半球諧振陀螺由半球諧振子、激勵(lì)罩、敏感基座三部分組成，均由高品質(zhì)因數(shù)的熔融石英材料超精密加工而成，并在表面進(jìn)行金屬化處理。將半球諧振子、靜電激勵(lì)罩、敏感基座精密裝配焊接在一起，密封在一個(gè)高真空的容器中，形成一個(gè)完整而獨(dú)立的角度或角速度傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。
圖1 傳統(tǒng)半球諧振陀螺結(jié)構(gòu) 圖2 新型半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)
半球諧振子作為陀螺的敏感部件，是半球諧振陀螺的核心，其加工面形精度、位置精度和表面質(zhì)量是影響半球諧振陀螺精度和性能的最關(guān)鍵因素。半球諧振子加工精度越高，越接近理想諧振子狀態(tài)，陀螺精度越高。半球諧振子材料為熔融石英材料，形狀為帶有中心支撐桿的半球形薄壁殼體，直徑一般為φ15～60mm，壁厚一般為0.3～1.1mm，面形精度＜0.5μm，內(nèi)外球同心度＜0.5μm，表面粗糙度Ra＜0.025μm，品質(zhì)因數(shù)Q值高于107。異形球面半球諧振子的面形精度和內(nèi)外球面同心度要求高，精度達(dá)亞微米級(jí)，且由于石英玻璃材料硬脆，加工易崩邊、裂紋、碎裂，加工工藝特殊，常規(guī)球面光學(xué)元件加工方法不能適用，合格率很低，加工難度很大，一直以來(lái)都是制約半球諧振陀螺發(fā)展的瓶頸。圖3為石英半球諧振子零件。
圖3 石英半球諧振子（鍍膜前后）
2.1國(guó)外現(xiàn)狀
國(guó)外從事半球諧振陀螺研究主要集中在美國(guó)、俄羅斯和法國(guó)。美國(guó)是最早研制半球諧振陀螺的國(guó)家，經(jīng)歷了較長(zhǎng)歷程，技術(shù)成熟，并在空間和導(dǎo)彈等高精度制導(dǎo)系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，代表著半球諧振陀螺的世界先進(jìn)水平。俄羅斯、法國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家也先后投入力量開(kāi)展研究，俄羅斯、法國(guó)已取得明顯效果，其他國(guó)家基本處于探索階段。目前，半球諧振陀螺正朝著高精度、系統(tǒng)型號(hào)多樣化、系統(tǒng)應(yīng)用多樣化、小體積與微型化、抗輻射等方向發(fā)展。半球諧振陀螺發(fā)展歷程參見(jiàn)圖4。
圖4 半球諧振陀螺發(fā)展歷程
半球諧振陀螺的基本理論由英國(guó)物理學(xué)家布萊恩于1890年提出。美國(guó)通用汽車(chē)公司的Boston實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)60年代中期對(duì)其數(shù)學(xué)推導(dǎo)進(jìn)行了驗(yàn)證，1982年通用汽車(chē)公司Delco系統(tǒng)工作部開(kāi)發(fā)成功第一個(gè)HRG慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。被利頓公司收購(gòu)后（現(xiàn)屬于美國(guó)Northrop Grumman公司），HRG得到進(jìn)一步發(fā)展。自1996年首次在NEAR衛(wèi)星應(yīng)用后，已超過(guò)100多套慣導(dǎo)系統(tǒng)成功應(yīng)用在空間飛行器導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈導(dǎo)航、衛(wèi)星姿態(tài)控制及深空探測(cè)等任務(wù)中，累計(jì)空間飛行2500萬(wàn)小時(shí)無(wú)失效，任務(wù)成功率100%。半球諧振陀螺的高可靠性、長(zhǎng)壽命和連續(xù)工作等特點(diǎn)得到了充分展示。圖5所示為美國(guó)Northrop Grumman公司生產(chǎn)的半球諧振陀螺。
圖5 美國(guó)NorthropGrumman公司半球諧振陀螺
由于半球諧振陀螺的發(fā)展前景，美國(guó)正在大力研制新一代微型化HRG的研究。Northrop Grumman公司2012年研制的新一代微型半球諧振陀螺儀（mHRG），直徑35mm，重量113.4g，零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.00035°/h。美國(guó)猶他大學(xué)還開(kāi)展了微半球諧振陀螺（μHRG）研究，現(xiàn)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。μHRG利用MEMS制造工藝制作帶集成電極的3D半球結(jié)構(gòu)，半球殼體由SiO2材料制成，直徑500μm，品質(zhì)因數(shù)20000，有望實(shí)現(xiàn)半球陀螺儀的批量生產(chǎn)，將大大降低制造成本，縮小體積。圖6為μHRG原理結(jié)構(gòu)圖。
圖6 μHRG原理結(jié)構(gòu)圖
俄羅斯在20世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)固體波動(dòng)陀螺進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究，在HRG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、調(diào)平技術(shù)等方面俄羅斯處于比較領(lǐng)先地位。近年來(lái)隨著俄羅斯航天工業(yè)的復(fù)蘇，又開(kāi)始加緊半球諧振陀螺的研究，研制工作取得很大進(jìn)展。俄羅斯拉明斯克儀器制造設(shè)計(jì)局早期研制直徑100mm的HRG，20世紀(jì)90年代又開(kāi)發(fā)了直徑50mm的HRG，其隨機(jī)漂移達(dá)到0.005～0.01°/h，工作壽命為20萬(wàn)小時(shí)，準(zhǔn)備在武器裝備中使用。俄羅斯斯米亞斯梅吉科科研生產(chǎn)所開(kāi)發(fā)了直徑 30mm的HRG，并具有獨(dú)特的諧振子調(diào)平技術(shù)，隨機(jī)漂移達(dá)到0.01°/h，成本比激光陀螺低5倍，將應(yīng)用于石油勘探和鉆井領(lǐng)域。俄羅斯生產(chǎn)的半球諧振陀螺及組合見(jiàn)圖7。
圖7 俄羅斯半球諧振陀螺及組合
歐洲慣性導(dǎo)航系統(tǒng)制造集團(tuán)的法國(guó)SAGEM防務(wù)公司致力于半球諧振陀螺技術(shù)研究，得到法國(guó)空間局和防御局的支持，生產(chǎn)的0.1～1.0°/h戰(zhàn)術(shù)級(jí)半球諧振陀螺在航空領(lǐng)域大量應(yīng)用，優(yōu)于0.01°/h的慣導(dǎo)級(jí)半球諧振陀螺將應(yīng)用于通訊和地球觀測(cè)衛(wèi)星等空間領(lǐng)域。圖8為SAGEM公司半球諧振子及半球諧振陀螺。
圖8 法國(guó)Sagem公司半球諧振子和半球諧振陀螺HRG
2.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
我國(guó)對(duì)半球諧振陀螺的研究始于1987年，航天13所、兵器205所、中電26所，以及北航、東北大學(xué)、南航等多家單位在追蹤國(guó)外半球諧振陀螺研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，組織科研力量積極開(kāi)展半球諧振陀螺研究，對(duì)半球諧振陀螺理論、加工技術(shù)、信號(hào)處理等進(jìn)行了不同側(cè)重的研究，到90年代初期，國(guó)內(nèi)HRG研究取得了一系列階段性成果，在理論研究和產(chǎn)品研制上都取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。受1994 年美國(guó)利頓公司收購(gòu) Delco公司的影響，國(guó)內(nèi)多數(shù)科研單位對(duì)半球諧振陀螺的發(fā)展產(chǎn)生疑問(wèn)，相關(guān)研究工作處于停頓狀態(tài)。1997年后，由于長(zhǎng)壽命空間領(lǐng)域任務(wù)需求，我國(guó)又加緊了HRG技術(shù)研究，力求盡快研究出中國(guó)的半球諧振陀螺。
航天科技集團(tuán)公司13所于1990年開(kāi)始HRG研究工作，1996年完成2只HRG樣機(jī)研制，并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。
圖9 航天13所研制的HRG樣機(jī)
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司26所，通過(guò)技術(shù)與人才引進(jìn)，“十五”期間，在直徑60mm的HRG制作工藝上取得突破，研制成功高性能樣機(jī)，目前主要開(kāi)發(fā)直徑30mm的HRG。中電26所經(jīng)過(guò)20多年的研究努力，現(xiàn)已建成一條半球諧振陀螺研制線，擁有高精度加工和檢測(cè)設(shè)備、鍍膜設(shè)備、調(diào)平設(shè)備和陀螺測(cè)試設(shè)備，在半球諧振子加工、化學(xué)拋光、離子束調(diào)平、電極鍍膜、真空封裝、靜電激勵(lì)、電容檢測(cè)、相位誤差控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，半球諧振子加工內(nèi)外球同心度≤0.1μm，品質(zhì)因數(shù)高于600萬(wàn)，陀螺儀隨機(jī)漂移達(dá)到 10-3 °/h量級(jí)，正在向10-4 °/h量級(jí)努力。2013年8月21日，中電26所研制的HRG在實(shí)踐九號(hào)衛(wèi)星上搭載試驗(yàn)，成功驗(yàn)證了其空間適應(yīng)能力；2017年2月14日在我國(guó)通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)上成功實(shí)現(xiàn)首次應(yīng)用。
圖10 中電26所半球諧振子和姿態(tài)敏感器
航天科技集團(tuán)公司803所2011年成立了研發(fā)團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)6年研制成功半球諧振陀螺組合，并于2017年2月14日實(shí)現(xiàn)在我國(guó)通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)上正式在軌使用，實(shí)現(xiàn)了首飛成功。
此外，國(guó)內(nèi)部分高校也開(kāi)展了半球諧振陀螺理論和加工方法研究。其中，北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、重慶大學(xué)等從理論上對(duì)半球諧振子參數(shù)設(shè)計(jì)和振動(dòng)模型、陀螺動(dòng)態(tài)特性等問(wèn)題進(jìn)行了分析，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位開(kāi)展了半球諧振子超精密加工及裝備技術(shù)研究，均取得了一定成果。
表1 國(guó)內(nèi)外半球諧振陀螺性能對(duì)比
國(guó)家 | 美國(guó) | 俄羅斯 | 法國(guó) | 中國(guó) |
零偏穩(wěn)定性（0/h） | 0.005～0.0005 | 0.005～0.01 | 0.01～0.1 | 10-3量級(jí) |
工作壽命（年） | 15 | ＞7 | ＞7 | — |
應(yīng)用 | NEAR、A2100、哈勃等 | 通訊衛(wèi)星 | 戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用 | 通信試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào) |
公司 | Northrop Grumman | Medic | SAGEM | 中電26所 |
石英諧振子形狀復(fù)雜，加工難度非常大，國(guó)內(nèi)外的研究單位對(duì)諧振子制造工藝，特別是諧振子超精密加工工藝采取了高度保密措施，很少有公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道，因此對(duì)半球諧振子制造工藝的分析不一定準(zhǔn)確，僅供參考。
半球諧振子零件制造過(guò)程主要包括：毛坯成型、精密磨削、研磨拋光、化學(xué)腐蝕、質(zhì)量調(diào)平、表面鍍膜等。
（1） 毛坯成型：
1） 球面銑磨成型
針對(duì)硬脆材料石英玻璃，使用固結(jié)磨粒金剛石砂輪，采用范成法球面銑磨原理，在機(jī)床上加工成型半球諧振子的內(nèi)外球面。由于半球諧振子零件中心帶有支撐桿，形狀復(fù)雜，金剛石砂輪需要設(shè)計(jì)成特殊的圓筒形，避免加工中與支撐桿產(chǎn)生干涉，圖11為國(guó)外諧振子銑磨成型工藝方法。
圖11 半球諧振子球面銑磨成型二種工藝方法
1） 超聲振動(dòng)磨削成型
近年來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)已成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)硬脆光學(xué)材料加工的有效和成熟工藝方法。超聲振動(dòng)輔助磨削加工是將超聲振動(dòng)施加于旋轉(zhuǎn)的磨削工具上，在超聲振動(dòng)的高頻侵蝕與空化雙重作用下，使加工區(qū)的材料得到弱化，并可有效抑制砂輪堵塞，顯著減小磨削力、降低磨削區(qū)溫度、減輕工件的變形與表面損傷，從而實(shí)現(xiàn)高效率、高精度、低損傷的材料去除。與普通磨削加工方法相比，超聲振動(dòng)輔助磨削加工效率可提高5～10倍，加工表面質(zhì)量提高30%～50%。
半球諧振子超聲振動(dòng)輔助磨削加工，使用電鍍或固結(jié)磨料的小球頭金剛石砂輪，在超聲振動(dòng)復(fù)合加工中心上，按照編程好的球面軌跡進(jìn)行加工成型。
（1） 精密磨削
在高精度坐標(biāo)磨床上，使用固結(jié)磨粒金剛石小球頭砂輪，進(jìn)行點(diǎn)接觸磨削精密加工，減小毛坯成型加工中形成的表面破壞層（凸凹層和裂紋層）。為提高加工面形精度和表面質(zhì)量，一般使用微粉級(jí)粒度的金剛石砂輪，因此必須解決金剛石砂輪在位修整和修銳、砂輪對(duì)刀和磨損補(bǔ)償?shù)裙に噯?wèn)題，此外為保證半球諧振子內(nèi)外球面同心度等形狀和位置加工精度的要求，應(yīng)一次裝夾完成各關(guān)鍵部位的加工。加工示意圖見(jiàn)圖12所示。
圖12 半球諧振子精密磨削加工
（1） 研磨拋光
針對(duì)石英材料一般使用剛玉、氧化鈰等散粒磨料進(jìn)行研磨拋光。研磨拋光加工精度主要由工件與研具間的接觸性質(zhì)和壓力特性，以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡等因素決定，是一種進(jìn)化加工方法，材料表面微量去除，能夠進(jìn)一步提高半球諧振子零件的尺寸精度、面形精度和部分位置精度,降低表面粗糙度值，減小加工表面變質(zhì)層。
（2） 化學(xué)腐蝕
石英諧振子經(jīng)過(guò)磨削、研磨拋光等機(jī)械加工后，諧振子表面仍然存在著一定深度的加工變質(zhì)層，對(duì)諧振子鍍膜、品質(zhì)因數(shù)和頻差等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。石英諧振子采用氫氟酸化學(xué)腐蝕工藝，消除機(jī)械加工表面缺陷。
（3） 質(zhì)量調(diào)平
為滿足石英諧振子的頻差要求，提高陀螺儀精度，需通過(guò)調(diào)平工藝去除諧振子表面多余質(zhì)量，補(bǔ)償球面殼體的非均勻性偏差，盡量達(dá)到理想諧振子狀態(tài)。諧振子質(zhì)量調(diào)平工藝主要有：機(jī)械去重調(diào)平、激光去重調(diào)平、化學(xué)腐蝕和離子束刻蝕調(diào)平。離子束刻蝕調(diào)平方法，為原子量級(jí)無(wú)應(yīng)力去除，調(diào)平精度高，對(duì)材料表面和深層結(jié)構(gòu)影響小，被普遍采用。
（4） 表面鍍膜
石英諧振子表面使用磁控濺射等工藝方法鍍鉻膜和金膜。為保證石英諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值要求，需提高鍍膜層均勻性（膜層均勻性優(yōu)于3%），降低膜層殘余應(yīng)力，此外還要滿足膜層電阻率要求。
圖13 諧振子表面磁控濺射鍍膜
作為一種新型高精度、高可靠性陀螺，半球諧振陀螺具有非常優(yōu)越的特性和廣闊應(yīng)用前景。目前，我國(guó)半球諧振陀螺研究尚處于探索階段，與國(guó)外先進(jìn)水平差距還很大，我們應(yīng)把握慣性技術(shù)發(fā)展機(jī)遇，加大研發(fā)投入，加強(qiáng)自主創(chuàng)新，密切設(shè)計(jì)與工藝結(jié)合，集智攻關(guān)，研究突破石英半球諧振子超精密加工等精密制造瓶頸難題，加快工程化研究步伐，將我國(guó)半球諧振陀螺研制和應(yīng)用水平提升到一個(gè)新高度。建議開(kāi)展重點(diǎn)研究工作如下：
（1） 半球諧振子超聲振動(dòng)銑磨成型技術(shù)
超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)非常適用于石英半球諧振子的精密成型加工。為避免薄壁件加工過(guò)程中局部材料崩裂，提高加工表面質(zhì)量，減小表面破壞層深度，需進(jìn)一步開(kāi)展超聲振動(dòng)輔助磨削加工機(jī)理研究，優(yōu)化工藝參數(shù)，抑制低剛度薄壁構(gòu)件加工諧振，解決金剛石微粉砂輪在位修整等技術(shù)難題。
（2） 半球諧振子超精密加工技術(shù)
具有薄壁、異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的半球諧振子，尺寸精度、面形精度、球心位置精度、表面微觀質(zhì)量等要求很高，加工難度很大。通過(guò)學(xué)習(xí)借鑒國(guó)內(nèi)外加工經(jīng)驗(yàn)，充分利用現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，抓緊研究開(kāi)展小磨頭精密保形磨削加工技術(shù)、范成法超精密磨削加工技術(shù)，以及磁流變、高能束等超精密研拋技術(shù)，依靠自主創(chuàng)新，突破技術(shù)瓶頸，形成滿足半球諧振子設(shè)計(jì)要求的超精密加工技術(shù)和工藝裝備成果，為半球諧振陀螺研制提供工藝支撐和儲(chǔ)備。
（3）石英材料加工表面缺陷檢測(cè)與消除技術(shù)
石英玻璃為典型硬脆難加工材料，機(jī)械加工產(chǎn)生的微裂紋等表面缺陷，對(duì)半球諧振子品質(zhì)因數(shù)、陀螺儀精度和性能有很大影響。為了指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化，檢驗(yàn)零件加工質(zhì)量，應(yīng)研究石英玻璃微裂紋、損傷等表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)展化學(xué)腐蝕液配方和工藝參數(shù)優(yōu)化研究，以及微加工表面變質(zhì)層缺陷的超精密研拋先進(jìn)工藝方法，提高半球諧振子微觀表面形貌質(zhì)量。
（4） 半球諧振子超精密檢測(cè)技術(shù)
超精密計(jì)量檢測(cè)不僅是超精密加工的基礎(chǔ)，也是零件質(zhì)量檢查控制的重要手段。急需研究開(kāi)展諧振子在線/在位精密檢測(cè)技術(shù)、整體或部分球面的超精密檢測(cè)技術(shù)和超精密檢測(cè)裝備（球面尺寸、球度偏差、球心位置度、球殼壁厚一致性等）、諧振子質(zhì)量不平衡的超精密測(cè)試技術(shù)等。