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Giroscopio resonador hemisférico

Giroscopio resonador hemisférico (HRG)

El giroscopio resonador hemisférico (HRG), también llamado giroscopio de copa de vino o giroscopio de hongo , es un sensor de velocidad angular o de rotación compacto, de bajo ruido y alto rendimiento. Un HRG está hecho con una carcasa hemisférica delgada de estado sólido, anclada por un vástago grueso. Esta carcasa se impulsa a una resonancia de flexión mediante fuerzas electrostáticas generadas por electrodos que se depositan directamente sobre estructuras separadas de cuarzo fundido que rodean la carcasa. El efecto giroscópico se obtiene de la propiedad inercial de las ondas estacionarias de flexión. Aunque el HRG es un sistema mecánico, no tiene partes móviles y puede ser muy compacto.

Operación

El HRG utiliza una pequeña y delgada carcasa hemisférica de estado sólido, anclada por un vástago grueso. Esta carcasa se activa mediante una resonancia de flexión mediante fuerzas electrostáticas específicas generadas por electrodos que se depositan directamente sobre estructuras de cuarzo fundido separadas que rodean la carcasa.

En el caso de un diseño de una sola pieza (es decir, la carcasa hemisférica y el vástago forman una pieza monolítica [1] ) fabricado a partir de cuarzo fundido de alta pureza , es posible alcanzar un factor Q de más de 30-50 millones en vacío, por lo que los correspondientes recorridos aleatorios son extremadamente bajos. El factor Q está limitado por el revestimiento (una película extremadamente fina de oro o platino) y por las pérdidas de fijación. [2] Estos resonadores tienen que ajustarse mediante microerosión por haz de iones del vidrio o mediante ablación láser para que estén perfectamente equilibrados dinámicamente. Cuando se recubren, ajustan y ensamblan dentro de la carcasa, el factor Q permanece por encima de los 10 millones.

En la aplicación a la capa HRG, las fuerzas de Coriolis provocan una precesión de los patrones de vibración alrededor del eje de rotación . Provoca una precesión lenta de una onda estacionaria alrededor de este eje, con una velocidad angular que difiere de la de entrada. Este es el efecto de inercia de onda , descubierto en 1890 por el científico británico George Hartley Bryan (1864-1928). [3] Por lo tanto, cuando se somete a rotación alrededor del eje de simetría de la capa, la onda estacionaria no gira exactamente con la capa, pero la diferencia entre ambas rotaciones es, sin embargo, perfectamente proporcional a la rotación de entrada. El dispositivo es entonces capaz de detectar la rotación.

Los componentes electrónicos que detectan las ondas estacionarias también pueden controlarlas. Por lo tanto, los giroscopios pueden funcionar en un "modo de ángulo completo" que detecta la posición de las ondas estacionarias o en un "modo de reequilibrio de fuerza" que mantiene la onda estacionaria en una orientación fija con respecto al giroscopio.

Originalmente utilizado en aplicaciones espaciales (sistemas de control de actitud y órbita para naves espaciales), [4] el HRG ahora se utiliza en sistemas avanzados de navegación inercial , en sistemas de referencia de actitud y rumbo y en girocompases HRG . [5]

Ventajas

El HRG es extremadamente confiable [6] [7] debido a su hardware muy simple (dos o tres piezas de cuarzo fundido mecanizado). No tiene partes móviles; su núcleo está hecho de una parte monolítica que incluye la carcasa hemisférica y su vástago. [8] Han demostrado una confiabilidad sobresaliente desde su uso inicial en 1996 en la nave espacial NEAR Shoemaker . [9] [10]

El HRG es muy preciso [8] [11] y no es sensible a las perturbaciones ambientales externas. La carcasa resonante pesa solo unos gramos y está perfectamente equilibrada, lo que la hace insensible a las vibraciones, aceleraciones y golpes.

El HRG exhibe características SWAP (tamaño, peso y potencia) superiores en comparación con otras tecnologías de giroscopio.

El HRG no genera ruido acústico ni radiado porque la carcasa resonante está perfectamente equilibrada y funciona al vacío.

El material del resonador, el cuarzo fundido , es naturalmente resistente a la radiación en cualquier entorno espacial. [12] Esto confiere inmunidad intrínseca a los efectos nocivos de la radiación espacial al resonador HRG. Gracias al factor Q extremadamente alto de la capa resonante, el HRG tiene un recorrido aleatorio angular ultrabajo [9] y una disipación de potencia extremadamente baja.

El HRG, a diferencia de los giroscopios ópticos ( giroscopio de fibra óptica y giroscopio láser de anillo ), tiene memoria inercial: si se pierde la energía durante un corto período de tiempo (normalmente unos segundos), el elemento sensible continúa integrando el movimiento de entrada (velocidad angular) de modo que cuando la energía regresa, el HRG señala el ángulo girado mientras la energía estaba apagada.

Desventajas

El HRG es un dispositivo de muy alta tecnología que requiere herramientas y procesos de fabricación sofisticados. La electrónica de control necesaria para detectar y controlar las ondas estacionarias es sofisticada. Este alto nivel de sofisticación limita la disponibilidad de esta tecnología; pocas empresas eran capaces de producirla. Actualmente tres empresas fabrican HRG: Northrop Grumman [9] , Safran Electronics & Defense [13] y Raytheon Anschütz [14] .

El HRG clásico es relativamente caro debido al costo de los hemisferios huecos de cuarzo pulidos y esmerilados con precisión. Este costo de fabricación restringe su uso a aplicaciones de alto valor agregado, como satélites y naves espaciales. [9] Sin embargo, los costos de fabricación se pueden reducir drásticamente mediante cambios de diseño y controles de ingeniería. En lugar de depositar electrodos en un hemisferio interno que debe coincidir perfectamente con la forma del hemisferio resonante externo, los electrodos se depositan en una placa plana que coincide con el plano ecuatorial del hemisferio resonante. En esta configuración, el HRG se vuelve muy rentable y es adecuado para aplicaciones de alto grado pero sensibles al costo. [15]

Aplicaciones

Véase también

Referencias

  1. ^ "Resonador, resonador hemisférico GYRO". Archivado desde el original el 8 de diciembre de 2017. Consultado el 8 de diciembre de 2017 .
  2. ^ Sarapuloff SA, Rhee H.-N. y Park S.-J. Evitación de resonancias internas en un conjunto de resonador hemisférico de cuarzo fundido conectado mediante soldadura de indio //Actas de la 23.ª conferencia anual de primavera de la KSNVE (Sociedad coreana de ingeniería de ruido y vibraciones). Ciudad de Yeosu, 24-26 de abril de 2013. – P.835-841.
  3. ^ Bryan GH Sobre los latidos en las vibraciones de un cilindro giratorio o campana //Proc. de Cambridge Phil. Soc. 1890, 24 de noviembre. Vol. VII. Pt. III. - P. 101-111.
  4. ^ "Carcasa, giroscopio resonador hemisférico (HRG)". Archivado desde el original el 2017-07-31 . Consultado el 2017-07-31 .
  5. ^ "Safran Electronics & Defense registra pedidos de 3.000 sistemas de navegación inercial basados ​​en HRG en 2016, un nuevo récord". Safran Group . 2 de mayo de 2017. Archivado desde el original el 2021-11-27 . Consultado el 2021-11-27 .
  6. ^ "El giroscopio resonador altamente confiable de Northrop Grumman alcanza 25 millones de horas de funcionamiento en el espacio". Sala de prensa de Northrop Grumman . Consultado el 6 de diciembre de 2018 .
  7. ^ "El giroscopio resonador hemisférico de Northrop Grumman alcanza 50 millones de horas de funcionamiento en el espacio". Sala de prensa de Northrop Grumman . Consultado el 14 de agosto de 2019 .
  8. ^ abc Rozelle, David M. "El giroscopio resonador hemisférico: de la copa de vino a los planetas" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2013-09-21 . Consultado el 2014-02-26 .
  9. ^ abcd "Familia SIRU™ escalable" (PDF) . Northrop Grumman > Qué hacemos > Aire > Sistemas de navegación . Archivado (PDF) del original el 2023-05-13 . Consultado el 2023-05-13 .
  10. ^ "El giroscopio resonador hemisférico de Northrop Grumman alcanza un récord de 30 millones de horas de funcionamiento continuo". 19 de febrero de 2015.
  11. ^ Delhaye, Fabrice (2018). "HRG de SAFRAN: la tecnología que cambia las reglas del juego". Simposio internacional IEEE de 2018 sobre sensores y sistemas inerciales (INERTIAL) . págs. 1–4. doi :10.1109/ISISS.2018.8358163. ISBN . 978-1-5386-0895-1.S2CID21660204  .​
  12. ^ Jerebets, Sergei A. "Evaluación del giroscopio para la misión a Júpiter".
  13. ^ "HRG Crystal". 22 de marzo de 2018.
  14. ^ "Standard 30 MF - Brújula giroscópica sin mantenimiento". Archivado desde el original el 2019-08-21 . Consultado el 2019-08-21 .
  15. ^ "HRG de Sagem del laboratorio a la producción en masa". ResearchGate . Consultado el 13 de junio de 2019 .
  16. ^ "Preguntas frecuentes para científicos del telescopio Webb/NASA".
  17. ^ "REGYS 20 | Programas ARTES de la ESA".
  18. ^ "El sistema de navegación SpaceNaute de Safran elegido para el nuevo vehículo de lanzamiento Ariane 6". 30 de noviembre de 2016.
  19. ^ "Brújula giroscópica Horizon MF (HRG)". Archivado desde el original el 27 de febrero de 2014. Consultado el 26 de febrero de 2014 .
  20. ^ ab "Sagem presentará una amplia gama de productos bélicos en Defexpo 2014".
  21. ^ "Sagem ha presentado en Euronaval BlueNaute, un sistema de navegación inercial de nueva generación para buques". 30 de octubre de 2012.
  22. ^ "EURONAVAL 2018: Nueva familia de sistemas de navegación inercial naval de Safran". 24 de octubre de 2018.
  23. ^ "Safran Vectronix AG | Equipos optrónicos y tecnología de telémetros láser". Safran Vectronix . Consultado el 26 de febrero de 2020 .
  24. ^ Sagem obtiene un nuevo pedido de navegadores SIGMA 20 para los sistemas de armas tierra-aire de MBDA
  25. ^ "Sagem suministrará optoelectrónica para puestos de búsqueda y de lanzamiento para el nuevo misil de mediano alcance MMP de MBDA". Archivado desde el original el 7 de octubre de 2015. Consultado el 5 de octubre de 2015 .
  26. ^ Tran, Pierre (8 de junio de 2018). «Eurosatory: Este sistema de navegación de Safran no necesita GPS». Defense News . Consultado el 12 de junio de 2018 .
  27. ^ "Safran presenta el sistema de navegación inercial Geonyx para una PNT segura | Jane's 360". www.janes.com . Consultado el 29 de octubre de 2018 .
  28. ^ Sagem presenta el sistema de navegación inercial SkyNaute
  29. ^ "Sagem realiza la primera prueba de vuelo del sistema de navegación basado en HRG para aviones comerciales". 21 de noviembre de 2014.

Bibliografía