АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»

Направление лазерной гироскопии высокой точности


НТЦ «Навигатор»
В. Н. Курятов, Е. Ф. Наседкин, Б. Н. Семенов, Е. Н. Журавлева

Курятов Владимир Николаевич
Курятов Владимир Николаевич

Курятов Владимир Николаевич, доктор технических наук, действительный член международной Академии навигации и управления движением, руководитель НТЦ «Навигатор», главный конструктор по направлению лазерных гироскопов высокой точности, родился в 1937 году в г. Москве.

В 1961 году окончил вечернее отделение Московского электротехнического института связи.

До 1961 года работал в МГУ им. Ломоносова на кафедре лауреата Нобелевской премии Семёнова Н.Н., разрабатывал одну из первых установок электронного парамагнитного резонанса.

В период 1961-1967 гг. работал в НИИ Прикладной физики (НИИ-801), занимался разработкой и изучением газовых лазеров. В 1963 году запустил первый в стране кольцевой лазер (основа лазерного гироскопа). В 1965 году защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по материалам исследования свойств и эффектов в кольцевом лазере.

С 1967 года работает в НИИ «Полюс» ст. научным сотрудником, нач. лаборатории, нач. отдела, начальником отделения (НТЦ « Навигатор»).

Инициатор и участник создания специальных производственных участков на Опытном заводе при НИИ «Полюс»:

  • ситаллового, по механической обработке стекла;
  • прецизионной оптики (технология «глубокой полировки» с Ra ~ 3Å);
  • вакуумно - сборочного;
  • испытательного (впоследствии цех 974).

Разработал оригинальную конструкцию отечественных лазерных гироскопов серии КМ:

  • с резонатором, образованным призмами ПВО (в обход отсутствующей в стране технологии напыления высококачественных диэлектрических зеркал);
  • накачкой ВЧ разрядом активной среды;
  • пневморегулировкой периметра.

История развития лазерной гироскопии в нашей стране начинается почти одновременно с появлением в 1960 г. газовых лазеров. В те беспокойные годы на заре зарождения лазерной техники весь научный мир буквально будоражили многочисленные лазерные эффекты, открытия, смелые гипотезы, туманные перспективы, которые шумно и с энтузиазмом обсуждались, тогда еще немногочисленной группой пионеров лазерной техники, на еженедельных семинарах в ФИАНе, которые блестяще проводил Нобелевской лауреат, академик А.М. Прохоров.

Ежедневно появлялась информация об освоении всё новых и новых лазерных сред и длин волн, эффектных голографических видениях, прогнозы создания сверхмощных “гиперболоидов”, и т.д., и т.п..

Сейчас уже невозможно восстановить все перипетии становления нашей техники. В памяти хаос визитов, выставок, семинаров, конференций, симпозиумов. Простое перечисление имен людей, с которыми приходилось непосредственно в той или иной мере общаться в работе, достаточно красноречиво говорит о том бурном времени: профессоры В.А. Фабрикант, С.Э. Фриш, Р.В. Хохлов, академики А.М. Прохоров, Н.Г. Басов, П.Л. Капица, президент АН СССР М.С. Келдыш, маршалы Ю.А. Малиновский и Г.Н. Гречко, министр С.А. Зверев, главный конструктор С.П. Королев и даже Н.С. Хрущев.

Неудивительно, что на этом фоне для многих осталось незамеченным одно сообщение о возможности создания принципиально новых измерительных приборов на основе кольцевых лазеров, сделанное А.М.Прохоровым в Физическом институте АН СССР в конце 1962 г. по результатам работы парижского симпозиума по квантовой электронике. Но группа молодых инженеров предприятия (сейчас это НИИ прикладной физики, научным руководителем которого был Л.Н.Курбатов) Е. Наседкин, Г. Кошкин во главе с В. Курятовым со всей серьезностью отнеслась к идее создания таких приборов.

Много препятствий пришлось преодолеть небольшой группе энтузиастов до сборки первого в Советском Союзе макета кольцевого прибора: сопротивление руководства, не одобряющего проведения таких, как тогда считалось второстепенных работ, технические и производственные трудности.

В середине 1963 г. в НИИ ПФ макет был собран и, как маятник Фуко, подвешен к потолку комнаты для создания частотной подставки крутильными колебаниями и развязки от фундамента здания. Несмотря на ряд технологических ограничений и неудобств (небольшой срок службы газоразрядных трубок; невидимый для глаза инфракрасный диапазон излучения; полупроводниковый приемник излучения из экзотических материалов индий-сурьма, требующий регулярного охлаждения жидким азотом и заставляющий пребывать в постоянном напряжении из-за хрупкости конструкции; использование небезопасных для здоровья мощных (300 Вт) высокочастотных генераторов накачки и т.д.) прибор функционирует!

Постепенно новая тематика начинает получать в институте признание и материальную поддержку в виде современного оборудования, производственных площадей и молодых специалистов. Так в 1964 г. появились сразу четыре дипломника: Н. Кузнецова и М. Орлов из МЭИ, В. Виноградов из МГУ и Е. Журавлева из МВТУ, впоследствии выросшие в основных разработчиков.

Журавлева Елизавета Николаевна
Журавлева Елизавета Николаевна,
ведущий разработчик лазерных гироскопов типа КМ,
кандидат технических наук

К этому времени относится появление новых конструкционных материалов: ситалла СО-115М и особо прозрачного кварцевого стекла КУ-1. Прибор начинает приобретать моноблочную конфигурацию.

Отсутствие в Союзе высококачественных диэлектрических зеркал приводит к вынужденной разработке (нет худа без добра) нового типа отражающих элементов - призм полного внутреннего отражения.

В 1967...68 гг. пионеры этого направления В.Н. Курятов, Б.Н. Семенов, Е.Н. Журавлева, М.В .Орлов, Н.И. Кузнецова, Е.Ф. Наседкин организуют уже в стенах НИИ “Полюс” сначала две лаборатории, затем отдел моноблочных кольцевых приборов, и, в дальнейшем, отделение – НТЦ «Навигатор».

К моменту нашего прихода в НИИ “Полюс” лазерная гироскопия развивалась подразделением во главе с Б.В. Рыбаковым. В основу приборов этого направления была положена схема, использующая в качестве отражающих элементов резонатора зеркала с интерференционным покрытием, а в качестве подставки, зеемановский невзаимный элемент. В дальнейшем это направление в институте возглавляли И.И. Юдин, Е.И. Бурый, Г.М. Ромадин, И.В. Васильев, В.Г. Дмитриев.

Наличие двух направлений в разработке кольцевых лазеров создавало творческую конкуренцию на всем протяжении существования НИИ “Полюс”. В сложной конкурентной борьбе развивался и крепчал наш коллектив. Зачастую его судьба, как и всего направления, находилась на острие ножа и решалась в апартаментах Министерства электронной промышленности, МГК и ЦК партии.

Правильно выбранная техническая политика, ставка на высокодобротный резонатор, ВЧ-накачку, моноблочную конструкцию и механическую частотную “подставку” позволили коллективу не только обрести свой индивидуальный почерк, но и создать наиболее точные в нашей стране и долгоживущие приборы, организовать их производство, внедрить в ряд престижных навигационных систем.

Призмы полного внутреннего отражения имеют ряд преимуществ. Уже в 60-х годах они имели потери менее 0,01% и обеспечивали область захвата около 100 Гц (на имеющихся в то время зеркалах подобные параметры были недостижимы). Для их реализации пришлось решить ряд технических вопросов:

  • разработать специальную технологию обработки оптической поверхности, обеспечивающую шероховатость не более 5…3 Å;
  • создать специальные оптические резонаторы, в которых парировалась температурная зависимость показателя преломления материала призм (плавленый кварц);
  • разработать специальную технологию пайки призм, обеспечивающую минимальные натяжения.

В итоге, оформилась основная идеология лазерных гироскопов типа КМ: четырехпризменный резонатор, ситалловый несущий блок, высокочастотный безэлектродный разряд, пневматическая регулировка периметра (обеспечивающая максимальную устойчивость к механическим воздействиям, прочность к ударам и линейным ускорениям), встроенная электроника жизнеобеспечения.

В сферу контрагентских работ включаются такие мощные предприятия, как ГосНИИКС (Ленинград), ГОИ (Ленинград), ГИС (Москва), ЛЗОС (Лыткарино).

Расширяются и становятся постоянно действующими научные и технические связи с ведущими институтами и университетами страны: МГУ (Ю.Л. Климантович, П.С. Ланда, Е.Г. Ларионцев), ЛГУ (Н.И. Калитеевский, Э.Е. Фрадкин, С.Г. Зейгер), МЭИ (В.А. Фабрикант, Е.Ф. Ищенко, А.Л. Соколов), МВТУ (В.Н. Енин, В.Ф. Судаков), НИИ ПФ г. Горький (И.Л. Бернппейн, И.А. Андронова), ИФ АН БССР г. Минск (В.С. Рубанов, Г.С. Круглик), ЛПИ (В.Ю. Петрунькин, В.М. Николаев) и многие другие.

Сформировалась научная школа высокоточной лазерной гироскопии: успешно проходят защиты кандидатских диссертаций М.В. Орлова, Е.Н. Журавлевой, А.В. Романова, В.H. Федорова, А.П. Мезенцева, А.Л. Соколова (научный руководитель В.Н. Курятов).

Активная изобретательская деятельность – характерная черта НТЦ «Навигатор», сотрудниками отделения получено более 150 авторских свидетельств на изобретения, большая часть которых используется в приборах.

Следует отметить некоторые основные научно- технические достижения направления:

  • 1964 г. Разработана теория “захвата” с учетом неодинаковых комплексных связей встречно бегущих волн.
  • 1964, 1965 гг. Обнаружено и изучено явление дрейфа возбужденных атомов неона в разряде постоянного тока. К известным видам дрейфа - электронов и ионов в разряде, добавился вновь открытый эффект направленного движения возбужденных атомов за счет селективной рекомбинации ионов.
  • 1967 г. Освоена техника знакопеременной частотной подставки, разработана её теория, при моделировании на аналоговой (!) вычислительной машине обнаружены на выходной характеристике ЛГ “полочки” - области синхронизации разностной частоты с гармониками частоты переключения знака частотной подставки.
  • 1968 г. Проведены первые работы прикладного характера, проверена возможность и перспективность использования лазерного гироскопа КМ-20 для пространственной стабилизации.
  • 1969-74 гг. Выполнен цикл работ по созданию базовых технологий промышленного производства унифицированного ряда приборов типа КМ с наработкой свыше 20 000 часов.
  • 1974 г. Цикл фундаментальных теоретических исследований оформлен в обширной монографии, изданной нашими контрагентами (С. Зейгер, П. Ланда, Е. Ларионцев, Э. Фрадкин, под ред. Ю.Л. Климонтовича) “Волновые и флуктуационные процессы в лазерах”.
  • 1975 г. В малогабаритном приборе KM-11 достигнута точность 0,01 угл.град./ч, что позволило приступить к разработке БИНС для самолетов гражданской авиации в обход монополии США (фирмы Honeywell, Litton).
  • 1982 г. Полностью раскрыт и теоретически описан механизм температурной зависимости смещения нуля ЛГ (термоскольжение и термодиффузия).
  • Проведенные исследования позволили уже в 1969 г. (НИР “Колумб”) достигнуть моноблочным призменным ЛГ рекордной по тем временам точности измерения абсолютной угловой скорости вращения Земли - 8•10-4 угл.град./ч.

    Затем - длительный цикл работ по обеспечению устойчивости к всевозможным дестабилизирующим факторам от вибро-ударных нагрузок и термоударов до нейтронных потоков и гамма излучения.

    Понимая необходимость масштабного производства разрабатываемых приборов, отделом проводится большая организационная работа по созданию на опытном заводе при НИИ новых производственных участков.

    В результате появляются ситалловый участок, вакуумно-сборочный, участки испытаний, химического травления блоков.

    В оптическом цехе создаются бригады по изготовлению прецизионных призм с шероховатостью поверхностей 5…3 Å (под научным руководством Б.H .Семёнова).

    Неоценимый вклад в становление производства внесли главный технолог производства Шульц Г.Н., главный технолог института Хоц Е.Я., директор завода при НИИ Лобачев B.C., начальник технологического отдела Екамасов Н.И., зам. главного конструктора по технологии Фарштендикер В.Л. и многие другие специалисты.

    Позже, с назначением А.З. Савелова директором НПО “Полюс” отдельные участки были объединены в специализированный цех по выпуску приборов типа КМ (В.М. Шикин, А.П. Виноградов, В.Н. Калганов, Б.П. Сологуб, Л.А. Иванова, В.Н. Мальков). Отдел перерастает в отделение, пополняется специалистами (А. Романов, В. Томилин, Ю. Бакин, Г. Черемисенов, Т.Трояновская, Л. Кулаков, М. Егоров, Б. Булычев, Н. Алексеева, В. Катин, Н. Гришина, В. Воронина, Л. Коношенко и многими другими).

    Специально для обеспечения самолетов нового поколения при активной помощи зам. министра МЭП Илюшина С.В. Озерский приборостроительный завод ориентируется на выпуск разработанных нами гироскопов KM-11-lA (Е.Я. Хоц, В. Кузнецов, В. Гуров, В. Попарецкий, В. Кравченко и др.).

    С приходом новых времен надо было устоять перед разрушительными тенденциями «перестройки», перед остро встала проблема финансирования. Новые времена, новый директор НИИ “Полюс” А.А. Казаков создает ряд научно-технических центров с большей автономностью и самофинансировнием. Он добивается перевода части цеха лазерных гироскопов из распадающегося НПО в НИИ. На этой базе отделение преобразуется в НТЦ «Навигатор». Резкое сокращение заказов от российской оборонки удается частично компенсировать контрактами с зарубежными заказчиками.

    В активе направления — разработка серии лазерных гироскопов типа КМ (Квадратный Моноблочный): КМ-43, КМ-20, КМ-11, КМ-7, КМ-2, ТМ-12.

    Лазерный гироскоп КМ-43 разработан специально для лазерной коррекции высокоточных автономных морских навигационных комплексов.

    В сентябре 1986 г. впервые, КМ-43 успешно проработали в длительном автономном походе в районе Северного Ледовитого океана, в том числе Северного Полюса.

    За спиной — ось Мира
    За спиной — ось Мира

    В том же году на Опытном заводе при НИИ (Виноградов А.И., Шикин В.М.) освоен выпуск ЛГ КМ-43, и до 1991 года обеспечена комплектация ими всех комплексов Заказчика. А в 1987 году лазерный гироскоп КМ-43 (г.к. Курятов В.Н.) впервые принят на снабжение в состав прецизионного навигационного комплекса, где эксплуатируется и в настоящее время.

    Лазерный гироскоп КМ-20 (Журавлёва Е.Н., Орлов М.В.), промышленный выпуск которого освоен нашим Опытным заводом в 1972 году, что позволило двадцати различным предприятиям страны начать осваивать новую технику и проектировать реальные системы на ЛГ. На нем и 1971 году были проведены первые натурные испытания ЛГ в реальной системе (полигон в Кубинке, система стабилизации танкового оружия, Орлов М.В.), создана первая в стране БИНС (Г.В.Черемисенов), прошедшая наземные полигонные испытания на различных носителях. В настоящее время используется в углоизмерительной установке в организациях МО России.

    Лазерный гироскоп КМ-20
    Лазерный гироскоп КМ-20

    Лазерный гироскоп KM-11-IA (г.к. Курятов В.Н.) разработан для унифицированного пилотажно-навигационного комплекса дальнего магистрального широкофюзеляжного лайнера ИЛ-96-300 и самолета средней дальности ТУ-204. В 1982 году проведены первые лётные испытания лазерной бескарданной навигационной системы И-42 (г.к. Г.И.Чесноков, МИЭА) с лазерными гироскопами КМ-11. В 1992 г. после длительных сертификационных испытаний лайнера он получил сертификат летной годности для пассажирских перевозок в составе бескарданной инерциальной навигационной системы И-42-1С. Позже (2004 г.) с этими гироскопами взлетал и прошёл сертификацию ТУ-204.

    Лазерный гироскоп КМ-11-1A
    Лазерный гироскоп КМ-11-1A

    В процессе отработки KM-11 прошел успешные испытания на искусственном спутнике Земли. В 1987 году ЛГ KM-11 впервые, работал в космосе в течение 142 суток на борту спутника серии «Космос-1818» («Плазма-А»). После завершения активной работы он поднят на высокую орбиту. Расчётный срок существования - до2045 года.

    На основе ЛГ КМ-11 разработана система пространственной стабилизации (НИИ «Ротор», 1988 г.). С 1991 года комплекс МР-123- 02 с ЛГ КМ-11 принят на снабжение в системе стабилизации корабельных антенн (изделие МР-123-02, ОАО “Изумруд”), которые эксплуатируются в России, в Индии, Китае и Вьетнаме.

    В настоящее время ЛГ КМ11-1А работает в путеизмерительных системах Российских железных дорог.

    С 1992 г. на Опытном заводе при НИИ освоен выпуск ЛГ КМ-11-1А для комплектации навигационных систем гражданских самолётов. Всего выпущено более 2500 приборов.

    Образцы малогабаритного лазерного гироскопа КМ-7 создали научный задел для разработки компаса, позволяющего за 5 минут определить направление на север с ошибкой не более 1-2 угл.мин.

    Дальнейшая миниатюризация ЛГ этого типа позволила создать макет прибора КМ-2 с периметром 2 см.

    Появление лазерных гироскопов - это революция в технике инерциальных измерительных систем.

    Лазерная гироскопия завоёвывала признание на фоне устоявшейся промышленности механических гироскопов, где царила идеология платформенных систем, имелась развитая теория, материальная база, наработки и устоявшиеся традиции. Поэтому на предприятиях, которые занимались разработкой механических навигационных систем, лазерная гироскопия была конкурентом традиционной технике и в силу чего испытывала трудности в развитии и признании.

    Повезло лазерной гироскопии на предприятии, где не было давящего авторитета традиционных гироскопистов, а было дальновидное руководство в лице директора НИИ «Полюс» М.Ф. Стельмаха и Министра электронной промышленности А.И. Шокина.

    Еще одна отличительная сторона процесса. Так как во всем мире ЛГ разрабатывались в первую очередь в интересах военной техники, то на первых порах почти не было информации о технологии изготовления ЛГ, хотя много фирм в мире начинали исследования и разработку ЛГ: Sреrry, Rockwell, Honeywell (США), Ferranti, British Aerospace (Англия), SFENA, Sagem (Франция).

    Думается, что эти обстоятельства способствовали расцвету творческой фантазии и оригинальности отечественных разработок.

    НТЦ «Навигатор»
    НТЦ «Навигатор»
    Стоят: Алексеева Н.В., Ткачев А.В., Аникеев В.И., Цупко Ю.К., Курятов В.Н., Журавлева Е.Н., Егоров М.М., Черемисенов Г.В., Шепелев Д.В.
    Сидят: Воронина Е.А., Барашкова Г.Б., Ксендзова О.В., Степанова И.И., Иванова Л.А., Самойлова Л.Т.
    Почтовый адрес
    РФ, 117342, г. Москва,
    ул. Введенского, д. 3, корп. 1
    Телефон и факс
    Телефон:
    +7 495 333-91-44
    Факс:
    +7 495 333-00-03
    Интернет
    E-mail:
    bereg@niipolyus.ru
    Skype:
    niipolyus