АВТОНОМНЫЙ КАРДАННЫЙ ИНЕРЦИАЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК С ОХЛАЖДЕНИЕМ ЗА СЧЕТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2020 года по МПК H05K7/20 G01C19/00 G01P3/00 B60K17/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Настоящее изобретение относится в целом к карданам, а в частности, к карданным инерциально-измерительным блокам с охлаждением за счет теплопроводности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] При решении некоторых задач в навигационных системах используют инерциально-измерительные блоки. Инерциально-измерительные блоки чувствительны к температуре, и их температуру необходимо регулировать. Обычно инерциально-измерительные блоки охлаждают с использованием внутреннего вентилятора с распределителями потока. В некоторых примерах для охлаждения инерциально-измерительного блока также могут быть использованы внутренние бандажные трубки охлаждения.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[003] Приведенное в качестве примера устройство включает в себя:

- инерциально-измерительный блок,

- карданный узел, в котором расположен инерциально-измерительный блок, при этом между каждым карданом карданного узла имеются промежутки, содержащие газ для проведения тепла от карданного узла, и

- изотермический колпак, по меньшей мере частично окружающий карданный узел и имеющий охлаждающую трубку, размещенную на внешней поверхности изотермического колпака для переноса тепла от карданного узла за счет теплопроводности.

[004] Еще одно приведенное в качестве примера устройство включает в себя:

- стабилизированный элемент карданного узла, включающий в себя узел электронного оборудования, размещенный в полости стабилизированного элемента,

- инерциально-измерительный блок навигационной системы, включающий в себя гироскоп и акселерометр, причем гироскоп и акселерометр расположены внутри стабилизированного элемента,

- один или более карданов, функционально соединенных со стабилизированным элементом, причем каждый из указанных одного или более карданов содержит термическую оболочку, прикрепленную к центральной части кардана для обеспечения кондуктивного переноса тепла, и

- изотермический колпак, по меньшей мере частично окружающий указанные один или более карданов и содержащий охлаждающую трубку для обеспечения возможности охлаждения инерциально-измерительного блока за счет кондуктивного переноса тепла.

[005] Настоящее изобретение может включать устройство, которое может включать в себя:

- инерциально-измерительный блок;

- карданный узел, в котором расположен инерциально-измерительный блок, при этом между каждым карданом карданного узла имеются промежутки, содержащие газ для проведения тепла от карданного узла; и

- изотермический колпак, по меньшей мере частично окружающий карданный узел и имеющий охлаждающую трубку, размещенную на внешней поверхности изотермического колпака для переноса тепла от карданного узла за счет теплопроводности.

Для улучшения рабочих характеристик при некоторых условиях карданный узел может включать в себя внешний кардан, внутренний кардан и стабилизированный элемент, причем каждый из карданов имеет соответствующую термическую оболочку для проведения тепла к изотермическому колпаку.

[006] Изотермический колпак может быть охлажден текучей средой, протекающей через охлаждающую трубку и имеющей регулируемую температуру, для поддержания по существу постоянной температуры инерциально-измерительного блока. Инерциально-измерительный блок может включать в себя узел электронного оборудования, гироскопы и акселерометры, причем узел электронного оборудования расположен в полости возле гироскопов и акселерометров и отделен от гироскопов и акселерометров пластиной. Устройство также может включать в себя нагреватели, размещенные в указанной полости, причем нагреватели выполнены с возможностью работы, когда количество тепла, выделяемого узлом электронного оборудования, меньше порогового значения, и предназначены для поддержания по существу постоянной температуры карданного узла. Промежутки в карданном узле могут иметь размеры, обеспечивающие уменьшение в них конвективного потока. Указанное будет повышать эффективность. Газ может включать в себя газообразный азот, гелий или неон. Устройство также может включать в себя герметическую оболочку, окружающую изотермический колпак. Карданный узел может быть установлен на герметической оболочке с использованием изоляторов, размещенных между герметической оболочкой и карданным узлом и используемых для уменьшения неблагоприятных воздействий на инерциально-измерительный блок в результате движения.

[007] Настоящее изобретение может включать в себя устройство, которое может включать в себя

- стабилизированный элемент карданного узла, включающий в себя узел электронного оборудования, размещенный в полости стабилизированного элемента;

- инерциально-измерительный блок навигационной системы, включающий в себя гироскоп и акселерометр, причем гироскоп и акселерометр расположены внутри стабилизированного элемента;

- один или более карданов, функционально соединенных со стабилизированным элементом, причем каждый из указанных одного или более карданов содержит термическую оболочку, прикрепленную к центральной части кардана для обеспечения кондуктивного переноса тепла; и

- изотермический колпак, по меньшей мере частично окружающий указанные один или более карданов и содержащий охлаждающую трубку для обеспечения возможности охлаждения инерциально-измерительного блока за счет кондуктивного переноса тепла.

Термическая оболочка может включать в себя две части, соединенные с противоположными сторонами центральной части каждого кардана. Устройство также может включать в себя промежутки между карданами, причем промежутки имеют размеры, обеспечивающие уменьшение в них конвективного потока. Промежутки могут быть заполнены теплопроводным газом. Инерциально-измерительный блок может содержаться по существу при постоянной температуре за счет кондуктивного переноса тепла. Устройство также может включать в себя нагреватели, размещенные внутри стабилизированного элемента, для содержания стабилизированного элемента по существу при постоянной температуре. Устройство также может включать в себя герметическую оболочку, окружающую изотермический колпак. Охлаждающие трубки могут быть использованы для передачи текучей среды регулируемой температуры для поддержания по существу постоянной температуры инерциально-измерительного блока.

[008] Настоящее изобретение может включать в себя устройство, которое может включать в себя средства для вмещения карданного узла и средства обеспечения подачи охлаждающей текучей среды, функционально соединенные с указанными средствами для вмещения, при этом текучая среда используется для регулировки температуры карданного узла за счет теплопроводности. Средства обеспечения подачи охлаждающей текучей среды могут быть размещены на внешней поверхности указанных средств для вмещения. Устройство также может включать в себя средства обеспечения теплопроводности, размещенные внутри карданного узла и используемые для переноса тепла от карданного узла к указанным средствам обеспечения подачи охлаждающей текучей среды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[009] На ФИГ. 1 показано приведенное в качестве примера устройство, описанное в настоящем документе.

[0010] На ФИГ. 2 показан покомпонентный вид приведенного в качестве примера устройства по ФИГ. 1.

[0011] На ФИГ. 3 показано сечение приведенного в качестве примера устройства по ФИГ. 1.

[0012] На ФИГ. 4 показано частичное сечение приведенного в качестве примера устройства по ФИГ. 1.

[0013] На ФИГ. 5 показана блок-схема приведенного в качестве примера инерциально-измерительного блока.

[0014] Фигуры чертежей выполнены не в масштабе. Там, где это возможно, на всех фигурах чертежей и в сопровождающем их текстовом описании для обозначения одних и тех же или аналогичных частей будут использованы одни и те же ссылочные номера.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] Устройство, раскрытое в настоящем изобретении, относится к карданным инерциально-измерительным блокам (IMU) с охлаждением за счет теплопроводности. В частности, приведенное в качестве примера устройство, описанное в настоящем документе, используется для содержания карданного инерциально-измерительного блока по существу при постоянной температуре с использованием переноса тепла за счет теплопроводности для охлаждения компонентов инерциально-измерительного блока. Перенос тепла за счет теплопроводности выполняется для охлаждения инерциально-измерительного блока вследствие надежности (например, предсказуемости, точности модели переноса тепла) переноса тепла за счет теплопроводности в сравнении, например, с переносом тепла за счет конвекции.

[0016] Пример инерциально-измерительного блока приведенного в качестве примера устройства, раскрытого в настоящем документе, представляет собой автоматический инерциально-измерительный блок и не требует использования дополнительных инструментальных средств (например, звездного датчика) для обеспечения навигации или определения местоположения транспортного средства, в котором установлен инерциально-измерительный блок. Инерциально-измерительный блок может быть размещен в карданном узле, содержащем три кардана, оси вращения которых смещены на 90 градусов. Термические оболочки функционально соединены с одним или более карданами для обеспечения кондуктивного переноса тепла через карданный узел. Карданный узел включает в себя промежутки, имеющие размеры (например, от 0,020 дюйма (0,508 мм) до 0,040 дюйма (1,016 мм)), обеспечивающие уменьшение (например, по существу предотвращение) конвективного потока и/или переноса тепла вследствие конвективного потока в указанных промежутках. Промежутки являются одинаковыми (например, промежутки имеют по существу одну и ту же ширину (варьирующуюся от 0,020 дюйма (0,508 мм) до 0,040 дюйма (1,016 мм)) от любой части одного кардана или термической оболочки до любой части второго кардана или второй термической оболочки) для обеспечения кондуктивного переноса тепла. Газ, находящийся в указанных промежутках и карданном узле, способствует кондуктивному переносу тепла и может представлять собой композицию, включающую сочетание газообразного азота, гелия и/или неона.

[0017] Карданный узел может быть размещен в изотермическом колпаке, который по меньшей мере частично окружает карданный узел. Изотермический колпак имеет форму и размер, обеспечивающие сохранение по существу небольшого промежутка между внешним карданом и изотермическим колпаком для обеспечения кондуктивного переноса тепла между карданным узлом и изотермическим колпаком. Изотермический колпак включает в себя охлаждающие трубки, функционально соединенные с поверхностью колпака, которые способствуют кондуктивному переносу тепла и обеспечивают возможность поддержания по существу постоянной температуры инерциально-измерительного блока. Температуру текучей среды, протекающей через охлаждающие трубки, можно регулировать с использованием охлаждающей системы, которая находится снаружи от устройства, но внутри транспортного средства, в котором карданный узел установлен, для поддержания по существу постоянной температуры инерциально-измерительного блока. Изотермический колпак окружает герметичная оболочка для обеспечения воздухонепроницаемого уплотнения вокруг устройства для хранения газовой композиции (например, теплопроводного газа), находящейся внутри герметической оболочки и/или указанных промежутков карданного узла.

[0018] На ФИГ. 1 показано приведенное в качестве примера устройство 100, которое может быть реализовано для кондуктивного охлаждения карданного инерциально-измерительного блока, такого как, например, приведенный в качестве примера инерциально-измерительный блок 500, изображенный на ФИГ. 5. Высота приведенного в качестве примера устройства 100 составляет 15,3 дюйма (38,86 см), ширина составляет 16,5 дюймов (41,91 см), а глубина составляет 13,0 дюймов (33,02 см). Однако указанные в настоящем документе размеры не являются ограничивающими, и в других примерах устройство 100 может иметь другие размеры, обеспечивающие решение конкретной задачи. Кроме того, вес приведенного в качестве примера устройства 100 может составлять около 80 фунтов (36,29 кг), при этом 66 фунтов (29,94 кг) этого общего веса поддерживается изоляторами (например, изоляторами 118, более подробно описанными ниже), а 48 фунтов (21,77 кг) общего веса выполнены поворотными в виде части карданного узла (например, карданного узла 104, более подробно описанного ниже).

[0019] Приведенное в качестве примера устройство 100 включает в себя герметическую оболочку 102, полностью окружающую карданный узел 104 для хранения газовой композиции или смеси (например, газовой композиции, включающей в себя азот, гелий и/или неон) внутри герметической оболочки 102. В альтернативном варианте реализации жидкость или жидкая смесь может быть размещена внутри герметической оболочки 102. В некоторых примерах герметическая оболочка 102 может быть выполнена из металла, такого как алюминий или сталь (например, нержавеющая сталь). Герметическая оболочка 102 может включать в себя один или более уплотнителей, размещенных с примыканием к местам 103, 105 сопряжения одной или более частей герметической оболочки 102. Например, герметическая оболочка 102 включает в себя переднюю крышку 106, заднюю крышку 108 и монтажную опору 110 инерциально-измерительного блока, а уплотнители могут быть размещены в месте 103 сопряжения передней крышки 106 с монтажной опорой 110 инерциально-измерительного блока и в месте 105 сопряжения задней крышки 106 с монтажной опорой 110 инерциально-измерительного блока.

[0020] Монтажная опора 110 инерциально-измерительного блока включает в себя выступы или монтажные держатели 112 для установки устройства в транспортном средстве (например, космическом летательном аппарате, воздушном летательном аппарате, ракете и т.д.). Приведенные в качестве примера выступы 112 имеют отверстия 114 для приема соответствующих крепежных элементов (например, болтов). Выступы 112 обеспечивают возможность установки устройства 100 в транспортном средстве таким образом, что устройство 100 может обслуживаться посредством снятия панели или открытия дверцы на стороне транспортного средства, и, таким образом, для выполнения технического обслуживания устройства 100 не требуется разбирать транспортное средство. В приведенном в качестве примера устройстве 100 выступы 112 расположены по углам монтажной опоры 110 инерциально-измерительного блока. В альтернативном варианте реализации выступы 112 могут быть расположены на сторонах монтажной опоры 110 инерциально-измерительного блока. Расположение выступов 112 на монтажной опоре 110 инерциально-измерительного блока обеспечивает для приведенного в качестве примера устройства 100 возможность установки и/или удаления целиком путем удаления крепежных элементов из выступов 112, с обеспечением установки и удаления.

[0021] Приведенный в качестве примера карданный узел 104 размещен внутри герметической оболочки 102. Карданный узел 104 соединен с монтажной опорой 110 инерциально-измерительного блока герметической оболочки 102 посредством опоры 116 кардана. Опора 116 кардана может быть прикреплена к монтажной опоре 110 инерциально-измерительного блока герметической оболочки 102 с использованием одного или более изоляторов и/или амортизаторов 118 (например, эластомерных изоляторов). В некоторых примерах изоляторы 118 уменьшают вибрацию и/или неблагоприятные воздействия, испытываемые карданным узлом 104, которые могут возникнуть при движении транспортного средства, в котором расположено устройство 100. Изоляторы 118 расположены внутри герметической оболочки 102, чтобы обеспечить техническое обслуживание устройства 100 и/или устранить необходимость в обязательном включении в устройство 100 гибкой установочной конструкции для поддержания изоляции инерциально-измерительного блока от движения или неблагоприятных воздействий в окружающей среде (например, при перемещении транспортного средства). Установка карданного узла 104 на монтажной опоре 110 инерциально-измерительного блока упрощает сборку устройства 100 без необходимости в том, чтобы крышки 106 и 108 поддерживали какую-либо конструкцию. Приведенное в качестве примера устройство 100 может обслуживаться без удаления устройства 100 из транспортного средства, в котором устройство 100 установлено, поскольку крышки 106 и 108 могут быть легко удалены без обязательного удаления монтажной опоры 110 инерциально-измерительного блока или какого-либо из компонентов карданного узла 104. Крышки 106 и 108 прежде всего используются для уплотнения карданного узла 104 от внешней среды.

[0022] Устройство 100 также включает в себя приведенный в качестве примера изотермический колпак 120, чтобы по меньшей мере частично окружать приведенный в качестве примера карданный узел 104. Приведенный в качестве примера изотермический колпак 120 соединен с поверхностью опоры 116 кардана посредством выступа (например, выступа 212 или 214 по ФИГ. 2) изотермического колпака 120 и одного или более крепежных элементов (например, болтов) 122. Центральная часть изотермического колпака 120 размещена в приведенной в качестве примера опоре 116 кардана. Как показано на покомпонентном виде по ФИГ. 2, изотермический колпак 120 включает в себя две по существу аналогичные половины, соединенные с опорой 116 кардана. Изотермический колпак 120 имеет такие размеры, чтобы образовывался промежуток между внешним карданом (например, внешним карданом 222 по ФИГ. 2) карданного узла 104 и внутренней частью изотермического колпака 120, этот промежуток выполнен по существу небольшим (например, приблизительно 0,020-0,040 дюйма (0,508-1,016 мм)), так что он обеспечивает перенос тепла за счет теплопроводности и уменьшает (например, ограничивает, по существу исключает) перенос тепла за счет конвекции. Указанное уменьшение или исключение переноса тепла за счет конвекции обеспечивает более предсказуемый перенос тепла и, таким образом, более точную регулировку температуры карданного узла 104.

[0023] На внешней (например, наружной) поверхности каждой из половин изотермического колпака 120 размещена охлаждающая спираль или трубка 124. Охлаждающие трубки 124 используются для регулировки температуры инерциально-измерительного блока, размещенного внутри карданного узла 104 и/или поддержания по существу постоянной температуры изотермического колпака 120. В показанном примере охлаждающие трубки 124 расположены в виде спирали. В альтернативном варианте реализации охлаждающие трубки 124 могут быть расположены в любой другой подходящей конфигурации. Приведенные в качестве примера охлаждающие трубки 124 могут быть размещены в канавках на поверхности изотермического колпака 120 и/или прикреплены высокотемпературной пайкой к поверхности изотермического колпака 120. В альтернативном варианте реализации охлаждающие трубки 124 могут быть прикреплены к изотермическому колпаку 120 с использованием любого подходящего способа, включая, но без ограничения, сварку, склеивание, литье и т.д. Охлаждающие трубки 124 могут быть выполнены из металла, такого как, например, алюминий или нержавеющая сталь. Охлаждающие трубки 124 функционально соединены с охлаждающей системой снаружи относительно устройства 100 посредством впускного отверстия 126 для текучей среды и отверстия для выпуска текучей среды (например, отверстия 202 для выпуска текучей среды по ФИГ. 2). В дополнительном или альтернативном варианте реализации используются внешние термоэлектрические охладители (например, ТЕС) для замены и/или дополнения холодильной установки и/или линий охлаждения. При охлаждении в полете, в некоторых вариантах применения, для охлаждения изотермического колпака 120 может использоваться подача сжатого газа из баллонов. Впускная трубка 128 может быть соединена с впускным отверстием 126 для текучей среды в верхней части (в ориентации, показанной на ФИГ. 1) монтажной опоры 110 инерциально-измерительного блока. Впускная трубка 128 может огибать внутреннюю часть герметической оболочки 102 и быть функционально соединенной с первым концом 130 охлаждающей трубки 124. Второй конец 132 охлаждающей трубки 124 функционально соединен с выпускной трубкой 134, размещенной внутри герметической оболочки 102 и соединен с выходным отверстием, расположенным на стороне монтажной опоры 110 инерциально-измерительного блока напротив впускного отверстия 126. Впускная и выпускная трубки 128, 134 могут быть выполнены из гибкого материала, такого как, например тефлон с оплеткой из нержавеющей стали. Впускное отверстие 126 также соединено с впускной трубкой и охлаждающей трубкой на другой половине изотермического колпака 120. Аналогично, охлаждающая трубка на другой половине изотермического колпака 120 соединена с выпускной трубкой и выходным отверстием. Таким образом, текучая среда во впускном отверстии 126 разделяется на две части или два проточных канала, каждая часть протекает через охлаждающие трубки на соответствующих половинах изотермического колпака 120, и обе части снова объединяются в выходном отверстии. В альтернативном варианте реализации поток текучей среды может быть изменен на обратный, в результате чего впуск 126 становится выпуском для текучей среды, а выпуск 134 становится впуском для текучей среды.

[0024] Охлаждающие трубки 124 содержат текучую среду регулируемой температуры (например, охлаждающую текучую среду) для поддержания изотермического колпака 120 при по существу постоянной температуре. Текучая среда регулируемой температуры может включать в себя хромат натрия, дистиллированную воду, гликоль и т.п. Температуру текучей среды поддерживают на заданном значении с использованием охлаждающей системы, расположенной снаружи устройства 100. Охлаждающая система может включать в себя контроллер для управления охлаждающей системой и поддержания текучей среды в охлаждающих трубках 124 при заданной температуре текучей среды. В некоторых примерах заданную температуру текучей среды выбирают исходя из термической модели кондуктивного переноса тепла через карданный узел 104. В дополнительном или альтернативном варианте реализации заданную температуру текучей среды регулируют на основании сигналов датчиков в карданном узле 104.

[0025] На ФИГ. 2 показан покомпонентный вид приведенного в качестве примера устройства 100 по ФИГ. 1, изображающий три отдельные части герметической оболочки 102 (например, крышки 106 и 108 и монтажную опору 110 инерциально-измерительного блока). Впускное отверстие 126 для текучей среды размещено на верхней поверхности монтажной опоры 110 инерциально-измерительного блока, а выпускное отверстие 202 для текучей среды расположено на нижней поверхности монтажной опоры 110 инерциально-измерительного блока напротив впускного отверстия 126 для текучей среды. Монтажная опора 110 инерциально-измерительного блока также может включать в себя впускное отверстие 204 для воздуха и первичное электрическое соединение 206 (например, электрическое соединение согласно военному стандарту).

[0026] Покомпонентный вид также показывает первую половину 208 и вторую половину 210 изотермического колпака 120 по ФИГ. 1. Как описано выше, охлаждающие трубки 124 размещены на первой и второй половинах 208 и 210 изотермического колпака 120. Первая и вторая половины 208 и 210 также имеют первый выступ 212 и второй выступ 214, соответственно. Первый и второй выступы 212 и 214 используются для соединения с противоположными поверхностями опоры 116 кардана. Оставшаяся гладкая, криволинейная поверхность каждой из половин 208 и 210 размещена в опоре 116 кардана. В показанном примере первая половина 208 изотермического колпака 120 включает в себя оптическое отверстие 216. Оптическое отверстие 216 может быть задействовано во время испытаний и/или калибровки, чтобы дать пользователю возможность определить положения стабилизированного элемента 218 внутри карданного узла 104. В некоторых примерах оптическое отверстие 216 исключено.

[0027] Опора 116 кардана включает в себя первое отверстие 219 и второе отверстие 221 напротив первого отверстия 219. В первом отверстии 219 может быть размещен двигатель 220 внешнего кардана для управления положением внешнего кардана 222 на основании сигналов обратной связи от одного или более акселерометров или гироскопов, более подробно описанных ниже. Во втором отверстии 221 может быть размещен сельсин 224 внешнего кардана (например, вращающийся трансформатор) для выдачи сигнала, представляющего инкрементное угловое перемещение или положение внешнего кардана 222 относительно нулевой точки. Токосъемные кольца 226, 228 размещены внутри двигателя 220 внешнего кардана и сельсина 224 внешнего кардана, соответственно, для обеспечения поворота внешнего кардана 222 с электрическим соединением (электрическими соединениями). Приведенные в качестве примера двигатель 220 внешнего кардана и сельсин 224 внешнего кардана включают в себя подшипники с низким коэффициентом трения для обеспечения поворота.

[0028] Внешний кардан 222 размещен внутри опоры 116 кардана и соединен с опорой 116 кардана посредством двигателя 220 внешнего кардана, сельсина 224 внешнего кардана и токосъемных колец 226 и 228. Внешний кардан 222 имеет по существу кольцевую форму, и две термические оболочки 230 и 232 соединены с каждой стороны внешнего кардана 222 с использованием крепежных элементов, пропущенных через отверстия 234 в термических оболочках 230 и 232. В некоторых примерах в глухих отверстиях 236 изотермических оболочек 230 и 232 могут быть расположены грузики. Например, грузики могут быть добавлены в одно или более из глухих отверстий 236 для уравновешивания изотермических оболочек 230 и/или 232. Внешний кардан 222 и термические оболочки 230 и 232 подвергают механической обработке с образованием узла, выполненного с жесткими допусками для обеспечения указанных по существу небольших, одинаковых промежутков (например, 0,020-0,040 дюймов (0,508-1,016 мм) между слоями (например, внешним карданом 222 и изотермическим колпаком 120) карданного узла 104. Внешний кардан 222 и термические оболочки 230 и 232 могут быть выполнены из магния вместо алюминия или бериллия, которые обычно используются в карданных инерциально-измерительных блоках. В показанном примере вторая термическая оболочка 232 включает в себя оптическое отверстие 238, сходное с оптическим отверстием 216 изотермического колпака 120.

[0029] Приведенный в качестве примера внешний кардан 222 включает в себя первое и второе отверстия 239 и 241. Отверстия 239 и 241 имеют больший диаметр, чем ширина имеющего кольцевую форму внешнего кардана 222 и, таким образом, каждая из термических оболочек 230 и 232 включает в себя криволинейные выемки (такие как выемка 243), обеспечивающие расположение отверстий 239 и 241 во внешнем кардане 222. В первом отверстии 239 внешнего кардана 222 размещен двигатель 240 среднего кардана для управления внутренним карданом 242 на основании сигналов обратной связи от одного или более акселерометров и гироскопов. Во втором отверстии 241 внешнего кардана 222 размещен сельсин 244 среднего кардана для выдачи сигнала, представляющего инкрементное угловое перемещение или положение внутреннего кардана 242 относительно нулевой точки. В некоторых примерах токосъемные кольца, такие как токосъемное кольцо 246, размещены внутри отверстий двигателя 242 среднего кардана и/или сельсина 244 среднего кардана для обеспечения поворота внутреннего кардана 242 с электрическим соединением (электрическими соединениями). Приведенные в качестве примера двигатель 240 среднего кардана и сельсин 244 среднего кардана могут включать в себя подшипники с низким коэффициентом трения для обеспечения поворота.

[0030] Внутренний кардан 242 размещен внутри внешнего кардана 222 и соединен с внешним карданом 222 посредством двигателя 240 среднего кардана, сельсина 244 среднего кардана и токосъемных колец 246. В показанном примере токосъемное кольцо 246 показано в связи с сельсином 244 среднего кардана, а другое такое токосъемное кольцо может быть размещено в двигателе 242 среднего кардана. Внутренний кардан 242 имеет по существу кольцевую форму, и две термические оболочки 248 и 250 соединены с соответствующими противоположными сторонами внутреннего кардана 242 с использованием крепежных элементов, пропущенных через отверстия 252 в термических оболочках 248 и 250. В некоторых примерах термические оболочки 248 и 250 включают в себя глухие отверстия 254, в которых могут быть расположены грузики. Грузики могут быть добавлены в глухие отверстия 254 для уравновешивания изотермических оболочек 248 и/или 250. Внутренний кардан 242 и термические оболочки 248 и 250 подвергают механической обработке с образованием узла, выполненного с жесткими допусками для обеспечения указанных по существу небольших промежутков (например, 0,020-0,040 дюймов (0,508-1,016 мм)) между слоями (например, внутренним карданом 242 и внешним карданом 222) карданного узла 104. Внутренний кардан 242 и термические оболочки 248 и 250 также могут быть выполнены из магния.

[0031] Приведенный в качестве примера внутренний кардан 242 включает в себя первое и второе противоположные отверстия 255 и 257. Каждое из отверстий 255 и 257 имеет диаметр больше, чем ширина имеющего кольцевую форму внутреннего кардана 242, и, таким образом, каждая из термических оболочек 248 и 250 включает в себя криволинейные выемки, такие как выемка 251, обеспечивающие размещение отверстий 255, 257 во внутреннем кардане 242. В первом отверстии 255 внутреннего кардана 242 размещен двигатель 256 внутреннего кардана для управления стабилизированным элементом 218 (например, внутренним карданом) на основании сигналов обратной связи от одного или более акселерометров и гироскопов. Во втором отверстии 257 внутреннего кардана 242 размещен сельсин 258 внутреннего кардана для выдачи сигнала, представляющего инкрементное угловое перемещение или положение стабилизированного элемента 218 относительно нулевой точки. В некоторых примерах токосъемные кольца, такие как токосъемное кольцо 260, размещены внутри отверстий двигателя 256 внутреннего кардана и/или сельсина 258 внутреннего кардана для обеспечения поворота стабилизированного элемента 218 с электрическим соединением (электрическими соединениями). Приведенные в качестве примера двигатель 256 внутреннего кардана и сельсин 258 внутреннего кардана могут включать в себя подшипники с низким коэффициентом трения для обеспечения поворота.

[0032] Стабилизированный элемент 218 размещен внутри внутреннего кардана 242 и соединен с внутренним карданом 242 посредством двигателя 256 внутреннего кардана, сельсина 258 внутреннего кардана и токосъемных колец 260. Стабилизированный элемент 218 включает в себя одну или более крышек 262 для закрытия компонентов инерциально-измерительного блока (например, электрических компонентов, инструментальных средств и т.д.). Крышки 262 могут быть прикреплены болтами к стабилизированному элементу 218 с использованием отверстий, расположенных в крышках 262. Крышки 262 также имеют такую форму, чтобы сохранять общую сферическую форму стабилизированного элемента 218 для сохранения промежутка между стабилизированным элементом 218 и внутренним карданом 242 и термическими оболочками 248 и 250 по существу небольшим (например, 0,020-0,040 дюймов (0,508-1,016 мм)). Стабилизированный элемент 218 может быть механически обработан с образованием узла, выполненного с жесткими допусками, чтобы сохранить указанный по существу небольшой, одинаковой промежуток. Например, стабилизированный элемент 218 может быть получен механической обработкой из блока алюминия.

[0033] Приведенный в качестве примера стабилизированный элемент 218 включает в себя подсистему 264 линейной скорости (velocity sub system, VSS) (например, узел электронного оборудования), которая переводит в цифровую форму измерительные сигналы акселерометра и может выполнять некоторые или все алгоритмы компенсации данных. В стабилизированном элементе 218 напротив подсистемы 264 линейной скорости размещена подсистема 266 угловой скорости (rate subsystem, RSS). Подсистема 266 угловой скорости представляет собой узел электронного оборудования, который переводит в цифровую форму измерительные сигналы гироскопа и может выполнять некоторые или все алгоритмы компенсации данных. Одно или более колец или шайб 268 могут быть размещены с примыканием к каждой из подсистемы 264 линейной скорости и подсистемы 266 угловой скорости для отделения этих узлов электронного оборудования от других компонентов и/или инструментальных средств (например, акселерометров, гироскопов и т.д.), размещенных внутри стабилизированного элемента 218.

[0034] В некоторых примерах одно или более колец 268 включает в себя нагреватель или нагревательный элемент 269, используемый для поддержания постоянной температуры подсистемы 264 линейной скорости или подсистемы 266 угловой скорости. Например, нагреватель 269 может быть использован, когда подсистема 264 линейной скорости или подсистема 266 угловой скорости не выделяет порогового значения тепла, чтобы учесть меньшую теплоотдачу от подсистемы 264 линейной скорости или подсистемы 266 угловой скорости в инструментальные средства внутри стабилизированного элемента 218. Поддержание постоянной температуры выхода из полостей подсистемы 264 линейной скорости и подсистемы 266 угловой скорости стабилизированного элемента 218, а в более общем плане - карданного узла 104, обеспечивает регулировку температуры карданного узла 104. Например, выделение тепла узлом электронного оборудования (например, подсистемой 264 линейной скорости или подсистемой 266 угловой скорости) может варьироваться в зависимости от текущего использования узла электронного оборудования (например, узел электронного оборудования, не используемый в данный момент, выделяет меньше тепла, чем используемый узел электронного оборудования). Изменение выделения тепла узлом электронного оборудования может быть трудно предсказуемым, и поэтому температура текучей среды в охлаждающих трубках 124 может неадекватно учитывать колебания температуры, создаваемые узлами электронного оборудования подсистемы 264 линейной скорости и подсистемы 266 угловой скорости, поскольку температура узлов электронного оборудования может изменяться быстрее, чем температура охлаждающей текучей среды. Изменение температуры охлаждающей текучей среды занимает больше времени, чем включение или выключение нагревательного элемента (например, нагревателя 269, размещенного в кольцах 268), размещенного возле указанных узлов электронного оборудования.

[0035] Вследствие близости узлов 264 и 266 электронного оборудования к инструментальным средствам (например, инструментальным средствам, используемым для навигации, которые должны храниться при постоянной температуре) падение температуры вследствие колебаний теплоотдачи от узлов электронного оборудования может существенно повлиять на точность инструментальных средств, работа которых зависит от температуры. Точность этих инструментальных средств особенно важна, поскольку инерциально-измерительный блок является автономным инерциально-измерительным блоком, работающим без помощи внешних инструментальных средств, таких как звездный датчик, и оператор не получает непрерывное обновление полетной информации. Точность навигации транспортного средства, в котором установлен инерциально-измерительный блок, может иметь решающее значение (например, в том случае, когда транспортное средство представляет собой ракету) и может зависеть от поддержания инструментальных средств при постоянной температуре. Для обеспечения работы нагревателей 269 в кольцах 268 один или более датчиков могут содержаться в подсистеме 264 линейной скорости, подсистеме 266 угловой скорости и/или полостях, в которых эти узлы электронного оборудования размещены.

[0036] Между каждой из подсистемы 264 линейной скорости и подсистемы 266 угловой скорости и инструментальными средствами внутри стабилизированного элемента 218 также размещена крышка (например, пластина) 270 для инструментального средства. Крышка 270 для инструментального средства используется для защиты инструментальных средств (например, гироскопов и акселерометров) от повреждений, а также может обеспечить дополнительный тепловой барьер между узлами электронного оборудования и инструментальными средствами.

[0037] На ФИГ. 3 показано сечение приведенного в качестве примера устройства 100 по ФИГ. 1. Как показано на ФИГ. 3, стабилизированный элемент 218 включает в себя инструментальные средства (например, гироскопы, акселерометры), размещенные внутри стабилизированного элемента 218. В показанном примере видны три гироскопа. Гироскопы могут включать в себя гироскоп 302 направления X, гироскоп 304 направления Y и гироскоп 306 направления Z. Кроме того, показанное приведенное в качестве примера устройство включает в себя акселерометр 308 направления X, акселерометр 310 направления Y и акселерометр направления Z, два из которых видны на сечении, показанном на ФИГ. 3. На приведенном чертеже показана прямоугольная (например, 90 градусов) конфигурация акселерометров и гироскопов. В альтернативном варианте реализации акселерометры и/или гироскопы могут быть выполнены по-разному. Например, в альтернативной конфигурации могут использоваться два гироскопа для полетной информации и один гирокомпас для информации о местоположении. В некоторых случаях применения могут быть использованы датчики высоты для измерения местной высоты устройства.

[0038] Показанный пример устройства также включает в себя зеркало 312. Зеркало 312 используется для обеспечения оператору возможности определения положения стабилизированного элемента 218 внутри карданного узла 104. В некоторых примерах зеркало 312 используется только во время испытаний и/или калибровки. Таким образом, устройство 100 может не содержать зеркала 312. Зеркало 312 видно через указанные одно или более оптические отверстия 216 и 238 для обеспечения возможности выравнивания и/или калибровки приведенного в качестве примера устройства 100 и/или карданного узла 104.

[0039] На ФИГ. 4 показано частичное сечение приведенного в качестве примера устройства по ФИГ. 1. На частичном сечении показаны промежутки между карданами, имеющиеся в карданном узле 104 для обеспечения возможности переноса тепла за счет теплопроводности. Промежутки между карданами включают в себя промежуток 402 внешнего кардана, который образован между изотермической оболочкой 120 и внешним карданом 222 и/или термическими оболочками 230, 232, соединенными с внешним карданом 222. Промежуток 404 внутреннего кардана образован между внешним карданом 222 и/или термическими оболочками 230, 232, соединенными с внешним карданом 222 и внутренним карданом 242 и/или термическими оболочками 248, 250, соединенными с внутренним карданом 242. Промежуток 406 стабилизированного элемента образован между внутренним карданом 242 и/или термическими оболочками 248, 250, соединенными с внутренним карданом 242 и стабилизированным элементом 218. Приведенные в качестве примера промежутки 402, 404 и 406 имеют ширину от 0,020 до 0,040 дюймов (0,508-1,016 мм). В альтернативном варианте реализации промежутки могут иметь другую ширину. Промежутки 402, 404 и 406 имеют такие размеры, благодаря которым уменьшен перенос тепла вследствие конвекции (например, минимизирован, существенно уменьшен). Таким образом, перенос тепла за счет теплопроводности обеспечен указанными по существу узкими промежутками 402, 404 и 406.

[0040] Промежутки 402, 404 и 406 могут иметь номинальную ширину 0,030 дюйма (0,762 мм). Приведенные в качестве примера промежутки 402, 404 и 406 являются по существу одинаковыми, чтобы обеспечивать возможность точного моделирования переноса тепла за счет теплопроводности для поддержания температуры компонентов внутри стабилизированного элемента 218. Как использовано в настоящем документе, по существу одинаковый промежуток не отклоняется от указанной номинальной ширины 0,030 дюйма (0,762 мм) более заданного допуска (например, на 0,004 дюйма (0,1016 мм) или 15%), который может быть выбран таким образом, чтобы фактическое тепло, передаваемое через указанный промежуток (указанные промежутки) не отличалось от смоделированного переноса тепла на величину, которая препятствует поддержанию необходимой температуры компонентов. Может иметь место любое изменение ширины указанных промежутков вследствие допусков на механическую обработку, связанных с компонентами карданов.

[0041] Промежутки 402, 404 и 406 могут быть заполнены газовой композицией или комбинацией, включающей газообразный азот, гелий и/или неон. Комбинацию выбирают таким образом, что газ способствует переносу тепла за счет теплопроводности, но при этом остается стабильным (например, не летучим). Положение каждого из компонентов (например, карданов, термических оболочек и т.д.) сохраняют для перемещения не более чем на 5 тысячных (0,005 дюйма (0,127 мм)) дюйма от первоначального положения компонента.

[0042] На ФИГ. 5 показана блок-схема приведенного в качестве примера инерциально-измерительного блока 500. Приведенный в качестве примера инерциально-измерительный блок 500 включает в себя гироскопы для каждой оси (например, гироскоп 302 направления X, гироскоп 304 направления Y и гироскоп 306 направления Z). Гироскопы 302, 304 и 306 используются для выдачи информации о повороте в узел 266 электронного оборудования подсистемы угловой скорости относительно каждой оси. Узел 266 электронного оборудования подсистемы угловой скорости обрабатывает информацию о повороте и выдает сигналы обратной связи на сельсины (например, вращающиеся трансформаторы) 224, 244 и 258 и/или двигатели 220, 240 и 256, так что сельсины 224, 244 и 258 и/или двигатели 220, 240 и 256 могут регулировать положение карданов 218, 222 и 242 в карданном узле 104.

[0043] Приведенный в качестве примера инерциально-измерительный блок 500 также включает в себя акселерометры для каждой оси (например, акселерометр 308 направления X, акселерометр 310 направления X и акселерометр 502 направления Z). Акселерометры 308, 310 и 502 используются для выдачи информации о повороте в узел 264 электронного оборудования подсистемы линейной скорости относительно каждой оси. В некоторых примерах узел 264 электронного оборудования подсистемы линейной скорости обрабатывает информацию о повороте и выдает сигналы обратной связи на сельсины (например, вращающиеся трансформаторы) 224, 244 и 258 и/или двигатели 220, 240 и 256, так что сельсины 224, 244 и 258 и/или двигатели 220, 240 и 256 могут регулировать положение карданов 218, 222 и 242 в карданном узле 104.

[0044] Один или более многослойных элементов 504 регулировки температуры могут содержаться в приведенном в качестве примера инерциально-измерительном блоке 500. Многослойные элементы 504 регулировки температуры могут быть использованы для выполнения активного управления теплом для инструментальных средств, а также стабилизированного элемента 218. Например, нагреватели 269 в кольцах 268 внутри стабилизированного элемента 218 могут управляться и/или быть функционально соединены с приведенными в качестве примера многослойными элементами 504 регулировки температуры. В некоторых примерах охлаждающая система может принимать сигналы обратной связи от многослойных элементов 504 регулировки температуры для регулировки температуры текучей среды, протекающей через охлаждающие трубки 124. Механическая конструкция приведенного в качестве примера устройства 100 также обеспечивает возможность пассивного управления теплом с использованием теплопроводности жидкости и газа (например, посредством охлаждающих трубок 124 и/или газовой композиции в указанных промежутках (например, промежутках 402, 404 и 406 по ФИГ. 4).

[0045] Приведенная в качестве примера система 506 пакетирования и передачи данных может принимать входные данные от узла 266 электронного оборудования подсистемы угловой скорости, узла 264 электронного оборудования подсистемы линейной скорости и многослойных элементов 504 регулировки температуры. Система 506 пакетирования и передачи данных передает данные между узлом 266 электронного оборудования подсистемы угловой скорости, узлом 264 электронного оборудования подсистемы линейной скорости и/или многослойными элементами 504 регулировки температуры. В некоторых примерах система 506 пакетирования и передачи данных выполняет алгоритмы управления для управления, когда нагреватели 269 включают и выключают, и температурой, которая может быть задана для нагревателей 269. Система 506 пакетирования и передачи данных также пакетирует и передает данные в карданную систему (например, двигатели, сельсины) и/или в навигационную систему транспортного средства посредством ввода/вывода питания и сигналов 508.

[0046] Из вышеизложенного следует понимать, что описанное выше устройство и изделия используются для поддержания по существу постоянной температуры карданного узла и автоматического инерциально-измерительного блока с использованием охлаждения за счет теплопроводности.

[0047] Хотя в настоящем документе были раскрыты конкретные приведенные в качестве примера способы, устройства и изделия, объем правой охраны данного патента не ограничивается ими. Напротив, настоящий патент охватывает все способы, устройства и изделия, явно попадающие в объем формулы настоящего патента.

Группа изобретений относится к двум вариантам автономного карданного инерциально-измерительного блока. Изобретение по первому варианту содержит инерциально-измерительный блок, расположенный в карданном узле определенным образом, изотермический колпак с охлаждающей трубкой, размещенной на внешней поверхности изотермического колпака. Изобретение по второму варианту содержит стабилизированный элемент карданного узла с узлом электронного оборудования в его полости, инерциально-измерительный блок навигационной системы с гироскопом и акселерометром, один или более карданов, соединенных со стабилизированным элементом, изотермический колпак. Обеспечивается охлаждение изобретений. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Автономный карданный инерциально-измерительный блок, содержащий:

- инерциально-измерительный блок;

- карданный узел, в котором расположен инерциально-измерительный блок, при этом между каждым карданом карданного узла имеются промежутки, содержащие газ для проведения тепла от карданного узла; и

- изотермический колпак, по меньшей мере частично окружающий карданный узел и имеющий охлаждающую трубку, размещенную на внешней поверхности изотермического колпака для переноса тепла от карданного узла за счет теплопроводности.

2. Карданный инерциально-измерительный блок по п. 1, в котором карданный узел содержит внешний кардан, внутренний кардан и стабилизированный элемент, причем каждый из карданов имеет соответствующую термическую оболочку для проведения тепла к изотермическому колпаку.

3. Карданный инерциально-измерительный блок по п. 1 или 2, в котором изотермический колпак выполнен с возможностью охлаждения текучей средой, протекающей через охлаждающую трубку и имеющей регулируемую температуру для поддержания по существу постоянной температуры инерциально-измерительного блока.

4. Карданный инерциально-измерительный блок по пп. 1, 2 или 3, в котором инерциально-измерительный блок содержит узел электронного оборудования, гироскопы и акселерометры, причем

узел электронного оборудования расположен в полости возле гироскопов и акселерометров и отделен от гироскопов и акселерометров пластиной.

5. Карданный инерциально-измерительный блок по п. 4, также содержащий нагреватели, размещенные в указанной полости,

причем нагреватели выполнены с возможностью работы, когда количество тепла, выделяемого узлом электронного оборудования, меньше порогового значения, и предназначены для поддержания по существу постоянной температуры карданного узла.

6. Карданный инерциально-измерительный блок по пп. 1-4 или 5, в котором промежутки в карданном узле имеют размеры, обеспечивающие уменьшение конвективного потока в указанных промежутках.

7. Карданный инерциально-измерительный блок по пп. 1-5 или 6, в котором газ содержит газообразный азот, гелий или неон.

8. Карданный инерциально-измерительный блок по пп. 1-6 или 7, также содержащий герметическую оболочку, окружающую изотермический колпак.

9. Автономный карданный инерциально-измерительный блок, содержащий:

- стабилизированный элемент карданного узла, включающий в себя узел электронного оборудования, размещенный в полости стабилизированного элемента;

- инерциально-измерительный блок навигационной системы, включающий в себя гироскоп и акселерометр, причем гироскоп и акселерометр расположены внутри стабилизированного элемента;

- один или более карданов, функционально соединенных со стабилизированным элементом, причем каждый из указанных одного или более карданов содержит термическую оболочку, прикрепленную к центральной части кардана для обеспечения кондуктивного переноса тепла; и

- изотермический колпак, по меньшей мере частично окружающий указанные один или более карданов и содержащий охлаждающую трубку для обеспечения возможности охлаждения инерциально-измерительного блока за счет кондуктивного переноса тепла.

10. Карданный инерциально-измерительный блок по п. 9, в котором термическая оболочка содержит две части, соединенные с противоположными сторонами центральной части каждого кардана.

11. Карданный инерциально-измерительный блок по п. 10, также содержащий промежутки между карданами, причем промежутки имеют размеры, обеспечивающие уменьшение в них конвективного потока.

12. Карданный инерциально-измерительный блок по п. 11, в котором промежутки заполнены теплопроводным газом.

13. Карданный инерциально-измерительный блок по пп. 9-11 или 12, в котором обеспечено содержание инерциально-измерительного блока по существу при постоянной температуре за счет кондуктивного переноса тепла.

14. Карданный инерциально-измерительный блок по п. 13, также содержащий нагреватели, размещенные внутри стабилизированного элемента для содержания стабилизированного элемента при по существу постоянной температуре.

15. Карданный инерциально-измерительный блок по пп. 9-13 или 14, также содержащий герметическую оболочку, окружающую изотермический колпак.