某型激光陀螺寿命分析与改进

何 婕

（空军驻232厂军事代表室，北京100094）

0 引言

激光陀螺原理基于Sagnac效应，具有高精度、高可靠等优点，已成为精密的惯性传感器件[1]并广泛应用。20世纪70年代末期，美国Honeywell公司突破了激光陀螺技术，经过近40年的发展，国外激光陀螺技术已经非常成熟，形成了一系列各具特色、从低精度到高精度完整覆盖的系列化产品。

我国激光陀螺技术于20世纪90年代末取得了突破，此后以二频机抖式激光陀螺为代表的高性能陀螺仪发展迅猛，已经全面应用到运载火箭、导弹武器、战机、舰船、定位定向和卫星飞船等领域。

随着型号应用的增多和使用要求的不断提高，我国激光陀螺研究正从初期的重视精度性能研究，转向加强可靠性和寿命方面的研究。据报道，国外以GG1342、GG1320为代表的高性能激光陀螺存储寿命已经普遍高达30年，工作寿命达到2×105h，平均无故障时间（MTBF）达1.5×105h。 我国激光陀螺发展成熟较晚，寿命指标只是基于设计分析和短期工程验证，缺乏准确、长久的数据支撑。此外，陀螺寿命相关的验证方法和手段上还有欠缺。因此，开展激光陀螺寿命相关研究，对提高仪表成熟度，推进我国激光陀螺发展具有迫切和重要的现实意义[1-3]。

1 激光陀螺组成

激光陀螺组成与基本工作过程如下：对各类光学零件进行超精密加工，并装配成一个稳定的环形光学谐振腔；然后在腔内充入高纯氦氖气体，由对应的高压电路击穿与放电驱动，产生稳定的激光。压电式抖动机构与光学谐振腔连接，同时也安装在基座上，由对应的抖动电路对谐振腔进行抖动驱动和控制。腔长控制机构与谐振腔上的可形变镜片粘连，由对应的稳频控制电路进行光路长度的精密驱动和控制。谐振腔输出的激光经过频差输出机构后由光电探测器转为差频电信号，通过计数处理电路进行转速信息的提取，输出的转速信息实时供给导航系统进行当前姿态和位置解算[4-7]，组成如图1所示。

这其中，环形谐振腔是激光陀螺的功能核心。国内外研究均表明，谐振腔是决定其寿命的关键部件，这一点也在大量的应用中得到验证。

2 影响陀螺寿命的机理研究

环型激光谐振腔的核心是一个高度密封的零膨胀微晶玻璃腔体，内部由相互连通的毛细孔、光阑、储气孔、电极孔、吸气剂孔等构成，外部由3个金属电极和4个玻璃材质反射镜密封组成[8]。腔体内充有适当比例和气压（约1000Pa）的高纯度氦－氖同位素气体，研究表明腔内氦氖气体的压力、比例和纯度会随时间的变化，显著改变谐振腔的增益系数，从而导致光强明显下降。当光强降低到一定程度后，如低于光电接收最小响应或响应值超出后续电路处理下限，陀螺无法正常工作输出，可认为达到寿命。试验证明，某型陀螺腔内压力下降到200Pa以下时，性能会明显下降而失效。此外，腔内出现极微量的杂气就可以引起陀螺性能的急剧下降，甚至不出光。例如，氢气含量增加0.01%或氧气体含量增加0.1%，激光光强都会下降40%左右[9]。

2.1 存储寿命机理研究

存储寿命是指陀螺在规定的环境条件下，不通电自然存储保持其规定功能和性能的最长年限，国外激光陀螺的存储寿命已达到了30年。存储寿命主要取决于以下3个因素：1）陀螺腔体内表面和内部元件的放气；2）用于吸收杂质气体的消气剂的能力；3）密封区质量及材料分子间隙引起的氦氖增益气体外渗及外部杂气渗入。

（1）陀螺内表面和内元件的放气

任何材料在真空下都会释放出一定量的气体，放气量取决于污染物种类、污染物含量和表面积等因素。激光陀螺要经过多道加工工序，生产周期长达半年，工件不可避免地残留大量的油脂、粉末并吸附气体。这些表面残留的污染物和所吸附的气体会不断释放出来，降低氦氖工作气体的纯度，从而降低陀螺输出光强。因此，陀螺上的各类零件通常采用乙醇、丙酮和去离子水等多种溶剂进行严格的化学清洗，清洗后的零件再进行高真空加热除气，使零件表面放气量大大减少。陀螺密封装配后释放出的残余微量气体再被吸气剂吸除，使工作气体维持在超高纯度状态，确保了仪表性能稳定及长寿命。严格仔细地清洗陀螺零件，是确保陀螺长寿命的基础。

（2）氦气的对外渗漏

陀螺内部的氦原子渗漏到外界，使得气压降低及氦氖比例失调，仪表性能下降，甚至无激光输出。氦气是自然界最小的并以原子形态存在的气体，其漏率比通常的氮气、氧气和氖气高两个数量级以上，因此氦气的渗漏在一定程度上决定了仪表的存储寿命。陀螺制造过程要求每个仪表必须通过严格的氦质谱检漏，经过数十个温度循环后，氦漏率不高于 1×10－11Pa·m3/s。

陀螺内部的气压变化和漏率关系的公式如下：

式中，P为陀螺内部氦气分压，单位为Pa；P0为陀螺内部氦气初始分压，单位为Pa；Q为陀螺的氦渗漏率，单位为Pa·m3/s；V为陀螺的内容积，单位为m3。

漏率Q与陀螺内外氦气压差成正比，即Q＝BP，B为漏气系数，单位为m3/s。带入式（1）并按陀螺内外部大气无氦的自然渗漏计算，得到：

式（2）说明：陀螺内部的气压变化是随时间指数规律衰减，要提高激光陀螺存储寿命，必须增大陀螺的内容积或减小氦气的漏率。

（3）温度对氦渗漏的影响

不同温度下漏率也不同，氦气在材料中的渗漏率随温度升高急剧增大。根据气体在玻璃中渗透理论，氦气稳定扩散时呈线性分布，即Fick第一定律渗透量：

K为渗透系数，单位为 Pa·m3/（s·cm2·Pa·mm－1），取决于材料和温度；A为渗透元件表面积，单位为cm2；P为渗透元件两侧渗透气体的压差，单位为Pa；d为渗透元件的厚度，单位为mm。

渗透系数K是温度的函数：

其中，k0为渗透常数，单位为Pa·m3/（s·cm2·Pa·mm－1）；E为渗透活化能，单位为 J/mol；R为Molar气体常数，值为8.31，单位为 J/（mol·K）；T为绝对温度，单位为K。

石英玻璃和微晶玻璃是激光陀螺常用的材料，石英玻璃渗透系数是微晶玻璃的数千倍，因此石英玻璃的氦渗透是主要的。石英玻璃在各温度下的渗透系数如表1所示。

表1 石英玻璃对不同气体的渗透系数KTable 1 Osmotic coefficient K of different gases in Quartz glass

（4）某型激光陀螺存储寿命计算

根据式（2）和式（3），得到：

由某型陀螺结构分析可知，采用石英玻璃稳。陀螺工作频反射镜，其槽底部最薄处氦渗漏最大，其他部位氦渗漏基本可忽略，参数如表2所示。

表2 某型激光陀螺氦渗漏计算参数Table 2 Calculation parameters of osmotic coefficient of Helium of a type of RLG

计算得到不同温度下存储寿命，如图3所示。

如果定义200Pa为陀螺寿命下限，则根据图3得到在温度低于50℃的存储环境条件下，该型陀螺存储寿命高达30年以上。

2.2 工作寿命机理研究

工作寿命是指陀螺仪在规定的工作环境条件下，通电工作保持其规定的功能和性能的最长时限，目前国外激光陀螺普遍达到了2×105h。

激光陀螺工作期间，启用高压将工作气体电离，其中正离子能量远高于电子并直接轰击阴极，使其表面氧化层以原子量级逐渐消耗，即产生“微溅射”现象。该过程中，正离子特别是氖离子会嵌入到材料内部，另外阴极溅射物也会覆盖和吸附工作气体。这两种物理机制均会改变工作气体压力和比例，造成光强下降，从而对陀螺工作寿命有重要影响。通常阴极特性决定了激光陀螺的工作寿命，阴极材料必须具有很高的抗溅射能力，材料杂质含量、表面状态、放电环境气压、单位面积、电流等因素均可影响其抗溅射能力，其抗溅射能力可近似用式（7）表示：

其中，D为溅射率，I为电极表面的电流，S为电极面积，P为陀螺内部环境气压，K为与电极材料和形状相关的参数[10-11]。某型陀螺了选用超高纯铝作为阴极材料，放电内表面为半球桶形，能够支撑较长的工作寿命。

3 长寿命改进技术措施

在激光陀螺全生命周期内，存储寿命和工作寿命的作用一直存在，且相互影响，当其中任何一个寿命达到陀螺不能正常工作的条件时，累计时长即成为仪表寿命。长寿命的核心是确保工作气体的稳定，因此在仪表设计和制造工艺上，必须加强气体所在内环境的 “密封性”和 “惰性”的研究，避免由于渗漏、吸附和化学反应等造成的工作气体不稳定情况。

1）加强陀螺内表面的清洗，获取超洁净表面。可采用纯度更高、溶解性更强、残留更少的化学溶剂清洗陀螺仪，同时结合射频等离子物理清洁技术，进一步去处溶剂的残余污染。

2）提高陀螺气密材料的致密性，消除材料微缺陷。采用微晶玻璃作为反射镜基材，可将反射镜渗氦率降低到石英玻璃的数千分之一，从而大大提高激光陀螺的存储寿命。

3）选取抗溅射更好的材质作为阴极。高纯铍是长寿命激光陀螺阴极的首选材质，通过适当的表面处理技术，在放电面形成厚度适中、致密稳定的氧化铍保护层，使得阴极具有优异的电子发射特性和抗溅射能力，从而大幅提高工作寿命。

4）在确保陀螺正常工作的情况下，尽量选用低的气体放电电流。低电流使阴极表面的电流密度下降，延缓氧化层的消耗。一种有效的方法是根据陀螺光强下降值，定期自适应提高陀螺的气体放电电流，从而延长激光陀螺的寿命。

5）气体变化能够体现在陀螺的光强和阴阳极压差等指标上，是预测陀螺寿命的重要参数。美国GG1320数字化激光陀螺通过监测光强和阴阳极压差建立了寿命预测模型，作为陀螺健康管理的重要组成部分。

4 结论

本文从激光陀螺原理出发，指出环形谐振腔内气体压力、成分的变化是决定陀螺仪寿命的关键所在，给出了存储寿命和工作寿命的影响机理，提出加强陀螺仪寿命设计的关键分析和计算方法，给出了提高激光陀螺寿命的多项技术措施，对激光陀螺向长寿命发展具有较大的意义。