РКС приступает к производству комплексированных инерциальных навигационных систем отечественных компонентов

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.

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.

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.

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.

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.

«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», - Заместитель руководителя отдела разработки микромеханических систем РКС Андрей Корпухин.

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.

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.

«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», - Заместитель генерального конструктора РКС Николай Рябогин.

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.