Четырехчастотный гироскоп: на шаг ближе к Арктике

От механики к лазерам

«Почему лазеры, почему навигация? Потому что считается, что уровень развития страны определяется тем, какого качества у нее есть навигационные системы, как ни странно это звучит», ― так отвечает Алексей Фомичев на вопрос о предпосылках создания и основания лаборатории. Речь идет о точном вычислении местоположения чего угодно. Легко ориентироваться, стоя на твердой поверхности; но стоит подняться в воздух, как земля улетает со скоростью 700 км/ч. Мы оказываемся в абсолютном пространстве, где важно точно знать свои координаты. Поэтому самолеты, ракеты и корабли нуждаются в качественных навигационных системах. 

В 1990 году сотрудники и выпускники МФТИ основали «ЛАЗЕКС» ― предприятие для исследования и разработки навигационных систем на основе лазерных гироскопов. Работа фирмы началась с первых лазерных систем по заказу «Аэрофлота», когда в большинстве самолетов использовали приборы на основе механических гироскопов. Они были не просто неточными, но и очень ненадежными. Так, среднее «время жизни» той навигационной системы равнялось всего 170 часам: пять раз слетать из Норвегии в Японию и обратно. Такое маленькое время работоспособности оборудования приемлемо в военных самолетах или в ракетах ― дольше и не нужно. Гражданская же техника должна работать десятки тысяч часов без нареканий. 

Уже в 95-м команда Фомичева оборудовала лазерными навигационными системами грузовые самолеты ИЛ-76. Первые «лазеры» по надежности не сильно отличались от механических предшественников, но спустя время сотрудники «ЛАЗЕКСа» добились десяти тысяч часов работы прибора. «Есть у нас лазерный гироскоп, который работает 10 тысяч часов и больше… Сейчас на Кубе летают самолеты с нашей навигацией уже по 17–18 тысяч часов. Механические системы столько «не живут»», ― комментирует Алексей Фомичев. 

 

Курс на Арктику

Два года назад завлабораторией и его сотрудники получили государственное задание на разработку высокоточного датчика для полетов в арктические регионы. «Вертолеты России» ожидают новую навигационную систему к 2022–2023 году. Алексей Фомичев признает, что времени мало. 

Навигация в Арктике сопряжена с проблемами, которых не возникает в остальных регионах. Туман, ветер, минус 50 за окном, а полярная станция одна в радиусе 300 километров ― если пролететь мимо, горючего на обратный путь может не хватить. Пилот в Арктике окружен белым безмолвием. Вероятность найти дорогу без высокоточной навигационной системы самостоятельно стремится к нулю. 

В таких условиях нужен точный и долговечный прибор, и лазерный гироскоп кажется подходящей «начинкой» для системы. Обычные лазерные гироскопы работают на основе эффекта Саньяка: изменение угловой скорости вращения пропорционально сдвигу по фазе встречных электромагнитных волн в кольцевом интерферометре. Но когда вертолет летит в арктических широтах, он находится в непосредственной близости от магнитного полюса, где магнитные поля меняются быстро и непредсказуемо. Поэтому из-за действия эффектов Фарадея и Зеемана у стандартных приборов возникает большая погрешность в определении углов курса. Точность ухудшается в несколько раз. 

Разрабатываемый лабораторией четырехчастотный лазерный гироскоп призван избавить датчик от ошибок, вызванных магнитными полями. Вместо двух стандартных волн в нем распространяются волны на четырех разных частотах: две с левой круговой поляризацией и две ― с правой. На волны левой и правой поляризаций магнитное поле действует ровно противоположно, то есть абсолютное значение погрешности одинаково, но отличается знак. Поэтому после усреднения сигналов магнитная составляющая обнуляется.

Хотя сам четырехчастотный гироскоп уже сконструировали, просто поставить его в самолет и полететь в Арктику не получится. Перед тем, как прототип на основе новых физических принципов станет прибором, его надо тщательно исследовать и разработать подходящее компьютерное обеспечение. Нужна цифровая электроника, чтобы вычислять координаты по показаниям гироскопов и акселерометров. «Поэтому мы рассчитываем изучить работу нашего гироскопа на стенде. Далее будем с индустриальными партнерами совместно производить прототипы таких приборов», ― планирует Алексей Фомичев. 

 

Тест-драйв гироскопа

В лаборатории не только проектируют, строят и исследуют датчики, но и пишут программы для преобразования результатов измерений в понятный человеку вид. Сотрудники могут собрать систему навигации от и до, остается только поставить в самолет. Ограничение техническое: чтобы качественно производить датчики сотнями штук, нужно оптимизировать процессы, необходимы специальные заводы. Такие фабрики в России есть. Роль лаборатории лазерных навигационных систем пионерная ― сделать прототип, пройти испытания. После этого можно запускать производство в индустриальном масштабе.

Испытания нового датчика ― как раз следующий пункт в чек-листе ученых. В декабре лаборатория получила от Физтеха высокоточный имитатор движения. Этот стенд калибрует ошибки во вращении гироскопов, запоминает их реальные, а не идеальные теоретические характеристики. В результате система обучается разным условиям эксплуатации. 

Одного гироскопа для испытаний в имитаторе движения недостаточно, потому что он измеряет угловую скорость вращения только по одной координате. Минимум два, а лучше три гироскопа становятся рабочим прибором только в комплекте с электроникой, которая по показаниям гироскопов вычисляет координаты. Калибровка такой сложной системы раньше занимала две недели. С появлением нового стенда можно уложиться в сутки.

 

Команда

В лаборатории сотрудников немного ― дюжина человек. У каждого своя задача. Алексей Фомичев помогает всем быть в курсе работы друг друга: если человек не понимает общей цели, вряд ли он правильно представляет себе конечный результат. Завлаб задает направление исследований и продумывает основные идеи. Ему и принадлежит идея четырехчастотного гироскопа.

В лаборатории работают аспиранты, несколько преподавателей, два доцента ― пока все физтехи. Штат будет расширяться: планируется взять в аспирантуру ребят и из МАИ. В приоритете молодые физики, которые продолжат исследования в лаборатории.

Сам Алексей Фомичев окончил аспирантуру на кафедре квантовой электроники. После выпуска работал в «Полюсе» ― базовом НИИ кафедры, а в 1975 году вернулся в МФТИ. В 90-м защитил докторскую диссертацию, основал «ЛАЗЕКС», в 94-м получил звание профессора. Сейчас он руководит лабораторией, «ЛАЗЕКСом» и работает заместителем руководителя кафедры квантовой электроники.