Warum werden für die Navigation von Raketen und Flugzeugen gewickelte Glasfasern verwendet?
Die in den Navigationssystemen von Raketen und Flugzeugen anzutreffenden „zu Spulen gewickelten Glasfasern“ haben eine Kernkomponente, die als Glasfasergyroskop (Fiber Optic Gyroscope, kurz FOG) bezeichnet wird. Es ist der Schlüssel-Sensor in modernen Trägheitsnavigationssystemen (Inertial Navigation System, INS), der zur Messung der Winkelgeschwindigkeit (Drehung der Haltung) eines Trägers verwendet wird.
Die physikalischen Grundlagen seines Funktionsprinzips und Designs sind wie folgt:
1. Kernphysikalisches Prinzip: Sagnac-Effekt (Sagnac Effect)
Der grundlegende Betriebsmechanismus von Glasfasergyroskopen basiert auf dem Sagnac-Effekt, der 1913 vom französischen Physiker Georges Sagnac entdeckt wurde:
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Lichtweg-Ausbreitungsmechanismus: Ein kohärenter Lichtstrahl wird in zwei Lichtstrahlen gleicher Intensität aufgeteilt, die sich getrennt in im Uhrzeigersinn (CW) und gegen den Uhrzeigersinn (CCW) entlang desselben geschlossenen Lichtwegs ausbreiten.
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Einführung von Lichtwegunterschieden durch Rotation:
- Wenn der Träger stationär gehalten wird, sind die Lichtwege beider Strahlen identisch, und die Phasendifferenz bei der Interferenz am Austrittspunkt ist Null.
- Wenn sich der Träger mit einer Winkelgeschwindigkeit \Omega um eine Achse senkrecht zur Ebene des Lichtrings dreht, verkürzt sich aufgrund der konstanten Lichtgeschwindigkeit im Vakuum der effektive Weg für das Licht, das sich entgegen der Drehrichtung ausbreitet, während sich der effektive Weg für das Licht, das sich in Drehrichtung ausbreitet, verlängert.
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Beziehung zwischen Phasendifferenz und Winkelgeschwindigkeit:
Wenn die beiden kohärenten Lichtstrahlen am Austrittspunkt wieder zusammentreffen und interferieren, entsteht eine winzige relative Phasendifferenz \Delta \Phi_s:\Delta \Phi_s = \frac{4\pi L R}{\lambda c} \Omega- \Omega ist die eingekoppelte Winkelgeschwindigkeit der Trägerrotation;
- L ist die Gesamtlänge der Glasfaser im geschlossenen Ring;
- R ist der mittlere effektive Radius des Glasfaserrings;
- \lambda ist die zentrale Wellenlänge der Lichtquelle;
- c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Durch Messung der Phasenänderung des Interferenzsignals mit hochpräzisen optoelektronischen Detektoren und Modulations-/Demodulationsschaltungen kann die Echtzeit-Winkelgeschwindigkeit der Rakete oder des Flugzeugs präzise rückberechnet werden. Durch Integration kann die Nick-, Roll- und Gierachse des Fluggeräts ermittelt werden.
2. Warum muss es „zu vielen Spulen gewickelt sein“?
Aus der theoretischen Formel ist ersichtlich, dass die Sagnac-Phasendifferenz \Delta \Phi_s proportional zur **Gesamtlänge der Glasfaser L ** und zum **Radius des Rings R ** ist:
- Erhöhung der Sensorik-Empfindlichkeit:
Wenn nur eine einzelne Glasfaser verwendet würde, wäre die durch die Erdrotation oder winzige Winkelgeschwindigkeiten verursachte Phasendifferenz bei typischen Fluggerätegrößen (z. B. im Durchmesser von zehn Zentimetern) extrem gering und weit unter dem Rauschboden normaler optischer Systeme. - Vielfache Signalverstärkung:
Um die für die Trägheitsnavigation erforderliche taktische oder strategische Genauigkeit zu erreichen (z. B. eine Nullpunktstabilität von 0.01^\circ/\text{h} oder höher), werden in der Praxis Glasfasern mit Längen von Hunderten bis Tausenden von Metern (typischerweise spezielle polarisationserhaltende Fasern, PMF) in speziellen symmetrischen Wicklungen (z. B. vierfache oder achtfache Symmetrie) präzise zu Ringen gewickelt, um die Phaseninterferenzdifferenz um Tausende von Malen zu verstärken. - Unterdrückung von Umwelteinflüssen:
Die spezielle symmetrische Wickeltechnik kann auch nicht-reziproke thermische Spannungsgeräusche (Shupe-Effekt) aufgrund äußerer Temperaturgradienten effektiv unterdrücken.
3. Technische Vorteile von Glasfasergyroskopen im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Gyroskopen
Die weit verbreitete Anwendung von Glasfasergyroskopen in Navigationssystemen von Raketen und Flugzeugen beruht hauptsächlich auf folgenden technischen Eigenschaften:
- Vollständig solid-state, keine mechanisch beweglichen Teile:
Es gibt keine Hochgeschwindigkeits-Rotoren und Lagerstrukturen wie in herkömmlichen mechanischen Gyroskopen. Die Fähigkeit, hohe Überlastungen zu widerstehen, ist extrem stark (kann Stoßbeschleunigungen von zehntausenden von g beim Raketenstart aushalten), und die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) ist extrem hoch. - Extrem kurze Startzeit:
Nach dem Einschalten kann es innerhalb von Millisekunden in den Messzustand übergehen, ohne den für herkömmliche mechanische Gyroskope erforderlichen Motoraufwärmprozess. Dies erfüllt die Anforderungen für schnelle Notstarts. - Großer Dynamikbereich und hohe Linearität:
Es kann sowohl extrem hohe Winkelgeschwindigkeitsmanöver als auch kleine Haltungskorrekturen in großem Bereich bewältigen.
Hinweis zur technischen Zuordnung
Glasfasergyroskope (FOG) und ihre speziellen Glasfaser-Sensoring-Ringe fallen in den Bereich der Trägheitsnavigations- und Trägheitsmesstechnik (IMU).
Die Technologien und Kernproduktlinien von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) konzentrieren sich auf Glasfaser-Gitter-Sensortechnologie (FBG Sensing Technology), einschließlich Glasfaser-Gitter-Temperatursensoren, Dehnungssensoren, Verschiebungssensoren, 3D-Kraftsensoren und Glasfaser-Gitter-Demodulatoren sowie Geräte zur Überwachung der strukturellen Gesundheit und zur Messung physikalischer Größen in der Industrie. Das Unternehmen entwickelt und produziert keine Glasfasergyroskop-Systeme oder Glasfaser-Sensorringe für Trägheitsnavigationssysteme.