Россия в зеркалах лазерных гироскопов

На форуме «Армия-2020» впервые были представлены снаряды для реактивной системы залпового огня «Торнадо-С». 300-мм управляемый реактивный снаряд сочетает в себе огневую мощь и высокую точность поражения. Благодаря чему удалось превратить оружие для поражения площадных целей в средство уничтожения точечных целей? «Армейский стандарт» изучил вопрос.

«Каждому из снарядов можно задать индивидуальные параметры не только по дальности полета, но и по траектории для разведения их по различным целям. Точность стрельбы снарядов «Торнадо-С» в 15–20 раз выше, чем у снарядов реактивной системы залпового огня (РСЗО) предыдущего поколения «Смерч», — рассказал журналистам генеральный директор холдинга «Технодинамика» Игорь Насенков.

Раскроем секрет его необычайной точности поражения малоразмерной цели: индивидуальное полетное задание для каждого снаряда закладывается в блок управления, созданного на основе БИНС — бесплатформенной инерциальной навигационной системы.

Этот прибор появился в армии и на флоте относительно недавно и быстро завоевал, если можно так выразиться, популярность у всех представителей видов Вооруженных сил и родов войск. С его помощью с высокой точностью определяются координаты подвижного объекта — будь то снаряд, атомная подводная лодка на глубине или самолет высоко в небе.

Ранее на службе у летчиков и моряков были только спутниковые навигационные системы: российская ГЛОНАСС, американская GPS, европейская Galileo, китайская «Бэйдоу», индийская региональная система IRNSS и японская «Квазизенитная спутниковая система» — QZSS.

Наконец, у всех есть астронавигация — самая надежная система ориентации по звездам.

Но для военных этого мало. Им важно знать точные координаты подвижного объекта и быть уверенными, что доступ к источнику координат будет постоянным, непрерывным и ни от кого не зависимым. Спутниковые системы навигации такой гарантии не дают.

ГЛОНАСС и GPS передают навигационный сигнал в двух режимах: открытом и закрытом. Но, как говорится, против лома нет приема. В наших батальонах и полках радиоэлектронной борьбы (РЭБ) есть штатные станции подавления GPS, которые генерируют «убийственную» помеху мощностью более 20 дБ. «Потенциальный партнер» обладает аналогичными станциями. Одним словом, современными средствами радиоэлектронной борьбы противник может спутниковый сигнал исказить, «зашумить», отключить, в конце концов, уничтожить сам спутник.

Теперь у российских военных появилась палочка-выручалочка. И новая установка — на любом объекте должна быть автономная инерциальная навигационная система (ИНС), независимая от капризов погоды, от спутников и средств РЭБ. Именно такой системой является БИНС.

Следуя за лазерным лучом

Инерциальные навигационные системы во второй половине прошлого века потребовались в первую очередь подводникам-атомщикам. Сначала экипажи субмарин определяли свое положение в Мировом океане с помощью системы астронавигации. Но для этого приходилось подвсплывать на перископную глубину, что вело к потери скрытности автономного плавания.

Специально для подводников разработали инерциальные навигационные системы платформенного типа на базе электромеханических гироскопов и акселерометров в кардановом подвесе.

В конце прошлого века российские конструкторы с гордостью рассказывали мне, что им удалось снизить вес такого прибора до 27 кг, в то время как американский весил 5 кг.

Дальнейшее развитие науки и техники позволило передовым странам, в число которых входит Россия, создать качественно новые инерциальные навигационные системы — бесплатформенные, в которых нет подвижных деталей и электромоторов. Сам гироскоп из электромеханической «юлы» превратился в электровакуумный прибор, который олицетворяет собой настоящую квинтэссенцию передовых технологий на стыке нескольких областей знаний: материаловедения, электроники и кибернетики.

В БИНС реализованы высокие технологи из нескольких областей науки и техники: оптика, электроника, вакуумная обработка, прецизионное полирование. Устройства характеризуются высоким классом точности и чистоты обработки оптических деталей, сложными вакуумными процессами, специальными видами испытаний.

Гироскопы подразделяются на лазерные, волоконно-оптические, волновые твердотельные и микромеханические. Есть и другие типы гироскопов, которые еще не достигли технологического совершенства и не используются индустриально, например, сверхвысокочастотные (СВЧ), ядерные магнитно-резонансные и гироскопы на холодных атомах.

Сложно ответить однозначно на вопрос: какой из них лучше? Каждый по-своему хорош, если отвечает требованиям потребителя к точности навигационной информации. Среди точных и высокоточных БИНС наиболее востребованными в российских Вооруженных силах оказались лазерные.

Современные БИНС на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах — одно из самых сложных и высокотехнологичных изделий авиакосмической промышленности. Они стали незаменимым автономным средством навигации межвидового применения.

Большой круг потребителей в армии, авиации и на флоте ценят их за автономность, помехоустойчивость, непрерывное и глобальное функционирование в любое время дня и ночи, зимой и летом, в воздухе, на земле и под водой. Без них не решают задачи навигации, управления полетом, прицеливания, подготовки и наведения ракет, а также обеспечения работоспособности инфракрасных, радиолокационных и оптикоэлектронных бортовых систем. На магистральных самолетах коммерческой авиации автономные инерциальные системы являются основным средством навигации и определения пространственного положения воздушного судна.

В мире всего четыре страны освоили сложное производство этих систем: Россия, Китай, США и Франция. При этом речь идет не об одном, а о целой линейке приборов, для каждого вида Вооруженных сил — свой БИНС.

Разработкой БИНС, например, авиационного применения в России занимаются пять организаций. Системы навигации, основанные на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах, входят в состав комплексов бортового оборудования современных и перспективных самолетов гражданского и военного назначения.

Принцип действия лазерного гироскопа заключается в том, что внутри замкнутого по периметру пространства, образованного системой зеркал и корпусом, изготовленным из специального стекла, возбуждаются два лазерных луча. Когда гироскоп находится в состоянии покоя, два луча «бегут» навстречу друг другу с одинаковой частотой, а когда прибор начинает совершать угловое движение, то каждый из лучей изменяет свою частоту в зависимости от направления и скорости этого движения. Через одно из зеркал выводится часть энергии лучей и формируется интерференционная картина.

Фотоприемник считывает информацию об угловом движении гироскопа, определяет направление вращения по направлению движения интерференционной картины и величину угловой скорости по скорости ее движения. После этого он преобразует оптический сигнал в очень маломощный электрический, дальше начинаются процессы его усиления, фильтрации и отделения помех.

БИНС состоит из трех одноосных гироскопов. Каждый из них измеряет угловую скорость, действующую вдоль его оси чувствительности, которая перпендикулярна плоскости распространения лазерных лучей. Три измерителя ускорения — акселерометры — передают информацию о линейном движении объекта.

Акселерометры — это очень точные приборы, в которых на упругом подвесе в виде маятника размещена так называемая пробная масса. Современные акселерометры осуществляют измерения с точностью до одной стотысячной доли ускорения свободного падения.

БИНС различаются по трем классам точности в соответствии с принятым в России ГОСТом. Первый класс точности — это невязка координат в пределах 0,5 морской мили после часа полета, иными словами, это накопление ошибки в определении местоположения объекта через час его перемещения.

Чаще всего используются системы второго и третьего классов точности, а системы первого класса имеют более узкий круг применения на объектах специального назначения, но еще не наступило время раскрывать все секреты.

С точностью одного ангстрема

Промышленность пока удовлетворяет потребности в БИНС Минобороны, Минтранса и других ведомств. Но с развитием научно-технического прогресса спрос на автономные инерциальные системы будет только расти. Поэтому пора заранее задуматься о расширении производства, ведь речь идет о высокотехнологичных изделиях, изготовление которых сопряжено с немалыми трудностями.

Например, шероховатость поверхности зеркала при финишной полировке должна быть на уровне 1 ангстрема (0,1 нанометра). Величины, в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. То есть это уже почти молекулярный уровень.

В гироскопах устанавливают зеркала двух типов: плоские и сферические. Диаметр одного может быть 5 мм, а другого — в тысячу раз больше. Дух захватывает от одной мысли, как из тысячи сферических зеркал составить одно большое диаметром 5 метров. При этом сферичность каждого «пятачка» должна быть частью 5-метровой сферы.

Но и это еще не все. В нашем представлении зеркало — что-то простое, однородное, как хорошо отполированная пластина серебра. В гироскопе зеркало представляет собой специальное многослойное покрытие. Оно одновременно должно идеально отражать лазерный луч с минимизацией потерь и вместе с тем обладать пропускной способностью.

Зеркальное покрытие наносится методом ионного напыления на специальный стеклокристаллический материал — ситалл. Каждый из слоев имеет толщину порядка 100 нанометров, в зависимости от материала.

Коэффициент отражения зеркала определяется количеством напыляемых слоев и регулируется необходимой величиной пропускаемой оптической энергии. Качественное зеркало должно рассеивать и поглощать не более десяти из миллиона частей отраженного лазерного излучения.

Лазерный луч распространяется в гелий-неоновой газовой среде низкого давления. Ее характеристики должны оставаться неизменными на протяжении всего срока эксплуатации гироскопа. Попадание в газовую среду даже ничтожного количества примесей приводит сначала к изменению характеристик гироскопа, а затем — к его отказу.

На гироскопе размещаются электроды, на которые подается напряжение порядка 2 кВ. Для сравнения: контактная сеть на электрифицированной железной дороге находится под напряжением 3 кВ постоянного тока. Электроды свариваются с корпусом гироскопа с соблюдением требований вакуумирования. Точность обработки, геометрического размера и взаимного расположения находятся на уровне микронов.

Еще один важный технологический этап изготовления гироскопа — это очистка и полировка каналов, по которым пробегает лазерный луч. Сначала их довольно долго промывают кислотами для того, чтобы в них не осталось ни одной посторонней наночастицы. Полировка осуществляется тоже кислотами, потому что при сверлении возникает так называемый трещиноватый слой. В микротрещинах скапливаются газы и посторонние наночастицы, остающиеся от предыдущих этапов обработки. Если корпус прибора вакуумировать без удаления трещиноватого слоя, из этих микротрещин начинают выделяться посторонние молекулы, они портят среду внутри гироскопа.

К полировке граней прибора предъявляют жесткие требования. Например, зеркало (его делают из того же материала, что и корпус) садится на корпус гироскопа на так называемый оптический контакт, то есть крепится за счет диффузии материала, когда молекулы одной детали притягиваются к молекулам другой, проникают в ее тело, и детали становятся фактически единым целым, образуя герметичное соединение. Проведенные испытания на ударную прочность с перегрузкой в 100 g показали высокую эффективность такого соединения. Для его достижения нужна прецизионная обработка поверхности корпуса.

Есть свои трудности и в электронике. Приходится работать с маломощным частотно-модулированным сигналом, для которого надо обеспечить определенное усиление, фильтрацию, подавление помех и преобразование в цифру. Кроме того, надо обеспечить защиту его от помех во всех условиях эксплуатации.

БИНС должен выдерживать интервалы рабочих температур от минус 60 до плюс 55 градусов по шкале Цельсия. Технология изготовления прибора гарантирует его надежную работу во всем диапазоне температур в процессе полного жизненного цикла самолета, который составляет десятки лет.

Одним словом, в процессе производства приходится преодолевать множество трудностей. В основном они сконцентрированы вокруг оптики и кольцевого лазерного гироскопа. В их изготовлении сошлось много технологических переделов от физики, химии, оптики, математики. Но российские производители овладели всеми знаниями.

Проблема, которую теперь необходимо решить, связана с тиражированием и автоматизацией операций с целью снижения издержек и повышения надежности готовых изделий.

Гироскопы до недавнего времени оставались штучным товаром, хотя потребность в них постоянно росла. Большая доля ручного труда в шлифовке зеркал замедляла темпы производства, да и стоимость оставалась относительно высокой.

Хорошо Китаю с численностью населения почти 1,4 млрд человек. Там ничего не стоит посадить на шлифовку корпусов 100 тысяч рабочих и через месяц получить 100 тысяч гироскопов. Лет двадцать назад мы помогали китайцам в налаживании производства первых кольцевых лазерных гироскопов, а теперь Поднебесная опережает Россию в их производстве.

Хорошо дело поставлено во Франции. Там нет 100 тыс. шлифовщиков, зато есть специальные станки, они шлифуют по 24 корпуса одновременно. Россия в силу не географического, а прежде всего политического положения оказалась между Востоком и Западом. Мы ограничены в рабочей силе, а доступ к западным технологиям и оборудованию перекрыт санкциями Евросоюза и США. И все же, санкции санкциями, а работать надо.

Осуществляемый у нас в стране проект технического перевооружения заводов для производства всех систем, включая и оптические компоненты, рассчитан на выпуск 1,5 тыс. высокоточных систем в год, в том числе и для наземной техники. Это значит, в России будут производить ежегодно 4,5 тыс. гироскопов и 20 тыс. зеркал для них соответственно.

* * *

«Аэродромы, которые откликались на наш зов, не могли определить, где мы находимся. «Пеленг дать не можем… Пеленг дать не можем…», — повторяли они, потому что наш голос доносился до них отовсюду и ниоткуда…. Вот тогда мы почувствовали, что заблудились в пространстве…».

Эти строки принадлежат перу известного французского писателя, поэта и профессионального летчика Антуана де Сент-Экзюпери, c 1926 года — пилота на авиалинии компании «Латекоэр»» между Тулузой и Дакаром. В войну Экзюпери не вернулся из полета. И только спустя десятилетия удалось найти место катастрофы его самолета.

Сегодня мы с трудом представляем себе, как можно заблудиться в небе, в космосе, на воде и под водой, когда навигаторы стоят в автомобилях, на которых мы ездим, в смартфонах и в «умных часах». А на самолетах и кораблях эти системы еще и многократно дублируются.

Поэтому, если вдруг по какой-то причине пропадет навигационный сигнал от спутника, не волнуйтесь — БИНС выведет самолет к нужному аэродрому, а ракету наведет на заданную цель.