В России произошёл долгожданный прорыв в производстве гироскопов нового поколения

Родившись как приборы в начале XIX столетия, гироскопы прошли за это время солидную эволюцию — от маятника Фуко до небольшой коробочки, где бегают лазерные лучи, а момент вращения автоматически вычисляется цифровым процессором

Впрочем, в мире они шагнули еще дальше — и в смысле уменьшения габаритов за счет принципиально новых технических решений, и в смысле точности. Нам, как это уже стало привычно, в последние годы приходится усиленно догонять зарубежных «партнеров». Слава богу, что в системе Роскосмоса еще находятся энтузиасты, способные на прорыв в области инноваций. Один из таких людей, чья группа после затянувшегося перерыва возобновила отраслевой «гироскопический» прогресс, — главный конструктор по направлению НПО измерительной техники, кандидат технических наук, член-корреспондент Российской академии космонавтики имени К.Э. Циолковского Альфред Пестунов.

Мы еще сможем удивить

"Создание нашего центра в НПО ИТ не вполне тривиальное,— рассказывает Альфред Пестунов. — Ведь нашу продукцию назвать «измерительной техникой» можно с большой натяжкой. В начале 1960-х годов, когда я пришел работать после окончания института, мы были структурным «гироскопическим» подразделением ЦНИИмаш. От составления научно-технических методик и написания заключений мы проделали путь к макетированию новых изделий и опытно-конструкторским работам по ним. В ЦНИИмаш в 1980-х годах наше направление активно поддержал Геннадий Райкунов, взяв его под свое прямое подчинение. Неудивительно, что когда он возглавил НПО ИТ, часть людей перешла за ним сюда, с темой по созданию принципиально нового малогабаритного гироскопа. Это было очень перспективное направление НИОКР, заделы по которому легли в ту разработку, о какой мы здесь говорим.

Сегодняшняя специализация нашего центра — разработка систем управления и гироскопических приборов на основе волоконно-оптических гироскопов. К этим приборам предъявляются жесткие массогабаритные требования — ведь малогабаритные космические аппараты и ракеты, на которых они будут стоять, весят не более нескольких центнеров. Энергопотребление таких гироскопов также должно быть минимально, а ресурс работы, наоборот, максимальный".

Гироскоп — быстро вращающееся твердое тело, основа одноименного устройства, способного измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. Гироскоп изобрел Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. В 1852 году французский ученый Жан Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления движения.

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения. Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применен в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолетах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Килограмм откровений

На столе у Альфреда Пестунова лежит гироскопический прибор для космического аппарата «Фобос-Грунт» — коробочка размером с крупное яблоко традиционной алюминиевой «космической» окраски с надписью «бесплатформенный инерциальный блок». Весит этот блочок — всего килограмм, что, по крайней мере, на порядок меньше своих механических предшественников. В открытом космосе он будет выполнять важнейшую задачу — точно определять координаты летящего тела.

Моноблоки полностью герметичны и заполнены азотом, работают при любой космической температуре и давлении. Потребляет прибор всего около 8 Ватт от бортовой 27-вольтовой батареи. Существующие российские аналоги «кушают» электроэнергию гораздо прожорливей — десятками, а то и сотнями ватт! Объясняется такое расхождение параметров не только глубоко интегрированными мультифункциональными электронными платами, но и тем, что разработчикам подразделения Пестунова удалось отказаться от тяжелых защитных кожухов, обеспечивающих термозащиту нежной электронике.

«А как же быть с точностью измерений?» — спросите вы. На это инженеры дали весьма остроумный ответ, поставив на каждый гироскоп свой предварительно откалиброванный чувствительный термодатчик. На специализированном испытательном стенде изучаются корреляции внешних температурных изменений и показаний гироскопа. Кривые этой корреляции закладываются в компьютерную программу, которая, подобно табличной «поправке на ветер» при артиллерийской стрельбе, автоматически исправит показания прибора, дав «поправку на температуру» в каждый дискретный момент.

Сам по себе метод известен, но не все готовы сделать на него основную ставку. Пестунов с коллегами сделали — и не прогадали. Все наземные испытания «бесплатформенный инерциальный блок» выдержал с честью. Заказчику — НПО имени Лавочкина — уже поставлено 16 таких приборов, полностью укомплектованы летные образцы. Если пуск по программе «Фобос-Грунт» состоится в этом году — новые российские бесплатформенные гироскопы выйдут на свою первую «надзорную» работу в космосе. Впрочем, не совсем первую.

"5 декабря прошлого года состоялся пуск аналогичного прибора второго поколения на ракете «Тополь-Э»,— рассказывает Альфред Пестунов.— Мы его сделали как экспериментальный — на собственные деньги НПО ИТ. После этого он прошел через конкурс, который показал очень хорошие результаты — то есть прибор полностью выполнил свою задачу".

Как это работает?

Основаны новые российские инерциальные системы на волоконно-оптических гироскопах и маятниковых прецизионных кварцевых акселерометрах, которые определяют угловые скорости и линейные ускорения. Эти данные по кабелю через интерфейс «Манчестер-2» передаются в центральный бортовой компьютер, который обрабатывает ее и управляет летящим объектом.

Напомним слегка историю этой техники. До того как появились ЭВМ, способные в реальном времени обрабатывать такого рода информацию, гироскопы на космических аппаратах были механическими и использовались в составе трех или четырехосных гиростабилизированных платформ. Они принципиально не отличались от гирокомпасов, которые начали применяться на кораблях и самолетах еще в начале XX века. Массивная гиростабилизированная платформа имела большой вес и немалое энергопотребление из-за наличия электроприводов. Понятно, что вся эта конструкция была, ко всему прочему, очень «нежной».

К 70-м годам прошлого столетия обозначился переход от механических к твердотельным гироскопам — сначала к лазерным, затем к волоконно-оптическим, а также к построению бесплатформенных систем на их основе. В таких системах гироскоп и акселерометр жестко закреплены на изделии и вращаются вместе с ним. При этом цифровая машина вычисляет отклонения относительно начального положения осей, то есть выполняет роль карданова подвеса механических гироскопов. Это позволило резко уменьшить вес и размер гироскопических приборов.

В основе работы волоконно-оптического гироскопа лежит так называемый эффект Саньяка — появление фазового сдвига встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Внутри таких гироскопов витками закручено около полукилометра оптического волокна толщиной до 100 микрон. Излучатель испускает из этого волокна свет, который с помощью оптического делителя разветвляет его на два противонаправленных луча. Эти лучи вращаются в противоположные стороны. Если основание, на котором они установлены, тоже начинает вращаться, то разница в прохождении лучей в инерциальном пространстве дает информацию об угле вращения летящего тела. Интерференционная картина измеряется фотоприемником.

В одной килограммовой коробочке, созданной группой Альфреда Пестунова и умещающейся на ладони, находятся три таких гироскопа, в каждом из которых по три катушки с намотанным оптоволокном, по три излучателя фотоприемника акселерометра, а также обслуживающая аналого-цифровая аппаратура и вторичные источники питания — чтобы измерять вектор динамических параметров по трем пространственным осям координат: Х, Y, Z. Именно эти три заветные буквы и написаны на корпусе изделия.

Микромеханические датчики получили самое широкое распространение во многих приложениях, в том числе и в автомобильной электронике — в системах управления ДВС, системах безопасности и стабилизации движения, где требования к надежности и стойкости к механическим и климатическим воздействиям весьма высоки.

В настоящее время MEMS-системы переживают «волну коммерциализации». Переносные ПК оснащены трехосным акселерометром для защиты данных на жестком диске при случайном падении ноутбука. В ряде мобильных телефонов используются миниатюрные акселерометры сенсорной системы, что позволяет упростить пользовательский интерфейс. К впечатляющим достоинствам таких игровых устройств, как Nintendo Wii или Sony PS3, относится и технология определения пространственного положения игрового контроллера.

На рынке бытовой электроники спрос на эти датчики будет расти еще большими темпами. Например, датчики скорости рыскания применяются для повышения стабилизации изображения в видеокамерах и фотоаппаратах. Более того, предполагается реализовать сопряжение датчиков перемещения и навигационных приборов (в том числе электронных компасов) в модулях для измерения параметров движения, что позволит осуществлять персональную навигацию с помощью переносных устройств.

Энтузиазм стоит дорого

Подобная конфигурация, равно как и сам принцип действия, придумана давно и отнюдь не в НПО ИТ. Первыми такие бесплатформенные системы стали применять американцы еще в программе полета на Луну «Апполон». Кстати, именно работа подобного прибора спасла экипаж в знаменитом роковом полете «Апполона-13». Бесплатформенная система была размещена на борту лунного модуля. Когда после аварии топливной батареи экипажу пришлось обесточить основной корабль и перейти в лунный модуль, то в режиме строжайшей экономии электроэнергии управлять его курсом оказалось возможным только благодаря тому, что новая система весила и потребляла существенно меньше, чем гиростабилизированные платформы перелетного модуля.

Но в разработке королёвцев есть интересное отличие от «исторических аналогов»: оси чувствительности трех гироскопов между собой ортогональны (расположены под углом 90°), а посадочная ось основания прибора диагональна к ним. Это сделано для повышения надежности.

"На борту корабля «Фобос-Грунт» будут стоять по два таких прибора, — поясняет Альфред Пестунов, — на перелетном модуле и на возвращаемом аппарате. Это значит, что на каждом из них одновременно будут работать шесть гироскопов. Специальный алгоритм диагностики будет определять: если вышел из строя один из каналов, то он алгоритмически исключается из общей схемы. То есть заложена солидная «избыточность», совершенно необходимая для космической техники".

"В этом году мы должны сделать еще около десяти таких приборов для комплектации лунных программ — «Луна-Ресурс» и «Луна-Глоб», — продолжает Пестунов. — Два этих космических аппарата полетят и прилунятся на оба или на один полюс нашего спутника, ориентировочно в 2013 году. А вообще подобные бесплатформенные системы всегда разрабатываются с дальним прицелом на модернизацию под межпланетные перелеты, где экономится каждый грамм".

"Надо сказать, что работа по этим приборам шла практически на энтузиазме, — подчеркивает Альфред Пестунов. — Вложенные средства были непропорциональны полученной отдаче, на них нельзя было собрать большой крепкий коллектив, пользоваться всем лучшим, что предлагает рынок, работать методически и без авралов. Однако спасибо НПО имени Лавочкина за то, что вообще поверило и «вложилось» в наш проект!"

"Небольшими силами лет пять мы работали по этому прибору при неопределенном режиме финансирования и потом еще года три — весьма интенсивно. Мы провели комплексную отработку и оптимизацию всей системы, — говорит Альфред Пестунов, — цифровых и аналоговых блоков, источников питания, создав принципиально новую отечественную гироскопическую аппаратуру.

Электронная база для приборов в рамках программы «Фобос-Грунт» — практически полностью зарубежная, а для задач, где она должна быть полностью отечественной, нам придется сильно изощряться, чтобы не потерять в весе и энергопотреблении.

Сейчас нашему прибору уже присвоена литера «О», и мы вышли на путь мелкосерийного производства. Хотя постоянное совершенствование, как я уже говорил, происходит. Мы стремимся и к уменьшению массо-габаритных характеристик и к повышению точности. Руководство НПО измерительной техники и в первую очередь генеральный директор — главный конструктор Владимир Артемьев поддерживает эту работу финансово и идеологически".

Что нас губит

Задаю Альфреду Пестунову самый больной для любого разработчика вопрос о коммерческом «спросе-сбыте».

"Потенциальные заказчики на приборы такого класса в стране есть, — уверенно говорит он, — но отношение у них «магазинное»: а не продадите ли нам готовый товар? Хотя ясно, что под каждую задачу создается свой уникальный прибор. Чтобы иметь на складе множество базовых «полуфабрикатов» под цели и типоразмеры потенциальных заказчиков, НПО ИТ пришлось бы вложить очень большие деньги, что объединение не может сделать по определению.

Готовый «бесплатформенный инерциальный блок» стоит сегодня, по мнению потенциальных заказчиков, дороговато. В определенной мере это объясняется тем, что не всегда удается применить новейшие технологические решения, в ряде случаев неоправданно преобладает ручной труд. Плохо, что в очень многих высокотехнологичных видах производства мы в 1990-е годы остановились в развитии, а в некоторых и вовсе утратили.

Конкуренты? Конечно, они есть. И в России, и за рубежом, хотя американцы таких гироскопов не продают, аналоги можно купить в Германии или Франции, доработав их потом под свои задачи".

Как вы оцениваете перспективы этого направления приборостроения в нашей стране?

Где-то в 1984 году я участвовал в заседании Военно-промышленной комиссии, где речь шла, в частности, о развитии волоконно-оптической гироскопии в Советском Союзе. Вопрос ставился так: стране нужно выпустить, допустим, 10 000 ракет (цифра условная). Произвести для них такое количество механических гироскопов наши заводы не смогут. Поэтому надо наладить массовое производство гироскопов на новой научно-технической основе. Но технологического «рывка» не вышло: слишком велика оказалась инерция предприятий, десятки лет выпускавших до этого именно «механику». А потом пришла перестройка, массовые сокращения ракетных программ — что военных, что космических.

В итоге до последних лет мы в целом оставались в этой области на уровне начала 1980-х годов. И только с начала 2000-х наша группа и еще несколько предприятий начали активно развивать волоконно-оптическую гироскопию. А наши западные «партнеры» за это время шагнули дальше, создав гироскопы следующего поколения. Речь идет о так называемых MEMS-системах — микромеханических гироскопах, использующих эффект Кориолиса и технологию кремниевых микросхем. Вес этих систем исчисляется уже в граммах.

И все-таки: окупится ли в России серийный выпуск гироскопических систем, подобных вашей?

Заказов на современные гироскопы именно в нашей космической отрасли сегодня, мягко говоря, немного. Несколько десятков или сотен приборов на ближайшие годы — это трудно назвать «рынком сбыта». Но есть перспективы использования этой техники для вполне земных нужд. Например, на диагностических железнодорожных вагонах — для определения качества железнодорожного полотна: наклона, сколов, трещин. Сейчас инерциальные системы стоят внутри вагонов и корректируются по спутнику, а информация о рельсах доходит с помощью специального датчика. Бесплатформенные приборы типа наших можно было бы установить на каждое колесо этих вагонов, обеспечив гораздо большую точность измерений.

Правда, массового производства под эти задачи тоже не получится: диагностических поездов немного, а оснащаются оборудованием они надолго.

И все же думаю, что в стране существует еще немало хозяйственных и научных сфер, где требуются такие компактные и точные приборы, как у нас. Кстати, повсеместное применение их в космической технике само по себе может способствовать ее эволюции к малогабаритным и при этом надежным в управлении аппаратам.

К тому же вряд ли стоит забывать и о другой стороне медали: эти разработки были, есть и будут стратегическими для нашей оборонной мощи. А что такое «окупаемость» по отношению к военной технике, я хоть убей не понимаю…

5 мая 2011 года, 11:45