Фото: Пресс-служба АО «Российские космические системы»
Специалисты Центра микроэлектроники холдинга «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «Роскосмос») разработали технологию групповой обработки кварцевых и кремниевых микрокомпонентов для акселерометров и гироскопов – важнейших изделий для навигации и управления космической и авиационной техникой.
Задача навигации, определения местоположения объекта относительно опорной системы координат решается со времен, как человек отправился в путь. Пройденное расстояние и местоположение вычислялись при помощи инструментов, например, секстанта и простейших вычислений. Эра авиации и космонавтики сделала возможным решать задачу инерциальной навигации – навигации относительно инерциальной системы координат – автоматически с помощью бортовых систем.
Эволюция навигационных систем
За более чем полвека инерциальные навигационные системы претерпели колоссальные изменения: от 80-килограммовых гиростабилизированных платформ (ГСП) до бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) весом в десятки килограммов. Системы вычисляют навигационное решение на основании сигналов датчиков угловых скоростей и акселерометров. В качестве датчиков угловой скорости используются двухстепенные, динамически настраиваемые, лазерные, волоконно-оптические и волновые гироскопы. Для измерений кажущегося ускорения применяются гироскопические интеграторы линейных ускорений, маятниковые и кварцевые акселерометры. Если в ГСП сама платформа является аналоговым интегратором, то в БИНС задача решается с помощью цифровых вычислителей.
Очевидно, что приборы с такими массами и габаритами не могут устанавливаться на миниатюрных изделиях, таких как квадрокоптер, малый космический аппарат, космический аппарат типа CubeSat. Впрочем, даже для автомобиля такие приборы переразмерены. Для таких объектов необходимы соответствующие решения – компактные, небольшой массы и с высокой степенью автономности.
Микромеханические гироскопы
Для миниатюрных изделий, где в пользу массы допустимо загрубить точность информации, развивается направление микромеханических гироскопов и приборов на их основе. Микромеханический гироскоп размером со спичечный коробок обеспечивает изделия измерениями угловой скорости и кажущегося ускорения. Однако, как и остальные гироскопы, микромеханический гироскоп является высокотехнологичным изделием, производство которого сопряжено с рядом трудностей.
Фото: Пресс-служба АО «Российские космические системы»
Технологии производства микромеханических гироскопов схожи с технологиями производства электрорадиоизделий, мировые топологические нормы уже достигли уровня в 0,35 микрометров. При высоком спросе на миниатюрные инерциальные датчики наблюдаются трудности при разработке новых технологий изготовления и дефицит серийных производителей чувствительных элементов. Ряд российских предприятий в этой нише индивидуально производит такие микрокомпоненты, однако каждое изделие имеет свои геометрические размеры, их надо потом дорабатывать и трудоемко доводить до необходимых в космосе стандартов.
Отечественные технологии РКС
В ответ на эту проблему в РКС разработали групповые технологии, когда на одной пластине изготавливаются чувствительные элементы с одинаковой геометрией. Инновационное серийное производство позволит отойти от практики поштучного «ручного» изготовления. Ключевая особенность разработанных в РКС методов заключается в повышении точности и повторяемости геометрических размеров объемных микроструктур.
Заместитель руководителя отдела разработки микромеханических систем РКС Андрей Корпухин: «В РКС развивают и совершенствуют эту технологию с 2007 года. Мы применяем процессы микроэлектронного производства: формирование тонкопленочных диэлектрических и проводящих слоев, фотолитографию, жидкостное и плазмохимическое селективное травление и другие. Для создания высокотехнологичных чувствительных элементов используются материалы, изготовленные в России».
Запуск нового производства показал, что выход годных микрокомпонентов, соответствующих конструкторской документации, достигает 70%, тогда как при других методах эти показатели не превышают и 30%. Благодаря применяемым в РКС ноу-хау достигнута точность кремниевых элементов микроэлектромеханической системы акселерометров и гироскопов до 1 микрометра и увеличена точность микрообработки кварцевых чувствительных элементов в 5 раз по сравнению с традиционными технологиями.
Применение микросистем
Новые акселерометры и гироскопы будут высокоточными и малогабаритными – снизятся вес и энергопотребление спутников. Достигнутые параметры открывают перспективы для их эксплуатации в жестких условиях открытого космоса. Эти устройства будут применяться в системах управления и автономной навигации ракет-носителей, на орбитальных аппаратах, межпланетных и спускаемых модулях. В будущем они станут основой инновационных гироскопов и акселерометров перспективных космических аппаратов – от кубсатов до межпланетных станций.
Высокотехнологичные микрокомпоненты имеют большой коммерческий потенциал, так как получили широкое распространение в некосмических сферах. Например, их также применяют при бурении нефтяных скважин, в транспорте, авиации, воздушных, наземных беспилотных системах, промышленной технике и различных портативных устройствах. Высокая точность изготовления позволит использовать их в приборах навигационного класса и более широком сегменте high-end техники.
Заместитель генерального конструктора РКС Николай Рябогин: «Это не предел совершенствования миниатюрных инерциальных навигационных систем. Разработка комплексированных навигационных систем, объединяющих информацию датчиков, функционирующих на разных физических принципах, основана на совместной обработке первичной информации для повышения надежности и точности навигационного решения».
Математическая обработка информации микромеханических гироскопов, приемника сигналов систем спутниковой навигации и звездных датчиков позволяет определять навигационные параметры с высокой точностью, которая необходима для работы системы управления движением космических аппаратов. Решение РКС объединяет вычислительную систему на кристалле, совмещенную с навигационным приемником, микромеханическими гироскопами и информацией от звездных датчиков – такая миниатюрная система с совместной обработкой первичной информации и методами фильтрации обеспечит комплексное решение навигационной задачи.
* * *
АО «Российские космические системы» (входит в Госкорпорацию РОСКОСМОС) на протяжении 75 лет разрабатывает, производит, испытывает, поставляет и эксплуатирует бортовую и наземную аппаратуру и информационные космические системы научного и социально-экономического назначения. Основные направления деятельности – создание, развитие и целевое использование глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС; наземный комплекс управления космическими аппаратами; космические системы поиска и спасания, гидрометеорологического обеспечения, радиотехнического обеспечения научных исследований космического пространства; наземные пункты приема и обработки информации дистанционного зондирования Земли. Интегрированная структура «Российских космических систем» объединяет ведущие предприятия космического приборостроения России: Научно-исследовательский институт точных приборов (АО «НИИ ТП»), Научно-производственное объединение измерительной техники (АО «НПО ИТ»), Научно-исследовательский институт физических измерений (АО «НИИФИ»), Особое конструкторское бюро МЭИ (АО «ОКБ МЭИ») и Научно-производственная организация «Орион» (АО «НПО «Орион») и ПАО «Ярославский радиозавод».
РОСКОСМОС – государственная корпорация, созданная в августе 2015 года для проведения комплексной реформы ракетно-космической отрасли России. РОСКОСМОС обеспечивает реализацию госполитики в области космической деятельности и ее нормативно-правовое регулирование, а также размещает заказы на разработку, производство и поставку космической техники и объектов космической инфраструктуры. В его функции также входит развитие международного сотрудничества в космической сфере, а также создание условий для использования результатов космической деятельности для социально-экономического развития России.
* * *
МОСКВА, Пресс-релиз АО «Российские космические системы»
