Gyrolaser

Le gyromètre laser est un capteur capable de mesurer une vitesse angulaire dans un plan. En associant trois gyromètres, il est possible de mesurer la vitesse angulaire d'un mobile dans l'espace. Cette mesure est utilisée dans les centrales à inertie qui équipent certains navires, avions, satellites, sous-marins.

Le gyromètre laser remplace les gyroscopes mécaniques utilisés précédemment et permet l'amélioration de la précision.

Gyrolaser de forme triangulaire

Le premier gyrolaser fut présenté aux États-Unis par Macek et Davis en 1963. La technologie a depuis été développée et industrialisée par un nombre restreint de sociétés autour du monde. Cette technologie est actuellement la technologie inertielle de haute performance la plus diffusée. Plus d'un million[1] de gyrolasers sont utilisés dans le guidage inertiel et plusieurs centaines de milliers, en navigation inertielle, domaine dans lequel ils ont prouvé une très grande fiabilité, avec une incertitude inférieure à 0,01 °/heure et un temps moyen entre pannes supérieur à 300 000 heures.

Contrairement au gyromètre mécanique, le gyrolaser n’est pas sensible à l’accélération ; de plus, ils ont une meilleure stabilité du facteur d’échelle. Enfin il est considéré comme plus fiable en raison de l’absence de pièce mécanique en mouvement[2]. Certaines erreurs peuvent être caractérisées, comme l’erreur autour de zéro. La précision augmente lorsque la taille de l’instrument augmente[3].

Le gyrolaser est également très robuste et très peu sensible aux perturbations engendrées par son environnement (température, vibrations et chocs) car il repose sur une conception monolithique de sa partie optique qui est usinée au sein d'un bloc de vitrocéramique.

Principe physique

Principe de la mesure optique de la vitesse angulaire

On considère un trajet optique circulaire (rayon R) dans le vide animé d’un mouvement de rotation à la vitesse ϖ. Après un temps Δt, le point P est placé à la position P'. Deux rayons laser parcourent le trajet en sens inverse. Il est possible de montrer que la différence de chemin optique αR est proche de ${\displaystyle {\frac {4\pi R^{2}}{c}}\omega }$ où c est la vitesse de la lumière. Cette expression s’écrit aussi ${\displaystyle {\frac {4S}{c}}\omega }$ (avec S la surface limitée par le cercle décrit) et se généralise pour toutes les surfaces[4].

L’interférence va permettre d’accéder à la différence de chemin optique et donc à la vitesse de rotation.

La précision est directement proportionnelle à la surface S et s'accroit donc avec la taille de l'instrument.

Il existe deux types de gyromètres optiques : le gyromètre laser (ou gyrolaser) et le gyromètre à fibre optique.

Particularités du gyrolaser

Schéma de principe

L’appareil comporte une partie optique et une partie électronique. Il est de forme triangulaire ou carrée.

La partie optique comporte des miroirs et un tube capillaire rempli d’un mélange gazeux qui constitue le milieu amplificateur du laser. Le premier miroir est concave pour améliorer la focalisation, le deuxième est fixé sur un moteur piézoélectrique ce qui va permettre de moduler la puissance du laser et le troisième est semi-réfléchissant, ce qui permet de récupérer une partie du faisceau[5].

Il existe également des gyromètres triaxe en forme de tétraèdre[6].

• Tous les avions de transports civils de premier niveau (notamment les Airbus[7] et Boeing[8]) utilisent des centrales de navigation à gyrolasers
• La plupart des avions d'armes et des avions de transport militaire (Rafale, F-15E Strike Eagle, HAL Tejas...)
• La plupart des hélicoptères d'attaque et de transport (Apache, Tigre, NH90, MH-60R et MH-60S)
• La plupart des missiles disposant d'un guidage inertiel (Scalp-EG, MDCN, JDAM, JSOW...)
• La plupart des navires militaires (FREMM, Porte-avion CdG, BPC,... ) et des sous-marins (Barracuda, Rubis...)
• Les obusiers pour leur centrale inertielle de pointage (Caesar, PzH2000, Archer, ...)