黄鑫岩，高祖昊，高玉峰，闾晓琴，王 丰
（北京航天时代光电科技有限公司，北京，100094）
光纤陀螺仪是一种基于Sagnac效应的全固态惯性仪表[1]，速率陀螺可以快速敏感载体的角速度，是惯导系统的重要组成部分，在运载火箭、导弹等领域得到越来越多的应用。由于新一代运载火箭助推器长细比较大，导致其参与控制过程中扭转变形严重，使得箭体特性具有模态频率低、弹性变形大等特点[2]。火箭发射及助推过程冲击波作用于火箭箭体，会使箭体所受应力超过了箭体材料的屈服极限，发生塑性变形和破坏[3]。由于光纤速率陀螺直接安装在火箭壁上，火箭发射、飞行时的大量级冲击、振动、噪声等复杂环境都要求陀螺仪保证火箭姿态信息的精度和实时性。
为了满足光纤速率陀螺的耐恶劣环境应用的迫切需求，使其能够在大量级冲击、振动中正常工作，本文开展了光纤速率陀螺抗冲击、振动设计，有助于进一步提高光纤速率陀螺在新一代运载火箭可靠性工程化的应用。
1.1 结构设计及有限元分析
光纤速率陀螺正常工作时，解调信号的输出为
式中 K为光损耗以及回路增益有关的常数；
sφΔ为一个信号解算周期内的Sagnac相位差。
在振动条件环境下，光纤环受振动应力引起光纤折射率发生变化，从而给干涉光路引入一个相位误差；
此外，由于光纤之间的挤压形变，光路损耗发生变化，会引起干涉光强的变化，假设振动应力是一个随时间周期变化的函数，振动对光纤陀螺输出的影响体现为一种附加的相位调制和强度调制，此时陀螺仪输出为
式中 KΔ为附加强度调制的幅度；
θ为附加强度调制的初始相位；
0VφΔ为附加相位调制的幅度；
ΔK · sin （ω t+θ）为叠加的一个正弦强度调制；
Δ φV0cos （ωt）为应力产生的非互易相位差误差；
ω为角频率；
t为时间。
Sagnac相位差增量 sφΔ以及应力产生的非互易相位差都可看作一个无穷小量，对式（2）简化整理得到振动条件下闭环光纤陀螺仪解调信号的输出表达式为
式（3）的第1项仅含有Sagnac相位差 sφΔ，为陀螺有效信号；
第2项中当幅度和相位为恒值时，为一个固定的旋转角速率输入，最终体现为陀螺零偏漂移；
其余项为交流误差信号，在陀螺输出中体现为附加噪声，随时间的均值为零。可见，振动对光纤陀螺输出误差的大小与相位调制、强度调制的幅度成正比相位调制与强度调制的幅度越大，误差也就越大。
光纤陀螺关键元件如敏感运动的光纤环、光学器件（光源、耦合器、Y波导等）、连接光学器件的尾纤，以及二次电源和DSP电路等都是固定在光纤陀螺的机械结构上。光纤陀螺工作在振动环境时，受到的一般是受迫随机振动，而谐振作为振动的特殊状态，存在于任何结构体中，尤其是在谐振点上受迫振动加剧[4,5]。如果陀螺仪支撑结构件的某一谐振频率点与实际振动频率重合，产生共振效应，那么在该频率点上的振动应力将被放大，从而加大了相位调制和强度调制的幅度，增大陀螺输出的振动误差。因此，光纤陀螺的机械结构设计不合理会造成陀螺在振动条件下噪声增大，甚至在大量级冲击、振动条件下的输出故障。
光纤速率陀螺本体为陀螺仪主要的支撑结构件，本体结构的力学性能直接影响陀螺仪的可靠性。本文设计的陀螺本体结构一侧中部有圆柱形凸起，用于安装光纤环、耦合器和Y波导，对应另一侧圆柱状凹陷结构内安装光源，陀螺电路系统通过支架安装在本体结构上。
对本体结构的腰部法兰位置进行多位置加筋，进行有限元分析，其一阶模态分析如图1所示，可见该结构自身固有频率高，可以达到5900 Hz以上，各个光学器件可以抵抗大量级的冲击和振动，保证陀螺在恶劣环境中的稳定工作。
图1 本体结构一阶模态分析 Fig.1 First Order Modal Analysis of Main Body Structure
1.2 电路系统减振设计
为提高速率陀螺内部电子元器件及电路组件的抗冲击振动性能，对电路系统安装进行内减振设计，如图2所示，电路系统支架通过多个减振器安装在本体结构上。
图2 电路系统内减振安装 Fig.2 Vibration Damping Installation in Circuit System
针对内减振结构设计T型减振器，如图3所示。减振器由特制螺钉、减振垫圈I和减振垫圈II组成。减振垫圈I为T形结构，减振垫圈II为环形垫圈，与减振垫圈I配套使用，减振垫圈采用高性能橡胶阻尼减振材料中的硅橡胶阻尼材料，该材料可在高低温等恶劣环境下使用，使用寿命长，对2000 Hz内的各种振动响应都有较好的减振效果，避免了电路系统的元器件在大量级冲击、振动中损伤导致陀螺输出故障。
图3 T型减振器结构 Fig.3 T-type Shock Absorber
1.3 光纤环及其安装工艺方法
光纤环分为无骨光纤环和有骨光纤环，有骨环采用骨架作为支撑，而无骨环采用固化胶粘结固定支撑，没有骨架热胀冷缩产生的挤压和收缩作用，固化胶代替骨架将光纤线圈粘结固定成为一个整体，通过选择合适的固化胶使其与光纤的外涂层热膨胀系数匹配，实现应力的均匀分布，从而具有更低的局部内应力。光纤环浸胶技术可以减小在大量级振动下光纤环内部的挤压应力，从而减小非互异效应产生的测量误差[6,7]。
光纤速率陀螺采用无骨浸胶光纤环设计，选择了成熟的大模量高强度环氧树脂固化胶作为浸胶胶粘剂，同时根据速率陀螺光纤环尺寸结构对环氧树脂胶充胶的最佳真空度进行研究。真空度不高引起抽真空时间偏长是导致无骨环浸胶效率偏低的主要原因之一。提高抽真空过程的真空度虽然可以有效的缩短抽真空时间、提高浸胶的效率，但是真空度过高又会导致光纤环局部光纤出现微弯现象，导致浸胶光纤环的温度性能出现明显劣化。通过试验研究确定在1 Pa的真空气压为最佳充胶气压，该气压下光纤环温度性能好，且降压时间及充胶时间不长，提高合格率和充胶效率。
无骨架浸胶环的固定质量会影响光纤陀螺的可靠性。由于光纤环质量较轻，通常不大于30 g，可以在光纤环底部、光纤环内壁涂覆硅橡胶的方案，增大涂覆面积以提高粘结力，确保固定可靠。光纤环固定如图4所示，在本体和光纤环轴向之前均匀分布注胶孔，采用单组份室温硫化硅橡胶作为粘结剂均匀注胶，并充满光纤环底部与本体之间的缝隙，进一步增加硅橡胶粘结面积，该方案光纤环固化应力分布均匀，并有利于应力释放，可以避免因固化应力过大导致陀螺在恶劣环境中输出不稳定，提高光纤环固定可靠性。
图4 光纤环固定示意 Fig.4 Schematic Diagram of Fixing Optical Fiber Ring
采用Ansys软件对陀螺仪光纤环点胶处的进行8000g冲击力学仿真，X轴冲击仿真结果见图5。结果显示固胶处最大的拉伸力小于固化用硅橡胶拉伸强度5.2 MPa，且固胶最大拉伸力位于光纤环轴向内侧壁与底部直角处，而内侧壁和底面固胶位置拉伸力所受拉伸强度很小，不影响光纤环粘贴可靠性，本文设计方案可以满足使用要求。
图5 光纤环固胶位置冲击力学仿真 Fig.5 Mechanical Simulation of Impact at the Position of Optical Fiber Ring Fixing Glue
光纤速率陀螺仪应用于新一代运载火箭一级控制系统和二级控制系统[8]，其中俯仰和偏航陀螺仪用于助推级和芯Ⅰ级、芯II级飞行段；
滚动陀螺仪用于助推级和芯Ⅰ级飞行段。速率陀螺仪采用安装支架固连在火箭箭壁上，测量的角速度信号通过485总线传输到箭载计算机，用于火箭姿态稳定控制。由于光纤速率陀螺通过安装支架贴箭壁安装，箭体外罩、安装支架空间、强度有限，速率陀螺在发射、飞行阶段要经历各级分离冲击、振动等恶劣环境。
2.1 冲击试验
冲击试验用于检查速率陀螺在箭上安装状态下冲击环境的适应性，在满足新一代运载火箭姿态控制系统的应用环境条件下，对速率陀螺仪开展大量级冲击摸底试验，试验条件如表1所示，试验时使用箭上安装支架，控制传感器安装在试验底板上。
表1 冲击环境试验条件 Tab.1 Environmental Test Conditions of Impact
按照GJB150.18A-2009《军用装备实验室环境试验方法》中“功能冲击”规定的方法进行试验。控制传感器安装在工装上，测量传感器安装在产品安装孔附近，对3只陀螺X、Y、Z方向各进行2次冲击，典型输出如图6所示，实际控制如图7所示，频率范围为1000～10 000 Hz，冲击量级大于8000g、最大量级达10 000g以上，2次冲击监测结果一致，陀螺全过程输出正常。冲击结束后，对陀螺仪进行零位误差和传递系数误差等性能测试，其性能与冲击前一致，本设计方案的速率陀螺仪具备抗8000g冲击能力。
图6 陀螺冲击过程输出 Fig.6 Gyroscope Impact Process Output
图7 冲击控制曲线 Fig.7 Impact Control Curve
2.2 高频随机振动试验
高频随机振动环境试验用于检查速率陀螺在火箭飞行过程中对环境的适应性。在满足新一代运载火箭姿态控制系统的环境要求下，进行了更大量级的摸底试验，量级达到46g，以验证陀螺抗高频随机振动的能力。
按照GJB150.18A-2009《军用装备实验室环境试验方法》中“一般振动”规定的方法进行试验。把产品装在振动工装内，并装卡在线振动台上，与振动台固连，控制传感器安装在工装安装孔附近，并处于对角线上，两点平均控制。对X、Y、Z方向分别进行试验，试验过程中对光纤速率陀螺一直通电监测其输出。要求振动过程中产品输出正常、没有谐振点；
振动前、振动后零位误差满足指标要求，试验后产品外观和机械性能满足要求。本设计方案光纤速率陀螺46g随机振动测试结果如图8所示，试验前后及试验过程中陀螺输出正常，各方向均无明显谐振，陀螺仪具备抗46g高频随机振动的能力。
图8 陀螺振动过程输出 Fig.8 Gyroscope Random Vibration Output
通过对光纤速率陀螺结构、电路系统减振、光纤环及其安装方法设计，提高陀螺的抗冲击、振动性能，根据验证结果，陀螺可以抗量级为8000g冲击和46g高频随机振动，具有较高的抗力学环境能力，满足新一代运载火箭控制系统高可靠性应用工程化的要求。
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