О световом компасе и не только

Потребность в толерантном и точному позиционировании сопровождала человечество издавна, причем любые погрешности в те времена неизменно влекли за собой серьезные трудности(с0).

С наступлением XX века ситуация осложнилась принципиально: стремительный рост скоростей сделал классические методы навигации малоэффективными.

Тем не менее, этот же период ознаменовался технологическим прорывом в данной сфере,

а именно — переходом к определению координат с помощью света!

 Впрочем, обо всем по порядку… 

Что приходит вам на ум при словосочетании «определение координат»? Вероятно, ассоциации вроде «ну… спутниковая группировка, навигатор» и всё в таком духе? 

А если под рукой нет ни спутников, ни навигатора (ведь так было далеко не всегда)? Прошлые поколения наверняка искали бы иные пути, а современному человеку сразу вспомнится гироскоп!  

Это изобретение поистине революционизировало навигацию. Если раньше путешественникам приходилось ориентироваться исключительно по внешним контурам — береговым линиям, небесным светилам, показаниям магнитного компаса и прочим приметам пути, — то с появлением гироскопа возникло гораздо более автономное и надежное решение. В его основе лежит фундаментальное свойство быстро раскрученного маховика сохранять неизменную ориентацию оси вращения при условии изоляции от внешних возмущений (например, крена или резких маневров судна). Для этого маховик стали помещать в карданный подвес, который позволяет аппарату свободно менять пространственное положение и угол наклона, практически полностью ограждая чувствительный элемент от внешних воздействий:

Как мы видим, оси рам в конструкции выше могут оснащаться специальными датчиками для высокоточного мониторинга углов поворота.

Первые образцы гироскопов начали конструировать еще в позапрошлом столетии, однако из-за отсутствия компактных и производительных электродвигателей те ранние попытки не привели к созданию совершенных приборов: из-за невозможности поддерживать непрерывное вращение маховики быстро теряли инерцию и останавливались.

Ситуация радикально изменилась с появлением электромоторов. Инженеры получили возможность поддерживать вращение маховика в течение неограниченного времени на впечатляющих оборотах*, что позволило устройству успешно противостоять даже экстремальным отклоняющим силам.

*По имеющимся историческим данным, уже к середине XX века механические гироскопические системы развивали скорость вращения до 24 000 об/мин при весьма скромных габаритах (диаметром менее 2,5 см).

Безусловным преимуществом механических гироскопов является их способность функционировать в изолированных условиях, независимо от видимости внешних ориентиров, а также в зонах сильных электромагнитных и магнитных помех.

Здесь стоит сделать важную ремарку: если классический гироскоп просто стремится сохранить пространственную ориентацию своей оси вращения, образуя в некотором роде автономную микросистему, то для практической навигации этого зачастую недостаточно.

Да, подобные приборы успешно применяются, например, для стабилизации курса летательных аппаратов, однако гораздо большую ценность представляет их трансформация в полноценные гирокомпасы. Для этого прибор необходимо «привязать» к географическим реалиям планеты, чтобы он непрерывно указывал на север (подробнее об этом можно прочитать здесь).

Тем не менее, механические гироскопы и гирокомпасы остаются громоздкими устройствами, сложными как в производстве, так и в текущем обслуживании… 

Достаточно упомянуть инженерные нюансы, без которых ресурс этих приборов резко сократился бы: гироскопы монтируются с использованием гидродинамических подшипников со спиральными канавками. Во время вращения они буквально затягивают смазывающую среду внутрь, формируя устойчивую несущую пленку, на которой «взвешен» вращающийся вал:

Эти канавки формируются методом высокоточного ионного травления, а готовые подшипники демонстрируют выдающуюся надежность: их наработка на отказ превышает 100 000 часов при ресурсе до миллиона циклов запуска и останова*.

*Подобные динамические системы часто оценивают именно по количеству пусков и остановок. Причина в том, что в момент старта, пока ротор еще неподвижен, он неизбежно соприкасается с поверхностью подшипника, вызывая повышенный механический износ.

Любопытно, что схожий физический процесс наблюдается и в винтовых воздушных компрессорах. В них два спиралевидных ротора, напоминающих сверла, вращаются вплотную друг к другу и нагнетают воздух, затягивая его в рабочие пазы. На начальном этапе разгона системы там также происходит кратковременный контакт сопрягаемых валов:

Как известно, со временем широкое распространение получили интегральные миниатюрные гироскопы, создаваемые по литографическим технологиям — МЭМС-устройства (микроэлектромеханические системы). По сути, это те же механические приборы, только микроскопических масштабов и вибрационного типа. Именно с ними большинство из нас сталкивалось на практике — хотя бы в составе популярных датчиков для микроконтроллеров вроде mpu-6050:

Логично предположить, что любая механическая архитектура неизбежно страдает от инерционности движущихся масс.

Иными словами, несмотря на популярность, классические гироскопы имеют жесткие ограничения в применении, поскольку плохо переносят серьезные физические перегрузки.

Тем не менее, именно такие жесткие требования к навигации предъявляло развитие техники XX века, особенно в военной сфере. И какое-то время механические системы справлялись с задачами, находя применение на тихоходных кораблях и самолетах.

Однако как поступить, если гироскоп необходимо разместить на борту ракеты? Практика показывает, что в определенный период инженеры использовали для этих целей даже механические решения (в сети можно найти немало разборов старых боеприпасов, где четко прослеживаются гироскопические узлы). Но это было скорее вынужденной мерой из-за отсутствия альтернатив.

Ситуация кардинально изменилась с изобретением лазеров в середине XX века, открывшим путь к созданию принципиально новых гироскопов, полностью лишенных движущейся механики! 

Принцип действия этого устройства настолько изящен и удивителен, что заслуживает самого пристального внимания…

Эта история берет начало в самом начале XX века и изначально была далека от задач навигации. Французский физик Жорж Саньяк (Georges Sagnac), стремившийся экспериментально доказать существование гипотетического «мирового эфира», поставил опыт, который оказал колоссальное влияние на всю дальнейшую физику. Чтобы разобраться в его сути, сделаем небольшое отступление… 

Как известно, свет обладает волновой природой и представляет собой электромагнитные колебания в широчайшем диапазоне частот (или длин волн). Часть из них воспринимается нашими глазами (видимый спектр), а часть остается невидимой (например, рентгеновские лучи или радиоволны).

Волновая природа света рождает множество удивительных феноменов. О некоторых из них мы уже упоминали ранее — например, об огибании препятствий световыми волнами и возникновении яркого пятна в центре тени за преградой («пятно Араго»). Более того, современные технологии позволяют фиксировать объекты, находящиеся вне зоны прямой видимости — например, за углом или на расстоянии в несколько километров! 

Кратко говоря: то, что недавно казалось фантастикой, сегодня стало реальностью — компьютер обрабатывает сложнейшую интерференционную картину рассеянного излучения, проникшего из-за угла, и реконструирует по ней исходный фронт волны. Возникает эффект «непрямого видения»: почему бы не рассмотреть человека в нескольких километрах за поворотом, находясь в укрытии…

Наложение световых волн друг на друга приводит к явлению, известному как «интерференция». В крайних проявлениях она бывает конструктивной, когда фазы волн совпадают, их амплитуды складываются, а итоговая яркость возрастает, и деструктивной, когда пик одной волны накладывается на впадину другой, приводя к их взаимной компенсации вплоть до полного исчезновения света.

Между этими двумя крайностями существует бесконечное множество промежуточных состояний в зависимости от фазового сдвига волн…

Процесс иллюстрирует схема ниже, где красным цветом обозначено усиление амплитуды (рост яркости) при совпадении световых пиков. Также заметен момент противофазы, когда пик зеленой волны совпадает с провалом синей, образуя красную нулевую линию — зону абсолютной темноты:

В результате в пространстве формируется характерное распределение зон освещенности, примеры которого приведены на иллюстрации ниже:

Используя этот физический эффект, Жорж Саньяк сконструировал устройство исключительной точности.

Суть его гениальной задумки заключалась в следующем (пояснение приведено под изображением): 

— луч от единого источника света направляется на полупрозрачное зеркало: одна часть пучка проходит сквозь него, а другая отражается вверх. Проходя через систему зеркал, оба луча движутся по замкнутому контуру навстречу друг другу в противоположных направлениях, после чего сходятся на регистрирующем детекторе (например, фотопластинке).

В результате на пластинке образуется интерференционный паттерн из чередующихся светлых и темных полос, схожий с теми, что мы видели на рисунках выше.

Что же происходит дальше? Представим, что вся эта оптическая схема смонтирована на вращающейся платформе. Если мы повернем ее в ту или иную сторону (скажем, вверх, если ориентироваться на схему), то луч, движущийся по направлению вращения (верхний), будет вынужден преодолеть чуть большую дистанцию до детектора. В то же время противоположный луч пройдет меньший путь, поскольку фотопластинка сместится ему навстречу. Иными словами, после старта фотона детектор продолжает движение и «убегает» от него! 

В итоге исходная интерференционная картина смещается: яркие полосы частично гаснут, а темные, напротив, светлеют. Визуально это воспринимается как сдвиг полос паттерна.

Исследования показали, что подобная схема обладает колоссальной чувствительностью к вращению и улавливает малейшие изменения оптического пути. Согласно данным, подобные приборы способны фиксировать угловую скорость вращения всего в 0,005 градуса в час! 

Правда, в начале XX века разработка осталась преимущественно лабораторным экспериментом. Настоящий триумф технологии наступил с изобретением лазеров и их полупроводниковых аналогов — вот тогда идея раскрыла свой потенциал в полной мере! 

Судите сами: абсолютное отсутствие механики, исключительная стойкость к перегрузкам, долговечность и высочайшая точность.

Для сборки такого гироскопа сегодня достаточно компактной бухты оптоволоконного кабеля:

А промышленные монолитные версии оптических гироскопов выглядят так, будто сошли с экранов фантастических фильмов (кстати, интересно, как там поживает Тони Старк? 🙂 ):

В дальнейшем этот же подход лег в основу многоосевых гироскопических систем, выполненных в виде единых моноблоков со встроенными зеркальными элементами:

Подводя итог, можно в очередной раз убедиться: фундаментальные идеи никогда не стоит списывать со счетов. Их переосмысление на новом технологическом уровне открывает горизонты, о которых авторы изначальных концепций даже не могли помыслить…

---

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей SE7ENа мы даем бонус 10% при первом пополнении.

 

Источник