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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 en forma de hongo , es un sensor de rotación o velocidad angular compacto, silencioso y de alto rendimiento. Un HRG se fabrica utilizando una delgada capa semiesférica de estado sólido, anclada por un vástago grueso. Esta carcasa es impulsada 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 capa semiesférica de estado sólido, anclada por un vástago grueso. Esta carcasa es impulsada a una resonancia de flexión mediante fuerzas electrostáticas dedicadas generadas por electrodos que se depositan directamente sobre estructuras separadas de cuarzo fundido que rodean la carcasa.

Para un diseño de una sola pieza (es decir, la cáscara semiesférica y el vástago forman una parte monolítica [1] ) hecho de cuarzo fundido de alta pureza , es posible alcanzar un factor Q de más de 30-50 millones en el vacío, por lo que el correspondiente los paseos aleatorios son extremadamente bajos. El factor Q está limitado por el recubrimiento (película extremadamente fina de oro o platino) y por las pérdidas de fijación. [2] Estos resonadores deben ajustarse mediante microerosión del vidrio con haces de iones o mediante ablación láser para que estén perfectamente equilibrados dinámicamente. Cuando se recubre, se ajusta y se ensambla dentro de la carcasa, el factor Q se mantiene por encima de los 10 millones.

Aplicadas a la carcasa HRG, las fuerzas de Coriolis provocan una precesión de patrones de vibración alrededor del eje de rotación . Provoca una lenta precesión de una onda estacionaria alrededor de este eje, con una velocidad angular diferente a la de entrada. Se trata del efecto de inercia de las ondas , 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. Entonces el dispositivo puede detectar la rotación.

La electrónica que detecta las ondas estacionarias también puede impulsarlas. 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.

Utilizado originalmente en aplicaciones espaciales (sistemas de control de actitud y órbita para naves espaciales), [4] HRG se utiliza ahora en sistemas avanzados de navegación inercial , en sistemas de referencia de actitud y rumbo , y girocompáses 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 formado por una parte monolítica que incluye la cáscara semiesférica y su tallo. [8] Han demostrado una fiabilidad excepcional 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 perturbaciones ambientales externas. La carcasa resonante pesa sólo unos pocos gramos y está perfectamente equilibrada, lo que la hace insensible a 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 en 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 carcasa resonante, el HRG tiene un paseo 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 de láser anular ), tiene memoria inercial: si se corta la energía durante un corto período de tiempo (normalmente unos segundos), el elemento sensible continúa integrando el movimiento de entrada (angular). velocidad) de modo que cuando regrese la energía, el HRG indique 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 e impulsar las ondas estacionarias es sofisticada. Este alto nivel de sofisticación limita la disponibilidad de esta tecnología; pocas empresas pudieron producirlo. Actualmente hay tres empresas que fabrican HRG: Northrop Grumman , [9] Safran Electronics & Defense [13] y Raytheon Anschütz . [14]

El HRG clásico es relativamente caro debido al coste de los hemisferios de cuarzo huecos pulidos y rectificados 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 pueden reducirse 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 tal configuración, HRG resulta muy rentable y es muy adecuado para aplicaciones de alto nivel pero sensibles al costo. [15]

Aplicaciones

Ver 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 23ª Conferencia Anual de Primavera de la KSNVE (Sociedad Coreana de Ingeniería de Ruido y Vibraciones). Ciudad de Yeosu, 24 a 26 de abril de 2013. – P.835-841.
  3. ^ Bryan GH Sobre los ritmos de las vibraciones de un cilindro giratorio o una campana //Proc. de Cambridge Phil. Soc. 1890, 24 de noviembre. Vol. VII. Parte III. - Pág.101-111.
  4. ^ "Carcasa, giroscopio resonador hemisférico (HRG)". Archivado desde el original el 31 de julio de 2017 . Consultado el 31 de julio de 2017 .
  5. ^ "Safran Electronics & Defense registra pedidos de 3000 sistemas de navegación inercial basados ​​en HRG en 2016, un nuevo récord". Grupo Safran . 2 de mayo de 2017. Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2021 . Consultado el 27 de noviembre de 2021 .
  6. ^ "El giroscopio resonador altamente confiable de Northrop Grumman logra 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 logra 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 21 de septiembre de 2013 . Consultado el 26 de febrero de 2014 .
  9. ^ abcd "Familia SIRU ™ escalable" (PDF) . Northrop Grumman > Qué hacemos > Aire > Sistemas de navegación . Archivado (PDF) desde el original el 13 de mayo de 2023 . Consultado el 13 de mayo de 2023 .
  10. ^ "El giroscopio resonador hemisférico de Northrop Grumman logra un récord de 30 millones de horas de funcionamiento continuo". 19 de febrero de 2015.
  11. ^ Delhaye, Fabrice (2018). "HRG by SAFRAN: la tecnología revolucionaria". Simposio internacional IEEE 2018 sobre sistemas y sensores inerciales (INERIAL) . págs. 1–4. doi :10.1109/ISIS.2018.8358163. ISBN 978-1-5386-0895-1. S2CID  21660204.
  12. ^ Jerebets, Sergei A. "Evaluación giroscópica para la misión a Júpiter".
  13. ^ "Cristal HRG". 22 de marzo de 2018.
  14. ^ "Standard 30 MF - Giróscopo sin mantenimiento". Archivado desde el original el 21 de agosto de 2019 . Consultado el 21 de agosto de 2019 .
  15. ^ "HRG by Sagem del laboratorio a la producción en masa". Puerta de la investigación . 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 destacará una amplia gama de productos bélicos en Defexpo 2014".
  21. ^ "En Euronaval, Sagem presentó BlueNaute, un sistema de navegación inercial a bordo de barcos de nueva generación". 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 telémetro láser". Safran Vectronix . Consultado el 26 de febrero de 2020 .
  24. ^ Sagem gana un nuevo pedido de navegadores SIGMA 20 en sistemas de armas tierra-aire MBDA
  25. ^ "Sagem suministrará optrónica de buscador y postes de tiro para el nuevo misil de alcance medio 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". Noticias de defensa . Consultado el 12 de junio de 2018 .
  27. ^ "Safran revela el sistema de navegación inercial Geonyx para PNT seguro | Jane's 360". www.janes.com . Consultado el 29 de octubre de 2018 .
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  29. ^ "Sagem lleva a cabo la primera prueba de vuelo del sistema de navegación basado en HRG para aviones comerciales". 21 de noviembre de 2014.

Bibliografía