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抗高过载微机械陀螺仪研究

惯性制导系统在制导炮弹中有着极其重要的作用，其中，微机械陀螺仪作为惯性制导系统的核心器件，其抗高过载能力直接制约着惯性制导系统在抗高过载环境中的应用。首先，对炮射膛内高过载环境进行了建模和量化，概括了微机械陀螺结构的高过载失效机理。其次，结合国内外相关机构公开发表的研究成果，从微机械陀螺仪的抗高过载特性的角度出发，介绍了不同测控方式、不同结构形式、不同结构材料、不同工作原理的微机械陀螺仪的抗冲击能力。最后，对相关报道和论文进行了总结和归纳，提出应从驱动-检测方式、合理的吸能释能结构配置、工作原理、新型结构材料、多级系统缓冲等方面设计和改进高过载微机械陀螺结构，以提高陀螺的抗高过载能力。从面向制导炮弹的应用背景出发,通过对膛内过载环境的量化分析,提出了弹载惯性制导系统中高过载微机械陀螺高过载能力的需求,并在此基础上,对微机械陀螺仪的失效机制进行了归纳和分析。结合国内外相关机构在抗高过载微机械陀螺方面的研究,总结归纳了不同测控原理、不同工作方式、不同结构形式的微机械陀螺仪的抗冲击能力。但目前并未出现任何在高过载(炮击)环境前后微机械陀螺参数未发生变化的报道,说明抗高过载微机械陀螺仪方面的研究工作还需要进一步深入开展,本文认为提高微机械陀螺仪抗高过载特性可从以下5个方面进行改进。 1)采用其他驱动-检测方式代替梳齿电容方式梳齿电容在过载时容易发生断裂和结构吸合以致陀螺结构失效,可采用电磁、磁阻效应等检测原理替代梳齿电容检测方式。 2)采用四波腹振型模态等工作方式代替线振动工作方式实验数据表明,四波腹振型模态工作方式在高过载状态下性能退化现象优于线振动工作方式的陀螺结构,尤其是在其全角工作模式下,通过四波腹相位信息反映输入角度,相位信息对冲击造成的线位移几乎不敏感。 3)采用合理的吸能和释能机构在现有结构中增加合理的吸能和释能机构以吸收和释放由于高过载产生的应力和能量以保护结构。 4)采用碳化硅等新材料代替硅材料充分利用碳化硅等新型抗高过载性能好的材料替代硅材料,达到提升高过载特性的目的。 5)采用多级抗过载防护技术提高陀螺整体抗过载能力可在 MIMU 外壳、陀螺外壳、陀螺结构外壳、陀螺结构基底等多个环节进行抗过载处理,分级吸收冲击应力波,最终提高陀螺整机抗过载能力。随着新原理和新材料的不断成熟和应用,高过载环境将不再成为微机械陀螺的禁区,如何能够降低成本和体积、提高产量和标定效率、与 MIMU 集成将是抗高过载微机械陀螺在下一阶段中亟待解决的问题。

中北大学 2021-04-11