником навигационной информации, и в настоящее время одна из ее разновидностей – бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) – находит наиболее широкое применение.

БИНС устанавливаются везде: на самолетах, на наземной бронетехнике, на ракетах. Для каждого вида подвижного объекта предназначен свой тип БИНС. В военной технике наличие автономных ИНС является обязательным, а их совершенствование – одна из главных задач промышленности.

На передовых рубежах научно-технического прогресса

Развитие современной науки позволило передовым странам создать качественно новые ИНС. Раньше инерциальные навигационные системы были платформенного типа на базе электромеханических гироскопов и акселерометров в кардановом подвесе. В бссплатформенных инерциальных навигационных системах нет подвижных деталей. Сам гироскоп, можно сказать трансформировался в электровакуумный прибор.

В настоящее время гироскопы есть лазерные, волоконно-оптические, волновые твердотельные, микро-механические. Какой из них самый совершенный – это вопрос удовлетворения требований потребителя к точности формирования навигационной информации. Чем ниже точность и проще технология, тем ИНС дешевле. Лазерный гироскоп самый точный, но при этом достаточно сложный и дорогой. Есть и другие типы гироскопов, которые еще не достигли технологического совершенства и не используются индустриально, например, СВЧ, ядерный магнитно-резонансный, гироскоп на холодных атомах и другие.
В точных и высокоточных БИНС наиболее распространенные, отработанные и массовые сейчас – лазерные. Современный БИНС на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах является одним из наиболее сложных и высокотехнологичных изделий авиакосмической промышленности.
Сегодня эти системы являются незаменимым автономным средством навигации и востребованы широким классом потребителей, так как обладают рядом преимуществ тактического характера: автономностью, невозможностью воздействия на них помех, непрерывностью и глобальностью функционирования в любое время года и суток на воздушных, морских и наземных объектах. БИНС выдают информацию для решения задач навигации, управления полетом, прицеливания, подготовки и наведения ракет, а также для обеспечения работоспособности радиолокационных, оптикоэлектронных, инфракрасных и других бортовых систем. На магистральных самолетах коммерческой авиации автономные инерциальные системы являются основным средством навигации и определения пространственного положения.

Обладание всей номенклатурой возможностей для разработки и производства высокоточных БИНС выдвигает страну на передовые рубежи технического прогресса и непосредственно влияет на обеспечение безопасности государства. В мире не так много стран, освоивших сложное производство этих систем. Их можно перечесть по пальцам одной руки – Китай, Россия, США и Франция.

Разработкой БИНС авиационного применения в России занимаются пять организаций, в том числе и Московский институт электромеханики и автоматики (МИЭА), входящий в КРЭТ. Причем БИНС только этого института принят в серийное производство. Системы навигации на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах, разработанные в МИЭА входят в состав комплексов бортового оборудования современных и перспективных самолетов гражданского и военного назначения.

Как это работает

Кольцевые лазерные гироскопы и кварцевые акселерометры сегодня – самые точные и наиболее распространенные в мире. Их разработка и производство одна из компетенций КРЭТ.
 Инерциальная навигационная система (БИНС)
Принцип действия лазерного гироскопа заключается в том, что внутри замкнутого по периметру пространства, образованного системой зеркал и корпусом, изготовленным из специального стекла, возбуждаются два лазерных луча, которые по каналам идут навстречу друг другу. Когда гироскоп находится в состоянии покоя, два луча «бегут» навстречу друг другу с одинаковой частотой, а когда начинает совершать угловое движение, то каждый из лучей изменяет свою частоту в зависимости от направления и скорости этого движения.

Через одно из зеркал выводится часть энергии лучей и формируется интерференционная картина. Наблюдая за этой картиной, с помощью фотоприемника считывают информацию об угловом движении гироскопа, определяют направление вращения по направлению движения интерференционной картины и величину угловой скорости по скорости ее движения. Фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический, очень маломощный, а дальше начинаются процессы его усиления, фильтрации и отделения помех.

Сам гироскоп одноосный, он измеряет угловую скорость, действующую вдоль его оси чувствительности, которая перпендикулярна плоскости распространения лазерных лучей. Поэтому система состоит из трех гироскопов. Для получения информации не только об угловом, но и о линейном движении объекта в системе используются три измерителя ускорения – акселерометра. Это очень точные приборы, в которых на упругом подвесе в виде маятника подвешивается пробная масса. Современные акселерометры осуществляют измерения с точностью до одной стотысячной доли ускорения свободного падения.

Точность на молекулярном уровне

Сейчас промышленность выпускает столько БИНС, сколько ей заказывают Минобороны, Министерство транспорта и другие ведомства. Однако в ближайшем будущем спрос на автономные инерциальные системы начнет существенно расти. Чтобы разобраться в современных возможностях их производства, надо в первую очередь понимать, что речь идет о высокотехнологичных изделиях, в которых сходится много технологий – это и оптика, и электроника, и вакуумная обработка, и прецизионное полирование.

Например, шероховатость поверхности зеркала при финишной полировке должна быть на уровне 0,1 нанометра, то есть это уже почти молекулярный уровень. В гироскопах зеркала двух типов: плоские и сферические. Зеркало имеет диаметр 5 мм. Зеркальное покрытие наносится методом ионного напыления на специальный стекло-кристаллический материал ситалл. Толщина каждого из слоев имеет порядок 100 нанометров.

Лазерный луч распространяется в гелий-неоновой газовой среде низкого давления. Характеристики этой среды должны быть неизменными на протяжении всего срока эксплуатации гироскопа. Изменение состава газовой среды за счет попадания в нее даже ничтожного количества внутренних и наружных примесей приводит сначала к изменению характеристик гироскопа, а затем и его отказу.

Есть свои трудности и в электронике. Приходится работать с маломощным частотно-модулированным сигналом, для которого надо обеспечить требуемое усиление, фильтрацию, подавление помех и преобразование в цифру, а кроме того выполнить требования по помехозащищенности во всех условиях эксплуатации. В БИНС разработки КРЭТ все эти задачи решены.

Сам прибор должен выдерживать интервалы рабочих температур от минус 60 до плюс 55 градусов по шкале Цельсия. Технология изготовления прибора гарантирует его надежную работу во всем диапазоне температур в процессе полного жизненного цикла авиационного изделия, который составляет десятки лет.
Одним словом, в процессе производства приходится преодолевать множество трудностей. Сегодня все технологии, применяемые при изготовлении БИНС, освоены на предприятиях КРЭТ.

Трудности роста

Два предприятия Концерна выпускают лазерные гироскопы – Раменский приборостроительный завод (РПЗ) и завод «Электроприбор» в Тамбове. Но их производственные возможности, которые сегодня еще удовлетворяют потребности заказчиков, завтра могут оказаться недостаточными из-за большой составляющей доли ручного труда, что заметно снижает процент выхода готовой продукции.

Понимая, что с ростом заказов на изготовление военной и гражданской техники нужно на порядок увеличивать объем производства, руководство КРЭТ инициирует проект технического перевооружения заводов. Такой проект формируется для производства всех систем, включая и оптические компоненты. Он рассчитан на выпуск 1,5 тысяч высокоточных систем в год, в том числе и для наземной техники. Это значит надо производить 4,5 тысяч гироскопов, соответственно – примерно 20 тысяч зеркал. Вручную такое количество сделать невозможно.

Техперевооружение предприятий позволит выйти на требуемые объемы. По плану производство первых отдельных узлов начнется уже в конце следующего года, а систем в целом – в 2017 году с постепенным наращиванием количественных показателей.

Доля государства в финансировании проекта составляет 60%, остальные 40% привлекаются КРЭТ в виде банковских кредитов и доходов от продажи непрофильных активов. Однако создание БИНС это задача не одного института и даже не одного концерна. Ее решение лежит в плоскости общегосударственных интересов.

По материалам журнала «Радиоэлектронные технологии»