Тепловая защита и термостабилизация волоконно-оптических гироскопов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

005555056

На правах рукописи

/

Громов Дмитрий Сергеевич

ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА И ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НОЯ 2014

Санкт-Петербург - 2014

!

005555056

Работа выполнена на кафедре компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга в ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шарков Александр Васильевич

Официальные оппоненты: Ханков Сергей Иванович

доктор технических наук Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского старший научный сотрудник

Романов Николай Николаевич

кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России доцент

Ведущая организация: ОАО "Авангард", г. Санкт-Петербург

Защита состоится 11 декабря 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.08 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, ауд. 2219, тел./факс (812) 315-30-15. Л^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан « » 2014

года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.08

д.т.н., профессор //' ^ Рыков Владимир Алексеевич

//

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

В современной гироскопии важной и актуальной задачей является обеспечение тепловых режимов гироскопов и навигационных систем на их основе. В частности, недостаточная проработанность способов тепловой защиты и термостабилизации волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) сдерживает рост точности их показаний и препятствует проникновению бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) на основе ВОГ в область среднеточной навигации в диапазоне точностей 10"2-10"3 °/ч.

Гироскопические приборы активно применяются во многих областях современной техники. Навигация - одна из тех сфер, в которых обойтись без них в настоящее время невозможно. Для обеспечения необходимой точности показаний к гироскопическим приборам предъявляются жесткие требования по температурному режиму. Для многих из них рабочий диапазон температуры окружающей среды находится в пределах от минус 50 °С до плюс 50 °С, в то время как требования к вариациям температуры на чувствительных элементах составляют ±0,1 К и точнее.

Волоконно-оптический гироскоп - один из наиболее активно развивающихся и перспективных типов гироскопов. Ожидается, что БИНС на базе ВОГ в ближайшее время будут способны заменить более сложные и дорогие приборы в области среднеточной навигации в диапазоне точностей (значения случайного дрейфа) 10"2-10"3 °/ч. Для обеспечения подобных точностей необходимо решение научной задачи, которая в том числе включает в себя: разработку адекватных тепловых моделей приборов, компьютерное моделирование протекающих в приборах тепловых процессов, проектирование средств тепловой защиты и систем термостабилизации.

Известно, что обеспечение указанной точности требует стабильности температуры по волоконному контуру вплоть до 0,01 К, что является крайне сложной задачей. Выделяют три основных пути решения проблемы влияния тепловых воздействий на точность ВОГ: конструктивные меры по усовершенствованию технологий изготовления отдельных узлов и компонентов гироскопа, особенно чувствительного элемента - оптоволоконного контура; методы алгоритмической компенсации теплового дрейфа гироскопа; выравнивание полей температур, тепловая защита и термостабилизация как непосредственно ВОГ, так и БИНС, созданных на их основе. Считается, что лишь комплексное применение всех вышеперечисленных подходов способно привести к достижению требуемых точностей. В данной работе рассматриваются способы, направленные на тепловую защиту и термостатирование ВОГ и БИНС на их основе. Расчет температурных состояний приборов с подобными уровнями точности поддержания температуры не является тривиальным. В настоящее время подобные задачи решаются аналитически, либо с помощью метода тепловых балансов или математического моделирования. Тем не менее, с учетом всех особенностей

конструкций приборов, необходимостью учета теплообмена кондукцией, конвекцией и излучением, указанные методы не кажутся оптимальными и не дают полного представления о тепловых режимах приборов.

Цель и задачи диссертационной работы

Основной целью диссертационной работы является разработка научно обоснованных методов и средств, направленных на обеспечение и поддержание необходимого теплового режима волоконно-оптических гироскопов и навигационных систем точностью 10"2-10"э 7ч на их основе, для обеспечения требуемых и улучшения существующих точностных параметров.

Для достижения настоящей цели были поставлены и решены следующие задачи:

Анализ существующих вариантов БИНС на основе ВОГ, выявление наиболее термочувствительных элементов, определение направлений усовершенствования конструкций.

Разработка тепловых моделей ВОГ и приборов на их основе.

Проектирование активной системы термостабклизации для БИНС на основе термоэлектрического охлаждения. Оптимизация создаваемых ей конвективных воздушных потоков в приборе.

Разработка методов термостатирования ВОГ, оценка вариантов усовершенствования конструкции прибора.

Определение эффективной теплопроводности намотки оптического волокна.

Методы исследования

Поставленные в работе задачи в основном решены с помощью применения метода конечных элементов, реализованного в современном программном обеспечении Autodesk Simulation CFD. Кроме того, расчеты и исследования проводились с использованием теории и методов термоэлектрического охлаждения, термостатирования, математического анализа и натурных экспериментов.

Научная новизна результатов работы:

1. Разработаны способы термостабилизации и тепловой защиты волоконно-оптических гироскопов от неравномерных в пространстве и времени внешних и внутренних тепловых воздействий.

2. Предложены тепловые модели и методики расчетов тепловых режимов приборов в виде системы тел с внутренними источниками теплоты в условиях свободного и вынужденного конвективного теплообмена с учетом теплового излучения в замкнутом объеме с помощью современного программного обеспечения.

3. Экспериментально и с помощью компьютерного моделирования получены новые данные по теплопроводности волокнистых структур, связанных компаундами и композитами.

4. Разработана методика выбора оптимальных параметров радиаторов системы термостабшшзации с помощью современного программного обеспечения.

Практическая ценность:

1. Результаты работы помогли получить в навигационных приборах на основе ВОГ значения точности 10'2 °/ч и подтвердили возможность достижения больших точностей, вплоть до Ю"3 °/ч.

2. Разработаны методики расчетов тепловых режимов приборов сложной конструкции с учетом термоэлектрических модулей, вентиляторов и распределенных нагревателей в современном программном обеспечении с помощью конечно-элементных методов.

3. Определена эффективная теплопроводность намотки оптического волокна.

4. Предложена методика определения теплового сопротивления радиаторов с помощью современного программного обеспечения.

Внедрение результатов

Результаты работы применены при разработке гироскопов и навигационных систем в ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", разработана, изготовлена, испытана и поставлена на объект бескарданная инерциальная навигационная система на основе волоконно-оптических гироскопов. Методики расчетов приборов с помощью современного программного обеспечения использованы в учебном процессе на кафедре КТФиЭМ Университета ИТМО при подготовке магистров по магистерской программе "Теплофизические процессы и технологии".

Личный вклад автора

Все расчеты и исследования по теме диссертации проведены лично автором под руководством научного руководителя при поддержке специалистов в области гироскопической техники. Подготовка публикаций, выступлений и патента на полезную модель проводилась совместно с соавторами, при этом вклад диссертанта был определяющим.

Положения, выпосимые на защиту:

1. Способы термостабилизации и тепловой защиты волоконно-оптических гироскопов от неравномерных б пространстве и времени внешних и внутренних тепловых воздействий, основанные на применении системы термостабилизации гироскопа в навигационной системе и использовании распределенных поверхностных нагревателей непосредственно в гироскопе.

2. Тепловые модели и методики расчетов тепловых режимов приборов в виде системы тел с внутренними источниками теплоты в условиях свободного и вынужденного конвективного теплообмена с учетом теплового излучения в замкнутом объеме с помощью современного программного обеспечения.

3. Экспериментально и с помощью компьютерного моделирования определенные значения эффективной теплопроводности намотки оптического волокна.

4. Методика выбора оптимальных параметров и определения теплового сопротивления радиаторов с помощью современного программного обеспечения.

Достоверность результатов

Достоверность результатов исследований подтверждается применением апробированных численных методов решения задач теплообмена, соблюдением принципов верификации созданных расчетных моделей, проведением соответствующих экспериментов и испытаний, как макетных моделей, гак и законченных приборов, как по тепловым, так и по конечным рабочим характеристикам.

Апробация

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII, XIII, XIV, XV и XVI конференциях молодых ученых в ОАО "Концерн "ЦНИИ "Элекгроприбор" (2010-2014 г.), XXVII конференции памяти H.H. Острякова (ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2010 г.), I, II и III всероссийском конгрессе молодых ученых (НИУ ИТМО, 2011-2014), XX международной научно-практической конференции "Современная техника и технологии" (г. Томск, ТПУ, 2014 г.) и ежегодных научно и учебно-методических конференциях (НИУ ИТМО, кафедры КТФиЭМ и ИНС, 2010-2014). Возможность и целесообразность применения использованного программного обеспечения в решении задач данного типа обсуждались на конференциях «Autodesk Simulation - инновационные технологии инженерного анализа» в 2013 году и "Решения Autodesk для строительства и машиностроения" в 2014. Всего за 4 года сделано 19 докладов на 16 конференциях. На XVI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" в 2014 году соискатель был награжден дипломом первой степени за лучший доклад, еще на двух конференциях - дипломами второй степени.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, среди которых 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК и патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из изложенных на 134 страницах печатного текста введения, 5-ти основных глав, заключения и списка литературы, включающего 81 наименование. В работе содержится 64 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов, изложены положения, выносимые на защиту, приведена информация о внедрении, достоверности и апробации результатов, подчеркнут личный вклад автора.

В первой главе проведен обзор литературных источников. В том числе описаны существующие современные типы гироскопов и тенденции в развитии гироскопических устройств. Рассмотрен принцип действия волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) и бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) на его основе, указаны основные составляющие части конструкции гироскопа, показаны преимущества и перспективность ВОГ по сравнению с другими типами гироскопов. Подробно

разобраны механизмы влияния тепловых воздействий на точностные характеристики прибора, описаны способы снижения этих влияний.

Графики на рисунке 1 показывают, как изменяется выходной сигнал гироскопа в БИНС под действием переменных внешних тепловых воздействий, созданных с помощью термокамеры. Из них следует, что при резких ступенчатых изменениях температуры окружающей среды в диапазоне от 15 °С до 35 °С разница между максимальным и минимальным значением скорости вращения, регистрируемой гироскопом, превышает 0,45 °/ч, в то время как для использования в БИНС необходимы гироскопы гораздо более точные. Рисунок 1 подтверждает высокую чувствительность ВОГ к резким перепадам температур окружающей среды и необходимость снижения этого влияния.

Температурный режим термокамеры

£ 20 I 15

^ 0 10 20 30

Время. 4

Температура волоконного контура

45 .... ,'Т".''

40 35 уг

\ V

25 20 ..... ЧУ \

: \ \\\\

Время, ч

Выходной сигнал ВОГ 2 Осреднение 15 мин

5 12.91-

Рисунок 1 - Влияние внешних температурных возмущении на выходной сигнал гироскопа в БИНС

Способы снижения влияния тепловых воздействий на точность показаний волоконно-оптических гироскопов можно разделить на 3 основных вида:

- Конструктивные меры по усовершенствованию технологий изготовления отдельных узлов и компонентов самого гироскопа или расположения элементов в БИНС.

- Температурная компенсация ВОГ, которая заключается в применении специальных алгоритмов для корректировки выходного сигнала гироскопа, находящегося под действием тепловых воздействий.

- Термостатирование и тепловая защита как БИНС в целом, так и непосредственно ВОГ в частности.

Из конструктивных методов при проектировании БИНС стоит отметить рациональное с точки зрения тепловых режимов расположение ВОГ и плат электроники в конструкции в целях уменьшения негативного влияния основных тепловыделяющих элементов на чувствительные элементы, отделение их экранами, теплоизоляцию ВОГ, применение теплостоков. Современное развитие волоконно-оптической гироскопии ведет к тому, что без

термостабилизации в настоящий момент задачу по достижению требуемых точностей решать гораздо сложнее, либо невозможно.

Работы по термостабилизации ведутся в двух основных направлениях:

- термостатирование всего объема БИНС с расположенными в нём ВОГ и другими элементами;

- увеличение равномерности температурных распределений внутри ВОГ с термостабилизацией волоконно-оптического контура (ВОК).

Кроме того, в первой главе описаны методы расчетов тепловых режимов приборов и устройств различной формы с помощью современного программного обеспечения (ПО). Описаны их преимущества перед ранее используемыми методами, показана потенциальная точность расчетов тепловых режимов при их применении.

Во второй главе описаны основные составляющие части БИНС на основе ВОГ, предложены тепловые модели двух навигационных систем, показаны результаты расчетов стационарных и нестационарных тепловых режимов бесплатформенного инерциального модуля (БИМ) и вращающегося инерциального модуля (ВИМ), приведены выводы по результатам расчетов и рекомендации по доработке конструкций в целях обеспечения требуемого теплового режима.

БИМ и ВИМ представляют собой системы тел (в тепловой модели каждого из приборов учтены 3 интерферометра, 3 акселерометра, несколько плат питания и управления, источник излучения, массивные основания, несущие элементы конструкции, защитные кожухи), взаимодействующих между собой в тепловом отношении за счёт процессов теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Теплообмен копдукцией, конвекцией и излучением во внутреннем объеме прибора рассчитан непосредственно в программе. Конвективно-лучистый теплообмен во внешнюю среду задан граничным условием 3-го рода на соответствующих поверхностях. Коэффициенты теплоотдачи в окружающую среду определены с помощью известных уравнений и законов теплообмена. В качестве начальной температуры всех элементов конструкции для нестационарных расчетов принята температура окружающей среды. Тепловыделяющими считаются интерферометры, акселерометры, источник светового излучения и платы электроники - всего 12 элементов в БИМ и 13 в ВИМ. Мощности их тепловыделений являются единственными внутренними возмущающими воздействиями в модели и постоянны во времени. Суммарные тепловыделения в БИМ составляют 29,5 Вт, в ВИМ - 34,5 Вт. Несущие конструкции и кожухи учтены в виде пассивных элементов. Единственное внешнее возмущающее воздействие - температура окружающей среды. Для стационарного расчета выбрано несколько её значений в диапазоне от 15 °С до 35 °С; для нестационарных расчетов - циклическое и ступенчатое изменение в пределах от 15 °С до 35 °С.

Интерферометры рассматриваются однородными, тепловыделяющими равномерно по всему объему, элементами. Отдельно были определены

эффективные (усредненные) теплоемкость, теплопроводность и плотность этих элементов. Акселерометры считаются элементами с объемными источниками тепловыделений, а платы ВОГ, БП, контролеры и вычислители — поверхностными. При проведении расчетов учтено, что основная часть ВИМ, включающая в себя массивное основание с закрепленными на нем акселерометрами, интерферометрами, платами и прочими элементами, вращается вокруг вертикальной оси с угловой скоростью 3 °/с.

Материалы, из которых изготовлены элементы конструкций, считаются изотропными и их теплофизические свойства не зависят от температуры. В расчетной модели учтены контактные тепловые сопротивления (КТС) в наиболее значимых с тепловой точки зрения контактах.

Для проведения расчетов тепловых режимов в ПО, основанном на методе конечных элементов, необходимо построить конечно-элементные сетки, которыми аппроксимируются элементы конструкций исследуемых приборов и их внутренние объемы. Сетки для расчетов сгенерированы с учетом рекомендаций, приведенных разработчиками используемого программного обеспечения с необходимыми уточнениями в местах возникновения максимальных градиентов температур. В рамках исследований по оптимизации сетки было проверено, что дальнейшее её измельчение и усовершенствование не ведет к существенному увеличению точности расчетов.

Задача теплообмена во внутреннем объеме прибора решается в трехмерной постановке с учетом тепловых связей между телами за счет кондукции, конвекции и теплового излучения в ПО Autodesk Simulation CFD. Результаты расчетов приведены в виде распределений температур по поверхностям и в сечениях приборов, скоростей движения воздуха в сечениях, графиков изменений температур в некоторых характерных точках. На рисунках 2 и 3 представлены некоторые результаты расчетов.

<3.3 0.2 0.1

-0.1 ; -0.2 ' -0.3 —

U

О

н"1

1 О! о о о

т. мин

Рисунок 2 — Изменение перепада температур между верхней и нижней точками интерферометра в БИМ при изменяющейся температуре окружающей среды

35 30 - 25

ч

15 10

т, мин

___ нижняя точка......верхняя точка----;■ среда_]

Рисунок 3 — Изменение температуры в верхней и нижней точке одного из интерферометров в ВИМ при переменной температуре окружающей среды

Данные, представленные на рисунках 2 и 3 показывают, что при переменной температуре окружающей среды перепады температур по поверхностям интерферометров в исследованных навигационных приборах достигают 1 К. Это приводит к появлению схожих градиентов температур по волоконно-оптическому контуру, что негативно сказывается на точности показаний гироскопа. Анализ результатов позволил предложить ряд рекомендаций по изменению конструкций БИНС, которые способны улучшить их характеристики, но этого оказалось недостаточно. Было принято решение, наряду с усовершенствованием компенсационных методов, разработать систему термостатирования для БИМ.

Сравнение экспериментально полученных графиков изменения температур внутри интерферометров с рассчитанными в рамках данной работы температурами на их поверхностях показало качественное соответствие и близкие значения температур. Оценка погрешности полученных результатов показала, что полученные значения температур определены с относительной погрешностью не более 20%. Это позволяет рекомендовать разработанные методы и тепловые модели для расчетов и обеспечения тепловых режимов приборов и устройств, представляющих собой систему тел с внутренними источниками тепловыделений, находящихся в среде с изменяющейся температурой.

В третьей главе обоснована необходимость создания системы термостабилизации (СТС) для БИМ. Поставлены основные задачи по проектированию и разработана концепция СТС, выбраны исполнительные и чувствительные элементы системы, определены параметры конструктивных элементов СТС, рассчитаны геометрические параметры радиаторов и выбраны вентиляторы для интенсификации теплообмена.

Основными задачами при проектировании СТС для БИМ с точки зрения тепловых режимов были:

— Минимализация градиентов температур по поверхностям интерферометров в составе БИМ в стационарном состоянии.

— Достижение постоянного во времени градиента температур по поверхностям интерферометров при переменных внешних тепловых воздействиях.

— Обеспечение необходимого времени готовности прибора (выхода на рабочий режим и температуру термостатирования при различных начальных и внешних температурах).

Общий вид макета БИМ с СТС представлен на рисунке 4. Его габаритные размеры не превышают 360 мм в дтину и ширину и 500 мм в высоту.

Рисунок 4 - Макет БИМ с СТС в разрезе

Основной контур СТС (внутренний) является замкнутым, циркуляция воздуха в нем осуществляется с помощью центробежного вентилятора 1. Воздух, выходящий из него в радиальном направлении, нагревается или охлаждается с помощью 12 расположенных по окружности ТЭМ 2 (для интенсификации теплообмена используются радиаторы 3), проходит в зазоре между внешним 4 и внутренним 5 кожухами, затем поднимается вверх, омывая элементы конструкции прибора 6, 7, и затягивается в СТС с помощью того же вентилятора, тем самым замыкая контур. Внешний же контур служит для теплообмена (снятия или подвода теплоты) с противоположных сторон ТЭМ и состоит также из вентилятора 8 и радиаторов 9. Забор воздуха осуществляется сверху, выход воздуха из прибора - с боковой поверхности. В верхней части прибора расположена плата питания 10, теплоотвод от которой осуществляется кондуктивно на верхнюю крышку 11, радиаторы разных контуров 7, 9 отделены друг от друга слоем тепловой изоляции 12, для снижения влияния внешних температурных возмущений на прибор в целом также используется тепловая изоляция 13.

Основными объектами термостатирования в данном случае являются интерферометры. В качестве исполнительных элементов использованы ТЭМ (возможно применение нагревателей), в качестве чувствительных элементов -

платиновые термометры сопротивления, для теплоизоляции термостатируемого объема от окружающей прибор среды служит теплоизолирующий кожух. На начальной стадии разработки СТС необходимо решить несколько важных вопросов, а именно: выбор ТЭМ и нагревателей, определение местоположений датчиков температуры, выбор вентиляторов и радиаторов для интенсификации теплообмена на рабочих поверхностях ТЭМ.

Основным критерием при выборе термоэлектрических модулей для СТС является заданное время готовности прибора. По формулам 1 и 2 были определены необходимые мощности нагрева и охлаждения в различных условиях эксплуатации прибора с учетом требуемого времени готовности прибора и выбранной температуры стабилизации:

/ натр — Ссумм" М /т - /'внутр Ризол ^ /'пи", (^)

Рош ~~ Ссумм • ДГ/т + Рвнугр + Ризол ^ -^НИЗ, (2)

где Ссуш„ Дж/К - суммарная теплоемкость системы; А7] К - разница температур между начальной температурой прибора и температурой стабилизации; т, с - время за которое необходимо осуществить прогрев; Ртгр, Вт - мощность, которую необходимо подводить в объем при нагреве прибора; ^ВНутрэ Вт мощность внутренних тепловыделений в приборе; Ризол, Вт -тепловой гтоток от прибора в окружающую среду через теплоизоляцию; Р1ШЗ, Вт — тепловой поток от прибора по элементам крепления; Рохл, Вт - мощность, которую необходимо отводить из объема при охлаждении прибора. Исходя из полученных значений, были выбраны ТЭМ. Для интенсификации теплообмена на их рабочих поверхностях использованы радиаторы, воздух через которые продувается с помощью вентиляторов.

Для определения необходимых параметров радиаторов была использована следующая методика:

1. Построенная трехмерная модель радиатора для одного ТЭМ заключается в расчетный домен (вспомогательный объем, необходимый для проведения расчетов), который по своим геометрическим параметрам максимально приближен к реальной геометрии сегмента в 1/12 части СТС.

2. На входе в домен задается расход воздуха, создаваемый вентилятором (G, м3/час), на основании радиатора — постоянный тепловой поток, имитирующий тепловыделения от рабочей поверхности ТЭМ (Р, Вт), температура воздуха на входе в радиатор также задается в виде граничного условия (ГВОзд, °С).

3. По итогам конечно-элементного расчета в среде Autodesk Simulation CFD определяется значение средней температуры основания радиатора (Тосн, °С).

4. Тепловое сопротивление радиатора R,h определяется по формуле Rih = (7 оси - Гвозд) IP и является величиной постоянной для радиатора с данными геометрическими параметрами при постоянном расходе воздуха.

5. Пункты 1-4 повторяются для моделей радиаторов с разными геометрическими параметрами и материалами. На основании сравнения рассчитанных значений R,h делаются выводы о наиболее эффективных параметрах радиатора.

В четвертой главе описаны результаты расчетов тепловых режимов БИНС с учетом применения ранее разработанной СТС. Определены распределения температур по поверхностям интерферометров ВОГ при различных температурах окружающей среды, определены максимальные температуры в БИМ в целом, показаны распределения скоростей движения воздуха в приборе, оценено наличие застойных зон и препятствий для свободного прохождения воздуха в приборе. Тепловая модель для расчетов аналогична описанной в главе 1 с поправками на учет СТС. Влияние СТС в большинстве расчетов учтено с помощью задания воздушного потока с постоянным расходом при температуре статирования на входе в прибор и того же постоянного расхода на выходе.

Для подтверждения возможности задания воздушного потока в виде равномерного распределения на входе и выходе из СТС были проведены расчеты с учетом модели вентилятора внутреннего контура. С помощью них определен эффективный расход воздуха во внутреннем объеме прибора. Дальнейшие исследования проводятся для модели БИНС с кожухами и направляющими для обеспечения циркуляции воздуха с заданием постоянного расхода воздуха. Расчеты проведены методом конечных элементов в программном обеспечении Autodesk Simulation CFD. На рисунке 5 в качестве примера показано распределение температур по интерферометрам ВОГ в составе БИНС с учетом работы СТС при температуре окружающей среды 15 °С и расходе воздуха G = 70 м3/ч. При этом температура воздуха на входе в прибор равна температуре термостабилизации Г„аб=35 °С, учтена тепловая изоляция из материала с тепловодностью X = 0,05 Вт/(м К) толщиной 2 см.

Рисунок 5 — Распределение температур по интерферометрам при ТС9 = 15 "С («х»—максимумы температур на поверхности каждого интерферометра, «о»

— минимумы)

В таблице 2 показаны рассчитанные максимальные и минимальные температуры по поверхностям интерферометров ВОГ с учетом

функционирования системы термостатирования при различных температурах окружающей среды.

Таблица 2 — Перепады температур по поверхностям интерферометров_

Интерферометр 1 Интерферометр 2 Инте рферометр 3

Т * ср» "с Т 1 макс* °с Т 1 мин? °с \Т, К Т Л макс» Т ' мин; "С АГ, К Т ' макс* °с Г 1 мнн» °с А Т, К

0 37,23 37,17 0,06 36,81 36,52 0,29 37,13 36,85 0,28

15 38,06 38,01 0,05 37,4 37,13 0.27 37,85 37,59 0,26

35 38,99 38,94 о.о 38,36 38,12 ..Л24 38,65 38,43 0,22

50 39,8 39,75 0.05 38,89 38,5 0.39 39,38 39,02 0,36

На рисунке 6 показаны изменения температуры в катушке интерферометра ВОГ и показания гироскопа в макете БИНС с СТС при изменяющейся температуре окружающей среды.

Температурный ражим термокамеры

Время, ч Температура вспоконного контура

14 15 16 17

Время ч

Выходной сигнал ВОГ X Осреднение 15 мин

Рисунок 6 — Изменение температуры и показания гироскопа в макете БИМ с СТС при изменяющейся температуре окружающей среды Сравнение настоящих результатов с подобными графиками для гироскопа в БИМ без СТС (рисунок 1) показывает эффективность предложенного метода термостабилизации: даже при резких изменениях температуры с 35 °С до 15 "С, изменения температуры волоконного контура не столь значительны. При этом разница между минимальным и максимальным значениями скорости вращения не превышает 0,03 °/ч, что существенно лучше аналогичных значений, полученных при функционировании прибора без СТС (рисунок 1).

В пятой главе описано решение задачи по созданию СТС для ВОГ, цель которой - термостабилизация волоконно-оптического контура гироскопа. В том числе описана конструкция интерферометра волоконно-оптического гироскопа, поставлена задача для исследований, создана и верифицирована тепловая модель интерферометра, предложена концепция СТС, определена эффективная теплопроводность намотки оптического волокна, приведены результаты расчетов тепловых режимов прибора, сделаны выводы и рекомендации по доработке конструкции прибора в целях достижения требуемых тепловых режимов.

Тепловая модель интерферометра создана по принципам, аналогичным ранее описанным в главе 1. Наиболее термочувствительным элементом ВОГ является волоконно-оптический контур, который представляет собой множество витков тонкого волокна, намотанного на керамическую катушку. Зазоры между слоями волокна пропитаны компаундом. Определение значения эффективной теплопроводности, необходимого для проведения расчетов, было произведено с помощью компьютерного моделирования и экспериментально.

Для расчета с помощью Autodesk Simulation CFD была создана расчетная ячейка, состоящая из нескольких волокон с зазорами, заполненными компаундом. На поверхности расчетной ячейки поочередно в трех перпендикулярных направлениях задавался определенный тепловой поток, рассчитывались температуры на границах ячейки и определялась эффективная теплопроводность намотки в каждом из этих направлений. По результатам серии расчетов получены значения для эффективной теплопроводности намотки оптоволокна в поперечном направлении Ах = 0,21 Вг/(м К) и вдоль волокон Я j = 0,23 Вт/(м К).

Для проведения экспериментальных исследований использована одна из действующих катушек интерферометра с намотанным на неё оптическим волокном и собрана экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 7.

Суть метода заключается в расчете теплопроводности, исходя из полученных экспериментально значений температур на внутренней и внешней поверхности катушки с намоткой и известного значения теплового потока, проходящего через неё. При этом считается, что тепловые потери на пути теплового потока от нагревателя к охладителю незначительны ввиду наличия массивной теплоизоляции. Влияние каркаса катушки на тепловой режим учтено в расчетах, так как его геометрические параметры и теплопроводность известны.

Рисунок 7 - Схема экспериментальной установки Для определения эффективной теплопроводности намотки в радиальном направлении с учетом влияния теплопроводности каркаса катушки использован метод расчета обобщенной тепловой проводимости ячейки, при котором катушка с намотанным волокном представляется в виде структуры с

замкнутыми включениями, которая для расчетов делится на части вспомогательными адиабатическими поверхностями. На рисунке 8 показано разделение рассматриваемой модели катушки с волокном адиабатическими поверхностями и схема соединения тепловых сопротивлений частей модели при таком разделении.

-------------------------------28.1 ---------

Т

я*

/ч /

К А

ал

X X X" X XX XX у УyvVV

xVxVv\

XXX XXЖXXXX) у yky у 4y У ¡i y V

vvrVvIv У Ч

X civ I X\ шК XoJ X\

/

4i X C ,

X /

A

d

-38

T

14

f

Рисунок S - Разделение адиабатическими поверхностями и схема соединения тепловых сопротивлений рассматриваемой модели Эффективная теплопроводность намотки оптического волокна определена по формуле: Xa = ln(r3/r2)/(2-7i- R2'L„), (3)

где г3 и г2, м - внешний и внутренний радиусы намотки оптического волокна; LH, м - ширина кольца намотки; R2, К/Вт - тепловое сопротивление намотки оптического волокна, которое определяется через значения температур на внутренней и внешней поверхности исследуемого образца, проходящий через него тепловой поток и тепловые сопротивления частей каркаса катушки.

По итогам обработки экспериментальных данных и расчетов получено, что среднее значение А,, составляет 0,23 Вт/(м К). Оценка случайной и систематической погрешности определения ^ дала значение относительной погрешности вычислений 17%. Следовательно, полученное экспериментально значение А,, лежит в пределах X,, = 0,23 ± 0,04 Вт/(м-К). Для дальнейших расчетов тепловых режимов интерферометра ВОГ будет использовано значение А,, = 0,23. Следует отметить, что рассчитанное в ПО Autodesk Simulation CFD значение 1l = 0,21 Вт/(м-К) находится в вышеуказанном интервале.

Расчеты стационарных тепловых режимов интерферометра проведены для существующей его конструкции при температуре окружающей среды TQр = 25 °С. Верификация созданной тепловой модели путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными показала расхождение не более 8%, что говорит о высокой степени адекватности созданной тепловой модели реальной конструкции.

Основным исполнительными элементами в системе термостабилизации интерферометра являются нагревательные элементы, которые выполнены посекционно на внешних поверхностях внутренних экранов интерферометра. Раздельное управление мощностями нагревателей осуществляется на основе показаний термодатчиков, изначально существующих в конструкции. Тем самым обеспечивается возможность локального подогрева той или иной

области ВОК в ответ на неравномерные внешние тепловые воздействия. Теплоизоляционные прокладки между основанием интерферометра и каркасом катушки препятствуют оттоку тепла на основание.

Результаты компьютерного моделирования на ранее созданной тепловой модели показали, что кроме применения системы термостабилизации целесообразно каркас катушки интерферометра выполнить из более теплопроводного материала, а его основание из как можно менее теплопроводного. Результаты расчетов интерферометра с учетом разработанной системы термостабилизации и предложенных доработок конструкции показали, что разница между минимумом и максимумом температуры по катушке интерферометра составляет не более 0,1 К, что и являлось конечной целью настоящих исследований.

На конструкцию интерферометра ВОГ с СТС получен патент на полезную модель "Интерферометр термостабилизированный". Эффективность разработанной СТС подтверждается результатами расчетов. Предложенные методики создания тепловых моделей и расчетов тепловых режимов подтверждены их сравнением с результатами экспериментов и могут быть рекомендованы для расчетов тепловых режимов приборов и устройств подобного конструктива.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложены способы тепловой защиты волоконно-оптического гироскопа от переменных во времени и пространстве внешних и внутренних тепловых воздействий, основанные на применении системы термостабилизации гироскопа в БИНС и подогревного термостата непосредственно в гироскопе.

2. Разработаны и верифицированы (экспериментально подтверждены) тепловые модели волоконно-оптического гироскопа и навигационных приборов на их основе.

3. Спроектирована реверсивная система термостабилизации для БИНС на основе ВОГ. Выбраны исполнительные, чувствительные, конструктивные элементы. Эффективность её применения подтверждена расчетами и результатами испытаний макетного образца.

4. Показаны способы расчетов тепловых режимов приборов в виде системы тел с внутренними источниками теплоты с помощью современного программного обеспечения, в том числе в условиях вынужденного конвективного теплообмена с учетом теплового излучения в замкнутом объеме.

5. Разработана система термостатирования для волоконно-оптического контура интерферометра ВОГ. Её эффективность подтверждена расчетами с помощью верифицированной тепловой модели прибора.

6. Получены экспериментально и с помощью компьютерного моделирования новые данные по эффективной теплопроводности намотки оптического волокна, метод определения можно применять для расчета теплопроводностей еолокнистых структур, связанных компаундами и композитами.

7. Разработана методика выбора оптимальных параметров радиаторов с помощью современного программного обеспечения, подходящая для радиаторов различных типов, видов и размеров.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Патент РФ:

1. Пат. полезная модель №140464 РФ. Интерферометр термостабилизированный / Громов Д.С. и др.; ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор". - №201403865/28; заявл. 04.02.2014; опубл. 10.05.2014. -2 е.-0,125/0,042п.л.

Публикации в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК:

2. Громов Д. С. Тепловой режим двухстепенного поплавкового гироскопа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - №3 (79). - С. 119-123. - 0,31 пл.

3. Громов Д. С., Шарков А. В. Тепловые режимы гироскопических приборов на базе волоконно-оптических гироскопов // Известия вузов. Приборостроение. - 2013. - т.56. №1. - С. 62-67. - 0,375/0,19 пл.

4. Громов Д.С. Тепловая защита и термостабилизация волоконно-оптического гироскопа в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2014. - №2 (90). - С. 137-142. - 0,375 п.л.

Прочие публикации:

5. Громов Д.С., Унтилов А.А., Чапурский А.П. Исследование тепловых режимов гироскопических приборов на базе волоконно-оптических гироскопов // Навигация и управление движением: Материалы докладов XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»/ Науч. редактор д.т.н. О.А.Степанов. Под общ. ред. академика РАН В.Г.Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2012. - С. 453-459. - 0,44/0,15 пл.

6. Громов Д.С. Снижение влияния температурных воздействий на точность показаний волоконно-оптических гироскопов // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Вып. 4. - СПб.: НИУ ИТМО,2013.- С.6-7- 0,12 пл.

7. Громов Д.С. Тепловая модель интерферометра волоконно-оптического гироскопа (реферат доклада) // Гироскопия и Навигация. - 2014. - №2 (85). -С. 132.-0,06 пл.

8. Громов Д.С., Чапурский А.П. Термостабилизация бесплатформенной инерциальной навигационной системы на основе волоконно-оптических гироскопов (реферат доклада) // Гироскопия и Навигация. - 2014. - №2 (85). -С. 105. -0,06/0,03 пл.

9. Громов Д.С. Термостабилизация волоконно-оптического гироскопа в целях повышения его точностных характеристик // Современные техника и технологии: сборник докладов XX Международной юбилейной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, том.З / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - С. 133-134. - 0,12 п.л.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел.(812)233 46 69. Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.