2021年11月30日消息，近日，一臺邊長達2.5米的大型激光陀螺儀原型機在湖南建造成功并實現(xiàn)閉環(huán)運轉(zhuǎn)，這是國際上目前投入實用的最先進技術方案首次在國內(nèi)實現(xiàn)自主試制。據(jù)悉，該原型機由湖南二零八先進科技有限公司（下簡稱“二零八公司”）技術團隊研發(fā)，填補了我國在大型激光陀螺建造領域的空白，為進一步推進該領域的研究奠定了良好的基礎。

　　陀螺儀的發(fā)展

　　1852年，法國物理學家萊昂·傅科（Léon Foucault）提出了利用陀螺儀指向的設想，并成功研制出世界上第一臺傅科陀螺儀（如圖1所示），有效地驗證了地球自轉(zhuǎn)運動，開啟了人類對工程實用陀螺儀的研究與設計。1908年，德國科學家赫爾曼·安許茨-肯普費（Hermann Anschütz-Kaempfe）設計了一種單轉(zhuǎn)子擺式陀螺羅經(jīng)，該系統(tǒng)可以憑借重力力矩進行自動尋找北方向，解決了當時的艦船導航問題。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系統(tǒng)，實現(xiàn)了陀螺儀技術在導彈制導領域的首次應用。

　　20世紀50年代，轉(zhuǎn)子陀螺儀開始出現(xiàn)，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology,MIT）的查爾斯·施塔克·德雷珀實驗室（Charles Stark Draper Laboratory），采用液浮支承技術，研制出單自度液浮陀螺儀（fluid floated gyroscope,FFG），使得陀螺儀的精度達到了慣性級要求。20世紀60年代初，美國人羅伯特·克雷格（Robert Craig）研制出了動力調(diào)諧陀螺儀（dynamically tuned gyroscope,DTG），?？柛Ｌ毓狙兄频腟KN-2416、SKN-2610、MODⅡ等型號產(chǎn)品，在戰(zhàn)術導彈及軍用飛機等平臺進行了成功應用。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”彈道導彈核潛艇裝備了靜電陀螺監(jiān)控器，使得潛艇的導航能力出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

　　20世紀60年代，光學陀螺儀的出現(xiàn)是慣性技術領域的一場重大變革。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用到飛機和戰(zhàn)術導彈；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用于艦艇的高精度導航設備。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，迅速獲得了各大陀螺儀生產(chǎn)商的青睞。

　　進入20世紀90年代，隨著微機電和量子技術的不斷發(fā)展，以微機電系統(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，掀開了陀螺儀技術的嶄新篇章。

　　國內(nèi)多年空白，長期被“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動，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航系統(tǒng)后，可以不依賴GPS精確地解算出運動載體在空間中的位置，是航空、航天、航海領域的關鍵器件之一。由于其在導航制導等軍事領域的巨大價值，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，在導航領域應用較為廣泛；一類是大型的激光陀螺儀，具備大科學裝置特征。

　　小型激光陀螺儀一般邊長在幾厘米至十幾厘米量級，眾多海陸空天武器裝備以及相關民用領域中均使用了激光陀螺儀作為核心導航部件，最著名的如美軍的F-35、F-22戰(zhàn)機，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)相對成熟，我國在2010年左右就已成為全世界第四個可自主量產(chǎn)小型激光陀螺儀的國家。

　　大型激光陀螺儀是指邊長在米級以上的陀螺儀，巨大的面積優(yōu)勢賦予其極高的測量靈敏度和精度，其測量精度遠遠超出小型激光陀螺儀，這使其在世界時（UT1）測量、地球物理、大地測量、地震學等領域有著全新的應用。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上多花費五至十年甚至更長的時間，同時需要大量經(jīng)費進行支撐。目前僅有新西蘭、德國、美國以及中國的部分科研機構(gòu)進行研究，屬于高精尖的基礎科學裝置。我國在大型激光陀螺儀技術方案上一直未能獲得突破，相關領域面臨“卡脖子”困境。

　　二零八公司的技術突破

　　近年來，隨著衛(wèi)星導航、航空航天等科學領域的不斷發(fā)展，在某些應用中通常需要用到高時間分辨率甚至是實時的UT1參數(shù)。但UT1具有實時變化的特點，是地球定向參數(shù)(EOP，地球在空間的自轉(zhuǎn)角、地極坐標（x、y）、歲差等參數(shù))中最難精確預報的參數(shù)，需要通過連續(xù)不斷地觀測來獲取，其解算的關鍵在于高精度測量地球參數(shù)——地球自轉(zhuǎn)角速度的瞬時值。大型激光陀螺儀作為一種高精度測量世界時（UT1）的重要技術，可以提供更加簡潔獨立、實時性更好的手段，不僅在科學、技術、經(jīng)濟建設領域有廣泛用途，在國防和航天領域也具有戰(zhàn)略重要性。

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

　　實驗結(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間內(nèi)實現(xiàn)各種邊長大型激光陀螺儀的諧振腔體構(gòu)建，制造成本遠低于國外已有方案，屬于原始創(chuàng)新，該方案及相關技術已獲得專利授權(quán)。

　　目前，二零八公司的技術方案，已可支持邊長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

　　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間里，歐美等國家的研究團隊，先后花費了數(shù)十年的時間建設這一裝置。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理均有天壤之別，進一步提高系統(tǒng)的性能任重道遠、意義重大。

　　在“導航戰(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（Positioning,Navigation,and Timing Technologies）作為GPS的補充的大背景下，高端慣性器件作為重要支撐器件之一顯得尤為重要。同時，高精度慣性器件也是未來無人駕駛汽車、無人機、室內(nèi)導航、物聯(lián)網(wǎng)等領域的基礎性器件，眾多場景創(chuàng)新都將有賴于其在性價比和產(chǎn)能等方面的進一步提升。

　　在此背景下，原國防科技大學激光陀螺團隊成員盧廣鋒和王飛，秉承國防科大研發(fā)團隊四十余年刻苦攻關精神和先進研發(fā)經(jīng)驗，創(chuàng)立了湖南二零八先進科技有限公司。高性能慣性器件技術壁壘高，國內(nèi)專門從事這一領域研發(fā)的企業(yè)寥寥無幾。二零八公司依托國內(nèi)頂尖慣性器件團隊及材料科學領域科學家，通過融合基礎研究與工程化實踐，將跨前沿學科實現(xiàn)新一代陀螺儀及加速度計的技術研發(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平臺，立志成為行業(yè)領軍企業(yè)。

　　目前，二零八公司已經(jīng)聯(lián)合國內(nèi)一流大學的相關團隊成立聯(lián)合實驗室，構(gòu)建了從前沿基礎研究到工程化實施的技術研發(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)新為國家強盛貢獻力量！