Werden  Faseroptische Kreisel in Raketen eingesetzt?  

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis.....................................................................................................   II

Abbildungsverzeichnis   III

1  Einführung und Zielsetzung  1

2  Bauarten und Funktionsweisen unterschiedlicher Gyroskope.  2

2.1  Das mechanische Gyroskop  2

2.2  Der Laserkreisel  6

2.3  Der Faserkreisel  8

2.4  Der Sagnac Effekt und das Sagnac-Interferometer  9

2.5  Technischer Vergleich der einzelnen Systeme  12

3  Einsatzgebiete der Gyroskope  14

4  Faserkreisel in Raketen  16

4.1  Einsatz in der zivilen Raumfahrt  16

4.2  Die militärische Nutzung  17

5  Fazit und Ausblick  20

Literaturverzeichnis  und Quellen  IV

Anhang   V

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Werden  Faseroptische Kreisel in Raketen eingesetzt?  

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Einachsig gefesselter Kreisel  

Abbildung  2: Dynamisch abgestimmter Kreisel  

Abbildung  3: Typische Mechanische Gyros  

Abbildung  4: Mechanischer Gyro im Modellbau  

Abbildung  5: Schematische Darstellung eines Laserkreisels.  

Abbildung  6: Schema eines Faserkreisels  

Abbildung  7: Versuchsaufbau von Georges Sagnac  

Abbildung  8: Vereinfachte Darstellung des Sagnac-Effektes.  

Abbildung  9: Fehlerbereiche von Gyros und MEMS  

Abbildung  10: Vergleich unterschiedlicher Systeme  

Abbildung  11: Der DSP-3000 der Firma KVH  

Abbildung  12: Explosionszeichnung der Ariane 5  

Abbildung  13: Das Schnellboot S75 ZOBEL beim Verschuss eines RAM Flugkörpers  

  (RI-M116-Rolling Airframe Missle)  

Abbildung  14: Das Inertialsystem iIMU-FI-M2 der Firma iMAR  

Abbildung  15: FOG IMU der Firma Northrop Grumman LITEF  

Abbildung  16: Der µFORS - einachsiger FOG  

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Werden Faseroptische Kreisel in Raketen eingesetzt?

1 Einführung und Zielsetzung

Ein Kreiselinstrument oder Gyroskop (von gyros für ‚Drehung‘ und skopein für ‚sehen‘) ist ein sich schnell drehender symmetrischer Kreisel, der an einem oder an mehreren Punkten kardanisch aufgehängt ist. 1

So lautet zumindest die Erklärung von Wikipedia. In der Tat ist dies eine treffliche Erklärung dessen, was einen Teil dieser Seminararbeit darstellt. Ziel ist aber nicht nur die Erläuterung der sogenannten "mechanischen Kreisel", sondern vor allem die Betrachtung der optischen Gyroskope und insbesondere Erkenntnisse der Einsatzgebiete von Faserkreiseln in Raketen. Doch beginnen wir ganz am Anfang mit den Grundlagen:

Ein Gyroskop dient zur Erfassung von Drehbewegungen und/oder räumlichen Orientierungen. Seine Geschichte begann um 1900. Die erste wichtige Anwendung ist der von Anschütz entwickelte Kurskreisel (Kreiselkompass), der zum unentbehrlichen Hilfsmittel für die Navigation von Seeschiffen wurde. In den zwanziger Jahren wurden Kreisel in der Luftfahrt, zum Beispiel für Nachtflüge, als Lagesensor (künstlicher Horizont) und Wendekreisel (Gierraten-Anzeiger) erfolgreich eingesetzt.

Der Einsatz von Drehratengebern in der Inertialnavigation begann in den fünfziger Jahren. In den sechziger und siebziger Jahren erfolgte dann eine Verfeinerung der Kreiselgeräte insbesondere in Hinblick auf erhöhte Genauigkeiten, wobei mit den optischen Kreiseln auch nichtmechanische Systeme zum Einsatz kamen. Ab den achtziger Jahren gab es - aufbauend auf neuen Messprinzipien bei in Massen hergestellten Billigkreiseln - Neuentwicklungen, die in Geräten des täglichen Bedarfs eingesetzt wurden. Dies waren zum Beispiel das Antiblockiersystem in der KFZ-Technik oder der „Verwackelschutz“ in Videokameras. ² Im nächsten Kapitel werden der mechanische Kreisel und seine Funktionsweise genauer beschrieben.

¹ Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Gyroskop, eingesehen am 26.12.2009 um 11.29 Uhr

² Vgl. Deppner, Heinz Georg: Drehratenmessgeber, Bremen 1990, S. 10

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Werden Faseroptische Kreisel in Raketen eingesetzt?

2 Bauarten und Funktionsweisen unterschiedlicher Gyroskope

2.1 Das mechanische Gyroskop

Abbildung 1 zeigt einen "einachsig gefesselten Kreisel". Seine Funktion stellt das Grundprinzip aller mechanischen Kreisel dar. Sie lässt sich mit der „U-V-W-Regel“ beschreiben: Wird ein Drehmoment auf die Eingangsachse i ausgeübt (Ursache), versucht der um die Drehachse S (Vermittler) rotierende Kreisel diesem Moment auszuweichen. Das kann er aufgrund seiner Fesselung nur durch eine Präzession um die Ausgangsachse o (Wirkung). 3

Quelle: Deppner, Heinz Georg: Drehratenmessgeber

³ Vgl. Deppner, H. G., a.a.O., S. 10

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Werden Faseroptische Kreisel in Raketen eingesetzt?

Das Moment in der Ausgangsachse ist, konstante Rotordrehzahl vorausgesetzt, bei kleinen Auslenkungen von der Ruhelage direkt proportional zur

Eingangsdrehgeschwindigkeit. Ein Gegenmoment wird durch eine Hebel-Feder-Anordnung oder, wie in Abbildung 1, durch einen Torque-Motor mit Regelschleife aufgebracht. 4

Dieses System hat aber konstruktionsbedingt eine beachtliche Schwäche: Die Lagerung der Ausgangsachse o muss einerseits alle auftretenden Momente und Gewichtskräfte auffangen, also entsprechend stabil sein, andererseits ist o die sensitive Achse, und die Lager müssen möglichst reibungsfrei sein, um Messfehler zu minimieren. Diese widersprüchlichen Forderungen führen zu einem immensen Aufwand bei der Ausführung der Mechanik. 5

Um diese Schwäche zu umgehen, wurde der "dynamisch abgestimmte Kreisel" entwickelt. Er umgeht auf elegante Weise die Schwächen des einachsigen Kreisels. Weiterhin ermöglicht er eine Messung in zwei Achsen mit nur einem System.

⁴ Vgl. Deppner, H. G., a.a.O., S. 10

⁵ Vgl. ebenda, S. 11

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Werden Faseroptische Kreisel in Raketen eingesetzt?

Ein ringförmiger Rotor ist zweiachsig kardanisch aufgehängt, wobei die Kardangelenke durch Blattfedern gebildet werden. Der Ring ist damit frei beweglich und vom Antrieb entkoppelt, solange die Auslenkungen um die zentrale Antriebsachse klein bleiben. Im Betrieb wirken auf den Ring die Trägheitsmomente durch die Rotation. Dem entgegen stehen die Federmomente der Gelenke. Da die Trägheitsmomente vom Quadrat der Drehzahl n abhängen, die Federmomente aber konstant sind, ergibt sich bei einer charakteristischen Resonanz-Drehzahl N ein Gleichgewichtszustand, in dem sich alle auf den Rotor wirkenden Momente aufheben. Der Rotor „schwimmt“ frei im Raum und widersetzt sich jeder aufgezwungen Drehbewegung senkrecht zur Rotorachse. Durch Torquer wird die relative Lage des Rotors zum Kreiselgehäuse nachgeführt, das dazu notwendige Moment, messbar über den Torque-Strom, ist ein direktes Maß für die Rate der Gehäusedrehung. 6

Dank intensiver Forschung in den siebziger Jahren sind mechanische Gyros sehr präzise geworden: 7

- Messbereich: bis 6 Dekaden

- Signalbandbreite: bis 100 Hz

- Genauigkeit: bis unter 1°/h

Die Nachteile mechanischer Gyros sind: 8

- teilweise hohes Gewicht und Größe

- durch Verschleißteile regelmäßige Wartungen nötig

- anfällig gegen starke Stöße.

⁶ Vgl. Deppner, H. G., a.a.O., S. 12

⁷ Quelle: ebenda, S. 12

⁸ Quelle: KVH Industries, Inc.: An update on KVH Fiber Optic Gyros and their benefits relative to other

Gyro technologies, Middletown 2007, S. 2-3

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