國防科大“技術控”玩轉(zhuǎn)“激光陀螺”

　　如果空天導航衛(wèi)星被損毀，GPS、北斗等導航定位系統(tǒng)會怎樣?

　　答案地球人都知道：“失聯(lián)”。

　　如果一場正在進行的激烈戰(zhàn)斗中，衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)“不在服務區(qū)”，會怎樣?地球人多數(shù)會懵。是的，當如果變成了現(xiàn)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(wèi)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，可制造出不依賴“衛(wèi)星”的慣性導航系統(tǒng)。

　　“慣導系統(tǒng)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柜里或四方或三角形，方寸大小的“玩意”，對筆者說。

　　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，并著手激光陀螺研制。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(tǒng)陀螺比，激光陀螺具備動態(tài)范圍大、精度高、瞬時啟動、標度因數(shù)極好、耐環(huán)境能力強、可靠性高、壽命長、直接數(shù)字輸出等優(yōu)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(tǒng)研究，對軍隊新型武器裝備研制及現(xiàn)有武器裝備提質(zhì)改造，提升部隊戰(zhàn)斗力，其戰(zhàn)略意義不言而喻。但想撿“現(xiàn)成”，搞“山寨”，肯定不現(xiàn)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。

　　“激光陀螺制造原理挺簡單，就是應用激光在環(huán)形回路中正、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(jīng)數(shù)千次實驗，才摸索并制造出適于鉆孔的裝置，在國內(nèi)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(jīng)初步削磨的基片，肉眼看起來光滑。但在精密儀器下，表面全是坑坑洼洼的“溝壑”。“我們要把‘溝壑’磨平。磨得越光滑，后續(xù)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(yōu)于美國當前公開報道的批量生產(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(tǒng)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(tǒng)集成時，陀螺光路調(diào)節(jié)，即調(diào)腔，最為關鍵。腔調(diào)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。

　　張斌教授，是掌握手工調(diào)腔技術為數(shù)不多的專家，但他也一度被調(diào)腔過程中的“藝術性”要求所困擾。僅依賴“手性”調(diào)腔，太“隨意”。為此，他組團攻關調(diào)腔機械。在陸續(xù)攻克激光器光斑漂移、調(diào)腔光路變動等難題后，團隊研制成了可精確控制的調(diào)腔機，邁出了從手工調(diào)腔向技術調(diào)腔的關鍵一步，也填補了我國無激光陀螺調(diào)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(tǒng) 全面投放海陸空天

　　從研發(fā)至今，已過去45年。創(chuàng)新團隊也歷經(jīng)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(xiàn)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(jié)論;研制出的二頻機抖激光陀螺已接近美國最高水平，由此帶來的直接經(jīng)濟效益超數(shù)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(chǎn)線，使我國成為世界上第三個實現(xiàn)激光陀螺大批量生產(chǎn)的國家。

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

　　“下一步，我們著重與湖南省產(chǎn)業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新研究院合作，通過軍民融合方式，在長沙建一條生產(chǎn)規(guī)模最大、產(chǎn)品型譜最全的激光陀螺現(xiàn)代化生產(chǎn)線。屆時，年經(jīng)濟效益預計可超10億元。同時，我們還會繼續(xù)加大對激光陀螺高精度和穩(wěn)定性的研究，并進一步使它低成本與小型化。”羅暉說。