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光纖陀螺儀優勢顯著,目前已成為慣性導航的主流應用

發布時間:2024-01-24  來源:立鼎產業研究網  點擊量: 252 

武器平臺有望穩步增長,慣導系統作為先進武器配套將得到重點發展?!笆奈濉笔俏覈淦餮b備建設戰略窗口期,我國國防政策由“強軍目標穩步前進”轉變為“備戰能力建設”,武器裝備列裝由“研制定型及小批量建設”轉變為“備戰能力即將放量建設”,我國武器裝備采購重點方向以“未來作戰裝備”和“消耗性裝備”為標準,為我國先進武器平臺的穩步增長奠定基礎。根據2019年國務院發布的《新時代的中國國防》白皮書,十三五期間,我國殲-16、殲-20、直-20、運-20等一系列重點型號武器裝備進行了小批量生產,進入十四五需要通過大批量的裝備列裝正式形成我國軍工作戰能力體系,武器裝備放量建設是產業趨勢。慣性導航產品在我國軍用飛機上已有裝備,未來更高精度的慣導系統將滿足新型載體高精度導航需求。

精確制導是國防信息化的重要部分,制導彈藥裝備放量驅動慣性導航需求增長。導彈是最具消耗性的武器,據2019211日《解放軍報》報道,2018年槍彈、炮彈、導彈消耗分別是2017年的2.4倍、3.9倍、2.7倍,導彈消耗量呈逐年增加趨勢,并在十四五期間有望放量,重點方向包括:機載空空/空面彈、地空彈、巡航彈等,遠火空間廣闊。此外,在俄烏沖突中,俄軍采用慣性制導的制導方式摧毀烏軍防空導彈系統所使用伊斯坎德爾導彈以及X-101/102空射巡航導彈,實現戰術導彈在實戰中的成功應用。慣性制導憑借自主性強、隱蔽性好、機動、連續實時和不受氣候條件限制的優點,在戰場上需求有望持續上升。

慣性導航系統中,陀螺儀和加速度計等慣性傳感器是核心部件。陀螺儀以光的Sagnac效應為理論基礎,薩納克效應是相對慣性空間轉動的閉環光路中所傳播光的一種普遍的相關效應,即在同一閉合光路中從同源發的兩水束特征相等的光,以相反的方向進行傳播,最后匯合到同一探測點。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線,相對慣性空間存在著轉動角速度,則正、反方向傳播的光束走過的光程不同,就產生光程差,其光程差與旋轉的角速度成正比。只要知道了光程差及與之相應的相位差的信息,即可得到旋轉角速度。

Sagnac效應原理圖


資料來源:CNKI

常見的陀螺儀分為機械陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和MEMS,光纖陀螺儀優勢顯著。光纖陀螺儀與機械陀螺儀相比其優點是全固態、沒有旋轉部件和摩擦部件、壽命長、動態范圍大、瞬時啟動、結構簡單、尺寸小、重量輕,因此廣泛用于導彈制導、飛機船艦導航、軍用衛星與地形跟蹤導航等控制系統。光纖陀螺與環形激光陀螺相比,檢測靈敏度和分辨率提高了幾個數量級。光纖陀螺與MEMS陀螺相比,光纖陀螺在技術指標和環境適應性上更具有優勢,MEMS慣性器件雖體積更小,成本更低,但由于精度受限,無法達到軍用要求,目前更多應用于民用領域。

不同慣導實現方式對比


資料來源:公開資料

軍民品應用同時拓展,不同精度光纖陀螺儀發展潛力良好。軍用方面,飛機、艦艇、潛艇以及導彈均將裝備光纖陀螺用以導航和制導,衛星、宇宙飛船上也裝備光纖陀螺儀用于與地形跟蹤匹配和導向,在火箭發射場上用于火箭升空發射跟蹤及測定等。民用方面,光纖陀螺儀用于飛機導航、石油勘察、鉆井導向等。光纖陀螺儀最早由美國率先研制,并應用于軍事領域;隨美國之后,英、法、德、日及前蘇聯等國也先后開展了光纖陀螺的應用研究以裝備海軍和空軍。自20世紀70年代至今,光纖陀螺儀關鍵技術不斷取得突破,目前光纖陀螺儀的精度最高可達8×10-5°/h。

不同精度光纖陀螺的應用范圍


資料來源:CNKI

光纖陀螺儀已確立慣性導航領域主流地位。根據慣性導航系統應用場景、環境的差異,可將慣性導航系統按其使用的陀螺儀精度水平分為戰略級、戰術級和消費級三類。其中,光纖陀螺由于在角速率和加速度測量方面的優越性以及在動態范圍、靈敏度和可靠性方面的顯著優勢,目前已成為慣性導航應用主流。

不同陀螺儀對比


資料來源:CNKI


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