「技術控」這樣玩轉「陀螺」

科技日報記者 俞慧友 通訊員 劉和旭

如果空天導航衛星被損毀，GPS、北斗等導航定位系統會怎樣？

答案地球人都知道：「失聯」。

如果一場正在進行的激烈戰鬥中，衛星導航定位系統「不在服務區」，會怎樣？地球人多數會懵。是的，當如果變成了現實，該咋辦？

6月2日，國防科大一群玩「陀螺」的「技術控」，給出了一個有意思的答案：當衛星「不靠譜」時，還可以靠「牛頓力學定律」。測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間積分，再變換到導航坐標系，獲得速度、偏航角和位置等信息。以此為原理，可製造出不依賴「衛星」的慣性導航系統。

「慣導系統有兩個核心部件，陀螺和加速度計。我們就是玩『陀螺』的。」國防科大激光陀螺研究所所長羅暉指著玻璃櫃里或四方或三角形，方寸大小的「玩意」，對科技日報記者說。

兩張小紙片：空手「套」出方寸「陀螺」

1960年，美國推出世界首台激光器，並著手激光陀螺研製。這一極具軍事應用價值的重大科技信息，被時任國防科委副主任的錢學森「瞄」上了。

與傳統陀螺比，激光陀螺具備動態範圍大、精度高、瞬時啟動、標度因數極好、耐環境能力強、可靠性高、壽命長、直接數字輸出等優點，是武器裝備形成精確打擊能力、具備快速反應能力、強化突防能力的關鍵支撐技術。開展激光陀螺及其應用系統研究，對軍隊新型武器裝備研製及現有武器裝備提質改造，提升部隊戰鬥力，其戰略意義不言而喻。但想撿「現成」，搞「山寨」，肯定不現實。

1971年，錢學森將畫有激光陀螺原理圖和光路圖的兩張小紙片，交給了國防科大。由此，一群國防科大的「技術控」，開始了長達45年的玩「陀螺」歷程。

「激光陀螺製造原理挺簡單，就是應用激光在環形迴路中正、反兩路光線間的頻率差來測量角度。關鍵是工藝。」譚中奇博士說。

譬如，激光陀螺的腔體是一種又硬又脆的特殊材料，在這種硬脆材料上「動土」，輕不得也重不得。團隊歷經數千次實驗，才摸索並製造出適於鑽孔的裝置，在國內率先突破超硬脆材料精密機械加工技術。

超光滑光學表面加工，關鍵工藝之一。經初步削磨的基片，肉眼看起來光滑。但在精密儀器下，表面全是坑坑窪窪的「溝壑」。「我們要把『溝壑』磨平。磨得越光滑，後續鍍膜才越好。」譚中奇說。團隊練出了拿手絕活兒「反射鏡基片超級拋光」技術，使表面粗糙度甚至優於美國當前公開報道的批量生產水平。

鍍膜，要最大限度降低光在迴路中的損耗、注重鍍膜均勻性、確保膜在長時間高能電子轟擊下的壽命。團隊在我國率先突破了達國際先進水平的極低損耗離子濺射鍍膜技術。

解決了前端關鍵工藝，激光陀螺的系統集成「組裝」也絕非易事。「激光陀螺是非常精密的光學器件，系統集成時，陀螺光路調節，即調腔，最為關鍵。腔調正不正，決定了最終生產出的激光陀螺性能是否合格，能否成為精品。差之毫厘，失之千里。」羅暉說。

張斌教授，是掌握手工調腔技術為數不多的專家，但他也一度被調腔過程中的「藝術性」要求所困擾。僅依賴「手性」調腔，太「隨意」。為此，他組團攻關調腔機械。在陸續攻克激光器光斑漂移、調腔光路變動等難題後，團隊研製成了可精確控制的調腔機，邁出了從手工調腔向技術調腔的關鍵一步，也填補了我國無激光陀螺調腔機的空白。

1994年11月，我國首台激光陀螺工程化樣機誕生。中國成為世界上第四個能獨立研製激光陀螺的國家，國防科大也成為中國首傢具獨立知識產權、能全閉環研製生產激光陀螺的單位。

三代繼承人：研製慣導系統 全面投放海陸空天

從研發至今，已過去45年。創新團隊也歷經了三代「掌門人」的更替。他們玩「陀螺」的成績，令人矚目——

在國際上首次實現平面型四頻差動激光陀螺的工程應用，推翻了美國早年宣布的其無工程應用價值的結論；研製出的二頻機抖激光陀螺已接近美國最高水平，由此帶來的直接經濟效益超數億元，社會效益更是無法估量；在我國建立起三條激光陀螺生產線，使我國成為世界上第三個實現激光陀螺大批量生產的國家。

如今，玩轉「陀螺」的「技術控」們，又「不安分」的倒騰起慣導系統的研製。「這是不同於激光陀螺的另一門學問。硬體結構設計要緊湊，演算法要最優，要可進行高精度誤差補償，讓陀螺和加速度計搭檔後，整體作用發揮到極致。」團隊首席專家龍興武教授說。相比用傳統陀螺製造的慣導系統，這種慣導系統不僅提高數倍性能，體積還大大縮小。目前，國防科大研製的慣導系統，兩大系列、多型號的激光陀螺，已全面應用於我國陸、海、空、天等多領域。

「下一步，我們著重與湖南省產業技術協同創新研究院合作，通過軍民融合方式，在長沙建一條生產規模最大、產品型譜最全的激光陀螺現代化生產線。屆時，年經濟效益預計可超10億元。同時，我們還會繼續加大對激光陀螺高精度和穩定性的研究，並進一步使它低成本與小型化。」羅暉說。

（科技日報長沙6月4日電）

圖片來源於網路

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