Магнитотвердые материалы для навигационных приборов авиации, изготовленные на основе смеси неодима и празеодима

Введение

Разработанный в НИИ прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) марки ДНГ-091 имеет следующие основные характеристики: масса 125 г, ресурс работы 140000 ч, скорость вращения 30000 мин^–1, величина измеряемой угловой скорости 10 градусов/с [1]. Длительная автономная работа инерциальных навигационных систем сопряжена со сложностью описания погрешностей их датчиков стандартными статистическими методами [2]. В рамках данного обзора исследуются источники шумов в микро электромеханических акселерометрах и гироскопах, а также анализируются подходы к их оценке.

Как отмечено в работе [2], погрешности таких датчиков можно классифицировать и количественно оценить двумя ключевыми методами: через дисперсию Аллана и анализ спектральной плотности мощности, что продемонстрировано на примере инерциальной системы ADIS16448. Практически подтверждена взаимосвязь между этими методами, а именно возможность вычисления дисперсии Аллана на основе данных о спектральной плотности. Адаптация этих методов для работы в реальном времени предоставляет возможность создания систем взаимной компенсации показаний разнородных сенсоров. Рассматриваются также технические средства и методики контроля информационно-измерительных систем. Особое внимание уделяется разработке и калибровке датчиков угла поворота для систем управления полетом. Описаны принцип построения испытательного стенда для оценки точности калибровки и процесс обучения нейронной сети, призванной нивелировать недостатки традиционных методов калибровки.

В работе [3] представлен сравнительный анализ классического подхода к совместной калибровке датчиков угла и метода, использующего нейронные сети.

Увеличение потребностей в системах управления движением для различных изделий стимулировало спрос на недорогие и высокопроизводительные навигационные приборы, что, в свою очередь, потребовало организации их крупносерийного производства. Появление принципиально новых типов гироскопов, таких как волоконно-оптические (ВОГ), твердотельные волновые (ТВГ), микромеханические и лазерные, ознаменовано проведением интенсивных исследований, начало которым положено еще во второй половине ХХ в. [4]. В активной фазе также находятся исследования по проектированию гироскопов, основополагающим принципом которых является квантовая оптика.

Согласно данным работы [4], в настоящее время с учетом уже имеющихся видов механических гироскопов широкий диапазон точности обеспечивается тремя конкурирующими технологиями. Создание бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) стало возможным благодаря использованию лазерных гироскопов, имеющих стабильный масштабный коэффициент и дрейф нуля ~10^–2 градусов/ч. Благодаря простоте и низкой стоимости БИНС с использованием лазерного гироскопа стали основным решением для авиации, что обеспечило их массовое производство. Например, компания Honeywell за два десятилетия (1995–2015 гг.) выпустила >300 тыс. триад лазерных гироскопов. На 1980-е гг. пришелся пик научных публикаций, посвященных разработке лазерных гироскопов, тогда как в настоящее время появляются новые данные только о локальных усовершенствованиях их конструкции. Дрейф нуля на уровне 10^–3–10^–1 градус/ч остается наиболее востребованным. С учетом того, что данный диапазон в ближайшее время не будет расширен, лазерные гироскопы занимают лидирующие позиции на рынке.

Позднее началась активная фаза исследований ВОГ с более низкими значениями точности, работа этого гироскопа основана на релятивистском эффекте Саньяка. Навигационные системы с использованием таких гироскопов появились лишь в XXI в. и смогли занять рыночную нишу благодаря трем преимуществам. Во-первых, в их производстве используются отработанные и недорогие компоненты волоконно-оптических сетей связи. Во-вторых, ВОГ не подвержен эффекту захвата встречных волн, в отличие от лазерных гироскопов. В-третьих, надежность ВОГ потенциально можно повысить путем вынесения источника излучения за пределы оптического контура, тогда как в лазерном гироскопе он расположен внутри резонатора. Следует отметить, что ВОГ незаменим в проектировании систем, где приоритетной характеристикой является автономная работа с высокой точностью в течение длительного времени. Достичь этого можно благодаря повышенной чувствительности ВОГ, которая обусловлена возможностью увеличения длины оптического волокна. Навигационные системы с применением ВОГ нашли применение в агрегатах, используемых преимущественно в судостроительной отрасли. При этом единственным сдерживающим фактором, ограничивающим его применение в более ответственной ракетно-космической технике, является меньшая, чем у лазерных гироскопов, стабильность масштабного коэффициента.

Космическая техника, например, США и Франции включает альтернативный тип гироскопа – ТВГ. Он разрабатывался для применения преимущественно в морских условиях. В сравнении с оптическими аналогами ТВГ опережает их по массогабаритной характеристике, но является более дорогостоящим.

Нельзя забывать и о гироскопе, принцип работы которого основан на ядерном магнитном резонансе. Такой гироскоп обладает средней и высокой точностью (дрейф нуля 10^–3–10^–2 градусов/ч) и повышенной стойкостью к механическим воздействиям [5–7].

Отдельного внимания требует микромеханический гироскоп, точность которого в обозримом будущем может быть значительно повышена – до уровня 10^–1 градусов/ч. Перспективной, но сложно реализуемой в настоящее время является технология с использованием холодных атомов.

Ввиду масштабной конкуренции продолжают использоваться прецизионные электростатические гироскопы, но ведутся активные мероприятия по их замене на ВОГ, ТВГ и гироскопы, работающие на новых физических принципах, тогда как прочие виды механических гироскопов применяются ограниченно [4].

Особого внимания заслуживает ДНГ, имеющий три степени свободы во внутреннем подвесе и две взаимно ортогональные входные оси. Его точность находится в интервале 10^–2–10^–1 градус/ч [8]. Ключевая особенность ДНГ – способность точно компенсировать угловую жесткость упругих элементов подвеса инерционным моментом при выполнении условия динамической настройки [9].

Такие гироскопы нашли массовое применение в качестве чувствительного элемента в курсовых вертикалях и гиростабилизаторах для авиации, спецтехники, автомобилестроения и добывающей промышленности [9]. В исследовании [10] представлена математическая модель собственной скорости прецессии ДНГ в режиме датчика угловой скорости, учитывающая его ориентацию в географической системе координат и реальное положение на испытательном стенде. Показано, что при отклонении платформы метод последовательного приближения позволяет определять параметры гироскопа с точностью, сопоставимой с аналитическими алгоритмами. Среди классических механических гироскопов ДНГ отличается оптимальным соотношением точности, стоимости и массогабаритных показателей [11]. По размерам, массе и стоимости ДНГ превосходит поплавковые гироскопы.

Экспериментально установлено, что вектор намагниченности ротора двигателя ДНГ вносит существенный вклад в его погрешность, которая может достигать 40 % от запуска к запуску [12]. Для функционирования ДНГ в его конструкции заложен кольцевой магнит с радиальной текстурой (КМРТ). Основное требование, предъявляемое к данным магнитам, – термическая стабильность, т. е. неизменность намагниченности при различных температурах. В противном случае потребуется применение в ДНГ устройства для стабилизации температуры, что усложнит его конструкцию. Магниты также должны иметь высокое значение коэрцитивной силы по намагниченности H_cI. Этим условиям удовлетворяют материалы системы Sm–Co, однако из них невозможно изготовить КМРТ, поскольку они разрушаются в процессе производства из-за возникновения радиальных трещин [13–16]. Это связано с тем, что при спекании за счет достаточно высокого значения коэффициента линейного теплового расширения возникают растягивающие напряжения, превышающие предел прочности материала при растяжении [17]. Именно поэтому из материалов системы Sm–Co можно изготавливать радиальные кольца для ДНГ только из отдельных сегментов (как правило, из восьми штук), что делает поле на поверхности кольца неоднородным и ухудшает точность гироскопа. При использовании материалов системы Nd(Pr)–Dy–Fe–Co–B эти напряжения сжимающие, поэтому их можно использовать для изготовления КМРТ [18, 19]. Хотя стоимость КМРТ в составе ДНГ несущественна относительно стоимости самого прибора, следует рассмотреть возможность изготовления магнита из неразделенной смеси неодима и празеодима. Такой подход может оказаться важным для сохранения производства в условиях нарушения поставок редкоземельных металлов. Кроме того, разделение лантаноидов – сложная задача вследствие близости их химических свойств, соответственно разделение неодима и празеодима значительно повышает их стоимость.

Материалы и методы

Слитки получали в вакуумной индукционной печи. В качестве исходных материалов использовали металлы: неодим НМ-1, празеодим ПрМ-1, диспрозий ДиМ-1, кобальт К0, а также железо АРМКО первого типа. Для создания рабочего слоя тигля применяли инертную керамику на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Легирование бором осуществляли, вводя в расплав ферроборную лигатуру состава Fe_88,7B_11,3. Полученный слиток подвергали дроблению в атмосфере азота до достижения фракции размером <315 мкм. Дальнейшее измельчение порошка до монокристаллического состояния проводили в мельнице, где в качестве защитной среды использовали хладон. Формование образцов выполняли методом прессования в магнитном поле напряженностью 800 кА/м. Затем спрессованные образцы спекали в вакуумной печи при температуре ~1100 °С с последующим отжигом.

Для определения плотности спеченных материалов применяли метод гидростатического взвешивания в дистиллированной воде [20].

Качественный и количественный анализ содержания основной магнитной фазы R₂(Fe, Co)₁₄B проводили с помощью микрорентгеноспектрального анализа. Используемый микроанализатор обеспечивал регистрацию элементов в диапазоне от бора (Z = 5) до урана (Z = 92) с локальностью анализа 1 мкм² и глубиной проникновения ~1 мкм. Магнитные характеристики измеряли на вибрационном магнитометре на образцах сферической формы. При измерении текстуру образцов направляли параллельно полю электромагнита.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Типичные кривые размагничивания исследованных материалов представлены на рис. 1. Для удобства все данные измерений представлены в таблице. Как видно из данных таблицы (строки 3–6), концентрация церия в материале коррелирует с магнитными свойствами.

Величина H_cI материала, не содержащего празеодим (строка 1), больше по сравнению с другими системами, однако все остальные характеристики значительно ухудшаются.

Можно отметить, что с уменьшением концентрации церия и, соответственно, с увеличением содержания неодима возрастают только коэрцитивная сила по индукции H_cB и коэффициент прямоугольности кривой размагничивания SF. Плотность материала ρ уменьшается. Все остальные характеристики (H_cI, 4πI_S, B_r) остаются практически без изменений. Следует также учесть, что материал с неодимом содержит меньшее количество кобальта (0,21 атомных долей, как видно из таблицы), чем материал состава (Pr_0,65Dy_0,35)_13,08(Fe_0,76Co_0,24)_78,95B_7,97. Известно, что с увеличением концентрации кобальта содержание основной магнитной фазы R₂(Fe, Co)₁₄B (фаза А) уменьшается [21, 22], а значит, снижается намагниченность, поскольку именно эта фаза определяет данный показатель материала на основе редкоземельных металлов [23]. Содержание этой фазы для материалов на основе неодима и празеодима представлено на рис. 2.

Содержание фазы А в материалах на основе празеодима значительно выше, чем в материалах на основе неодима. Возможно, это связано с меньшей скоростью диффузии в материалах на основе празеодима [24]. В работе [25] установлено, что спеченные материалы на основе празеодима имеют большую скорость уплотнения при спекании, чем материалы на основе неодима. Предполагается, что при спекании жидкая фаза в материалах на основе празеодима имеет лучшие смачивающие свойства по отношению к фазе R₂(Fe, Co)₁₄B, чем в материалах на основе неодима. Исходя из рис. 2, можно сделать вывод, что примесь неодима в данном случае вредна, и вопрос заключается только в ее допустимом количестве. Следует также обратить внимание на то, что с увеличением содержания кобальта в материалах на основе неодима резко уменьшается количество основной магнитной фазы. Между тем для термически стабильных материалов количество кобальта должно составлять не менее 1/3 от содержания железа.

Заключения

Для навигационных приборов с высоким содержанием кобальта примесь неодима в сплаве допустима только на уровне, не превышающем ~5 атомных долей. В противном случае с увеличением содержания кобальта может резко уменьшиться количество основной магнитной фазы R₂(Fe, Co)₁₄B. Выявлено, что оптимальными магнитными свойствами обладает материал с минимальным содержанием церия. На основании результатов сравнения актуальных цен и доступности редкоземельных металлов и с учетом того, что в настоящее время они производятся в основном в КНР [26, 27], следует сделать вывод о приоритетности применения материалов на основе неодима.

Работа выполнена в рамках тематической карты ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН 124013100858-3.