新一代運載火箭用光纖速率陀螺抗沖擊和振動設計

黃鑫巖，高祖昊，高玉峰，閭曉琴，王 豐

（北京航天時代光電科技有限公司，北京，100094）

0 引 言

光纖陀螺儀是一種基于Sagnac效應的全固態(tài)慣性儀表[1]，速率陀螺可以快速敏感載體的角速度，是慣導系統(tǒng)的重要組成部分，在運載火箭、導彈等領域得到越來越多的應用。由于新一代運載火箭助推器長細比較大，導致其參與控制過程中扭轉變形嚴重，使得箭體特性具有模態(tài)頻率低、彈性變形大等特點[2]?；鸺l(fā)射及助推過程沖擊波作用于火箭箭體，會使箭體所受應力超過了箭體材料的屈服極限，發(fā)生塑性變形和破壞[3]。由于光纖速率陀螺直接安裝在火箭壁上，火箭發(fā)射、飛行時的大量級沖擊、振動、噪聲等復雜環(huán)境都要求陀螺儀保證火箭姿態(tài)信息的精度和實時性。

為了滿足光纖速率陀螺的耐惡劣環(huán)境應用的迫切需求，使其能夠在大量級沖擊、振動中正常工作，本文開展了光纖速率陀螺抗沖擊、振動設計，有助于進一步提高光纖速率陀螺在新一代運載火箭可靠性工程化的應用。

1 光纖速率陀螺抗沖擊和振動設計

1.1 結構設計及有限元分析

光纖速率陀螺正常工作時，解調信號的輸出為

式中 K為光損耗以及回路增益有關的常數(shù)；sφΔ為一個信號解算周期內的Sagnac相位差。

在振動條件環(huán)境下，光纖環(huán)受振動應力引起光纖折射率發(fā)生變化，從而給干涉光路引入一個相位誤差；此外，由于光纖之間的擠壓形變，光路損耗發(fā)生變化，會引起干涉光強的變化，假設振動應力是一個隨時間周期變化的函數(shù)，振動對光纖陀螺輸出的影響體現(xiàn)為一種附加的相位調制和強度調制，此時陀螺儀輸出為

式中 KΔ為附加強度調制的幅度；θ為附加強度調制的初始相位；0VφΔ為附加相位調制的幅度；ΔK · sin （ω t+θ）為疊加的一個正弦強度調制；Δ φV0cos （ωt）為應力產(chǎn)生的非互易相位差誤差；ω為角頻率；t為時間。

Sagnac相位差增量 sφΔ以及應力產(chǎn)生的非互易相位差都可看作一個無窮小量，對式（2）簡化整理得到振動條件下閉環(huán)光纖陀螺儀解調信號的輸出表達式為

式（3）的第1項僅含有Sagnac相位差 sφΔ，為陀螺有效信號；第2項中當幅度和相位為恒值時，為一個固定的旋轉角速率輸入，最終體現(xiàn)為陀螺零偏漂移；其余項為交流誤差信號，在陀螺輸出中體現(xiàn)為附加噪聲，隨時間的均值為零。可見，振動對光纖陀螺輸出誤差的大小與相位調制、強度調制的幅度成正比相位調制與強度調制的幅度越大，誤差也就越大。

光纖陀螺關鍵元件如敏感運動的光纖環(huán)、光學器件（光源、耦合器、Y波導等）、連接光學器件的尾纖，以及二次電源和DSP電路等都是固定在光纖陀螺的機械結構上。光纖陀螺工作在振動環(huán)境時，受到的一般是受迫隨機振動，而諧振作為振動的特殊狀態(tài)，存在于任何結構體中，尤其是在諧振點上受迫振動加劇[4,5]。如果陀螺儀支撐結構件的某一諧振頻率點與實際振動頻率重合，產(chǎn)生共振效應，那么在該頻率點上的振動應力將被放大，從而加大了相位調制和強度調制的幅度，增大陀螺輸出的振動誤差。因此，光纖陀螺的機械結構設計不合理會造成陀螺在振動條件下噪聲增大，甚至在大量級沖擊、振動條件下的輸出故障。

光纖速率陀螺本體為陀螺儀主要的支撐結構件，本體結構的力學性能直接影響陀螺儀的可靠性。本文設計的陀螺本體結構一側中部有圓柱形凸起，用于安裝光纖環(huán)、耦合器和Y波導，對應另一側圓柱狀凹陷結構內安裝光源，陀螺電路系統(tǒng)通過支架安裝在本體結構上。 對本體結構的腰部法蘭位置進行多位置加筋，進行有限元分析，其一階模態(tài)分析如圖1所示，可見該結構自身固有頻率高，可以達到5900 Hz以上，各個光學器件可以抵抗大量級的沖擊和振動，保證陀螺在惡劣環(huán)境中的穩(wěn)定工作。

圖1 本體結構一階模態(tài)分析 Fig.1 First Order Modal Analysis of Main Body Structure

1.2 電路系統(tǒng)減振設計

為提高速率陀螺內部電子元器件及電路組件的抗沖擊振動性能，對電路系統(tǒng)安裝進行內減振設計，如圖2所示，電路系統(tǒng)支架通過多個減振器安裝在本體結構上。

圖2 電路系統(tǒng)內減振安裝 Fig.2 Vibration Damping Installation in Circuit System

針對內減振結構設計T型減振器，如圖3所示。減振器由特制螺釘、減振墊圈I和減振墊圈II組成。減振墊圈I為T形結構，減振墊圈II為環(huán)形墊圈，與減振墊圈I配套使用，減振墊圈采用高性能橡膠阻尼減振材料中的硅橡膠阻尼材料，該材料可在高低溫等惡劣環(huán)境下使用，使用壽命長，對2000 Hz內的各種振動響應都有較好的減振效果，避免了電路系統(tǒng)的元器件在大量級沖擊、振動中損傷導致陀螺輸出故障。

圖3 T型減振器結構 Fig.3 T-type Shock Absorber

1.3 光纖環(huán)及其安裝工藝方法

光纖環(huán)分為無骨光纖環(huán)和有骨光纖環(huán)，有骨環(huán)采用骨架作為支撐，而無骨環(huán)采用固化膠粘結固定支撐，沒有骨架熱脹冷縮產(chǎn)生的擠壓和收縮作用，固化膠代替骨架將光纖線圈粘結固定成為一個整體，通過選擇合適的固化膠使其與光纖的外涂層熱膨脹系數(shù)匹配，實現(xiàn)應力的均勻分布，從而具有更低的局部內應力。光纖環(huán)浸膠技術可以減小在大量級振動下光纖環(huán)內部的擠壓應力，從而減小非互異效應產(chǎn)生的測量誤差[6,7]。

光纖速率陀螺采用無骨浸膠光纖環(huán)設計，選擇了成熟的大模量高強度環(huán)氧樹脂固化膠作為浸膠膠粘劑，同時根據(jù)速率陀螺光纖環(huán)尺寸結構對環(huán)氧樹脂膠充膠的最佳真空度進行研究。真空度不高引起抽真空時間偏長是導致無骨環(huán)浸膠效率偏低的主要原因之一。提高抽真空過程的真空度雖然可以有效的縮短抽真空時間、提高浸膠的效率，但是真空度過高又會導致光纖環(huán)局部光纖出現(xiàn)微彎現(xiàn)象，導致浸膠光纖環(huán)的溫度性能出現(xiàn)明顯劣化。通過試驗研究確定在1 Pa的真空氣壓為最佳充膠氣壓，該氣壓下光纖環(huán)溫度性能好，且降壓時間及充膠時間不長，提高合格率和充膠效率。

無骨架浸膠環(huán)的固定質量會影響光纖陀螺的可靠性。由于光纖環(huán)質量較輕，通常不大于30 g，可以在光纖環(huán)底部、光纖環(huán)內壁涂覆硅橡膠的方案，增大涂覆面積以提高粘結力，確保固定可靠。光纖環(huán)固定如圖4所示，在本體和光纖環(huán)軸向之前均勻分布注膠孔，采用單組份室溫硫化硅橡膠作為粘結劑均勻注膠，并充滿光纖環(huán)底部與本體之間的縫隙，進一步增加硅橡膠粘結面積，該方案光纖環(huán)固化應力分布均勻，并有利于應力釋放，可以避免因固化應力過大導致陀螺在惡劣環(huán)境中輸出不穩(wěn)定，提高光纖環(huán)固定可靠性。

圖4 光纖環(huán)固定示意 Fig.4 Schematic Diagram of Fixing Optical Fiber Ring

采用Ansys軟件對陀螺儀光纖環(huán)點膠處的進行8000g沖擊力學仿真，X軸沖擊仿真結果見圖5。結果顯示固膠處最大的拉伸力小于固化用硅橡膠拉伸強度5.2 MPa，且固膠最大拉伸力位于光纖環(huán)軸向內側壁與底部直角處，而內側壁和底面固膠位置拉伸力所受拉伸強度很小，不影響光纖環(huán)粘貼可靠性，本文設計方案可以滿足使用要求。

圖5 光纖環(huán)固膠位置沖擊力學仿真 Fig.5 Mechanical Simulation of Impact at the Position of Optical Fiber Ring Fixing Glue

2 光纖速率陀螺箭體安裝環(huán)境及試驗情況

光纖速率陀螺儀應用于新一代運載火箭一級控制系統(tǒng)和二級控制系統(tǒng)[8]，其中俯仰和偏航陀螺儀用于助推級和芯Ⅰ級、芯II級飛行段；滾動陀螺儀用于助推級和芯Ⅰ級飛行段。速率陀螺儀采用安裝支架固連在火箭箭壁上，測量的角速度信號通過485總線傳輸?shù)郊d計算機，用于火箭姿態(tài)穩(wěn)定控制。由于光纖速率陀螺通過安裝支架貼箭壁安裝，箭體外罩、安裝支架空間、強度有限，速率陀螺在發(fā)射、飛行階段要經(jīng)歷各級分離沖擊、振動等惡劣環(huán)境。

2.1 沖擊試驗

沖擊試驗用于檢查速率陀螺在箭上安裝狀態(tài)下沖擊環(huán)境的適應性，在滿足新一代運載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)的應用環(huán)境條件下，對速率陀螺儀開展大量級沖擊摸底試驗，試驗條件如表1所示，試驗時使用箭上安裝支架，控制傳感器安裝在試驗底板上。

表1 沖擊環(huán)境試驗條件 Tab.1 Environmental Test Conditions of Impact

按照GJB150.18A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》中“功能沖擊”規(guī)定的方法進行試驗?？刂苽鞲衅靼惭b在工裝上，測量傳感器安裝在產(chǎn)品安裝孔附近，對3只陀螺X、Y、Z方向各進行2次沖擊，典型輸出如圖6所示，實際控制如圖7所示，頻率范圍為1000～10 000 Hz，沖擊量級大于8000g、最大量級達10 000g以上，2次沖擊監(jiān)測結果一致，陀螺全過程輸出正常。沖擊結束后，對陀螺儀進行零位誤差和傳遞系數(shù)誤差等性能測試，其性能與沖擊前一致，本設計方案的速率陀螺儀具備抗8000g沖擊能力。

圖6 陀螺沖擊過程輸出 Fig.6 Gyroscope Impact Process Output

圖7 沖擊控制曲線 Fig.7 Impact Control Curve

2.2 高頻隨機振動試驗

高頻隨機振動環(huán)境試驗用于檢查速率陀螺在火箭飛行過程中對環(huán)境的適應性。在滿足新一代運載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)的環(huán)境要求下，進行了更大量級的摸底試驗，量級達到46g，以驗證陀螺抗高頻隨機振動的能力。

按照GJB150.18A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》中“一般振動”規(guī)定的方法進行試驗。把產(chǎn)品裝在振動工裝內，并裝卡在線振動臺上，與振動臺固連，控制傳感器安裝在工裝安裝孔附近，并處于對角線上，兩點平均控制。對X、Y、Z方向分別進行試驗，試驗過程中對光纖速率陀螺一直通電監(jiān)測其輸出。要求振動過程中產(chǎn)品輸出正常、沒有諧振點；振動前、振動后零位誤差滿足指標要求，試驗后產(chǎn)品外觀和機械性能滿足要求。本設計方案光纖速率陀螺46g隨機振動測試結果如圖8所示，試驗前后及試驗過程中陀螺輸出正常，各方向均無明顯諧振，陀螺儀具備抗46g高頻隨機振動的能力。

圖8 陀螺振動過程輸出 Fig.8 Gyroscope Random Vibration Output

3 結束語

通過對光纖速率陀螺結構、電路系統(tǒng)減振、光纖環(huán)及其安裝方法設計，提高陀螺的抗沖擊、振動性能，根據(jù)驗證結果，陀螺可以抗量級為8000g沖擊和46g高頻隨機振動，具有較高的抗力學環(huán)境能力，滿足新一代運載火箭控制系統(tǒng)高可靠性應用工程化的要求。