Giroscopio risonatore emisferico - Hemispherical resonator gyroscope

Giroscopio risonatore emisferico (HRG)

Il giroscopio risonatore emisferico (HRG), chiamato anche giroscopio a bicchiere di vino o giroscopio a fungo , è un sensore di velocità angolare o di rotazione compatto, a basso rumore e ad alte prestazioni. Un HRG è realizzato utilizzando un sottile guscio semisferico a stato solido, ancorato da uno spesso stelo. Questo guscio è portato a una risonanza flessionale da forze elettrostatiche generate da elettrodi che vengono depositati direttamente su strutture separate di quarzo fuso che circondano il guscio. L'effetto giroscopico è ottenuto dalla proprietà inerziale delle onde stazionarie flessionali. Sebbene l'HRG sia un sistema meccanico, non ha parti mobili e può essere molto compatto.

operazione

L'HRG si avvale di un piccolo guscio emisferico a stato solido sottile, ancorato da uno stelo spesso. Questo guscio è portato a una risonanza flessionale da forze elettrostatiche dedicate generate da elettrodi che vengono depositati direttamente su strutture separate di quarzo fuso che circondano il guscio.

Per un design a pezzo unico (cioè, il guscio emisferico e lo stelo formano una parte monolitica) realizzato in quarzo fuso ad alta purezza , è possibile raggiungere un fattore Q di oltre 30-50 milioni nel vuoto, quindi le corrispondenti passeggiate casuali sono estremamente bassi. Il fattore Q è limitato dal rivestimento (film estremamente sottile di oro o platino) e dalle perdite di fissaggio. Tali risonatori devono essere messi a punto mediante microerosione a fascio ionico del vetro o mediante ablazione laser per essere perfettamente bilanciati dinamicamente. Quando rivestito, messo a punto e assemblato all'interno dell'alloggiamento, il fattore Q rimane superiore a 10 milioni.

In applicazione al guscio HRG, le forze di Coriolis causano una precessione di modelli di vibrazione attorno all'asse di rotazione . Provoca una lenta precessione di un'onda stazionaria attorno a questo asse, con una velocità angolare diversa da quella di ingresso. Questo è l'effetto di inerzia delle onde, scoperto nel 1890 dallo scienziato britannico George Hartley Bryan (1864-1928). Pertanto, quando soggetta a rotazione attorno all'asse di simmetria del guscio, l'onda stazionaria non ruota esattamente con il guscio, ma la differenza tra le due rotazioni è comunque perfettamente proporzionale alla rotazione in ingresso. Il dispositivo è quindi in grado di rilevare la rotazione.

L'elettronica che rileva le onde stazionarie è anche in grado di guidarle. Pertanto, i giroscopi possono funzionare in una "modalità ad angolo intero" che rileva la posizione delle onde stazionarie o in una "modalità di riequilibrio della forza" che mantiene l'onda stazionaria in un orientamento fisso rispetto al giroscopio.

Originariamente utilizzato in applicazioni spaziali (Sistemi di controllo dell'assetto e dell'orbita per veicoli spaziali), l'HRG è ora utilizzato nel sistema di navigazione inerziale avanzato , nel sistema di riferimento di assetto e rotta e nella bussola giroscopica .

Vantaggi

L'HRG è estremamente affidabile grazie al suo hardware molto semplice (due o tre pezzi di quarzo fuso lavorato). Non ha parti mobili; il suo nucleo è costituito da una parte monolitica che comprende la conchiglia emisferica e il suo fusto. Hanno dimostrato un'affidabilità eccezionale sin dal loro utilizzo iniziale nel 1996 sulla navicella spaziale NEAR_Shoemaker .

L'HRG è altamente accurato e non è sensibile alle perturbazioni ambientali esterne. Il guscio risonante pesa solo pochi grammi ed è perfettamente bilanciato che lo rende insensibile a vibrazioni, accelerazioni e urti.

L'HRG presenta caratteristiche SWAP (dimensioni, peso e potenza) superiori rispetto ad altre tecnologie giroscopiche.

L'HRG non genera né rumore acustico né irradiato perché il guscio risonante è perfettamente bilanciato e opera sotto vuoto.

Il materiale del risonatore, il quarzo fuso , è naturalmente resistente alle radiazioni in qualsiasi ambiente spaziale. Ciò conferisce un'immunità intrinseca agli effetti dannosi delle radiazioni spaziali al risonatore HRG.

Grazie al fattore Q estremamente elevato del guscio risonante, l'HRG ha una camminata casuale angolare estremamente bassa e una dissipazione di potenza estremamente bassa.

L'HRG, a differenza dei giroscopi ottici ( FOG e RLG ), ha una memoria inerziale: se l'alimentazione viene a mancare per un breve periodo di tempo (tipicamente pochi secondi), l'elemento sensibile integra il moto in ingresso (velocità angolare) in modo che al ritorno dell'alimentazione , l'HRG segnala l'angolo ruotato nell'intervallo di perdita di potenza.

Svantaggi

L'HRG è un dispositivo altamente tecnologico che richiede strumenti e processi di produzione sofisticati. L'elettronica di controllo necessaria per rilevare e pilotare le onde stazionarie è alquanto sofisticata. Questo alto livello di sofisticazione limita fortemente la diffusione di questa tecnologia e solo poche aziende sono state in grado di svilupparla. Finora solo tre aziende producono HRG in serie: Northrop Grumman Corporation, Safran e Raytheon Anschutz.

L'HRG classico è relativamente costoso a causa del costo delle semisfere cave di quarzo cave rettificate e lucidate. Questo costo di produzione ne limita l'uso ad applicazioni ad alto valore aggiunto come satelliti e veicoli spaziali. Tuttavia, i costi di produzione possono essere drasticamente ridotti mediante modifiche di progettazione e controlli tecnici. Piuttosto che depositare elettrodi su un emisfero interno che deve corrispondere perfettamente alla forma dell'emisfero risonante esterno, gli elettrodi vengono depositati su una piastra piana che corrisponde al piano equatoriale dell'emisfero risonante. In tale configurazione, HRG diventa molto conveniente ed è adatto per applicazioni di alta qualità ma sensibili ai costi.

Applicazioni

  • Spazio — All'interno dell'autobus spaziale nel telescopio spaziale James Webb e in altri satelliti e veicoli spaziali
  • Mare:
    • Bussole giroscopiche marine esenti da manutenzione e sistemi di riferimento per l'atteggiamento e la rotta
    • Sistemi di navigazione navale sia per navi di superficie che per sottomarini
  • Terra — Localizzatori di bersagli, sistemi di navigazione terrestre e puntamento dell'artiglieria
  • Air — HRG sono pronti per essere utilizzati nei sistemi di navigazione per il trasporto aereo commerciale

Guarda anche

Riferimenti

Bibliografia

  • Lynch DD HRG Development presso Delco, Litton e Northrop Grumman // Atti del seminario dell'anniversario sulla giroscopia a stato solido (19–21 maggio 2008. Yalta, Ucraina). - Kiev-Kharkiv. ATS dell'Ucraina. 2009.
  • L.Rosellini, JM Caron - REGYS 20: Una promettente IMU basata su HRG per applicazioni spaziali - 7th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems. 2–5 giugno 2008, Tralee, Contea di Kerry, Irlanda
  • D. Roberfroid, Y. Folope, G. Remillieux (Sagem Défense Sécurité, Parigi, FRANCIA) - HRG e navigazione inerziale - Sensori e sistemi inerziali - Symposium Gyro Technology 2012
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  • Fabrice Delhaye - HRG by Safran - La tecnologia rivoluzionaria - 2018 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems - Lake Como, Italy
  • Fabrice Delhaye; Jean-Philippe Girault - SpaceNaute®, innovazione tecnologica di HRG per il sistema di riferimento inerziale avanzato del lanciatore spaziale - 25a Conferenza internazionale di San Pietroburgo sui sistemi di navigazione integrati 31 maggio – 29 maggio 2018, Russia
  • B.Deleaux, Y.Lenoir - Il navigatore inerziale puro più piccolo, preciso e affidabile al mondo: ONYX™ - Inertial Sensors and Systems 2018, Braunschweig - 12 settembre 2018, Germania
  • Y. Foloppe, Y.Lenoir - HRG CrystalTM DUAL CORE: Riavvio della rivoluzione INS - Sensori e sistemi inerziali 2019, Braunschweig - 10 settembre 2019, Germania
  • F. Delhaye, cap. De Leprevier - SkyNaute by Safran – Come la svolta tecnologica HRG beneficia di un dirompente IRS (Inertial Reference System) per aerei commerciali - Inertial Sensors and Systems 2019, Braunschweig - 11 settembre 2019, Germania