国防科大“技术控”玩转“激光陀螺”

2017-06-05 10:16 院校科研   来源:国防科大

导读如果空天导航卫星被损毁,GPS、北斗等导航定位系统会怎样?  

如果空天导航卫星被损毁,GPS、北斗等导航定位系统会怎样?

答案地球人都知道:“失联”。

如果一场正在进行的激烈战斗中,卫星导航定位系统“不在服务区”,会怎样?地球人多数会懵。是的,当如果变成了现实,该咋办?

6月2日,国防科大一群玩“陀螺”的“技术控”,给出了一个有意思的答案:当卫星“不靠谱”时,还可以靠“牛顿力学定律”。测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间积分,再变换到导航坐标系,获得速度、偏航角和位置等信息。以此为原理,可制造出不依赖“卫星”的惯性导航系统。

“惯导系统有两个核心部件,陀螺和加速度计。我们就是玩‘陀螺’的。”国防科大激光陀螺研究所所长罗晖指着玻璃柜里或四方或三角形,方寸大小的“玩意”,对笔者说。

两张小纸片:空手“套”出方寸“陀螺”

1960年,美国推出世界首台激光器,并着手激光陀螺研制。这一极具军事应用价值的重大科技信息,被时任国防科委副主任的钱学森“瞄”上了。

与传统陀螺比,激光陀螺具备动态范围大、精度高、瞬时启动、标度因数极好、耐环境能力强、可靠性高、寿命长、直接数字输出等优点,是武器装备形成精确打击能力、具备快速反应能力、强化突防能力的关键支撑技术。开展激光陀螺及其应用系统研究,对军队新型武器装备研制及现有武器装备提质改造,提升部队战斗力,其战略意义不言而喻。但想捡“现成”,搞“山寨”,肯定不现实。

1971年,钱学森将画有激光陀螺原理图和光路图的两张小纸片,交给了国防科大。由此,一群国防科大的“技术控”,开始了长达45年的玩“陀螺”历程。

激光陀螺制造原理挺简单,就是应用激光在环形回路中正、反两路光线间的频率差来测量角度。关键是工艺。”谭中奇博士说。

譬如,激光陀螺的腔体是一种又硬又脆的特殊材料,在这种硬脆材料上“动土”,轻不得也重不得。团队历经数千次实验,才摸索并制造出适于钻孔的装置,在国内率先突破超硬脆材料精密机械加工技术。

超光滑光学表面加工,关键工艺之一。经初步削磨的基片,肉眼看起来光滑。但在精密仪器下,表面全是坑坑洼洼的“沟壑”。“我们要把‘沟壑’磨平。磨得越光滑,后续镀膜才越好。”谭中奇说。团队练出了拿手绝活儿“反射镜基片超级抛光”技术,使表面粗糙度甚至优于美国当前公开报道的批量生产水平。

镀膜,要最大限度降低光在回路中的损耗、注重镀膜均匀性、确保膜在长时间高能电子轰击下的寿命。团队在我国率先突破了达国际先进水平的极低损耗离子溅射镀膜技术。

解决了前端关键工艺,激光陀螺的系统集成“组装”也绝非易事。“激光陀螺是非常精密的光学器件,系统集成时,陀螺光路调节,即调腔,最为关键。腔调正不正,决定了最终生产出的激光陀螺性能是否合格,能否成为精品。差之毫厘,失之千里。”罗晖说。

张斌教授,是掌握手工调腔技术为数不多的专家,但他也一度被调腔过程中的“艺术性”要求所困扰。仅依赖“手性”调腔,太“随意”。为此,他组团攻关调腔机械。在陆续攻克激光器光斑漂移、调腔光路变动等难题后,团队研制成了可精确控制的调腔机,迈出了从手工调腔向技术调腔的关键一步,也填补了我国无激光陀螺调腔机的空白。

1994年11月,我国首台激光陀螺工程化样机诞生。中国成为世界上第四个能独立研制激光陀螺的国家,国防科大也成为中国首家具独立知识产权、能全闭环研制生产激光陀螺的单位。

三代继承人:研制惯导系统全面投放海陆空天

从研发至今,已过去45年。创新团队也历经了三代“掌门人”的更替。他们玩“陀螺”的成绩,令人瞩目——

在国际上首次实现平面型四频差动激光陀螺的工程应用,推翻了美国早年宣布的其无工程应用价值的结论;研制出的二频机抖激光陀螺已接近美国最高水平,由此带来的直接经济效益超数亿元,社会效益更是无法估量;在我国建立起三条激光陀螺生产线,使我国成为世界上第三个实现激光陀螺大批量生产的国家。

如今,玩转“陀螺”的“技术控”们,又“不安分”的倒腾起惯导系统的研制。“这是不同于激光陀螺的另一门学问。硬件结构设计要紧凑,算法要最优,要可进行高精度误差补偿,让陀螺和加速度计搭档后,整体作用发挥到极致。”团队首席专家龙兴武教授说。相比用传统陀螺制造的惯导系统,这种惯导系统不仅提高数倍性能,体积还大大缩小。目前,国防科大研制的惯导系统,两大系列、多型号的激光陀螺,已全面应用于我国陆、海、空、天等多领域。

“下一步,我们着重与湖南省产业技术协同创新研究院合作,通过军民融合方式,在长沙建一条生产规模最大、产品型谱最全的激光陀螺现代化生产线。届时,年经济效益预计可超10亿元。同时,我们还会继续加大对激光陀螺高精度和稳定性的研究,并进一步使它低成本与小型化。”罗晖说。

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