Введение

Роторный вибрационный динамически настраиваемый гироскоп – наиболее перспективный тип гироскопов, применяемый в современных инерциальных навигационных системах. Скорость вращения его ротора может достигать 60 тыс. об/мин, а точность находится в пределах 10^–2–10 градусов/ч [1]. При изменении конструкции гироскопов путем замены шариковых подшипников на воздушную «подушку» для уменьшения трения при вращении ротора гироскопа удалось уменьшить значение износа конструкции опор, а также позволило на порядок продлить ресурс прибора и увеличить его точность до 10^–4–10^–2 градусов/ч [1]. Одной из разновидностей роторных гироскопов является поплавковый гироскоп, отличительной особенностью которого является подвешивание всех подвижных элементов в жидкости, благодаря чему удается уравновесить ротор с кожухом гидростатическими силами и тем самым разгрузить подшипники. Данная модификация дает возможность значительно снизить сухое трение в осях подвеса и увеличить как ударную, так и вибрационную стойкость изделия. Скорость вращения ротора на воздушной «подушке» в аэродинамических подшипниках внутри поплавка составляет 30–60 тыс. об/мин [1]. Обладая этим преимуществом, данный тип гироскопов позволил достичь сверхвысокой точности ~(10^–6–5∙10^–4) градусов/ч [1]. Частота вращения ротора двигателя гироскопа при этом составила 500 Гц, т. е. 500 об/с или 30 тыс. об/мин [2]. По данным работы [3], ротор гироскопа марки ДНГ-091 имеет аналогичную скорость вращения: 30 тыс. об/мин, а его масса составляет 125 г. Габариты этого гироскопа 32×37 мм и измерение угловых скоростей в диапазоне 10 градусов/ч, ресурс 140 тыс. ч при времени готовности 8 с. В настоящее время по совокупности факторов доминирующим типом являются волновые оптические гироскопы, на которых построены навигационные приборы для использования в авиационной, морской, космической и наземных отраслях промышленности. В этом классе гироскопов освоен диапазон точности 10^–1–10^–3 градусов/ч и завершаются работы по созданию класса точности 10^–4 градусов/ч [4]. В диапазоне средней и высокой точности активно ведутся разработки по созданию гироскопа, основанного на ядерном магнитном резонансе, безусловным преимуществом которого является устойчивость к механическим воздействиям. Работы по его созданию начались еще в 60–70-х гг. прошлого века, когда в разных странах параллельно велись активные исследования по созданию альтернативы механическим гироскопам с классом точности, необходимым для навигации. В конце 1970-х гг. основное внимание уделялось разработке оптических гироскопов, таких как кольцевой лазерный гироскоп, а впоследствии и его усовершенствованной модели – волоконно-оптическому гироскопу, которые представляли собой базис для навигационных систем инерциального типа разнообразных динамически активных объектов. В 2000-х гг. стремительно возрос интерес к ядерным магнитным гироскопам (ЯМГ), что было связано с острой необходимостью создания миниатюрных гироскопов навигационного класса точности и разработкой новых технологий, обеспечивающих возможность их миниатюризации. Преимущество для их внедрения на подвижные платформы – потенциальная стойкость к ускорениям и вибрациям. Объяснить это можно тем, что частота прецессии спина ядра не зависит от движения тела, где этот спин находится, а вращение ячейки, содержащей атомы, не приводит к изменению скорости их прецессии в инерциальной системе координат [5]. Чувствительности с величиной 10^–19 Тл невозможно достичь, используя наиболее популярные в настоящее время типы магнитометров, а следовательно, в качестве рабочего вещества в гироскопе с эффектом магнитного резонанса допускается применение только ядерных парамагнетиков, характеризующихся продолжительным временем релаксации из-за более слабого взаимодействия ядерных моментов с кристаллической решеткой тела, где эти моменты расположены [6]. Принцип работы ЯМР-гироскопа состоит в следующем: в постоянном магнитном поле происходит прецессия вектора намагниченности рабочего вещества (аналогично вектору суммарного механического момента) с частотой Лармора, которая находится при известном гиромагнитном отношении ядер атомов вещества. Частота прецессии будет смещаться вследствие вращения данной системы вокруг направления магнитного поля, причем изменение по модулю будет равно величине угловой скорости вращения. Соответственно, измеряя фазочастотные характеристики прецессии, можно определить угловую скорость и далее угол поворота всей системы. В 1971–1979 гг. в МЭНИИ были спроектированы действующие макеты ЯМГ с отклонением нуля от 1 до 0,1 градусов/ч при исследовании в интервале времени не более 24 ч. В качестве рабочего вещества использовали изотопы ртути Hg¹⁹⁹ и Hg²⁰¹. Существуют две основные схемы конструирования датчиков угловой скорости вращения и угла поворота: одно- и двухлучевая, точность в обоих случаях составляет ~0,001 градуса/ч [7]. Более подробно принцип действия гироскопов данного типа изложен в обзоре [8]. Следует упомянуть и о совершенно новом, интенсивно развивающемся виде, а именно квантовой гироскопии. Данный термин наиболее часто употребляется при описании исследований в области квантовой электроники, основная задача которой состоит в конструировании прибора, действие которого будет основано на гироскопических свойствах частиц, являющихся базисом для проектирования рабочих тел его датчика. В данном случае спиновые и орбитальные моменты ядер атомов или других фундаментальных частиц будут обуславливать итоговые параметры изделия. Работоспособность гироскопа обеспечивается только в том случае, когда механические моменты частиц равно ориентированы в определенном направлении. Отличительной особенностью конструкции квантовых гироскопов относительно традиционных механических является необходимость присутствия вращающегося или периодически двигающегося вблизи точки равновесия тела [8]. Поскольку измерение требуемой величины производится косвенно, фиксируемыми величинами в данном случае будут являться, например, параметры характеристического излучения, возникающего из-за переходов электронов между энергетическими подуровнями. Соответственно, движение приборов по окружности будет вызывать смещение или в некоторых случаях расщепление энергетических подуровней системы, исходя из чего можно сделать выводы об изменении величины вращения и ее динамических параметров [8]. Существующие приборы квантовой гироскопии можно разделить на две группы: ориентирующиеся по силовым линиям геомагнитного или межпланетного магнитного поля и ориентирующиеся относительно инерциальной системы координат [8]. Наиболее перспективными для навигации являются приборы второго типа, которые получили название квантовых инерциальных гироскопов. Приборы второго типа разрабатывались активнее и вызвали наибольший интерес ввиду того, что применение, например, кольцевых квантовых генераторов в оптическом диапазоне должно открыть перспективные возможности создания чувствительных к вращению устройств. Их преимущество заключается в том, что течение времени по релятивистским законам в поле инерциальных ускорений выявляется намного проще, нежели в классических приборах. В сверхпроводящих интерферометрах, основная функция которых заключается в тончайшей регистрации малейших вращений, неизменно будут присутствовать интерференционные биения волновых функций электронов [8]. Следует отметить, что, несмотря на все вышеперечисленные преимущества, квантовые гироскопы известных в настоящее время типов в действительности не превосходят по чувствительности самые передовые модели механических гироскопов. При попытке вывести их чувствительность на новый уровень встретились непреодолимые для текущего уровня прогресса преграды. Позднее, после проведения более детальных исследований возникновения ядерного магнитного резонанса, был сделан вывод о том, что уравнения движения результирующего вектора однородной ядерной намагниченности Μ в магнитном поле Η аналогичны уравнениям движения симметричного волчка. Было рассмотрено также движение механического гироскопа под действием зависящего от времени вращающего момента и показана аналогия с движением ядерного магнитного момента. Это послужило основанием для того, чтобы появилась вероятность использования ядерных магнитных моментов для создания гироскопов нового типа. Наряду с динамическими гироскопами, в которых используется ядерная прецессия, предложен гироскоп, работающий по методу ядерной индукции. В работе [8] предлагается помещать образец в постоянное магнитное поле Н₀ и параллельное ему переменное магнитное поле с амплитудой H₁>Н₀, частота которого близка к частоте прецессии γΗ₀, где γ – гиромагнитное отношение. Такое поле в отсутствие вращения не вызывает прецессии ядерных моментов. Вращение устройства вокруг оси, перпендикулярной магнитному полю, эквивалентно действию слабого поперечного магнитного поля, в результате чего суммарное постоянное поле оказывается отклоненным от направления переменного поля, поперечная составляющая которого вызывает прецессию. Вращение устройства вокруг оси, перпендикулярной магнитному полю, вызывает в приемной катушке, расположенной вдоль этого поля, электродвижущую силу ядерной индукции. По данным работы [8], изменение поля на 10^–7 Ээквивалентно вращению прибора с угловой скоростью 1 Гц, из чего следует необходимость высокой магнитной экранировки или полного магнитного вакуума. Таким образом, использование кольцевого сверхпроводящего интерферометра-резонатора позволит повысить чувствительность прибора в 10³ раз относительно чувствительности оптического гироскопа [8]. Важнейшим элементом конструкции динамически настраиваемого гироскопа является кольцевой магнит с радиальной текстурой [9]. Итоговая характеристика спеченного магнита в большей степени зависит от технологических параметров, сопутствующих его изготовлению (температура спекания, режим термической обработки и др.) [10, 11]. Формирование опережающего научно-технического задела и реализация итоговой технической системы, основным функциональным элементом которой в данном  случае является спеченный магнит, допустимы не в последнюю очередь благодаря неразрывно связанным между собой фундаментальным и поисковым исследованиям [12]. Именно поэтому возникла необходимость в проведении исследования зависимости свойств магнитов от температуры спекания, результаты которого изложены в данной работе.

Материалы и методы

Выплавку слитков производили в вакуумной индукционной печи ВИАМ-2002 с использованием шихтовых материалов на основе празеодима ПрМ-1 (ТУ 48-4-215–72), металлического диспрозия марки ДиМ-1 (ТУ 48-4-214–72), кобальта К0 (ГОСТ 123–2008) и железа АРМКО типа 1 (ТС008789-176–2009). На набивной тигель для плавки наносили жаростойкое покрытие из инертной керамики на основе оксида циркония, предварительно стабилизированного оксидом иттрия. Бор вводится в плавку в виде лигатуры ферробора состава Fe_88,7B_11,3 (состав – в % (по массе)). При выплавке сплавов в вакуумной индукционной печи в качестве защитной атмосферы использовали инертный газ аргон. Дробление слитка до порошка фракцией не более 630 мкм в атмосфере аргона (ГОСТ 10157–79) проводили в конусной инерционной дробилке КИД-100. Для тонкого помола длительностью 25 мин применяли мельницу центробежно-планетарного типа модели САНД-1. Для предотвращения окисления использовали жидкость для помола с формулой C₂F₃Cl₃ и температурой кипения 47,5 °С. Призматические заготовки магнитов получали прессованием на гидравлическом прессе в магнитном поле напряженностью 800 кА/м, ориентированном перпендикулярно вектору приложения нагрузки. Спекание заготовок проводили в вакуумной печи СНВЭ 1.3.1/16 И3 при температурах 1100–1140 °С в течение 1 ч в вакууме (10^–5 мм рт. ст.). Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Далее спеченные магниты использовали для изготовления образцов сферической формы с диаметром 2–3 мм. Плотность определяли методом гидростатического взвешивания в дистиллированной воде и на воздухе по ГОСТ 25281–82. Измерения проводили на вибрационном магнитометре типа «Меридиан» по методике, предложенной и впервые описанной в работе [13]. Шарообразная форма образцов обусловлена равномерным распределением размагничивающего поля по объему и изотропией во всех точках шара [14]. Кроме того, размагничивающий фактор шара известен точно и равняется 1/3 в системе СИ [14].

Результаты и обсуждение

Типичные кривые размагничивания по намагниченности и индукции, исследованные при температуре 20±5 °С, представлены на рисунке.

Кривые размагничивания по намагниченности 4πI (1) и по индукции B (2) спеченных при различных температурах (Т_сп) магнитотвердых материалов: (Pr_0,53Dy_0,47)_13,2(Fe_0,76Co_0,24)_76,29B_10,5 (а), (Pr_0,53Dy_0,47)_13,37(Fe_0,80Co_0,20)_78,64B_7,99 (б) и (Pr_0,53Dy_0,47)_13,28(Fe_0,77Co_0,23)_78,86B_7,86 (в)

Результаты измерений представлены в таблице. Коэффициент прямоугольности определяли в соответствии с формулой

SF = H_к/H_ci,

где H_к – поле «колена» (поле, при котором величина намагниченности составляет 90 % от остаточной индукции B_R); H_ci– коэрцитивная сила по намагниченности.

Свойства исследованных материалов при температуре 20±5 °С

Из данных таблицы видно, что оптимальной температурой спекания является температура 1130 °С.Потому что при этой температуре получены максимальная величина остаточной индукции (B_R) и коэффициента прямоугольности (SF) материалов. При снижении температуры спекания возрастает величина коэрцитивной силы по намагниченности (H_ci), но снижается величина SF. При повышении температуры спекания до 1140 °С возрастают величины H_ci и коэрцитивной силы по индукции (H_сB), но уменьшается величина прямоугольности кривой размагничивания. Следует отметить, что в этом случае измерения сделаны на материалах с повышенным содержанием диспрозия и пониженным содержанием кобальта (см. таблицу).

В работах [15, 16] приведены значения величин температурного коэффициента индукции (ТКИ) для спеченных материалов системы (Pr_1–xDy_x)–(Fe_1‒y Co_y)–B. Когда величина x = 0,45, а y = 0,24, значение ТКИ = –0,02÷–0,03 %/°С в диапазоне температур 20–100 °С. Для снижения этой величины (по абсолютному значению) необходимо повышать содержание диспрозия и кобальта [17]. При этом немаловажным фактом является то, что величина температурного коэффициента индукции далеко не всегда удовлетворительно описывает температурные свойства магнитов. Объяснение этому факту заключается в форме температурной зависимости намагниченности, на кривой которой присутствует точка экстремума [18–23]. В этом случае необходимо использовать характеристики, учитывающие форму температурной зависимости кривой намагниченности, а не простейшее описание с помощью величины ТКИ, которая подходит для оценки материала, имеющего высокую температуру Кюри, а в интервале температур от –50 до +100 °С его намагниченность изменяется достаточно близко к линейному закону. Это материалы типа Fe–Cr–Co либо марки ЮНДК [24, 25]. Максимальное значение величины коэрцитивной силы, полученной на монокристаллах магнитов марки ЮНДК, составляет 145–160 кА/м, а на монокристаллах магнитов из материала Fe–Cr–Co составляет 65–70 кА/м. Это слишком низкая величина, поэтому данные материалы не подходят для изготовления кольцевых магнитов с радиальной текстурой, поскольку в магнитах для гироскопов (а это кольцевые магниты с радиальной текстурой) высокое значение величины размагничивающего поля магнита больше, чем величина коэрцитивной силы этих материалов [26–31].

Заключения

Исследованы спеченные магнитотвердые материалы системы Pr–Dy–Fe–Co–B. Найдена оптимальная температура спекания заготовок магнитов, равная 1130 °С.Выявлена корреляция между увеличением или уменьшением этой температуры и ухудшением магнитных характеристик материала.

Для использования этих материалов в динамически настраиваемых гироскопах следует увеличить содержание кобальта, поскольку в этом случае повысится их температурная стабильность.