El giroscopio resonador hemisférico (HRG), también llamado giroscopio de copa de vino o giroscopio en forma de hongo , es un sensor de velocidad angular o de rotación compacto, de bajo ruido y 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 por fuerzas electrostáticas generadas por electrodos que se depositan directamente sobre estructuras de cuarzo fundido separadas 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 hace uso de una pequeña cáscara hemisférica de estado sólido delgado, anclado por un vástago grueso. Esta carcasa es impulsada a una resonancia de flexión por fuerzas electrostáticas dedicadas generadas por electrodos que se depositan directamente sobre estructuras de cuarzo fundido separadas que rodean la carcasa.
Para un diseño de una sola pieza (es decir, la cáscara hemisférica y el vástago forman una parte monolítica [1] ) hecha de cuarzo fundido de alta pureza , es posible alcanzar un factor Q de más de 30-50 millones en vacío, por lo tanto, el las caminatas aleatorias correspondientes son extremadamente bajas. El factor Q está limitado por el recubrimiento (película extremadamente fina de oro o platino) y por las pérdidas de los accesorios. [2] Dichos resonadores deben ajustarse con precisión mediante micro erosión del vidrio con haz de iones o mediante ablación láser para que estén perfectamente equilibrados dinámicamente. Cuando está revestido, ajustado y ensamblado dentro de la carcasa, el factor Q permanece por encima de los 10 millones.
En la aplicación 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 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 carcasa, la onda estacionaria no gira exactamente con la carcasa, 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 giróscopo.
Originalmente utilizado en aplicaciones espaciales (sistemas de control de actitud y órbita para naves espaciales), [4] HRG se utiliza ahora en el sistema de navegación inercial avanzado , en el sistema de referencia de actitud y rumbo y en el girocompás . [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 concha hemisférica y su tallo. [8] Demostraron una fiabilidad excepcional desde su uso inicial en 1996 en la nave espacial NEAR_Shoemaker . [9] [10]
El HRG es muy preciso [11] [12] y no es sensible a las perturbaciones ambientales externas. La carcasa resonante pesa solo unos pocos gramos y está perfectamente equilibrada, lo que la hace insensible a vibraciones, aceleraciones y golpes.
El HRG exhibe características superiores de SWAP (tamaño, peso y potencia) en comparación con otras tecnologías de giroscopio.
El HRG no genera ruido acústico ni irradiado 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. [13] Esto confiere inmunidad intrínseca a los efectos perjudiciales de la radiación espacial al resonador HRG. [ cita requerida ]
Gracias al factor Q extremadamente alto de la carcasa resonante, el HRG tiene una caminata aleatoria angular ultrabaja [14] y una disipación de potencia extremadamente baja.
El HRG, a diferencia de los giroscopios ópticos ( FOG y RLG ), tiene memoria de inercia: si la energía se pierde por un período corto de tiempo (típicamente unos segundos), el elemento sensible integra el movimiento de entrada (velocidad angular) para que cuando vuelva la energía , el HRG señala el ángulo girado en el intervalo de pérdida de potencia.
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 algo sofisticada. Este alto nivel de sofisticación limita fuertemente la difusión de esta tecnología y solo unas pocas empresas pudieron desarrollarla. Hasta ahora, sólo tres empresas fabrican HRG en serie: Northrop Grumman Corporation, [15] Safran [16] y Raytheon Anschutz. [17]
El HRG clásico es relativamente caro debido al costo de los hemisferios de cuarzo hueco pulidos y rectificados con precisión. Este costo de fabricación restringe su uso a aplicaciones de alto valor agregado como satélites y naves espaciales. [18] No obstante, los costes 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 se vuelve muy rentable y es muy adecuado para aplicaciones de alto grado pero sensibles a los costos. [19]
Aplicaciones
- Espacio: dentro del autobús de la nave espacial en el telescopio espacial James Webb [20] y otros satélites y naves espaciales [8] [21] [22]
- Mar:
- Terrestre - Localizadores de blancos, [27] sistemas de navegación terrestre [24] [28] [29] y puntería de artillería [30] [31]
- Aire - Los HRG están preparados para ser utilizados en sistemas de navegación de transporte aéreo comercial [32] [33]
Ver también
- Giroscopio láser de anillo
- Brújula giroscópica HRG
- Giroscopio de fibra óptica
- Giroscopio
- Giroscopio de estructura vibrante
- Giroscopio cuántico
- Unidad de medida Inercial
Referencias
- ^ "Resonador, resonador hemisférico GYRO" .
- ^ Sarapuloff SA, Rhee H.-N. y Park S.-J. Evitación de resonancias internas en el ensamblaje del resonador hemisférico de cuarzo fundido conectado por 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.
- ^ Bryan GH en los golpes 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.
- ^ "Vivienda, giroscopio resonador hemisférico (HRG)" .
- ^ http://www.publicnow.com/view/601813DEDD48CD206D9593E2722478364FBC1BB7?2017-05-03-12:01:11+01:00-xxx5199
- ^ "El giróscopo de resonador altamente confiable de Northrop Grumman logra 25 millones de horas de funcionamiento en el espacio" . Sala de redacción de Northrop Grumman . Consultado el 6 de diciembre de 2018 .
- ^ "El giróscopo de resonador hemisférico de Northrop Grumman alcanza 50 millones de horas de funcionamiento en el espacio" . Sala de redacción de Northrop Grumman . Consultado el 14 de agosto de 2019 .
- ^ a b El giróscopo del resonador hemisférico: de la copa de vino a los planetas, David M. Rozelle
- ^ Giroscopio de resonador hemisférico
- ^ "El giróscopo de resonador hemisférico de Northrop Grumman alcanza un récord de 30 millones de horas de funcionamiento continuo" . 19 de febrero de 2015.
- ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Documents/hrg.pdf
- ^ Delhaye, Fabrice (2018). "HRG by SAFRAN: La tecnología revolucionaria". Simposio internacional IEEE 2018 sobre sensores y sistemas inerciales (INERCIAL) . págs. 1–4. doi : 10.1109 / ISISS.2018.8358163 . ISBN 978-1-5386-0895-1.
- ^ "Evaluación de giroscopios para la misión a Júpiter" (PDF) .
- ^ "SIRU - Unidad de referencia inercial escalable para el espacio" . Northrop Grumman . Consultado el 6 de diciembre de 2018 .
- ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Pages/default.aspx
- ^ "Cristal HRG" . 22 de marzo de 2018.
- ^ "Estándar 30 MF - Brújula giroscópica sin mantenimiento" .
- ^ "SIRU - Unidad de referencia inercial escalable para el espacio" . Northrop Grumman . Consultado el 6 de diciembre de 2018 .
- ^ "HRG by Sagem del laboratorio a la producción en masa" . ResearchGate . Consultado el 13 de junio de 2019 .
- ^ "Preguntas frecuentes para científicos Telescopio Webb / NASA" .
- ^ "REGYS 20 | Programas ARTES de la ESA" .
- ^ "El sistema de navegación SpaceNaute de Safran elegido para el nuevo vehículo de lanzamiento Ariane 6" . 30 de noviembre de 2016.
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 27 de febrero de 2014 . Consultado el 26 de febrero de 2014 .Mantenimiento de CS1: copia archivada como título ( enlace )
- ^ a b "Sagem destacará una amplia gama de productos de guerra en Defexpo 2014" .
- ^ "En Euronaval, Sagem presentó BlueNaute, un sistema de navegación inercial a bordo de barco de nueva generación" .
- ^ "EURONAVAL 2018: Nueva familia de sistemas de navegación inercial naval de Safran" .
- ^ "Safran Vectronix AG | Equipos optrónicos y tecnología de telémetro láser" . Safran Vectronix . Consultado el 26 de febrero de 2020 .
- ^ Sagem gana un nuevo pedido para navegadores SIGMA 20 en sistemas de armas tierra-aire MBDA
- ^ Sagem proporcionará optrónica de postes de disparo y buscador para el nuevo misil de alcance medio MMP de MBDA
- ^ 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 .
- ^ "Safran revela el sistema de navegación inercial Geonyx para PNT | Jane's 360" . www.janes.com . Consultado el 29 de octubre de 2018 .
- ^ Sagem presenta el sistema de navegación inercial SkyNaute
- ^ "Sagem realiza la primera prueba de vuelo del sistema de navegación basado en HRG para aviones comerciales" . 21 de noviembre de 2014.
Bibliografía
- Lynch DD HRG Development en Delco, Litton y Northrop Grumman // Actas del taller de aniversario sobre giroscopía de estado sólido (19-21 de mayo de 2008. Yalta, Ucrania). - Kiev-Kharkiv. ATS de Ucrania. 2009.
- L.Rosellini, JM Caron - REGYS 20: Una IMU basada en HRG prometedora para aplicaciones espaciales - VII Conferencia Internacional de la ESA sobre sistemas de guía, navegación y control. 2 a 5 de junio de 2008, Tralee, condado de Kerry, Irlanda
- D. Roberfroid, Y. Folope, G. Remillieux (Sagem Défense Sécurité, París, FRANCIA) - HRG y navegación inercial - Sensores y sistemas inerciales - Simposio Gyro Technology 2012
- A Carre, L Rosellini, O Prat (Sagem Défense Sécurité, París, Francia) HRG y North Finding -17a Conferencia Internacional de San Petersburgo sobre Sistemas Integrados de Navegación 31 de mayo - 2 de junio de 2010, Rusia
- Alain Jeanroy; Gilles Grosset; Jean-Claude Goudon; Fabrice Delhaye - HRG by Sagem del laboratorio a la producción en masa - Simposio internacional IEEE 2016 sobre sensores y sistemas inerciales
- Alexandre Lenoble, Thomas Rouilleault - IMU orientadas a SWAP para múltiples aplicaciones - Sensores y sistemas inerciales (ISS), 2016 DGON - Karlsruhe, Alemania
- Fabrice Delhaye - HRG by Safran - La tecnología que cambia el juego - Simposio internacional IEEE 2018 sobre sensores y sistemas inerciales - Lago Como, Italia
- Fabrice Delhaye; Jean-Philippe Girault - SpaceNaute®, avance tecnológico de HRG para el sistema de referencia inercial de lanzador espacial avanzado - 25a Conferencia internacional de San Petersburgo sobre sistemas de navegación integrados 31 de mayo - 29 de mayo de 2018, Rusia
- B.Deleaux, Y.Lenoir - El navegador inercial puro más pequeño, preciso y confiable del mundo: ONYX ™ - Sensores y sistemas inerciales 2018, Braunschweig - 12 de septiembre de 2018, Alemania
- Y. Foloppe, Y.Lenoir - HRG CrystalTM DUAL CORE: Rebooting the INS revolution - Inercial Sensors and Systems 2019, Braunschweig - 10 de septiembre de 2019, Alemania
- F. Delhaye, cap. De Leprevier - SkyNaute de Safran - Cómo el avance tecnológico de HRG beneficia a un IRS (Sistema de referencia inercial) disruptivo para aviones comerciales - Sensores y sistemas inerciales 2019, Braunschweig - 11 de septiembre de 2019, Alemania