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(yīng)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(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，在運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。由于新一代運(yùn)載火箭助推器長細(xì)比較大，導(dǎo)致其參與控制過程中扭轉(zhuǎn)變形嚴(yán)重，使得箭體特性具有模態(tài)頻率低、彈性變形大等特點(diǎn)[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(yīng)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(fù)雜環(huán)境都要求陀螺儀保證火箭姿態(tài)信息的精度和實(shí)時性。

為了滿足光纖速率陀螺的耐惡劣環(huán)境應(yīng)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(shè)計，有助于進(jìn)一步提高光纖速率陀螺在新一代運(yùn)載火箭可靠性工程化的應(yīng)用。

1 光纖速率陀螺抗沖擊和振動設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

光纖速率陀螺正常工作時，解調(diào)信號的輸出為

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

在振動條件環(huán)境下，光纖環(huán)受振動應(yīng)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(qiáng)的變化，假設(shè)振動應(yīng)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(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制，此時陀螺儀輸出為

式中 KΔ為附加強(qiáng)度調(diào)制的幅度；θ為附加強(qiáng)度調(diào)制的初始相位；0VφΔ為附加相位調(diào)制的幅度；ΔK · sin （ω t+θ）為疊加的一個正弦強(qiáng)度調(diào)制；Δ φV0cos （ωt）為應(yīng)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(yīng)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(diào)信號的輸出表達(dá)式為

式（3）的第1項(xiàng)僅含有Sagnac相位差 sφΔ，為陀螺有效信號；第2項(xiàng)中當(dāng)幅度和相位為恒值時，為一個固定的旋轉(zhuǎn)角速率輸入，最終體現(xiàn)為陀螺零偏漂移；其余項(xiàng)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(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制的幅度成正比相位調(diào)制與強(qiáng)度調(diào)制的幅度越大，誤差也就越大。

光纖陀螺關(guān)鍵元件如敏感運(yùn)動的光纖環(huán)、光學(xué)器件（光源、耦合器、Y波導(dǎo)等）、連接光學(xué)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(jī)械結(jié)構(gòu)上。光纖陀螺工作在振動環(huán)境時，受到的一般是受迫隨機(jī)振動，而諧振作為振動的特殊狀態(tài)，存在于任何結(jié)構(gòu)體中，尤其是在諧振點(diǎn)上受迫振動加劇[4,5]。如果陀螺儀支撐結(jié)構(gòu)件的某一諧振頻率點(diǎn)與實(shí)際振動頻率重合，產(chǎn)生共振效應(yīng)，那么在該頻率點(diǎn)上的振動應(yīng)力將被放大，從而加大了相位調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制的幅度，增大陀螺輸出的振動誤差。因此，光纖陀螺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)件，本體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能直接影響陀螺儀的可靠性。本文設(shè)計的陀螺本體結(jié)構(gòu)一側(cè)中部有圓柱形凸起，用于安裝光纖環(huán)、耦合器和Y波導(dǎo)，對應(yīng)另一側(cè)圓柱狀凹陷結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝光源，陀螺電路系統(tǒng)通過支架安裝在本體結(jié)構(gòu)上。 對本體結(jié)構(gòu)的腰部法蘭位置進(jìn)行多位置加筋，進(jìn)行有限元分析，其一階模態(tài)分析如圖1所示，可見該結(jié)構(gòu)自身固有頻率高，可以達(dá)到5900 Hz以上，各個光學(xué)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(jié)構(gòu)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(shè)計

為提高速率陀螺內(nèi)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(jìn)行內(nèi)減振設(shè)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(jié)構(gòu)上。

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

針對內(nèi)減振結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，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(nèi)的各種振動響應(yīng)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(dǎo)致陀螺輸出故障。

圖3 T型減振器結(jié)構(gòu) 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(jié)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(jié)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(shí)現(xiàn)應(yīng)力的均勻分布，從而具有更低的局部內(nèi)應(yīng)力。光纖環(huán)浸膠技術(shù)可以減小在大量級振動下光纖環(huán)內(nèi)部的擠壓應(yīng)力，從而減小非互異效應(yīng)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(shè)計，選擇了成熟的大模量高強(qiáng)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(jié)構(gòu)對環(huán)氧樹脂膠充膠的最佳真空度進(jìn)行研究。真空度不高引起抽真空時間偏長是導(dǎo)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(dǎo)致光纖環(huán)局部光纖出現(xiàn)微彎現(xiàn)象，導(dǎo)致浸膠光纖環(huán)的溫度性能出現(xiàn)明顯劣化。通過試驗(yàn)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(zhì)量會影響光纖陀螺的可靠性。由于光纖環(huán)質(zhì)量較輕，通常不大于30 g，可以在光纖環(huán)底部、光纖環(huán)內(nèi)壁涂覆硅橡膠的方案，增大涂覆面積以提高粘結(jié)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(jié)劑均勻注膠，并充滿光纖環(huán)底部與本體之間的縫隙，進(jìn)一步增加硅橡膠粘結(jié)面積，該方案光纖環(huán)固化應(yīng)力分布均勻，并有利于應(yīng)力釋放，可以避免因固化應(yīng)力過大導(dǎo)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(diǎn)膠處的進(jìn)行8000g沖擊力學(xué)仿真，X軸沖擊仿真結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示固膠處最大的拉伸力小于固化用硅橡膠拉伸強(qiáng)度5.2 MPa，且固膠最大拉伸力位于光纖環(huán)軸向內(nèi)側(cè)壁與底部直角處，而內(nèi)側(cè)壁和底面固膠位置拉伸力所受拉伸強(qiáng)度很小，不影響光纖環(huán)粘貼可靠性，本文設(shè)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(xué)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(yàn)情況

光纖速率陀螺儀應(yīng)用于新一代運(yùn)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(jī)，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(qiáng)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(yàn)

沖擊試驗(yàn)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(yīng)性，在滿足新一代運(yùn)載火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境條件下，對速率陀螺儀開展大量級沖擊摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1所示，試驗(yàn)時使用箭上安裝支架，控制傳感器安裝在試驗(yàn)底板上。

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

按照GJB150.18A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》中“功能沖擊”規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)?？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(jìn)行2次沖擊，典型輸出如圖6所示，實(shí)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(dá)10 000g以上，2次沖擊監(jiān)測結(jié)果一致，陀螺全過程輸出正常。沖擊結(jié)束后，對陀螺儀進(jìn)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(shè)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(jī)振動試驗(yàn)

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

按照GJB150.18A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》中“一般振動”規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)。把產(chǎn)品裝在振動工裝內(nèi)，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(diǎn)平均控制。對X、Y、Z方向分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)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(diǎn)；振動前、振動后零位誤差滿足指標(biāo)要求，試驗(yàn)后產(chǎn)品外觀和機(jī)械性能滿足要求。本設(shè)計方案光纖速率陀螺46g隨機(jī)振動測試結(jié)果如圖8所示，試驗(yàn)前后及試驗(yàn)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(jī)振動的能力。

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

3 結(jié)束語

通過對光纖速率陀螺結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)減振、光纖環(huán)及其安裝方法設(shè)計，提高陀螺的抗沖擊、振動性能，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，陀螺可以抗量級為8000g沖擊和46g高頻隨機(jī)振動，具有較高的抗力學(xué)環(huán)境能力，滿足新一代運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)高可靠性應(yīng)用工程化的要求。