Halbkugelförmiges Resonator-Gyroskop - Hemispherical resonator gyroscope

Hemisphärisches Resonator-Gyroskop (HRG)

Das Hemisphärische Resonator-Gyroskop (HRG), auch Weinglas-Gyroskop oder Pilz-Gyroskop genannt , ist ein kompakter, rauscharmer Hochleistungs-Drehraten- oder Rotationssensor. Ein HRG besteht aus einer dünnen halbkugelförmigen Festkörperschale, die durch einen dicken Schaft verankert ist. Diese Hülle wird durch elektrostatische Kräfte, die von Elektroden erzeugt werden, die direkt auf separate Quarzglasstrukturen aufgebracht werden, die die Hülle umgeben, in eine Biegeresonanz getrieben. Der Kreiseleffekt wird aus der Trägheitseigenschaft der stehenden Biegewellen erhalten. Obwohl das HRG ein mechanisches System ist, hat es keine beweglichen Teile und kann sehr kompakt sein.

Betrieb

Das HRG verwendet eine kleine, dünne halbkugelförmige Festkörperschale, die durch einen dicken Stamm verankert ist. Diese Hülle wird durch spezielle elektrostatische Kräfte, die von Elektroden erzeugt werden, die direkt auf separate geschmolzene Quarzstrukturen aufgebracht werden, die die Hülle umgeben , in eine Biegeresonanz getrieben .

Bei einer einteiligen Bauweise (dh Halbkugelschale und Schaft bilden ein monolithisches Teil) aus hochreinem Quarzglas ist es möglich, im Vakuum einen Q-Faktor von über 30-50 Millionen zu erreichen , also die entsprechenden Random Walks sind extrem gering. Der Q-Faktor wird durch die Beschichtung (extrem dünner Gold- oder Platinfilm) und durch Befestigungsverluste begrenzt. Solche Resonatoren müssen durch Ionenstrahl-Mikroerosion des Glases oder durch Laserablation feinjustiert werden, um perfekt dynamisch ausgewuchtet zu werden. Bei Beschichtung, Abstimmung und Montage im Gehäuse bleibt der Q-Faktor über 10 Millionen.

Bei Anwendung auf die HRG-Schale bewirken Coriolis-Kräfte eine Präzession von Schwingungsmustern um die Rotationsachse . Es verursacht eine langsame Präzession einer stehenden Welle um diese Achse, mit einer Winkelgeschwindigkeit, die sich von der Eingabe unterscheidet. Dies ist der Wellenträgheitseffekt, der 1890 vom britischen Wissenschaftler George Hartley Bryan (1864–1928) entdeckt wurde. Daher rotiert die stehende Welle bei einer Rotation um die Schalensymmetrieachse nicht genau mit der Schale, aber die Differenz zwischen beiden Rotationen ist dennoch perfekt proportional zur Eingangsrotation. Das Gerät ist dann in der Lage, eine Drehung zu erfassen.

Die Elektronik, die die stehenden Wellen erfasst, kann sie auch antreiben. Daher können die Kreisel entweder in einem „Ganzwinkelmodus“, der die Position der stehenden Wellen erfasst, oder in einem „Kraftausgleichsmodus“, der die stehende Welle in einer festen Ausrichtung in Bezug auf den Kreisel hält, arbeiten.

Ursprünglich in Weltraumanwendungen (Lage- und Orbit-Kontrollsysteme für Raumfahrzeuge) verwendet, wird HRG jetzt in fortschrittlichen Trägheitsnavigationssystemen , im Lage- und Kursreferenzsystem und im Kreiselkompass verwendet .

Vorteile

Der HRG ist aufgrund seiner sehr einfachen Hardware (zwei oder drei Stück bearbeiteter Quarzglas) äußerst zuverlässig. Es hat keine beweglichen Teile; sein Kern besteht aus einem monolithischen Teil, das die halbkugelförmige Schale und seinen Stiel umfasst. Sie demonstrierten seit ihrem ersten Einsatz im Jahr 1996 auf der Raumsonde NEAR_Shoemaker eine herausragende Zuverlässigkeit .

Der HRG ist hochgenau und unempfindlich gegenüber äußeren Umwelteinflüssen. Die Resonanzschale wiegt nur wenige Gramm und ist perfekt ausbalanciert, was sie unempfindlich gegen Vibrationen, Beschleunigungen und Stöße macht.

Das HRG weist im Vergleich zu anderen Gyroskop-Technologien überlegene SWAP-Eigenschaften (Größe, Gewicht und Leistung) auf.

Der HRG erzeugt weder akustische noch abgestrahlte Geräusche, da die Resonanzschale perfekt ausbalanciert ist und unter Vakuum arbeitet.

Das Material des Resonators, der Quarzglas , ist in jeder Weltraumumgebung von Natur aus strahlungshart. Dies verleiht dem HRG-Resonator eine intrinsische Immunität gegenüber schädlichen Weltraumstrahlungseffekten.

Dank des extrem hohen Q-Faktors der Resonanzschale hat der HRG einen extrem niedrigen Winkel-Random Walk und eine extrem niedrige Verlustleistung.

Der HRG hat im Gegensatz zu optischen Kreiseln ( FOG und RLG ) ein Trägheitsgedächtnis: Wenn die Leistung für einen kurzen Zeitraum (normalerweise einige Sekunden) verloren geht, integriert das empfindliche Element die Eingangsbewegung (Winkelgeschwindigkeit), sodass bei Rückkehr der Leistung , signalisiert das HRG den im Leistungsverlustintervall gedrehten Winkel.

Nachteile

Der HRG ist ein sehr High-Tech-Gerät, das ausgeklügelte Fertigungswerkzeuge und Prozesse erfordert. Die Steuerelektronik, die zum Erfassen und Antreiben der stehenden Wellen erforderlich ist, ist etwas kompliziert. Dieser hohe Entwicklungsstand schränkt die Verbreitung dieser Technologie stark ein und nur wenige Unternehmen konnten sie entwickeln. Bisher produzieren nur drei Unternehmen HRG in Serie: Northrop Grumman Corporation, Safran und Raytheon Anschutz.

Klassisches HRG ist aufgrund der Kosten der präzisionsgeschliffenen und polierten Quarzhohlkugeln relativ teuer. Diese Herstellungskosten beschränken seine Verwendung auf Anwendungen mit hohem Mehrwert, wie beispielsweise Satelliten und Raumfahrzeuge. Dennoch können die Herstellungskosten durch Konstruktionsänderungen und technische Kontrollen drastisch reduziert werden. Anstatt Elektroden auf einer inneren Halbkugel aufzubringen, die perfekt der Form der äußeren Resonanzhalbkugel entsprechen muss, werden Elektroden auf einer flachen Platte aufgebracht, die der Äquatorialebene der Resonanzhalbkugel entspricht. In einer solchen Konfiguration wird HRG sehr kosteneffektiv und eignet sich gut für hochwertige, aber kostensensible Anwendungen.

Anwendungen

  • Weltraum – Im Raumfahrzeugbus des James Webb-Weltraumteleskops und anderer Satelliten und Raumschiffe
  • Meer:
    • Wartungsfreie Schiffskreiselkompasse sowie Lage- und Kursreferenzsysteme
    • Marinenavigationssysteme für Überwasserschiffe und U-Boote
  • Land – Zielortungsgeräte, Landnavigationssysteme und Artillerieausrichtung
  • Luft – HRG ist bereit, in Navigationssystemen für den kommerziellen Luftverkehr verwendet zu werden

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

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