應(yīng)用于長(zhǎng)壽命星船任務(wù)的二浮陀螺工程驗(yàn)證

程耀強(qiáng)， 徐德民， 郭林肖， 袁佛才， 梁剛剛

(1.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 西安 710065； 2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院， 西安 710072；3.中國(guó)航天科技集團(tuán)九院第16 研究所， 西安 710100)

1 引言

陀螺是一種不依賴外界信息自主測(cè)量載體姿態(tài)的敏感器，是決定慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)精度的核心部件，同時(shí)也是IMU 壽命的短板。 液浮陀螺以其技術(shù)成熟，精度高等因素，在衛(wèi)星、飛船、空間站等宇航應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，分為經(jīng)典液浮陀螺、二浮陀螺和三浮陀螺3 種。 在相同精度水平下，二浮陀螺和三浮陀螺的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)典液浮陀螺，是長(zhǎng)壽命星船任務(wù)的首選陀螺[1]。

目前，國(guó)際上IMU 上普遍采用二浮陀螺(液浮＋氣浮)或三浮陀螺(液浮＋氣浮＋磁懸浮)作為姿態(tài)敏感器，這是由二浮陀螺、三浮陀螺空間工作可靠性強(qiáng)(通過(guò)空間熱力環(huán)境考核)、精度高(隨機(jī)漂移率和漂移穩(wěn)定性普遍優(yōu)于1×10－3°/h)、使用壽命長(zhǎng)(在軌工作壽命一般在8～15 年)等因素決定的[2－4]。

隨著中國(guó)空間飛行、天地往返、空間實(shí)驗(yàn)室、深空探測(cè)等高精尖技術(shù)的不斷突破，人造衛(wèi)星、載人(貨運(yùn))飛船在太空停留和工作的時(shí)間不斷加長(zhǎng)，都對(duì)陀螺的使用壽命提出了更高要求。 二浮陀螺氣浮部分采用了動(dòng)壓氣體軸承電機(jī)，這是一種無(wú)磨損軸承電機(jī)，工作時(shí)不需要外部供給潤(rùn)滑劑，從理論上講，電機(jī)啟動(dòng)后，壽命是無(wú)限長(zhǎng)的，因此二浮陀螺是實(shí)現(xiàn)中國(guó)長(zhǎng)壽命星船任務(wù)理想的姿態(tài)敏感器。 而當(dāng)前，以二浮陀螺作為核心姿態(tài)敏感器的天宮目標(biāo)飛行器和天舟貨運(yùn)飛船均實(shí)現(xiàn)了成功飛行[5－6]。

2 需求分析

2.1 長(zhǎng)壽命星船任務(wù)特點(diǎn)

中國(guó)自2005 年掌握了載人天地往返技術(shù)之后，空間技術(shù)發(fā)展明顯加快，相繼實(shí)現(xiàn)了交會(huì)對(duì)接、探月、貨運(yùn)等關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證與實(shí)施。 建造空間站以及探測(cè)火星等任務(wù)對(duì)導(dǎo)航精確性和長(zhǎng)壽命提出新的要求，開(kāi)展衛(wèi)星、飛船通用產(chǎn)品可靠性改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，提高現(xiàn)役應(yīng)用衛(wèi)星、飛船在軌使用壽命是未來(lái)中國(guó)航天發(fā)展總體規(guī)劃的要求之一[1]。

星船系統(tǒng)技術(shù)水平高、新技術(shù)應(yīng)用廣泛、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、代價(jià)高、可維護(hù)性差，這些因素決定了星船任務(wù)具有3 個(gè)主要特點(diǎn)[6－8]:

1)需具備良好的熱、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。 星船設(shè)備運(yùn)行在空間真空環(huán)境中，與人類生活的近地空間環(huán)境相比，空間高低溫溫差明顯，未知電磁干擾密集，這些環(huán)境對(duì)星船系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行軌道、姿態(tài)、表面材料、內(nèi)部器件及電位都會(huì)產(chǎn)生顯著影響；

2)需采用冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的可靠性。 系統(tǒng)的可靠性不僅直接反映系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，而且關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的成敗。 增加可靠性較低的關(guān)鍵元件的數(shù)量(比如陀螺)，可以較小成達(dá)到提升系統(tǒng)可靠性的目的；

3)需兼具高精度的性能保持能力和在軌長(zhǎng)期運(yùn)行的壽命。 長(zhǎng)壽命星船系統(tǒng)是中國(guó)空間技術(shù)迅速進(jìn)步的需要，也是提高星船效益的重要途徑和發(fā)展方向，而設(shè)備的性能保持能力是長(zhǎng)壽命的必然需求，良好的性能保持能力是指系統(tǒng)參數(shù)滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求。

2.2 二浮陀螺研制需求

很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，中國(guó)星船系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受到慣性器件的限制，壽命較短，國(guó)內(nèi)經(jīng)典液浮慣性器件在軌壽命一般在1～2 年左右，提高慣性器件的壽命、改善其熱力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性成為長(zhǎng)壽命星船任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于長(zhǎng)壽命星船任務(wù)的特點(diǎn)，對(duì)二浮陀螺提出了以下的研制需求[8]:

1)設(shè)計(jì)壽命不低于6 年；

2)具有良好的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，能夠經(jīng)受14g正弦掃描試驗(yàn)考核、14grms 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)考核，能夠經(jīng)受600g沖擊試驗(yàn)考核；

3)最大設(shè)計(jì)量程不低于20 °/s，在微角速度和微重力條件下，二浮陀螺分辨率優(yōu)于1 ×10－3°/s；

4)二浮陀螺需具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.3 二浮陀螺的研制

二浮陀螺是在經(jīng)典液浮陀螺基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)發(fā)展起來(lái)的，二者的陀螺房均采用液體懸浮，區(qū)別是陀螺轉(zhuǎn)子不同，經(jīng)典液浮陀螺采用滾珠軸承電機(jī)，而二浮陀螺采用動(dòng)壓氣體軸承電機(jī)，除此之外，兩種陀螺其他部件是相同的。 動(dòng)壓氣體軸承是二浮陀螺的核心部件，也是二浮陀螺具有長(zhǎng)壽命特性的原因所在。

對(duì)軸承電機(jī)而言，潤(rùn)滑劑是其工作必須的輔材。 一般來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑劑需要借助加壓構(gòu)件為軸承持續(xù)潤(rùn)滑，在此過(guò)程中，潤(rùn)滑劑往往會(huì)產(chǎn)生自生污染，給軸承電機(jī)的性能和壽命造成影響。 動(dòng)壓氣體軸承電機(jī)巧妙避開(kāi)了這些不利因素，采用氣體作為潤(rùn)滑劑(不需要任何外部供給的潤(rùn)滑劑)，所以不需要流體處理用的普通加壓系統(tǒng)構(gòu)件，使得結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，氣體潤(rùn)滑的特性不會(huì)有根本的改變；沒(méi)有自生污染物對(duì)連續(xù)工作的限制，因此從理論上講，動(dòng)壓氣體軸承電機(jī)啟動(dòng)后，其壽命是無(wú)限長(zhǎng)的(實(shí)際已經(jīng)達(dá)到15 萬(wàn)小時(shí)以上)。

動(dòng)壓氣體軸承的長(zhǎng)壽命是由氣體作為潤(rùn)滑劑的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)決定的:

1) 氣體的粘度相對(duì)較好，氣體的粘度隨著溫度的升高而增大，因此這種軸承的承載能力隨著溫度的升高而增大；

2) 在大溫度范圍工作時(shí)，氣體的化學(xué)性能比液體更穩(wěn)定，沒(méi)有變質(zhì)現(xiàn)象，若采用惰性氣體(比如氦)，則其化學(xué)性能更加穩(wěn)定；

3) 在空間電磁輻射下，氣體潤(rùn)滑劑不會(huì)損壞，相位非常穩(wěn)定；

4) 氣體是可壓縮介質(zhì)，在軸承的間隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，力矩變化很微小，可以獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的工藝性能。

3 二浮陀螺的工程驗(yàn)證

3.1 長(zhǎng)壽命驗(yàn)證

在正常工作條件下，動(dòng)壓氣體軸承電機(jī)的定轉(zhuǎn)子元件由氣膜分離，無(wú)磨損，只有在啟動(dòng)和停止時(shí)，定轉(zhuǎn)子之間才會(huì)相互摩擦，因此二浮陀螺的壽命主要取決于電機(jī)的“啟－停”次數(shù)。 理論分析和半實(shí)物仿真技術(shù)是一種常規(guī)壽命分析手段，方法簡(jiǎn)單，但往往由于建模不準(zhǔn)確而使分析效果出現(xiàn)偏差，帶來(lái)工程隱患[9]。 因此本文直接采用了更能說(shuō)明電機(jī)性能的實(shí)物“啟－停”試驗(yàn)。

根據(jù)已經(jīng)獲取的國(guó)內(nèi)二浮陀螺的“啟－停”數(shù)據(jù)[10－14]，3 只動(dòng)壓氣體軸承電機(jī)子樣按照電機(jī)軸H 向下、電機(jī)軸H 向上、輸入軸IA 54°斜裝向下、輸入軸IA 54°斜裝向上和電機(jī)軸H 水平5個(gè)方向各進(jìn)行了3000 次的“啟－停”試驗(yàn)，對(duì)二浮陀螺在星船任務(wù)中可能處于的各個(gè)位置進(jìn)行覆蓋性測(cè)試。 在15 000次的試驗(yàn)過(guò)程中，氣體軸承電機(jī)子樣均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，表1 給出了某氣體軸承電機(jī)在15 000次“啟－停”試驗(yàn)前后參數(shù)值的對(duì)比情況。

表1 “啟－停”試驗(yàn)前后某氣體軸承電機(jī)參數(shù)值對(duì)比情況Table 1 Comparison of parameters of a gas bearing motor before and after “start-stop” test

由表1 可知，該氣體軸承電機(jī)“啟－停”前后，啟動(dòng)參數(shù)和工作參數(shù)波動(dòng)很小，啟動(dòng)功率最大變化不超過(guò)0.3 W，三相啟動(dòng)電流最大變化不超過(guò)12 mA，啟動(dòng)時(shí)間變化不超過(guò)0.64 s，穩(wěn)態(tài)功率最大變化不超過(guò)0.5 W，三相啟動(dòng)電流最大變化不超過(guò)10 mA，慣性時(shí)間變化不超過(guò)12 s，“啟－停”試驗(yàn)前后電機(jī)工作正常。 說(shuō)明二浮陀螺可以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)方位的可靠“啟－停”，工作壽命可以保證。

3.2 環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

對(duì)于長(zhǎng)壽命二浮陀螺，動(dòng)壓氣體軸承是其薄弱環(huán)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中，二浮陀螺的壽命主要取決于電機(jī)的“啟－停”次數(shù)和工作可靠性[15－17]。 本節(jié)主要驗(yàn)證二浮陀螺工作時(shí)的可靠性(防卡死)問(wèn)題。

采用力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核二浮陀螺的工作可靠性是一種有效手段[10]。 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)?zāi)軌蚴箽怏w軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與靜止部分之間產(chǎn)生不規(guī)則的相互位移，影響軸承中的流動(dòng)氣體動(dòng)力學(xué)平衡，使承載能力驟然下降。 同時(shí)過(guò)大的瞬間加速度作用將使軸承過(guò)載，摩擦力矩突然增大；又由于高速滑動(dòng)引起惡劣應(yīng)力和激烈發(fā)熱，其結(jié)果會(huì)破壞軸承表面光潔度和幾何精度，甚至?xí)雇勇菘ㄋ朗АＲ虼酥挥薪?jīng)過(guò)比星船任務(wù)更嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核，才能保證二浮陀螺能夠用于長(zhǎng)壽命星船任務(wù)。

選取3 只完成了高低溫、振動(dòng)篩選的二浮陀螺，通過(guò)加嚴(yán)的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)條件，對(duì)其進(jìn)行考核，試驗(yàn)順序及條件為(g＝9.794 06 m/s2，振動(dòng)順序:電機(jī)軸H 向、輸入軸IA 向、輸出軸SA 向):

1)正弦掃描試驗(yàn)，頻率范圍:0～100 Hz，最大振幅0－P:14g；

2)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，頻率范圍:0～2200 Hz，功率譜密度量級(jí):14grms；

3)沖擊試驗(yàn)，頻率范圍:0～3000 Hz，最大沖擊譜值:600g。

表2 給出了某只二浮陀螺試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 某只二浮陀螺試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Parameter monitoring datas of a two-floating during test

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，振動(dòng)過(guò)程中電機(jī)工作電流變化很小，功率最大變化量?jī)H為0.88 W(設(shè)計(jì)指標(biāo)為不大于2.8 W)，這是由振動(dòng)造成的軸承過(guò)載引起的。 試驗(yàn)中電機(jī)工作正常，各項(xiàng)參數(shù)均在正常范圍內(nèi)。

為了更好地說(shuō)明二浮陀螺具備良好的抗力學(xué)環(huán)境能力，比較試驗(yàn)前后二浮陀螺的漂移變化情況，如表3。

表3 某只二浮陀螺試驗(yàn)前后陀螺漂移變化情況Table 3 Variations of gyro drift before and after a two-bearing gyro test

由表3 可知，力學(xué)試驗(yàn)前后，二浮陀螺零位(DF)極差最大值為0.138 2 °/h，優(yōu)于0.3 °/h的指標(biāo)要求，二浮陀螺與g 有關(guān)項(xiàng)系數(shù)(DS、DI)極 差 最 大 值 分 別 為0.377 4 °/(h˙g) 和0.559 0 °/(h˙g)，優(yōu)于0.80 °/(h˙g)和0.78 °/(h˙g)的指標(biāo)要求，遠(yuǎn)優(yōu)于星船任務(wù)的空間應(yīng)用要求，可見(jiàn)二浮陀螺具有較強(qiáng)力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，能夠滿足長(zhǎng)壽命星船任務(wù)對(duì)二浮陀螺空間環(huán)境適應(yīng)性的要求。

3.3 大量程與高分辯率測(cè)姿能力驗(yàn)證3.3.1 大量程

由二浮陀螺工作原理知，ωI＝－KTI(t)＝－KM/HI(t)，其中ωI的值反映的就是二浮陀螺的量程。最大加矩速率ωImax與陀螺力矩系數(shù)KM、動(dòng)量矩H、力矩反饋回路電流I(t) 有關(guān)。 其中KM和H由二浮陀螺參數(shù)決定，而力矩反饋回路最大電流與陀螺外圍控制電路有關(guān)，通過(guò)調(diào)整這3 個(gè)參數(shù)，理論上可以提高二浮陀螺的量程，在工程上，增大KM、減小H是較容易實(shí)現(xiàn)的方案。 陀螺電機(jī)為高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，陀螺動(dòng)量矩可表示為式(1)[14]:

式中，I為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度；m為電機(jī)質(zhì)量；r為電機(jī)各部分到質(zhì)心距離；i＝1，2，3，4，……。 由公式(1) 可知，電機(jī)的動(dòng)量矩H與電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子的尺寸和質(zhì)量相關(guān)，減小電機(jī)轉(zhuǎn)速和質(zhì)量，可以達(dá)到提高陀螺量程的目的。 而二浮陀螺的轉(zhuǎn)速又與其壽命相關(guān)。 二浮陀螺的壽命表達(dá)為公式(2)[13]。

式中，L10h為基本額定壽命(h)；C為基本額定動(dòng)載荷(N)；P為當(dāng)量動(dòng)載荷(N)；ε為壽命指數(shù)(球軸承ε＝3，滾子軸承ε＝10/3)；n為軸承轉(zhuǎn)速(r/min)。 該公式用于衡量液浮系列陀螺的壽命，對(duì)評(píng)估二浮陀螺的壽命具有借鑒意義[6，8－9]。由公式(2)可知，降低二浮陀螺的轉(zhuǎn)速，可以提高陀螺的壽命。 換言之，在滿足漂移指標(biāo)的前提下，降低轉(zhuǎn)速，可以提高陀螺壽命，同時(shí)也可以提高陀螺量程。 采取該措施后，對(duì)二浮陀螺和外圍電路構(gòu)成的角速度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行量程測(cè)試，得到其最大量程約為23 °/s，完全滿足星船任務(wù)的測(cè)姿要求(不低于20 °/s)。

3.3.2 高分辨率

二浮陀螺的高分辨率是針對(duì)太空微重力環(huán)境和衛(wèi)星、飛船空間運(yùn)行時(shí)的姿態(tài)緩慢變化提出的。要保證衛(wèi)星、飛船慣性導(dǎo)航的精度，二浮陀螺必須具有較高的分辨率，在小角速度輸入時(shí)，能夠精確敏感并輸出相應(yīng)的脈沖值。 分辨率與陀螺設(shè)計(jì)和裝配的摩擦力矩、電磁力矩、游絲力矩、摩擦力矩產(chǎn)生的附加摩擦力矩、力矩器和傳感器的死區(qū)以及陀螺外圍電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度等相關(guān)。 二浮陀螺的誤差方程為式(3)[14]:

式中，NGx、NGy、NGz為二浮陀螺3 個(gè)通道在單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)，plus/s；D0x、D0y、D0z為二浮陀螺3 個(gè)通道的零偏，plus/s；Kxy、Kyx、Kzx、Kxz、Kyz、Kzy為二浮陀螺3 個(gè)通道與g 有關(guān)項(xiàng)漂移系數(shù)，plus/(s˙g0)；Exy、Eyx、Ezx、Exz、Eyz、Ezy為二浮陀螺三個(gè)通道相對(duì)于IMU 坐標(biāo)軸的安裝誤差角，plus/"；Ax、Ay、Az為IMU 坐標(biāo)軸方向的加速度，g0；ωx、ωy、ωz為IMU 坐標(biāo)軸方向的角速度，"/s。

在公式(3)基礎(chǔ)上，工程中二浮陀螺分辨率測(cè)試方法和步驟如下:

1)通過(guò)合像水平儀測(cè)量出測(cè)試平板的平面度，將平面度調(diào)整在精度允許范圍內(nèi)，通過(guò)經(jīng)緯儀測(cè)量出北向擋塊與北向的垂直度，將垂直度調(diào)整在精度允許范圍內(nèi)；

2)將IMU 裝入標(biāo)定工裝，通過(guò)標(biāo)定算法標(biāo)定出公式(3)中二浮陀螺的15 個(gè)誤差參數(shù)，共標(biāo)定2 組，具體標(biāo)定方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13]；

3)第二組標(biāo)定完成后，靜置一段時(shí)間(不少于4 h)，重新給產(chǎn)品加電，按照IMU 坐標(biāo)軸將工裝分別放置在東北上、西南上、南東上、北西上4個(gè)位置，各進(jìn)行2 min 采樣；

4)將2)中兩次標(biāo)定的誤差參數(shù)取平均，并和3)中4 個(gè)位置標(biāo)定的3 個(gè)二浮陀螺的原始數(shù)據(jù)一起帶入公式(3)的誤差方程中，計(jì)算出4 個(gè)位置下3 塊陀螺的敏感值，計(jì)算方法為:東向陀螺的敏感值即為東向陀螺的分辨率；北向陀螺的敏感值減去ωiecosα即為北向陀螺的分辨率(α為當(dāng)?shù)鼐暥?；天向陀螺的敏感值減去ωiesinα即為天向陀螺的分辨率。

在已經(jīng)獲取的測(cè)試數(shù)據(jù)中，二浮陀螺在外界輸入角速度0～1 °/s 時(shí)，其分辨率優(yōu)于1.865×10－4°/s，表4 列出了6 塊二浮陀螺分辨率測(cè)試的結(jié)果，能夠滿足長(zhǎng)壽命衛(wèi)星、飛船任務(wù)對(duì)二浮陀螺高分辨率的要求(不低于1×10－3°/s)。

表4 6 塊二浮陀螺分辨率測(cè)試結(jié)果Table 4 Resolution test results of 6 two-floating gyroscopes

3.4 長(zhǎng)期穩(wěn)定性驗(yàn)證

二浮陀螺的測(cè)量精度直接影響星船系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。 將影響二浮陀螺測(cè)量精度的誤差參數(shù)辨識(shí)出來(lái)，經(jīng)誤差補(bǔ)償后就可提高星船系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。 這些誤差參數(shù)就是公式(3)中的15 個(gè)誤差參數(shù)，這些誤差參數(shù)是每一只二浮陀螺固有的，且非定值；隨著時(shí)間變化，誤差參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，使得之前辨識(shí)的誤差參數(shù)對(duì)星船系統(tǒng)導(dǎo)航精度產(chǎn)生影響。 二浮陀螺裝入衛(wèi)星和飛船后，誤差參數(shù)將不能重新辨識(shí)，因此長(zhǎng)壽命星船任務(wù)對(duì)二浮陀螺提出了長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求，二浮陀螺誤差參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定對(duì)星船系統(tǒng)的運(yùn)行精度起著重要的作用。

為了提高二浮陀螺誤差參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，技術(shù)上采取了如下5 項(xiàng)改進(jìn)措施:

1)采用零靜差技術(shù)，設(shè)計(jì)改進(jìn)了二浮陀螺的精密溫控系統(tǒng)，在真空全溫范圍內(nèi)(－25～55 ℃)溫控精度達(dá)到優(yōu)于0.2 ℃的工程應(yīng)用水平。 溫度，尤其是溫度梯度對(duì)二浮陀螺測(cè)量精度影響很大，減小熱真空高低溫環(huán)境下浮液的溫度梯度，可以提高陀螺的工作精度，同時(shí)減小由于溫差產(chǎn)生的材料、結(jié)構(gòu)、安裝匹配的誤差，保證精度一致性。

2)采用指標(biāo)加嚴(yán)考核的方式，加強(qiáng)二浮陀螺的篩選。 慣性器件也符合電子產(chǎn)品浴盆曲線失效規(guī)律，大量測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，二浮陀螺短期穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)二浮陀螺誤差參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有極強(qiáng)的參考價(jià)值，可以通過(guò)短期穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性趨勢(shì)，加嚴(yán)考核的嚴(yán)酷程度和短期穩(wěn)定性測(cè)試與性能保持期的比例關(guān)系相關(guān)[12]。

3)建立二浮陀螺通過(guò)6 年長(zhǎng)期穩(wěn)定性考核的數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制其包絡(luò)線，作為二浮陀螺裝入IMU的選用參考曲線，只選用符合參考曲線的二浮陀螺。

4)借助灰色模型(Grey Model)等理論建立二浮陀螺誤差系數(shù)的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)模型預(yù)測(cè)二浮陀螺長(zhǎng)期穩(wěn)定性趨勢(shì)，提前剔除可能不滿足長(zhǎng)壽命星船任務(wù)的二浮陀螺。

5)針對(duì)二浮陀螺與g有關(guān)項(xiàng)系數(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)難以控制的實(shí)際情況，在2 個(gè)方面開(kāi)展了研究工作:①研究產(chǎn)品在環(huán)境試驗(yàn)下的性能；②在工藝流程中重視輔料的來(lái)源和質(zhì)量管控，嚴(yán)格控制多余物。

為了研究二浮陀螺在實(shí)際應(yīng)用中的誤差參數(shù)穩(wěn)定性水平，本文將3 只二浮陀螺裝入IMU 臺(tái)體，進(jìn)行了6 a 穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，二浮陀螺主要誤差參數(shù)隨機(jī)漂移、常值漂移穩(wěn)定性、與g有關(guān)項(xiàng)漂移系數(shù)穩(wěn)定性、標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性指標(biāo)，6 a 變化量遠(yuǎn)優(yōu)于貨運(yùn)飛船6 a 穩(wěn)定性指標(biāo)要求。因此二浮陀螺能夠滿足長(zhǎng)壽命星船任務(wù)對(duì)二浮陀螺長(zhǎng)期使用精度的要求。

4 結(jié)論

1)研制的二浮陀螺在電機(jī)軸H 向下、電機(jī)軸H 向上、輸入軸IA 54°斜裝向下、輸入軸IA 54°斜裝向上和電機(jī)軸H 水平5 個(gè)方向進(jìn)行的15 000次“啟－停”試驗(yàn)，表明二浮陀螺能夠在星船任務(wù)中可能處于的各個(gè)位置上實(shí)現(xiàn)可靠“啟－停”；

2)研制的二浮陀螺在經(jīng)受14grms 隨機(jī)振動(dòng)、600g沖擊以及14g正弦掃描力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核后，零位、與g有關(guān)項(xiàng)系數(shù)的變化量均優(yōu)于星船任務(wù)的空間應(yīng)用要求；

3)研制的二浮陀螺最大量程約為23 °/s，高于星船任務(wù)的測(cè)姿要求(不低于20 °/s)，且當(dāng)外界輸入角速度0～0.1 °/s 時(shí)，二浮陀螺的分辨率優(yōu)于1.865×10－4°/s，滿足長(zhǎng)壽命衛(wèi)星、飛船任務(wù)對(duì)二浮陀螺高分辨率的要求(不低于1×10－3°/s)；

4)研制的二浮陀螺6 a 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果顯示，二浮陀螺主要誤差參數(shù)隨機(jī)漂移、常值漂移、與g有關(guān)項(xiàng)漂移、標(biāo)度因數(shù)等的穩(wěn)定性滿足貨運(yùn)飛船6 a 穩(wěn)定性指標(biāo)要求；

研制的二浮陀螺目前已經(jīng)經(jīng)過(guò)了貨運(yùn)飛船首次飛行考核，多顆衛(wèi)星飛行考核，表現(xiàn)良好。 理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，二浮陀螺在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命星船任務(wù)中具有特殊優(yōu)勢(shì)，是可行、可靠的，二浮陀螺將作為重要的姿態(tài)敏感器件用于后續(xù)載人航天任務(wù)和貨運(yùn)飛船等任務(wù)。