CC BY
11Электронный научный журнал "Математическое моделирование, компьютерный и натурный эксперимент в естественных науках" http://mathmod.esrae.ru/ URL статьи: mathmod.esrae.ru/39-150 Ссылка для цитирования этой статьи:
Изнаиров И.А., Сидорова М.А., Ефремов М.В., Барулина М.А., Губанов В.А. К вопросу использования систем на волоконно-оптических гироскопах в условиях ионизирующего излучения // Математическое моделирование, компьютерный и натурный эксперимент в естественных науках. 2022. №3
УДК 532.517.2:539.3 DOI: 10.24412/2541-9269-2022-3-33-37
К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ НА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПАХ В УСЛОВИЯХ ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Изнаиров И. А.1, Сидорова М.А.1, Ефремов М.В.1, Барулина М.А.2, Губанов В.А.1 1НПП Антарес, Россия, Саратов, [email protected] 2 Институт проблем точной механики и управления РАН, Россия, Саратов,
barulina@iptmuran. ru
ON THE QUESTION OF THE USE OF SYSTEMS ON FIBER-OPTIC GYROSCOPES IN CONDITIONS OF IONIZING RADIATION
Iznairov I.A.1, Sidorova M.A.1, Efremov M. V.1, Barulina M.A.2, Gubanov V.A.1 1Research and Production Enterprise Antares, Russia, Saratov, [email protected] 2 Precision Mechanics and Control Institute RAS, Russia, Saratov,
barulina@iptmuran. ru
Аннотация. В работе дано краткое описание опыта ООО НПП «АНТАРЕС» в разработке и использовании систем на волоконно-оптических гироскопах в летательных аппаратах, эксплуатирующихся в космическом пространстве в условиях ионизирующего излучения. Был проведен ряд натурных экспериментов, которые показали расхождение в прогнозах по изменению свойств оптического волокна, которые дает теория, и результатах, которые получаются на практике. По результатам работы был сделан вывод о необходимости пересмотра теоретических аспектов, по которым оценивается радиационная стойкость волокна в гироскопах.
Ключевые слова: волоконно-оптический гироскоп, ионизирующее излучение, радиационная стойкость
Abstract. The paper gives a brief description of the experience of NPP Antares in the development and use of systems based on fiber-optic gyroscopes in aircraft operating in outer space under conditions of ionizing radiation. A number of full-scale experiments were carried out, which showed a discrepancy in the predictions for the change in the properties of an optical fiber, which gives the theory, and the results that are obtained in practice. As a result of the work, it was concluded that it is necessary to revise the theoretical aspects by which the radiation resistance of
the fiber in gyroscopes is estimated
Keywords: fiber optic gyroscope, ionizing radiation, radiation resistance
В настоящее время волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) широко используются в системах управления движением космических аппаратов (СУД КА). В Российской Федерации разработкой ВОГ для космических применений и производством приборов на их основе занимаются ООО НПП «АНТАРЕС» (совместно с ЗАО «Физоптика»), ООО НПК «Оптолинк», НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПНППК), НПО ИТ, ФГУП «НПЦ АП им. академика Н.А.Пилюгина» и др..
Одним из лидеров по количеству применений ВОГ в СУД КА различного назначения является ООО НПП «АНТАРЕС». В период с 2005 г. по настоящее время на различных КА гражданского и двойного назначения («Ресурс-ДК», «Ресурс-П», «МКА-ФКИ», «Метеор-М» и др.) успешно эксплуатировалось 29 различных приборов разработки и производства ООО НПП «АНТАРЕС» или, в пересчете на измерительные оси, 94 ВОГ. Для сравнения, у европейского лидера в области волоконной гироскопии - компании IXSEA (Франция), входящей в европейский консорциум AIRBUS, по состоянию на январь 2022 г. в эксплуатации находилось 27 спутников и 104 ВОГ [1].
Используя опыт, накопленный ООО НПП «АНТАРЕС» за более чем двадцать лет разработки, производства и эксплуатации ВОГ, а также результаты анализа существующих трендов в создании приборов на основе ВОГ, можно сформулировать следующие перспективные задачи, стоящие перед современной волоконной гироскопией космического применения:
- повышение надежности ВОГ до уровня практической безотказности за назначенный срок активного существования (САС);
- минимизация массо-габаритных характеристик и энергопотребления до уровней, обеспечивающих конкурентоспособность ВОГ при использовании в малых космических аппаратах;
- обеспечение стойкости к накопленной дозе ионизирующего излучения космического пространства (ИИКП), соответствующей интенсивности и составу ИИ на целевых орбитах функционирования КА.
Необходимость минимизации массо-габаритных характеристик и энергопотребления является общемировым трендом. Появление технологий цифровой обработки сигналов, микромеханических систем, а также программируемых систем с низким энергопотреблением, привело к уменьшению размеров и энергопотребления электронных устройств, а за ними и спутников. Об этом можно судить даже по тому, что фирма IXBLUE, специализирующаяся на производстве высокоточных ВОГ, приступила к разработке трехосевого компактного прибора Astrix NS [2] с планируемым окончанием разработки в 2024 г.
ООО НПП «АНТАРЕС» также стремится к миниатюризации приборов и в
свою очередь были разработаны и выпущены такие приборы, как БИУС -РМ, ИПД ВО, ИПД-ВО-3, массо-габаритные характеристики которых приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Массо-габаритные характеристики БИУС-РМ, ИПД ВО, ИПД ВО-3 производства ООО НПП «АНТАРЕС» Россия
БИУС-РМ
Габариты 138х142х86 мм, Масса 1,2 кг.
Потребляемая мощность (max) 10 Вт.
ИПД ВО
Габариты 170x170x103 мм, Масса 1,9 кг.
Потребляемая мощность (max) 10 Вт.
Габариты 139х139х60 мм, Масса 1,1 кг.
Потребляемая мощность (max) 5,2 Вт. 3 ВОГ, 3 кварцевых акселерометра
ИПД ВО-3
Уменьшение массо-габаритных характеристик приборов привело к актуализации вопроса по обеспечению стойкости ВОГ к накопленной дозе ионизирующего излучения космического пространства (ИИКП).
Радиационные условия эксплуатации ВОГ весьма разнообразны, и накопленные дозы могут различаться на несколько порядков в зависимости от высоты орбиты и толщины защиты [3,4]. Для типовой для большинства КА массовой защиты 3 г/см2 можно условно выделить три диапазона высот -примерно до 1000 км, от 1000 до 5000 км, и свыше 5000 км. И при этом первый и третий диапазон можно будет назвать зонами с низкоинтенсивным ИИКП.
Стойкость ВОГ к ИИКП долгое время считалась недостаточной для его использования в космосе из-за образования так называемых наведенных оптических потерь (НОП) в волоконно-оптических элементах ВОГ, вызванных воздействием на них ИИКП. Такое мнение сформировалось в результате анализа различных опубликованных экспериментальных данных, которые свидетельствовали о высокой чувствительности волновых световодов к воздействию ИИ.
К примеру, сотрудниками Института общей физики Академии наук СССР в начале 90-х годов были проведены наземные эксперименты и были получены такие данные - ощутимые НОП возникают при поглощенной дозе в 1 крад, а при дозе в 10 крад потери достигают 50 дБ/км, что является критичным для волокна.
Но в орбитальном полете суммарная поглощенная доза ИИ может достигать 10 крад в зависимости от параметров орбиты и массовой защиты, но при этом она будет накапливаться около 10 лет при мощности облучения на 5 порядков меньшей, а это не может не сказаться на механизме образования НОП.
В подтверждение сказанного нами были проведены натурные эксперименты. В 2005 г. был запущен КА «Ресурс-ДК», на котором проводились испытания на подтверждение работоспособности ВОГ в условиях длительного воздействия факторов космического пространства, включая НОП. Для изучения проблемы влияния НОП контролировался ток потребления источника излучения каждого ВОГ (рис.1). По изменению тока можно судить о наличии и интенсивности НОП, так как наличие НОП должно приводить к росту тока потребления за счет работы встроенной системы компенсации оптических потерь.
Рис. 1. Ток потребления ВОГ БИУС ВОА
Как видно из рис.1, за 6 лет испытаний не было значительного увеличения тока потребления, что свидетельствует о том, что НОП или отсутствовали, или их уровень был достаточно мал.
Заключение
В результате более чем 6 лет испытаний не было установлено значительного увеличения тока потребления, что позволяет говорить об отсутствии радиационного повреждения волоконного контура. Таким образом, мы наблюдаем сильное расхождение теоретических и практических результатов, что приводит к необходимости пересмотра тех теоретических методов и положений, по которым оценивается радиационная стойкость ВОГ и его волокна в частности.
Литература
1. https://www. ixblue. com
2. https://www.ixblue.com/ixblue-officially-presents-astrix-ns-performances-at-ass-gnc-conference/
3. Райкунов Г.Г. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов. Москва Физматлит, 2013. С.72-75
4. Кузнецов Н.В. Радиационные условия на орбитах космических аппаратов. Сборник: Модель космоса Том: 1 / Под ред. М.И. Панасюка, 2007. URL: http: //nuclphys. sinp.msu. ru/cosm.
