半球諧振陀螺由半球諧振子、激勵罩,、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,、靜電激勵罩、敏感基座精密裝配焊接在一起,，密封在一個高真空的容器中,，形成一個完整而獨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，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國外現(xiàn)狀
國外從事半球諧振陀螺研究主要集中在美國,、俄羅斯和法國。美國是最早研制半球諧振陀螺的國家,，經(jīng)歷了較長歷程,，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,、英國、日本等國家也先后投入力量開展研究,，俄羅斯,、法國已取得明顯效果，其他國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物理學(xué)家布萊恩于1890年提出,。美國通用汽車公司的Boston實驗室在20世紀(jì)60年代中期對其數(shù)學(xué)推導(dǎo)進(jìn)行了驗證，1982年通用汽車公司Delco系統(tǒng)工作部開發(fā)成功第一個HRG慣性導(dǎo)航系統(tǒng),。被利頓公司收購后（現(xiàn)屬于美國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)控制及深空探測等任務(wù)中,，累計空間飛行2500萬小時無失效,，任務(wù)成功率100%。半球諧振陀螺的高可靠性,、長壽命和連續(xù)工作等特點得到了充分展示,。圖5所示為美國Northrop Grumman公司生產(chǎn)的半球諧振陀螺。
圖5 美國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。美國猶他大學(xué)還開展了微半球諧振陀螺（μHRG）研究,，現(xiàn)處于實驗室研究階段,。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年代開始對固體波動陀螺進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與試驗研究,，在HRG結(jié)構(gòu)設(shè)計、信號處理,、調(diào)平技術(shù)等方面俄羅斯處于比較領(lǐng)先地位,。近年來隨著俄羅斯航天工業(yè)的復(fù)蘇，又開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)計局早期研制直徑100mm的HRG，20世紀(jì)90年代又開發(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20萬小時,，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)所開發(fā)了直徑 30mm的HRG,，并具有獨特的諧振子調(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SAGEM防務(wù)公司致力于半球諧振陀螺技術(shù)研究,，得到法國空間局和防御局的支持,，生產(chǎn)的0.1～1.0°/h戰(zhàn)術(shù)級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)級半球諧振陀螺將應(yīng)用于通訊和地球觀測衛(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Sagem公司半球諧振子和半球諧振陀螺HRG
2.2國內(nèi)現(xiàn)狀
我國對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展半球諧振陀螺研究,，對半球諧振陀螺理論,、加工技術(shù)、信號處理等進(jìn)行了不同側(cè)重的研究,，到90年代初期,，國內(nèi)HRG研究取得了一系列階段性成果，在理論研究和產(chǎn)品研制上都取得實質(zhì)性進(jìn)展,。受1994 年美國利頓公司收購 Delco公司的影響,，國內(nèi)多數(shù)科研單位對半球諧振陀螺的發(fā)展產(chǎn)生疑問，相關(guān)研究工作處于停頓狀態(tài),。1997年后,，由于長壽命空間領(lǐng)域任務(wù)需求，我國又加緊了HRG技術(shù)研究,，力求盡快研究出中國的半球諧振陀螺。
航天科技集團(tuán)公司13所于1990年開始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)測試。
圖9 航天13所研制的HRG樣機(jī)
中國電子科技集團(tuán)公司26所,，通過技術(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),，目前主要開發(fā)直徑30mm的HRG,。中電26所經(jīng)過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設(shè)備,、鍍膜設(shè)備、調(diào)平設(shè)備和陀螺測試設(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,、電容檢測,、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,，陀螺儀隨機(jī)漂移達(dá)到 10-3 °/h量級，正在向10-4 °/h量級努力,。2013年8月21日,，中電26所研制的HRG在實踐九號衛(wèi)星上搭載試驗，成功驗證了其空間適應(yīng)能力,；2017年2月14日在我國通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號上成功實現(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，歷經(jīng)6年研制成功半球諧振陀螺組合,，并于2017年2月14日實現(xiàn)在我國通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號上正式在軌使用,，實現(xiàn)了首飛成功。
此外,，國內(nèi)部分高校也開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)、國防科技大學(xué),、長春理工大學(xué),、哈爾濱工程大學(xué)、重慶大學(xué)等從理論上對半球諧振子參數(shù)設(shè)計和振動模型,、陀螺動態(tài)特性等問題進(jìn)行了分析,，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位開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 國內(nèi)外半球諧振陀螺性能對比
國家 | 美國 | 俄羅斯 | 法國 | 中國 |
零偏穩(wěn)定性（0/h） | 0.005～0.0005 | 0.005～0.01 | 0.01～0.1 | 10-3量級 |
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 | 通信試驗衛(wèi)星二號 |
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,，國內(nèi)外的研究單位對諧振子制造工藝,，特別是諧振子超精密加工工藝采取了高度保密措施，很少有公開文獻(xiàn)報道,，因此對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） 超聲振動磨削成型
近年來隨著技術(shù)發(fā)展,，超聲振動輔助磨削技術(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,。超聲振動輔助磨削加工是將超聲振動施加于旋轉(zhuǎn)的磨削工具上，在超聲振動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,、砂輪對刀和磨損補償?shù)裙に噯栴},，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,。加工示意圖見圖12所示。
圖12 半球諧振子精密磨削加工
（1） 研磨拋光
針對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,，以及相對運動軌跡等因素決定,，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,，需通過調(diào)平工藝去除諧振子表面多余質(zhì)量,，補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，為原子量級無應(yīng)力去除,，調(diào)平精度高,，對材料表面和深層結(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，我國半球諧振陀螺研究尚處于探索階段,，與國外先進(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,，將我國半球諧振陀螺研制和應(yīng)用水平提升到一個新高度。建議開展重點研究工作如下：
（1） 半球諧振子超聲振動銑磨成型技術(shù)
超聲振動輔助磨削加工技術(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)一步開展超聲振動輔助磨削加工機(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,。通過學(xué)習(xí)借鑒國內(nèi)外加工經(jīng)驗，充分利用現(xiàn)有研究基礎(chǔ),，抓緊研究開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備,。
（3）石英材料加工表面缺陷檢測與消除技術(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損檢測技術(shù),，開展化學(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技術(shù)
超精密計量檢測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。急需研究開展諧振子在線/在位精密檢測技術(shù),、整體或部分球面的超精密檢測技術(shù)和超精密檢測裝備（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試技術(shù)等,。