某型激光陀螺壽命分析與改進

何 婕

（空軍駐232廠軍事代表室，北京100094）

0 引言

激光陀螺原理基于Sagnac效應，具有高精度、高可靠等優點，已成為精密的慣性傳感器件[1]并廣泛應用。20世紀70年代末期，美國Honeywell公司突破了激光陀螺技術，經過近40年的發展，國外激光陀螺技術已經非常成熟，形成了一系列各具特色、從低精度到高精度完整覆蓋的系列化產品。

我國激光陀螺技術于20世紀90年代末取得了突破，此后以二頻機抖式激光陀螺為代表的高性能陀螺儀發展迅猛，已經全面應用到運載火箭、導彈武器、戰機、艦船、定位定向和衛星飛船等領域。

隨著型號應用的增多和使用要求的不斷提高，我國激光陀螺研究正從初期的重視精度性能研究，轉向加強可靠性和壽命方面的研究。據報道，國外以GG1342、GG1320為代表的高性能激光陀螺存儲壽命已經普遍高達30年，工作壽命達到2×105h，平均無故障時間（MTBF）達1.5×105h。 我國激光陀螺發展成熟較晚，壽命指標只是基于設計分析和短期工程驗證，缺乏準確、長久的數據支撐。此外，陀螺壽命相關的驗證方法和手段上還有欠缺。因此，開展激光陀螺壽命相關研究，對提高儀表成熟度，推進我國激光陀螺發展具有迫切和重要的現實意義[1-3]。

1 激光陀螺組成

激光陀螺組成與基本工作過程如下：對各類光學零件進行超精密加工，并裝配成一個穩定的環形光學諧振腔；然后在腔內充入高純氦氖氣體，由對應的高壓電路擊穿與放電驅動，產生穩定的激光。壓電式抖動機構與光學諧振腔連接，同時也安裝在基座上，由對應的抖動電路對諧振腔進行抖動驅動和控制。腔長控制機構與諧振腔上的可形變鏡片粘連，由對應的穩頻控制電路進行光路長度的精密驅動和控制。諧振腔輸出的激光經過頻差輸出機構后由光電探測器轉為差頻電信號，通過計數處理電路進行轉速信息的提取，輸出的轉速信息實時供給導航系統進行當前姿態和位置解算[4-7]，組成如圖1所示。

這其中，環形諧振腔是激光陀螺的功能核心。國內外研究均表明，諧振腔是決定其壽命的關鍵部件，這一點也在大量的應用中得到驗證。

2 影響陀螺壽命的機理研究

環型激光諧振腔的核心是一個高度密封的零膨脹微晶玻璃腔體，內部由相互連通的毛細孔、光闌、儲氣孔、電極孔、吸氣劑孔等構成，外部由3個金屬電極和4個玻璃材質反射鏡密封組成[8]。腔體內充有適當比例和氣壓（約1000Pa）的高純度氦－氖同位素氣體，研究表明腔內氦氖氣體的壓力、比例和純度會隨時間的變化，顯著改變諧振腔的增益系數，從而導致光強明顯下降。當光強降低到一定程度后，如低于光電接收最小響應或響應值超出后續電路處理下限，陀螺無法正常工作輸出，可認為達到壽命。試驗證明，某型陀螺腔內壓力下降到200Pa以下時，性能會明顯下降而失效。此外，腔內出現極微量的雜氣就可以引起陀螺性能的急劇下降，甚至不出光。例如，氫氣含量增加0.01%或氧氣體含量增加0.1%，激光光強都會下降40%左右[9]。

2.1 存儲壽命機理研究

存儲壽命是指陀螺在規定的環境條件下，不通電自然存儲保持其規定功能和性能的最長年限，國外激光陀螺的存儲壽命已達到了30年。存儲壽命主要取決于以下3個因素：1）陀螺腔體內表面和內部元件的放氣；2）用于吸收雜質氣體的消氣劑的能力；3）密封區質量及材料分子間隙引起的氦氖增益氣體外滲及外部雜氣滲入。

（1）陀螺內表面和內元件的放氣

任何材料在真空下都會釋放出一定量的氣體，放氣量取決于污染物種類、污染物含量和表面積等因素。激光陀螺要經過多道加工工序，生產周期長達半年，工件不可避免地殘留大量的油脂、粉末并吸附氣體。這些表面殘留的污染物和所吸附的氣體會不斷釋放出來，降低氦氖工作氣體的純度，從而降低陀螺輸出光強。因此，陀螺上的各類零件通常采用乙醇、丙酮和去離子水等多種溶劑進行嚴格的化學清洗，清洗后的零件再進行高真空加熱除氣，使零件表面放氣量大大減少。陀螺密封裝配后釋放出的殘余微量氣體再被吸氣劑吸除，使工作氣體維持在超高純度狀態，確保了儀表性能穩定及長壽命。嚴格仔細地清洗陀螺零件，是確保陀螺長壽命的基礎。

（2）氦氣的對外滲漏

陀螺內部的氦原子滲漏到外界，使得氣壓降低及氦氖比例失調，儀表性能下降，甚至無激光輸出。氦氣是自然界最小的并以原子形態存在的氣體，其漏率比通常的氮氣、氧氣和氖氣高兩個數量級以上，因此氦氣的滲漏在一定程度上決定了儀表的存儲壽命。陀螺制造過程要求每個儀表必須通過嚴格的氦質譜檢漏，經過數十個溫度循環后，氦漏率不高于 1×10－11Pa·m3/s。

陀螺內部的氣壓變化和漏率關系的公式如下：

式中，P為陀螺內部氦氣分壓，單位為Pa；P0為陀螺內部氦氣初始分壓，單位為Pa；Q為陀螺的氦滲漏率，單位為Pa·m3/s；V為陀螺的內容積，單位為m3。

漏率Q與陀螺內外氦氣壓差成正比，即Q＝BP，B為漏氣系數，單位為m3/s。帶入式（1）并按陀螺內外部大氣無氦的自然滲漏計算，得到：

式（2）說明：陀螺內部的氣壓變化是隨時間指數規律衰減，要提高激光陀螺存儲壽命，必須增大陀螺的內容積或減小氦氣的漏率。

（3）溫度對氦滲漏的影響

不同溫度下漏率也不同，氦氣在材料中的滲漏率隨溫度升高急劇增大。根據氣體在玻璃中滲透理論，氦氣穩定擴散時呈線性分布，即Fick第一定律滲透量：

K為滲透系數，單位為 Pa·m3/（s·cm2·Pa·mm－1），取決于材料和溫度；A為滲透元件表面積，單位為cm2；P為滲透元件兩側滲透氣體的壓差，單位為Pa；d為滲透元件的厚度，單位為mm。

滲透系數K是溫度的函數：

其中，k0為滲透常數，單位為Pa·m3/（s·cm2·Pa·mm－1）；E為滲透活化能，單位為 J/mol；R為Molar氣體常數，值為8.31，單位為 J/（mol·K）；T為絕對溫度，單位為K。

石英玻璃和微晶玻璃是激光陀螺常用的材料，石英玻璃滲透系數是微晶玻璃的數千倍，因此石英玻璃的氦滲透是主要的。石英玻璃在各溫度下的滲透系數如表1所示。

表1 石英玻璃對不同氣體的滲透系數KTable 1 Osmotic coefficient K of different gases in Quartz glass

（4）某型激光陀螺存儲壽命計算

根據式（2）和式（3），得到：

由某型陀螺結構分析可知，采用石英玻璃穩。陀螺工作頻反射鏡，其槽底部最薄處氦滲漏最大，其他部位氦滲漏基本可忽略，參數如表2所示。

表2 某型激光陀螺氦滲漏計算參數Table 2 Calculation parameters of osmotic coefficient of Helium of a type of RLG

計算得到不同溫度下存儲壽命，如圖3所示。

如果定義200Pa為陀螺壽命下限，則根據圖3得到在溫度低于50℃的存儲環境條件下，該型陀螺存儲壽命高達30年以上。

2.2 工作壽命機理研究

工作壽命是指陀螺儀在規定的工作環境條件下，通電工作保持其規定的功能和性能的最長時限，目前國外激光陀螺普遍達到了2×105h。

激光陀螺工作期間，啟用高壓將工作氣體電離，其中正離子能量遠高于電子并直接轟擊陰極，使其表面氧化層以原子量級逐漸消耗，即產生“微濺射”現象。該過程中，正離子特別是氖離子會嵌入到材料內部，另外陰極濺射物也會覆蓋和吸附工作氣體。這兩種物理機制均會改變工作氣體壓力和比例，造成光強下降，從而對陀螺工作壽命有重要影響。通常陰極特性決定了激光陀螺的工作壽命，陰極材料必須具有很高的抗濺射能力，材料雜質含量、表面狀態、放電環境氣壓、單位面積、電流等因素均可影響其抗濺射能力，其抗濺射能力可近似用式（7）表示：

其中，D為濺射率，I為電極表面的電流，S為電極面積，P為陀螺內部環境氣壓，K為與電極材料和形狀相關的參數[10-11]。某型陀螺了選用超高純鋁作為陰極材料，放電內表面為半球桶形，能夠支撐較長的工作壽命。

3 長壽命改進技術措施

在激光陀螺全生命周期內，存儲壽命和工作壽命的作用一直存在，且相互影響，當其中任何一個壽命達到陀螺不能正常工作的條件時，累計時長即成為儀表壽命。長壽命的核心是確保工作氣體的穩定，因此在儀表設計和制造工藝上，必須加強氣體所在內環境的 “密封性”和 “惰性”的研究，避免由于滲漏、吸附和化學反應等造成的工作氣體不穩定情況。

1）加強陀螺內表面的清洗，獲取超潔凈表面。可采用純度更高、溶解性更強、殘留更少的化學溶劑清洗陀螺儀，同時結合射頻等離子物理清潔技術，進一步去處溶劑的殘余污染。

2）提高陀螺氣密材料的致密性，消除材料微缺陷。采用微晶玻璃作為反射鏡基材，可將反射鏡滲氦率降低到石英玻璃的數千分之一，從而大大提高激光陀螺的存儲壽命。

3）選取抗濺射更好的材質作為陰極。高純鈹是長壽命激光陀螺陰極的首選材質，通過適當的表面處理技術，在放電面形成厚度適中、致密穩定的氧化鈹保護層，使得陰極具有優異的電子發射特性和抗濺射能力，從而大幅提高工作壽命。

4）在確保陀螺正常工作的情況下，盡量選用低的氣體放電電流。低電流使陰極表面的電流密度下降，延緩氧化層的消耗。一種有效的方法是根據陀螺光強下降值，定期自適應提高陀螺的氣體放電電流，從而延長激光陀螺的壽命。

5）氣體變化能夠體現在陀螺的光強和陰陽極壓差等指標上，是預測陀螺壽命的重要參數。美國GG1320數字化激光陀螺通過監測光強和陰陽極壓差建立了壽命預測模型，作為陀螺健康管理的重要組成部分。

4 結論

本文從激光陀螺原理出發，指出環形諧振腔內氣體壓力、成分的變化是決定陀螺儀壽命的關鍵所在，給出了存儲壽命和工作壽命的影響機理，提出加強陀螺儀壽命設計的關鍵分析和計算方法，給出了提高激光陀螺壽命的多項技術措施，對激光陀螺向長壽命發展具有較大的意義。