國防科大“技術(shù)控”玩轉“激光陀螺”

　　如果空天導航衛星被損毀，GPS、北斗等導航定位系統會(huì )怎樣?

　　答案地球人都知道：“失聯(lián)”。

　　如果一場(chǎng)正在進(jìn)行的激烈戰斗中，衛星導航定位系統“不在服務(wù)區”，會(huì )怎樣?地球人多數會(huì )懵。是的，當如果變成了現實(shí)，該咋辦?

　　6月2日，國防科大一群玩“陀螺”的“技術(shù)控”，給出了一個(gè)有意思的答案：當衛星“不靠譜”時(shí)，還可以靠“牛頓力學(xué)定律”。測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時(shí)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，可制造出不依賴(lài)“衛星”的慣性導航系統。

　　“慣導系統有兩個(gè)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(cháng)羅暉指著(zhù)玻璃柜里或四方或三角形，方寸大小的“玩意”，對筆者說(shuō)。

　　兩張小紙片：空手“套”出方寸“陀螺”

　　1960年，美國推出世界首臺激光器，并著(zhù)手激光陀螺研制。這一極具軍事應用價(jià)值的重大科技信息，被時(shí)任國防科委副主任的錢(qián)學(xué)森“瞄”上了。

　　與傳統陀螺比，激光陀螺具備動(dòng)態(tài)范圍大、精度高、瞬時(shí)啟動(dòng)、標度因數極好、耐環(huán)境能力強、可靠性高、壽命長(cháng)、直接數字輸出等優(yōu)點(diǎn)，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(guān)鍵支撐技術(shù)。開(kāi)展激光陀螺及其應用系統研究，對軍隊新型武器裝備研制及現有武器裝備提質(zhì)改造，提升部隊戰斗力，其戰略意義不言而喻。但想撿“現成”，搞“山寨”，肯定不現實(shí)。

　　1971年，錢(qián)學(xué)森將畫(huà)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(shù)控”，開(kāi)始了長(cháng)達45年的玩“陀螺”歷程。

　　“激光陀螺制造原理挺簡(jiǎn)單，就是應用激光在環(huán)形回路中正、反兩路光線(xiàn)間的頻率差來(lái)測量角度。關(guān)鍵是工藝。”譚中奇博士說(shuō)。

　　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(dòng)土”，輕不得也重不得。團隊歷經(jīng)數千次實(shí)驗，才摸索并制造出適于鉆孔的裝置，在國內率先突破超硬脆材料精密機械加工技術(shù)。

　　超光滑光學(xué)表面加工，關(guān)鍵工藝之一。經(jīng)初步削磨的基片，肉眼看起來(lái)光滑。但在精密儀器下，表面全是坑坑洼洼的“溝壑”。“我們要把‘溝壑’磨平。磨得越光滑，后續鍍膜才越好。”譚中奇說(shuō)。團隊練出了拿手絕活兒“反射鏡基片超級拋光”技術(shù)，使表面粗糙度甚至優(yōu)于美國當前公開(kāi)報道的批量生產(chǎn)水平。

　　鍍膜，要最大限度降低光在回路中的損耗、注重鍍膜均勻性、確保膜在長(cháng)時(shí)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(jìn)水平的極低損耗離子濺射鍍膜技術(shù)。

　　解決了前端關(guān)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(xué)器件，系統集成時(shí)，陀螺光路調節，即調腔，最為關(guān)鍵。腔調正不正，決定了最終生產(chǎn)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(shuō)。

　　張斌教授，是掌握手工調腔技術(shù)為數不多的專(zhuān)家，但他也一度被調腔過(guò)程中的“藝術(shù)性”要求所困擾。僅依賴(lài)“手性”調腔，太“隨意”。為此，他組團攻關(guān)調腔機械。在陸續攻克激光器光斑漂移、調腔光路變動(dòng)等難題后，團隊研制成了可精確控制的調腔機，邁出了從手工調腔向技術(shù)調腔的關(guān)鍵一步，也填補了我國無(wú)激光陀螺調腔機的空白。

　　1994年11月，我國首臺激光陀螺工程化樣機誕生。中國成為世界上第四個(gè)能獨立研制激光陀螺的國家，國防科大也成為中國首家具獨立知識產(chǎn)權、能全閉環(huán)研制生產(chǎn)激光陀螺的單位。

　　三代繼承人：研制慣導系統 全面投放海陸空天

　　從研發(fā)至今，已過(guò)去45年。創(chuàng )新團隊也歷經(jīng)了三代“掌門(mén)人”的更替。他們玩“陀螺”的成績(jì)，令人矚目——

　　在國際上首次實(shí)現平面型四頻差動(dòng)激光陀螺的工程應用，推翻了美國早年宣布的其無(wú)工程應用價(jià)值的結論;研制出的二頻機抖激光陀螺已接近美國最高水平，由此帶來(lái)的直接經(jīng)濟效益超數億元，社會(huì )效益更是無(wú)法估量;在我國建立起三條激光陀螺生產(chǎn)線(xiàn)，使我國成為世界上第三個(gè)實(shí)現激光陀螺大批量生產(chǎn)的國家。

　　如今，玩轉“陀螺”的“技術(shù)控”們，又“不安分”的倒騰起慣導系統的研制。“這是不同于激光陀螺的另一門(mén)學(xué)問(wèn)。硬件結構設計要緊湊，算法要最優(yōu)，要可進(jìn)行高精度誤差補償，讓陀螺和加速度計搭檔后，整體作用發(fā)揮到極致。”團隊首席專(zhuān)家龍興武教授說(shuō)。相比用傳統陀螺制造的慣導系統，這種慣導系統不僅提高數倍性能，體積還大大縮小。目前，國防科大研制的慣導系統，兩大系列、多型號的激光陀螺，已全面應用于我國陸、海、空、天等多領(lǐng)域。

　　“下一步，我們著(zhù)重與湖南省產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng )新研究院合作，通過(guò)軍民融合方式，在長(cháng)沙建一條生產(chǎn)規模最大、產(chǎn)品型譜最全的激光陀螺現代化生產(chǎn)線(xiàn)。屆時(shí)，年經(jīng)濟效益預計可超10億元。同時(shí)，我們還會(huì )繼續加大對激光陀螺高精度和穩定性的研究，并進(jìn)一步使它低成本與小型化。”羅暉說(shuō)。