飛思卡爾智能車大獎賽（電磁組2）軟件控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā),卡爾,智能,大獎賽,電磁,軟件,控制系統(tǒng),設(shè)計,開發(fā) 譯文及原文相對論引力探測器（GP-B）的陀螺儀和充電控制Saps Buchman, C.W.F. Ever&, Brad Parkinson, J.P. Tumeaure, R. Brumley, D. Gill, G.M. Keiser, and Y. XiaoW. W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA摘要：相對論引力探測器B(GP-B)最重要的功能任務(wù)是使以后牛頓派參數(shù)γ的參數(shù)測量達(dá)到10^5級別。這個目標(biāo)的實現(xiàn)需要一個精確度=0.044弧秒每年的整體實驗來論證支撐。在近地面，通過分析十萬小時的陀螺儀操作實驗結(jié)果，得到了結(jié)論：對于處在加速度為10^-9米/每平方秒的受支撐陀螺儀來說，將會有=0.17毫米角秒/年的剩余的牛頓漂移，以及在一個完全慣性軌道上，不受支撐的陀螺儀將會有=0.020弧秒/年的漂移。由于預(yù)期誤差是因為陀螺儀的漂移，此時與測量目標(biāo)相一致。同時，宇宙輻射主要干擾陀螺儀充電轉(zhuǎn)子來影響陀螺儀，一個力調(diào)制技術(shù)可以提供對陀螺轉(zhuǎn)子約5 PC的電荷測量，而雙極性電荷使用UV光電效應(yīng)達(dá)到10 PC的電荷控制。 GP-B陀螺儀：測量γ參數(shù)的10^5級別，將通過兩個數(shù)量級順序和允許嚴(yán)格的“達(dá)摩-諾特維特引力機制”阻尼版本的測試（達(dá)摩 和 諾特維特，1993）來擴展在近地面相關(guān)的可能性研究。我們討論用于性能要求和技術(shù)使用，來建立針對與GP-B的陀螺儀，使陀螺儀與其性能兼容。四高精度，低溫，靜電懸浮陀螺儀用于GP-B中，去確定在地球附近參照系的慣性。三是與靜電懸浮活性的操作，而第四個將作為衛(wèi)星無拖曳質(zhì)量問題的證明。即殘余扭矩通過對于衛(wèi)星阻力的補償和通過仔細(xì)控制的陀螺儀的球形和其外殼而被縮小化。該陀螺轉(zhuǎn)子和殼體由熔融石英似的框架構(gòu)成。對于轉(zhuǎn)子的熔融石英的密度均勻性是通過干涉測量技術(shù)測量的，這項技術(shù)是應(yīng)用一個立方體材料的浸入折射率來匹配流體（DeFreitas，1994提出） 。由賀利氏.俄曼斯?fàn)柹a(chǎn)的“Homosil”級熔融石英密度均勻而且有一些超過陀螺儀半徑10 ^ 6級別的石英：這些石英比所要求的石英多出了一個數(shù)量級。陀螺儀轉(zhuǎn)子在一個四面體結(jié)構(gòu)圈打磨，使用有精密機械主軸的LVDT傳感器測量。一次測量中，擁有超過17個大圓圈，每個轉(zhuǎn)子的計量保證了良好的球形表面的映射。從完全包容轉(zhuǎn)子的球體表面來看，相比于1.9厘米的陀螺儀半徑，峰 - 谷之間的偏差為約10^-6，或者約20納米。一層1.25μM薄的鈮膜，在兩個有32相類似的補丁層中，薄膜擴散似的包裹在軸上，此舉改善波峰到波谷的均勻性，并且效果超過原來的2%，或者大約20nm(吉爾 1988)。其中超導(dǎo)膜為轉(zhuǎn)子提供了一個導(dǎo)電表面和產(chǎn)生讀出系統(tǒng)所需要的倫敦磁矩。這正是由于陀螺儀轉(zhuǎn)子球面和轉(zhuǎn)子可以減少靜電懸浮所造成的扭矩。陀螺儀外殼的球形空腔是用“翻滾研磨”技術(shù)，研磨借助兩個以球形帽形狀緊緊圍一圈的殼體半球，從而使整個組件幾乎是隨機震蕩下跌的。兩個球體一圈的重量，翻滾速度，和拋光化合物的精確組合，確保了在隨機震蕩、翻轉(zhuǎn)、研磨操作過程中，能使設(shè)備保持在40度以內(nèi)的變化，這角度以空腔的底部為基準(zhǔn)。由此，得到峰-谷空腔，此峰-谷空腔只有1.9厘米半徑的球形度，因此產(chǎn)品球形度可以說等于或小于150納米。再者，鈦-銅化合物多層涂料薄膜濺射到電極區(qū)域，從而提供了必要的電和熱傳導(dǎo)率（Zhou等人，1995） 。圖1示出了分解陀螺儀的示意圖。三對相互垂直的電極被用來檢測相對于殼體的轉(zhuǎn)子位置，提供必備的靜電懸浮電壓，并運用所需的力調(diào)制去測量轉(zhuǎn)子電位。其中，居中的轉(zhuǎn)子和電極之間的間隙為約32分，濺射薄膜在電極周圍提供卸載空間，并提高了電極位置，相比于原來位置至少高了12分，以此來防止非懸浮轉(zhuǎn)子與電極的接觸。為了避免啟動負(fù)載時的陀螺轉(zhuǎn)子與另一組隔離罩隔離，高度等高于電極周圍提供的卸載空間，從而使用由波紋管活化的活塞加壓液體氦來達(dá)到這一要求。在外殼的附近靜電荷積累被涂覆在外殼所有表面的薄膜所消耗阻斷，這相當(dāng)于有了一個導(dǎo)電薄膜，而這個薄膜與靜電懸架系統(tǒng)共同接地。超導(dǎo)陀螺儀的旋轉(zhuǎn)頻率超過100Hz，使用6K的氦氣，讓氣體在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下通過陀螺儀外殼自旋向上的中心孔。大約會有95%的氣體會沿著通道游走，這些氣體通過孔附近的分型面泵抽去并耗盡。剩余氣體回流到上方的鋼片薄膜，這片薄膜凸懸在電極的十二點鐘方向，接著氣體順著獨立泵的特殊開口從陀螺儀外殼散去。其中，旋轉(zhuǎn)頻率f（t）接近吻合函數(shù),各個參數(shù)f(a)=100Hz τ=200s。??(??)=??(??).{1?e?t??} ,旋轉(zhuǎn)的球體產(chǎn)生的倫敦磁的偶極矩ML，旋轉(zhuǎn)軸的瞬間角速度Ws其中m和e為電子的質(zhì)量和電荷，以及c為光速度：M??=?????????3????=?5.69?10?5??3????(??.????3)當(dāng)瞬間旋轉(zhuǎn)軸繞著它旋轉(zhuǎn)時，角動量的守恒量就代表了局部參考系的方向。對于一個自由陀螺儀力，這力會有稍微不同于慣量的主要力矩 ,這也?????伴隨著主要扭矩 與旋轉(zhuǎn)角速度 分別決定斜角的角度與頻率。陀螺儀????? ??s主慣量變化都會轉(zhuǎn)換成 1弧度的斜角，同時還會產(chǎn)生平均小于5s?????≤5x10?6的水平1弧度晃動。因此，倫敦磁偶極子可以表示角動量的方向，球體的極跡。一個超導(dǎo)四轉(zhuǎn)子反應(yīng)了循環(huán)涂抹在石英外殼的分離面耦合了多樣的倫敦磁矩，并由直流SQUID磁力計反應(yīng)。四個陀螺儀牢牢地安裝在附著望遠(yuǎn)鏡的石英塊，與系統(tǒng)操作處于2.3 K的水平。操作望遠(yuǎn)鏡所指向的參考星與均方根有效值精度高于20K水平下的弧秒。在衛(wèi)星陀螺儀中，作為一種減小不對稱扭矩的方法，它所引起的衛(wèi)星視線晃動要維持在0.3到1轉(zhuǎn)每分鐘的速率。對衛(wèi)星的其他敏感器和速度陀螺儀可以維持旋轉(zhuǎn)速度為恒定值10^5，旋轉(zhuǎn)軸線對齊于滾動軸，對齊度優(yōu)于1弧秒。監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的是一個35kHz的電容橋，這個電容橋的每一電極上施加一個峰對峰的40mv激勵電壓，把解調(diào)的位置信號檢測在220Hz之內(nèi)，并用于控制三個自由拖動傳感器的衛(wèi)星推進(jìn)器或用于其他三個陀螺儀的靜電懸掛系統(tǒng)。對于陀螺儀分子拖動會產(chǎn)生主要的扭矩干擾，這個扭矩可以通過一個5x10^-6級別的因素子消減，這個因子通過飛船自旋軸的均分，可以導(dǎo)致陀螺儀的需求壓強處于10^-9Pa以下。為了減少這種壓強，隨即引入氦氣用于旋轉(zhuǎn)，即利用低溫烘干技術(shù)。這技術(shù)使其表面溫度提升到大約7.5k，也因此提高氦氣的解吸，同時解吸的氣體會從飛行器中抽出。緊接著是降溫到2.5k，保留著的氣體被表面的一個替代式單層所吸附。在T1時增強壓強值P1，隨著T1溫度的改變至T2，將會使壓強改變至P2，這個關(guān)系可以由以下公式給出；是與金屬粘合物粘合時的能量 / =150K。在GP-B在原型測試系統(tǒng)操 ???? ????k??作條件下，殘留氣體分析儀的測量能力會被限制，這個條件為PI=10^-5Pa，并且原來的低溫烘烤過程已經(jīng)證明：陀螺儀在溫度為2.5K的條件下，壓強為10^-13~10^-15Pa. 表1總結(jié)了在100Hz的自旋頻率下計算出的最大陀螺儀干擾扭矩和在約1x10^9帕的陀螺儀的殘余的氦氣的壓力。理想的陀螺儀干擾扭矩差值少于0.17角秒每年，對支撐陀螺儀而言；對非支撐陀螺儀，理想的陀螺儀干擾扭矩差值卻是不少于0.020角秒每年。然GP-B設(shè)計為最小角度的漂移進(jìn)行了優(yōu)化，凱澤等。 （1998）計算出的陀螺儀作為差分加速度計的預(yù)期性能。他們找到，在2x10^-3與2x10^-2Hz范圍所期望的精確值，對于電力陀螺儀來說，大約是在2x10^-10m/(sec*dHz)；對于非支撐的陀螺儀來說就像自由檢測質(zhì)量，處于2x10^-12m/(sec*dHz)左右。在使用GP-B的650公里極地軌道主要作用是輻射環(huán)境的改善，這是由于帶電粒子被困在地球磁場中（維特，1991） ，或者這些帶電粒子由太陽耀斑產(chǎn)生。圖2展示了在GPB軌道中，日常單位軌道質(zhì)子與電子的積累量。質(zhì)子捕獲是影響陀螺儀充電的主要原因，同時對充電網(wǎng)的充電卻是有益影響。由航天器提供屏蔽層阻止了最初級電子，而高級電子的發(fā)射，對于GP-B環(huán)境下，具有小于結(jié)合的產(chǎn)量。在實驗中，初始化階段兩個附加機制可造成陀螺儀充電；陀螺儀外殼懸浮起時導(dǎo)致的不同種金屬的分離；陀螺儀的旋轉(zhuǎn)加速過程中電離氦而導(dǎo)致的充電積累。由于極性充電陀螺懸浮起和自旋向上難以預(yù)測，因此有必要對所述充電控制技術(shù)具有雙極能力。為了在太陽耀斑時，減少熱量和充電，加入一個g.cm^-2的輻射屏蔽，將會產(chǎn)生一個相當(dāng)于20鋁陀螺儀總屏蔽。標(biāo)準(zhǔn)空間技術(shù)用于減輕電子宇宙輻射的影響。然而，陀螺儀轉(zhuǎn)子是在超高真空中孤立的機械系統(tǒng)，因此很有必要用非接觸方法充電，依靠熱輻射冷卻。陀螺儀需求主要是考慮扭矩和加速度，限制轉(zhuǎn)子充電至10pc，或者等價于一個10mv的電壓（在擁有1nF的電容條件下） 。超過一年半的充電總積累任務(wù)是600pc，擁有它就能保證監(jiān)控陀螺儀的電位和積極使用充電控制。轉(zhuǎn)子的充電測量是用調(diào)制力的方法，在此方法中激勵電流采用180°交相電流去代替兩個對立的電極(Buchman et al., 1995).兩種不同技術(shù)陀螺儀都有使用。對于電子陀螺儀積累頻率選擇005Hz，大約有百分之一的懸浮系統(tǒng)反饋頻寬，這確保了沒有不精確的陀螺儀運動發(fā)生。此種情況下的陀螺儀充電與按照懸浮反饋組的控制調(diào)制是成正比關(guān)系的。相比之下，拖拽力累積式傳感器的充電測量大約采用4Hz,對于航天器的姿態(tài)和平移控制推進(jìn)器的頻率大約是反饋組的十倍。拖拽式自由傳感器的充電正比于感測正極電極的運動。調(diào)制力方法的第二種變體優(yōu)點是飛行器不會有不精確的運動的發(fā)生，作為結(jié)果，三個靜電懸浮陀螺儀的位置不會被拖拽式自由傳感器所調(diào)制。力調(diào)制技術(shù)對陀螺儀的偏軌是不敏感的，是獨立于環(huán)境的加速度，并實現(xiàn)在100秒積分時間內(nèi)優(yōu)于5毫伏的電壓精度，使其適合用于GP-B完成任務(wù)使命。GP-B使用兩種充電測量激勵；a)，一組10mv級的持續(xù)電壓監(jiān)控實現(xiàn)在100s內(nèi)電壓精確達(dá)到5mv，b）在使用UV系統(tǒng)的主動控制中，一組100 mV級的測量，它實現(xiàn)了在約1秒的5毫伏的精度，從而使控制組更簡單的實現(xiàn)其功能。UV光電效應(yīng)是一種在GP-B使用的方法，以產(chǎn)生用于充電控制的電子。轉(zhuǎn)子和偏壓電極用UV光電子光與通過光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子照明，通過這些表面添加或從轉(zhuǎn)子移除使用專用的偏壓電極。充電電荷的方向，通過陀螺儀表面電極從-3至3v的偏轉(zhuǎn)控制。陀螺儀面是鈮的濺射薄膜，而電荷控制電極表面是電鍍黃金。實驗注意事項構(gòu)成對陀螺儀附近的硬件附加限制：低剩磁，高標(biāo)準(zhǔn)的潔凈，低于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度1.5 K和兼容性與 2 k的GP-B的實驗溫度。圖像三是安裝固定在陀螺儀外殼的概要描述，外殼功能是引導(dǎo)UV光集中于外殼表面與陀螺儀上，同時也能填補充電控制電極偏向后的作用。UV的光子來源是一個無線不可充電的汞燈。254nm波長的汞光大約有10的能量，這些能量與各有十二片300μm的UV光纖燈相互耦合。冗余的GP-B????將放有兩個燈，從每個燈兩根光纖能夠照亮每個陀螺儀的兩個UV燈具。每八根光纖捆綁的四個陀螺儀，具有UV技術(shù)兼容GP-B發(fā)展的功能，因此可以選擇兩個燈中的一個供應(yīng)照明。光電效應(yīng)強烈地依靠表面能準(zhǔn)確的傳送與反射系統(tǒng)的要素，和20到200之間fA/ μW的陀螺儀能量變化和處于50到500fA/ μW 的UV固定能量變化。充電控制系統(tǒng)的地面測試是在陀螺儀不懸浮的情況下執(zhí)行的，并且光電電流直接通過與地面飛船外殼的關(guān)聯(lián)來測量，這外殼需要在陀螺儀上測試。超過10萬小時的陀螺儀的測試表明，通過強制調(diào)制和紫外線光發(fā)射產(chǎn)生的電子，陀螺漂移符合GP-B的要求，以及充電管理，此管理正是在GP-B的陀螺儀充電問題的解決方案。版權(quán)聲明:這項工作是由美國航空航天局支持，合同編號：NAS8-39225。參考文獻(xiàn)1) Buchman, S., T. 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