抗高過載微機械陀螺儀研究
慣性制導(dǎo)系統(tǒng)在制導(dǎo)炮彈中有著極其重要的作用,其中,微機械陀螺儀作為慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件,其抗高過載能力直接制約著慣性制導(dǎo)系統(tǒng)在抗高過載環(huán)境中的應(yīng)用。首先,對炮射膛內(nèi)高過載環(huán)境進行了建模和量化,概括了微機械陀螺結(jié)構(gòu)的高過載失效機理。其次,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)公開發(fā)表的研究成果,從微機械陀螺儀的抗高過載特性的角度出發(fā),介紹了不同測控方式、不同結(jié)構(gòu)形式、不同結(jié)構(gòu)材料、不同工作原理的微機械陀螺儀的抗沖擊能力。最后,對相關(guān)報道和論文進行了總結(jié)和歸納,提出應(yīng)從驅(qū)動-檢測方式、合理的吸能釋能結(jié)構(gòu)配置、工作原理、新型結(jié)構(gòu)材料、多級系統(tǒng)緩沖等方面設(shè)計和改進高過載微機械陀螺結(jié)構(gòu),以提高陀螺的抗高過載能力。從面向制導(dǎo)炮彈的應(yīng)用背景出發(fā),通過對膛內(nèi)過載環(huán)境的量化分析,提出了彈載慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中高過載微機械陀螺高過載能力的需求,并在此基礎(chǔ)上,對微機械陀螺儀的失效機制進行了歸納和分析。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)在抗高過載微機械陀螺方面的研究,總結(jié)歸納了不同測控原理、不同工作方式、不同結(jié)構(gòu)形式的微機械陀螺儀的抗沖擊能力。但目前并未出現(xiàn)任何在高過載(炮擊)環(huán)境前后微機械陀螺參數(shù)未發(fā)生變化的報道,說明抗高過載微機械陀螺儀方面的研究工作還需要進一步深入開展,本文認(rèn)為提高微機械陀螺儀抗高過載特性可從以下5個方面進行改進。 1)采用其他驅(qū)動-檢測方式代替梳齒電容方式梳齒電容在過載時容易發(fā)生斷裂和結(jié)構(gòu)吸合以致陀螺結(jié)構(gòu)失效,可采用電磁、磁阻效應(yīng)等檢測原理替代梳齒電容檢測方式。 2)采用四波腹振型模態(tài)等工作方式代替線振動工作方式 實驗數(shù)據(jù)表明,四波腹振型模態(tài)工作方式在高過載狀態(tài)下性能退化現(xiàn)象優(yōu)于線振動工作方式的陀螺結(jié)構(gòu),尤其是在其全角工作模式下,通過四波腹相位信息反映輸入角度,相位信息對沖擊造成的線位移幾乎不敏感。3)采用合理的吸能和釋能機構(gòu)在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中增加合理的吸能和釋能機構(gòu)以吸收和釋放由于高過載產(chǎn)生的應(yīng)力和能量以保護結(jié)構(gòu)。4)采用碳化硅等新材料代替硅材料充分利用碳化硅等新型抗高過載性能好的材料替代硅材料,達(dá)到提升高過載特性的目的。5)采用多級抗過載防護技術(shù)提高陀螺整體抗過載能力可在 MIMU 外殼、陀螺外殼、陀螺結(jié)構(gòu)外殼、陀螺結(jié)構(gòu)基底等多個環(huán)節(jié)進行抗過載處理,分級吸收沖擊應(yīng)力波,最終提高陀螺整機抗過載能力。隨著新原理和新材料的不斷成熟和應(yīng)用,高過載環(huán)境將不再成為微機械陀螺的禁區(qū),如何能夠降低成本和體積、提高產(chǎn)量和標(biāo)定效率、與 MIMU 集成將是抗高過載微機械陀螺在下一階段中亟待解決的問題。
中北大學(xué)
2021-04-11