2021年11月30日消息，近日，一臺(tái)邊長(zhǎng)達(dá)2.5米的大型激光陀螺儀原型機(jī)在湖南建造成功并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，這是國際上目前投入實(shí)用的最先進(jìn)技術(shù)方案首次在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主試制。據(jù)悉，該原型機(jī)由湖南二零八先進(jìn)科技有限公司（下簡(jiǎn)稱“二零八公司”）技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)，填補(bǔ)了我國在大型激光陀螺建造領(lǐng)域的空白，為進(jìn)一步推進(jìn)該領(lǐng)域的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　陀螺儀的發(fā)展

　　1852年，法國物理學(xué)家萊昂·傅科（Léon Foucault）提出了利用陀螺儀指向的設(shè)想，并成功研制出世界上第一臺(tái)傅科陀螺儀（如圖1所示），有效地驗(yàn)證了地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，開啟了人類對(duì)工程實(shí)用陀螺儀的研究與設(shè)計(jì)。1908年，德國科學(xué)家赫爾曼·安許茨-肯普費(fèi)（Hermann Anschütz-Kaempfe）設(shè)計(jì)了一種單轉(zhuǎn)子擺式陀螺羅經(jīng)，該系統(tǒng)可以憑借重力力矩進(jìn)行自動(dòng)尋找北方向，解決了當(dāng)時(shí)的艦船導(dǎo)航問題。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國利用陀螺儀為V-2火箭裝備了慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了陀螺儀技術(shù)在導(dǎo)彈制導(dǎo)領(lǐng)域的首次應(yīng)用。

　　20世紀(jì)50年代，轉(zhuǎn)子陀螺儀開始出現(xiàn)，美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology,MIT）的查爾斯·施塔克·德雷珀實(shí)驗(yàn)室（Charles Stark Draper Laboratory），采用液浮支承技術(shù)，研制出單自度液浮陀螺儀（fluid floated gyroscope,FFG），使得陀螺儀的精度達(dá)到了慣性級(jí)要求。20世紀(jì)60年代初，美國人羅伯特·克雷格（Robert Craig）研制出了動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀（dynamically tuned gyroscope,DTG），?？柛Ｌ毓狙兄频腟KN-2416、SKN-2610、MODⅡ等型號(hào)產(chǎn)品，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及軍用飛機(jī)等平臺(tái)進(jìn)行了成功應(yīng)用。1964年，美國最先研制出靜電陀螺儀（electrically suspended gyroscope,ESG），并于1979年首次為“三叉戟”彈道導(dǎo)彈核潛艇裝備了靜電陀螺監(jiān)控器，使得潛艇的導(dǎo)航能力出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

　　20世紀(jì)60年代，光學(xué)陀螺儀的出現(xiàn)是慣性技術(shù)領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革。1963年，美國斯佩里公司最先研制出激光陀螺儀（ring laser gyroscope,RLG）。隨后經(jīng)過十余年的不懈努力，美國霍尼韋爾公司于1975年和1976年分別將激光陀螺儀應(yīng)用到飛機(jī)和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈；1982年，該公司利用GG-1342型激光陀螺儀，為美國海軍研制出了第一臺(tái)用于艦艇的高精度導(dǎo)航設(shè)備。光纖陀螺儀（fiber optical gyroscope，F(xiàn)OG）是出現(xiàn)稍晚于激光陀螺儀的另一類光學(xué)陀螺儀，與激光陀螺儀相比，F(xiàn)OG具有體積更小、成本更低、便于批量生產(chǎn)等顯著優(yōu)勢(shì)，迅速獲得了各大陀螺儀生產(chǎn)商的青睞。

　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著微機(jī)電和量子技術(shù)的不斷發(fā)展，以微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro mechanical system gyroscope,MEMS）陀螺儀、半球諧振陀螺儀（hemispherical resonator gyroscope,HRG）為代表的振動(dòng)陀螺儀和以核磁共振陀螺儀（nuclear magnetic resonance gyroscope,NMRG）、原子干涉陀螺儀（atomic interference gyroscope,AIG）為代表的原子陀螺儀等新型陀螺儀得到了快速發(fā)展，掀開了陀螺儀技術(shù)的嶄新篇章。

　　國內(nèi)多年空白，長(zhǎng)期被“卡脖子”

　　激光陀螺儀是高精度慣性傳感器的一種，主要用于感知物體的角運(yùn)動(dòng)，其核心是呈四邊形或三角形的環(huán)形激光器。與加速度傳感器組合制成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)后，可以不依賴GPS精確地解算出運(yùn)動(dòng)載體在空間中的位置，是航空、航天、航海領(lǐng)域的關(guān)鍵器件之一。由于其在導(dǎo)航制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域的巨大價(jià)值，激光陀螺儀一直名列各國出口管制清單之上。

　　目前國際上研究的激光陀螺儀主要分為兩大類，一類是小型的激光陀螺儀，在導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛；一類是大型的激光陀螺儀，具備大科學(xué)裝置特征。

　　小型激光陀螺儀一般邊長(zhǎng)在幾厘米至十幾厘米量級(jí)，眾多海陸空天武器裝備以及相關(guān)民用領(lǐng)域中均使用了激光陀螺儀作為核心導(dǎo)航部件，最著名的如美軍的F-35、F-22戰(zhàn)機(jī)，波音、空客等民用航空器等。目前，小型激光陀螺儀的研究與生產(chǎn)相對(duì)成熟，我國在2010年左右就已成為全世界第四個(gè)可自主量產(chǎn)小型激光陀螺儀的國家。

　　大型激光陀螺儀是指邊長(zhǎng)在米級(jí)以上的陀螺儀，巨大的面積優(yōu)勢(shì)賦予其極高的測(cè)量靈敏度和精度，其測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出小型激光陀螺儀，這使其在世界時(shí)（UT1）測(cè)量、地球物理、大地測(cè)量、地震學(xué)等領(lǐng)域有著全新的應(yīng)用。但隨著尺寸增大其研制難度大幅提升，研制過程也需要在小型激光陀螺儀基礎(chǔ)上多花費(fèi)五至十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)需要大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行支撐。目前僅有新西蘭、德國、美國以及中國的部分科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，屬于高精尖的基礎(chǔ)科學(xué)裝置。我國在大型激光陀螺儀技術(shù)方案上一直未能獲得突破，相關(guān)領(lǐng)域面臨“卡脖子”困境。

　　二零八公司的技術(shù)突破

　　近年來，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航、航空航天等科學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，在某些應(yīng)用中通常需要用到高時(shí)間分辨率甚至是實(shí)時(shí)的UT1參數(shù)。但UT1具有實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，是地球定向參數(shù)(EOP，地球在空間的自轉(zhuǎn)角、地極坐標(biāo)（x、y）、歲差等參數(shù))中最難精確預(yù)報(bào)的參數(shù)，需要通過連續(xù)不斷地觀測(cè)來獲取，其解算的關(guān)鍵在于高精度測(cè)量地球參數(shù)——地球自轉(zhuǎn)角速度的瞬時(shí)值。大型激光陀螺儀作為一種高精度測(cè)量世界時(shí)（UT1）的重要技術(shù)，可以提供更加簡(jiǎn)潔獨(dú)立、實(shí)時(shí)性更好的手段，不僅在科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域有廣泛用途，在國防和航天領(lǐng)域也具有戰(zhàn)略重要性。

　　在接到國內(nèi)某單位大型激光陀螺儀原型機(jī)的研制需求之后，二零八公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性的提出了基于模塊化組裝的大型激光陀螺儀構(gòu)建方案和基于長(zhǎng)變焦成像的精密諧振腔準(zhǔn)直系統(tǒng)，克服了超大尺寸材料加工和超長(zhǎng)光路準(zhǔn)直的難題。在經(jīng)費(fèi)有限的情況下，自主搭建了超潔凈與隔振平臺(tái)，在狹小的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)盡最大可能先后完成邊長(zhǎng)1m、1.5m、2m、2.5m大型激光陀螺儀原型機(jī)的搭建，實(shí)現(xiàn)了出光閾值小于1mA、地速自主出鎖、短時(shí)精度保持等初步目標(biāo)，積累了大型激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置、激光模式選擇等多個(gè)方面的重要數(shù)據(jù)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于模塊化組裝的大型激光陀螺儀構(gòu)建方案完全可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種邊長(zhǎng)大型激光陀螺儀的諧振腔體構(gòu)建，制造成本遠(yuǎn)低于國外已有方案，屬于原始創(chuàng)新，該方案及相關(guān)技術(shù)已獲得專利授權(quán)。

　　目前，二零八公司的技術(shù)方案，已可支持邊長(zhǎng)3m甚至更大尺寸的大型激光陀螺儀建造。

　　四十余年的科技攻關(guān)

　　總的來看，目前大型激光陀螺儀的研究仍需要克服眾多的困難。在過去的近三十年時(shí)間里，歐美等國家的研究團(tuán)隊(duì)，先后花費(fèi)了數(shù)十年的時(shí)間建設(shè)這一裝置。大型激光陀螺儀由于體積龐大、靈敏度高，與傳統(tǒng)小體積的激光陀螺相比，其制造方法和誤差機(jī)理均有天壤之別，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能任重道遠(yuǎn)、意義重大。

　　在“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念已經(jīng)提出若干年、美國國防部2021年又提出研發(fā)新的PNT技術(shù)（Positioning,Navigation,and Timing Technologies）作為GPS的補(bǔ)充的大背景下，高端慣性器件作為重要支撐器件之一顯得尤為重要。同時(shí)，高精度慣性器件也是未來無人駕駛汽車、無人機(jī)、室內(nèi)導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性器件，眾多場(chǎng)景創(chuàng)新都將有賴于其在性價(jià)比和產(chǎn)能等方面的進(jìn)一步提升。

　　在此背景下，原國防科技大學(xué)激光陀螺團(tuán)隊(duì)成員盧廣鋒和王飛，秉承國防科大研發(fā)團(tuán)隊(duì)四十余年刻苦攻關(guān)精神和先進(jìn)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)立了湖南二零八先進(jìn)科技有限公司。高性能慣性器件技術(shù)壁壘高，國內(nèi)專門從事這一領(lǐng)域研發(fā)的企業(yè)寥寥無幾。二零八公司依托國內(nèi)頂尖慣性器件團(tuán)隊(duì)及材料科學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家，通過融合基礎(chǔ)研究與工程化實(shí)踐，將跨前沿學(xué)科實(shí)現(xiàn)新一代陀螺儀及加速度計(jì)的技術(shù)研發(fā)、工程化以及批量生產(chǎn)工藝研究，建成國內(nèi)研發(fā)水平最高、產(chǎn)品系列最完整的通用慣性器件技術(shù)平臺(tái)，立志成為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。

　　目前，二零八公司已經(jīng)聯(lián)合國內(nèi)一流大學(xué)的相關(guān)團(tuán)隊(duì)成立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建了從前沿基礎(chǔ)研究到工程化實(shí)施的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品制造完整鏈條，積極投入新一代慣性器件的研發(fā)，致力以科技創(chuàng)新為國家強(qiáng)盛貢獻(xiàn)力量！