Родившись как приборы в начале XIX столетия, гироскопы прошли за это время солидную эволюцию — от маятника Фуко до небольшой коробочки, где бегают лазерные лучи, а момент вращения автоматически вычисляется цифровым процессором. Впрочем, в мире они шагнули еще дальше — и в смысле уменьшения габаритов за счет принципиально новых технических решений, и в смысле точности. Нам, как это уже стало привычно, в последние годы приходится усиленно догонять зарубежных «партнеров». Слава богу, что в системе Роскосмоса еще находятся энтузиасты, способные на прорыв в области инноваций.

Один из таких людей, чья группа после затянувшегося перерыва возобновила отраслевой «гироскопический» прогресс, — главный конструктор по направлению НПО измерительной техники, кандидат технических наук, член-корреспондент Российской академии космонавтики имени К.Э.Циолковского Альфред Пестунов.

Мы еще сможем удивить

— Создание нашего центра в НПО ИТ не вполне тривиальное,— рассказывает Альфред Николаевич. — Ведь нашу продукцию назвать «измерительной техникой» можно с большой натяжкой. В начале 1960-х годов, когда я пришел работать после окончания института, мы были структурным «гироскопическим» подразделением ЦНИИмаш. От составления научно-технических методик и написания заключений мы проделали путь к макетированию новых изделий и опытно-конструкторским работам по ним. В ЦНИИмаш в 1980-х годах наше направление активно поддержал Г.Г.Райкунов, взяв его под свое прямое подчинение. Неудивительно, что когда он возглавил НПО ИТ, часть людей перешла за ним сюда, с темой по созданию принципиально нового малогабаритного гироскопа. Это было очень перспективное направление НИОКР, заделы по которому легли в ту разработку, о какой мы здесь говорим.

Сегодняшняя специализация нашего центра — разработка систем управления и гироскопических приборов на основе волоконно-оптических гироскопов. К этим приборам предъявляются жесткие массогабаритные требования — ведь малогабаритные космические аппараты и ракеты, на которых они будут стоять, весят не более нескольких центнеров. Энергопотребление таких гироскопов также должно быть минимально, а ресурс работы, наоборот, максимальный.

Гироскоп — быстро вращающееся твердое тело, основа одноименного устройства, способного измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. Гироскоп изобрел Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. В 1852 году французский ученый Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления движения.

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения. Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применен в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолетах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Килограмм откровений

Рис. 1.

…На столе у Альфреда Пестунова лежит гироскопический прибор для космического аппарата «Фобос-Грунт» — коробочка размером с крупное яблоко традиционной алюминиевой «космической» окраски с надписью «бесплатформенный инерциальный блок». Весит этот блочок — всего килограмм, что, по крайней мере, на порядок меньше своих механических предшественников. В открытом космосе он будет выполнять важнейшую задачу — точно определять координаты летящего тела.

Моноблоки полностью герметичны и заполнены азотом, работают при любой космической температуре и давлении. Потребляет прибор всего около 8 Ватт от бортовой 27-вольтовой батареи. Существующие российские аналоги «кушают» электроэнергию гораздо прожорливей — десятками, а то и сотнями ватт! Объясняется такое расхождение параметров не только глубоко интегрированными мультифункциональными электронными платами, но и тем, что разработчикам подразделения Пестунова удалось отказаться от тяжелых защитных кожухов, обеспечивающих термозащиту нежной электронике. «А как же быть с точностью измерений?» — спросите вы. На это инженеры дали весьма остроумный ответ, поставив на каждый гироскоп свой предварительно откалиброванный чувствительный термодатчик. На специализированном испытательном стенде изучаются корреляции внешних температурных изменений и показаний гироскопа. Кривые этой корреляции закладываются в компьютерную программу, которая, подобно табличной «поправке на ветер» при артиллерийской стрельбе, автоматически исправит показания прибора, дав «поправку на температуру» в каждый дискретный момент.

Рис. 2.

Сам по себе метод известен, но не все готовы сделать на него основную ставку. Пестунов с коллегами сделали — и не прогадали. Все наземные испытания «бесплатформенный инерциальный блок» выдержал с честью. Заказчику — НПО имени Лавочкина — уже поставлено 16 таких приборов, полностью укомплектованы летные образцы. Если пуск по программе «Фобос-Грунт» состоится в этом году — новые российские бесплатформенные гироскопы выйдут на свою первую «надзорную» работу в космосе. Впрочем, не совсем первую.

— 5 декабря прошлого года состоялся пуск аналогичного прибора второго поколения на ракете «Тополь-Э»,— рассказывает Альфред Николаевич.— Мы его сделали как экспериментальный — на собственные деньги НПО ИТ. После этого он прошел через конкурс, который показал очень хорошие результаты — то есть прибор полностью выполнил свою задачу.

Как это работает?

Основаны новые российские инерциальные системы на волоконно-оптических гироскопах и маятниковых прецизионных кварцевых акселерометрах, которые определяют угловые скорости и линейные ускорения. Эти данные по кабелю через интерфейс «Манчестер-2» передаются в центральный бортовой компьютер, который обрабатывает ее и управляет летящим объектом.

Напомним слегка историю этой техники. До того как появились ЭВМ, способные в реальном времени обрабатывать такого рода информацию, гироскопы на космических аппаратах были механическими и использовались в составе трех или четырехосных гиростабилизированных платформ. Они принципиально не отличались от гирокомпасов, которые начали применяться на кораблях и самолетах еще в начале XX века. Массивная гиростабилизированная платформа имела большой вес и немалое энергопотребление из-за наличия электроприводов. Понятно, что вся эта конструкция была, ко всему прочему, очень «нежной».

К 70-м годам прошлого столетия обозначился переход от механических к твердотельным гироскопам — сначала к лазерным, затем к волоконно-оптическим, а также к построению бесплатформенных систем на их основе. В таких системах гироскоп и акселерометр жестко закреплены на изделии и вращаются вместе с ним. При этом цифровая машина вычисляет отклонения относительно начального положения осей, то есть выполняет роль карданова подвеса механических гироскопов. Это позволило резко уменьшить вес и размер гироскопических приборов.

В основе работы волоконно-оптического гироскопа лежит так называемый эффект Саньяка — появление фазового сдвига встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Внутри таких гироскопов витками закручено около полукилометра оптического волокна толщиной до 100 микрон. Излучатель испускает из этого волокна свет, который с помощью оптического делителя разветвляет его на два противонаправленных луча. Эти лучи вращаются в противоположные стороны. Если основание, на котором они установлены, тоже начинает вращаться, то разница в прохождении лучей в инерциальном пространстве дает информацию об угле вращения летящего тела. Интерференционная картина измеряется фотоприемником.

В одной килограммовой коробочке, созданной группой А. Н. Пестунова и умещающейся на ладони, находятся три таких гироскопа, в каждом из которых по три катушки с намотанным оптоволокном, по три излучателя фотоприемника акселерометра, а также обслуживающая аналого-цифровая аппаратура и вторичные источники питания — чтобы измерять вектор динамических параметров по трем пространственным осям координат: Х,Y, Z. Именно эти три заветные буквы и написаны на корпусе изделия.

Микромеханические датчики получили самое широкое распространение во многих приложениях, в том числе и в автомобильной электронике — в системах управления ДВС, системах безопасности и стабилизации движения, где требования к надежности и стойкости к механическим и климатическим воздействиям весьма высоки.

В настоящее время MEMS-системы переживают «волну коммерциализации». Переносные ПК оснащены трехосным акселерометром для защиты данных на жестком диске при случайном падении ноутбука. В ряде мобильных телефонов используются миниатюрные акселерометры сенсорной системы, что позволяет упростить пользовательский интерфейс. К впечатляющим достоинствам таких игровых устройств, как Nintendo Wii или Sony PS3, относится и технология определения пространственного положения игрового контроллера.

На рынке бытовой электроники спрос на эти датчики будет расти еще большими темпами. Например, датчики скорости рыскания применяются для повышения стабилизации изображения в видеокамерах и фотоаппаратах. Более того, предполагается реализовать сопряжение датчиков перемещения и навигационных приборов (в том числе электронных компасов) в модулях для измерения параметров движения, что позволит осуществлять персональную навигацию с помощью переносных устройств.

Рис. 3.

Энтузиазм стоит дорого

Подобная конфигурация, равно как и сам принцип действия, придумана давно и отнюдь не в НПО ИТ. Первыми такие бесплатформенные системы стали применять американцы еще в программе полета на Луну «Апполон». Кстати, именно работа подобного прибора спасла экипаж в знаменитом роковом полете «Апполона-13». Бесплатформенная система была размещена на борту лунного модуля. Когда после аварии топливной батареи экипажу пришлось обесточить основной корабль и перейти в лунный модуль, то в режиме строжайшей экономии электроэнергии управлять его курсом оказалось возможным только благодаря тому, что новая система весила и потребляла существенно меньше, чем гиростабилизированные платформы перелетного модуля.

Но в разработке королёвцев есть интересное отличие от «исторических аналогов»: оси чувствительности трех гироскопов между собой ортогональны (расположены под углом 90°), а посадочная ось основания прибора диагональна к ним. Это сделано для повышения надежности.

— На борту корабля «Фобос-Грунт» будут стоять по два таких прибора, — поясняет Альфред Николаевич, — на перелетном модуле и на возвращаемом аппарате. Это значит, что на каждом из них одновременно будут работать шесть гироскопов. Специальный алгоритм диагностики будет определять: если вышел из строя один из каналов, то он алгоритмически исключается из общей схемы. То есть заложена солидная «избыточность», совершенно необходимая для космической техники.

— В этом году мы должны сделать еще около десяти таких приборов для комплектации лунных программ — «Луна-Ресурс» и «Луна-Глоб», — продолжает Пестунов. — Два этих космических аппарата полетят и прилунятся на оба или на один полюс нашего спутника, ориентировочно в 2013 году. А вообще подобные бесплатформенные системы всегда разрабатываются с дальним прицелом на модернизацию под межпланетные перелеты, где экономится каждый грамм.

— Надо сказать, что работа по этим приборам шла практически на энтузиазме, — подчеркивает Альфред Николаевич. — Вложенные средства были непропорциональны полученной отдаче, на них нельзя было собрать большой крепкий коллектив, пользоваться всем лучшим, что предлагает рынок, работать методически и без авралов. Однако спасибо НПО имени Лавочкина за то, что вообще поверило и «вложилось» в наш проект!

— Небольшими силами лет пять мы работали по этому прибору при неопределенном режиме финансирования и потом еще года три — весьма интенсивно. Мы провели комплексную отработку и оптимизацию всей системы, — говорит Альфред Николаевич, — цифровых и аналоговых блоков, источников питания, создав принципиально новую отечественную гироскопическую аппаратуру.

Электронная база для приборов в рамках программы «Фобос-Грунт» — практически полностью зарубежная, а для задач, где она должна быть полностью отечественной, нам придется сильно изощряться, чтобы не потерять в весе и энергопотреблении.

Сейчас нашему прибору уже присвоена литера «О», и мы вышли на путь мелкосерийного производства. Хотя постоянное совершенствование, как я уже говорил, происходит. Мы стремимся и к уменьшению массо-габаритных характеристик и к повышению точности. Руководство НПО измерительной техники и в первую очередь генеральный директор — главный конструктор Владимир Артемьев поддерживает эту работу финансово и идеологически.

Группа исследователей из Телль-Авивского университета (Tel Aviv University) во главе с Коби Шойером (Koby Scheuer) разработала оптический гироскоп, размерами не превышающий булавочную головку. В отличие от обычных гироскопов, используемых в авиации и судах и весом почти килограмм, устройство вполне может быть интегрировано в чип. С другой стороны, при сопоставимых с MEMS-гироскопами размерах, используемых в мобильных телефонах и камерах, новинка обладает на порядки большей точностью.

Принцип действия этого оптического «наногироскопа» основан на измерении и сравнении изменений в длине волны микроскопических лазеров (десятки микрометров в диаметре) при вращении. Размеры гироскопа не превышают 1×1 мм и позволяют интегрировать его в чипы самого различного назначения. Использование таких гироскопов в мобильных телефонах даст точность позиционирования, намного превосходящую возможности гражданской GPS. Но наиболее интересным применением такого гироскопа может оказаться использование его в медицинских целях.

Высокая точность измерений позволит отказаться от традиционных методов отслеживания капсулы с лекарствами и датчиками в теле пациента, когда используются специальные и громоздкие сканирующие системы.

В настоящее время израильские инженеры создали только лабораторный экземпляр, готовое же изделие разработчики обещают предоставить для тестирования в течение нескольких лет.

Рис. 4. КА «Луна-Глоб» (изображение: журнал «Российский космос»).

Что нас губит

Задаю Пестунову самый больной для любого разработчика вопрос о коммерческом «спросе-сбыте».

— Потенциальные заказчики на приборы такого класса в стране есть, — уверенно говорит он, — но отношение у них «магазинное»: а не продадите ли нам готовый товар? Хотя ясно, что под каждую задачу создается свой уникальный прибор. Чтобы иметь на складе множество базовых «полуфабрикатов» под цели и типоразмеры потенциальных заказчиков, НПО ИТ пришлось бы вложить очень большие деньги, что объединение не может сделать по определению. Готовый «бесплатформенный инерциальный блок» стоит сегодня, по мнению потенциальных заказчиков, дороговато. В определенной мере это объясняется тем, что не всегда удается применить новейшие технологические решения, в ряде случаев неоправданно преобладает ручной труд. Плохо, что в очень многих высокотехнологичных видах производства мы в 1990-е годы остановились в развитии, а в некоторых и вовсе утратили.

Конкуренты? Конечно, они есть. И в России, и за рубежом, хотя американцы таких гироскопов не продают, аналоги можно купить в Германии или Франции, доработав их потом под свои задачи.

— Как вы оцениваете перспективы этого направления приборостроения в нашей стране?

— Где-то в 1984 году я участвовал в заседании Военно-промышленной комиссии, где речь шла, в частности, о развитии волоконно-оптической гироскопии в Советском Союзе. Вопрос ставился так: стране нужно выпустить, допустим, 10 000 ракет (цифра условная). Произвести для них такое количество механических гироскопов наши заводы не смогут. Поэтому надо наладить массовое производство гироскопов на новой научно-технической основе. Но технологического «рывка» не вышло: слишком велика оказалась инерция предприятий, десятки лет выпускавших до этого именно «механику». А потом пришла перестройка, массовые сокращения ракетных программ — что военных, что космических. В итоге до последних лет мы в целом оставались в этой области на уровне начала 1980-х годов. И только с начала 2000-х наша группа и еще несколько предприятий начали активно развивать волоконно-оптическую гироскопию. А наши западные «партнеры» за это время шагнули дальше, создав гироскопы следующего поколения. Речь идет о так называемых MEMS-системах — микромеханических гироскопах, использующих эффект Кориолиса и технологию кремниевых микросхем. Вес этих систем исчисляется уже в граммах.

— И все-таки: окупится ли в России серийный выпуск гироскопических систем, подобных вашей?

— Заказов на современные гироскопы именно в нашей космической отрасли сегодня, мягко говоря, немного. Несколько десятков или сотен приборов на ближайшие годы — это трудно назвать «рынком сбыта». Но есть перспективы использования этой техники для вполне земных нужд. Например, на диагностических железнодорожных вагонах — для определения качества железнодорожного полотна: наклона, сколов, трещин. Сейчас инерциальные системы стоят внутри вагонов и корректируются по спутнику, а информация о рельсах доходит с помощью специального датчика. Бесплатформенные приборы типа наших можно было бы установить на каждое колесо этих вагонов, обеспечив гораздо большую точность измерений.

Правда, массового производства под эти задачи тоже не получится: диагностических поездов немного, а оснащаются оборудованием они надолго.

И все же думаю, что в стране существует еще немало хозяйственных и научных сфер, где требуются такие компактные и точные приборы, как у нас. Кстати, повсеместное применение их в космической технике само по себе может способствовать ее эволюции к малогабаритным и при этом надежным в управлении аппаратам.

К тому же вряд ли стоит забывать и о другой стороне медали: эти разработки были, есть и будут стратегическими для нашей оборонной мощи. А что такое «окупаемость» по отношению к военной технике, я хоть убей не понимаю…