Как это работает. Лазерный гироскоп
Четырехзеркальный зеемановский лазерный гироскоп с непланарным резонатором
В лазерном центре «Швабе» нашли способ улучшить характеристики гироскопов, которые используются в навигационных системах самолетов и кораблей. Речь идет о совершенствовании зеемановских датчиков угловой скорости, на основе которых создаются современные лазерные гироскопы. Несмотря на стремительное развитие спутниковой навигации, гироскопы не сдают свои позиции. Эти устройства можно встретить практически везде, начиная от мобильного телефона и игровой приставки до современного истребителя и космического корабля.
О том, как устроены лазерные гироскопы, принципе их работы и перспективах применения – в нашем материале.
Гироскоп: от «железного» к лазерному
Гироскоп – это устройство, которое способно определять изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено. Без этого прибора сегодня не обойдется ни телефон, ни космический корабль. До изобретения технических благ цивилизации человечеству тоже нужно было как-то ориентироваться в пространстве. Первые «родственники» гироскопа появились еще в древности – отвес, уровень, компас, астролябия и другие приборы. Гироскоп занял место в этом списке лишь в 1817 году, его изобретателем считается немецкий астроном и математик Иоганн Боненбергер. Но только несколько десятилетий спустя, в 1852 году, французский ученый Фуко впервые использовал этот прибор для определения изменения направления и придумал само название «гироскоп».
В прошлом столетии гироскопы стали использоваться в самолетах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним. Новые технологии предоставили новые возможности для эволюции гироскопа – на смену «железному» (механическому) гироскопу пришел лазерный. Это стало возможным в первую очередь благодаря развитию квантовой физики. Еще в 1916 году Эйнштейн предсказал вынужденное излучение – одно из фундаментальных явлений, используемых в лазерах. В середине 1950-х советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американец Ч. Таунс показали это на молекулах аммиака. Так был создан первый квантовый генератор – мазер. В 1958 году заговорили о разработке твердотельных и газовых оптических квантовых генераторов – лазеров (Laser – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Напомним, что за полученные результаты Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс получили в 1964 году Нобелевскую премию по физике.
О возникновении и развитии лазерных систем – История открытия: от мазера к лазеру
В те годы зарождения квантовой физики весь мир будоражили возможные будущие открытия. На слуху были самые смелые идеи: от изобретения сверхмощных «гиперболоидов» до голографического телевидения. Неудивительно, что на этом фоне померкло скромное сообщение Прохорова о возможности создания на основе лазеров новых измерительных приборов – лазерных гироскопов. Однако инженеры НИИ Прикладной физики с энтузиазмом отнеслись к идее создания таких приборов и начали работу по данному направлению.
В дальнейшем наибольшее развитие лазерные гироскопы получили в НИИ «Полюс» под руководством его основателя М.Ф. Стельмаха. Здесь было организовано серийное производство первых в стране лазерных гироскопов. Сегодня Институт является лазерным центром холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех.
Точность – до одной миллионной градуса
В основе работы лазерного гироскопа – эффект Саньяка, открытый еще в 1913 году. Простыми словами его суть можно объяснить так – время прохождения светового луча по замкнутому контуру зависит от того, неподвижен или вращается данный контур, а также от направления его вращения. Данный эффект нашел свое прикладное применение в гироскопии именно с появлением лазеров.
Лазерный гироскоп по своей чувствительности намного превосходит механический, способен фиксировать угловые скорости от тысяч оборотов в секунду до скоростей в сотни миллиардов раз меньших – до одной миллионной градуса в час.
Трехосный лазерный гироскоп МТ-300 от НИИ «Полюс»
Современные лазерные гироскопы разделяются по способу создания так называемой частотной подставки на три основных типа – вибрационные, фарадеевские и зеемановские. Последние обладают рядом преимуществ: монолитность конструкции без подвижных частей, наличие гибкой электронно-управляемой магнитооптической частотной подставки, возможность использования четырехволнового режима генерации лазера. Благодаря этому зеемановские лазерные гироскопы применяются в сложных условиях, при высоком уровне воздействия внешних факторов.
История создания зеемановских лазерных гироскопов началась в 1967 году в НИИ «Полюс». В 1969 году в Институте был создан первый образец устройства. К концу 1990-х годов появился типоряд таких гироскопов – прототипов современных серийно выпускаемых приборов. Сегодня создание зеемановских лазерных гироскопов и систем на их основе является ведущим направлением лазерной техники в НИИ «Полюс», а сам Институт относится к лидерам отечественной лазерной гироскопии.
При всех преимуществах зеемановских гироскопов, есть направления для их совершенствования. Недавно специалисты лазерного центра «Швабе» предложили новое технологическое решение, как повысить точность и увеличить время непрерывной работы зеемановских лазерных датчиков угловой скорости.
Перспективы автономного полета
Помимо НИИ «Полюс» ведущими производителями лазерных гироскопов в России являются Раменский приборостроительный завод и Тамбовский завод «Электроприбор», входящие в «Концерн Радиоэлектронные технологии». Сегодня лазерные гироскопы, произведенные на предприятиях Ростеха, входят в состав высокоточных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) современных отечественных самолетов. Эти системы навигации часто называют автономными, потому что позволяют обойтись самолету без спутниковых систем, таких как GPS и ГЛОНАСС. Большой прогресс в области высокоточной спутниковой навигации не лишил «работы» автономных средств навигации.
Бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС-СП-1 производства КРЭТ
Спутниковые системы могут не совсем точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Также могут быть погрешности при определении скорости самолета с помощью GPS. Поэтому, в сегодняшних навигационных системах оптимальным решением является комбинация спутниковых и гироскопических технологий. К примеру, в «Полюсе» разработана высокоточная лазерно-гироскопическая спутниково-навигационная система для пилотажно-навигационных комплексов самолетов.
В наши дни лазерные гироскопы не только сохраняют лидирующие позиции в навигации – специалисты в области гироскопии находят и нестандартные применения таких приборов. К примеру, гироскопы помогают в фундаментальных исследованиях земной коры, измеряют ее колебания (землетрясения). Для этих целей используются большие лазерные гироскопы с периметром в несколько метров, способные уловить тончайшее изменение проекции угловой скорости вращения Земли.