讓航天“陀螺”不停轉

文/劉榮 陳碩

1851年，法國物理學家傅科為了研究地球自轉，成功進行了一次擺動實驗，傅科擺由此而生。傅科擺實驗的第二年，即1852年，傅科又研制了回轉儀，現在看來，回轉儀就是現代航空、軍事領域使用的慣性制導裝置—陀螺儀的前身。

之后，人們在觀察兒童玩的地陀螺時發現，陀螺之所以能在高速旋轉時豎直不倒并與地面保持垂直，與其自身具有的穩定性和進動性有關?？茖W家們根據這一力學特性，成功研制出了一種無外界參考信號也能探測出運載體本身姿態和狀態變化的內部傳感器—陀螺儀。這種裝置能夠測量相對慣性空間的角速度和角位移。利用精確的陀螺儀和加速度計能夠測量出火箭、導彈、宇航飛行器及遠程飛機、潛艇等運載體的角運動和直線運動信號，經計算機綜合計算后，便能對姿態控制系統和推進系統發出指令，運載器就能實現自主導航。

陀螺儀自問世以來，一直被廣泛地運用于航海、航空、航天、軍事等領域，一直是各國重點發展的技術之一，對國防工業和其他高科技的發展具有十分重要的戰略意義。第一次世界大戰后，美國率先研制出陀螺儀，并將其相繼推廣應用于航海和航空事業中。20世紀初，飛機陀螺穩定器和自動駕駛儀逐漸出現并在航空領域應用，到了20世紀中葉后期，慣性導航系統已初步實現工程應用。而隨著光電技術的迅猛發展，許多可靠性高、壽命長、體積小、質量輕、功耗低、啟動快、動態范圍大的新型陀螺儀已經成為21世紀慣性測量與制導領域的主導產品之一。直到今天，與陀螺儀相關的技術，仍然是各國科研人員們關注的焦點。

然而，由于發達國家對此技術一直實行嚴密封鎖，再加上我國工藝基礎薄弱、關鍵設備缺乏、可借鑒的經驗較少，長期以來，慣性制導技術都是制約我國新型戰術武器快速機動、精確打擊的關鍵技術瓶頸之一。盡管發展新型高性能陀螺儀對我國來說已經刻不容緩，但從原理樣機、工程樣機到產業化應用過程中的一系列難題就像一座座山巒，橫亙在我國科研人員面前。

作為我國導航、制導和控制領域新型慣性技術專家，航天慣性技術學科帶頭人之一，中國航天電子技術研究院十三所副所長王巍從上世紀90年代后期開始主持新型高性能陀螺儀及其慣性系統的研發工作，為滿足我國武器裝備和宇航飛行器對高精度、長壽命、高可靠陀螺儀的迫切需求，他帶領著一支平均年齡僅30歲的科研團隊，憑借頑強的意志和勇于開拓創新的精神，突破種種技術瓶頸，打破了技術封鎖，使我國新型高性能陀螺技術逐步發展起來，并取得了一系列重要成果。

光纖陀螺顯實力

光纖陀螺是應用激光及光導纖維技術測量物體相對于慣性空間的角速度或轉動角度的無自轉質量的新型光學陀螺儀，其工作原理是基于相對論的Sagnac效應，與傳統機械陀螺或激光陀螺相比，具有工藝簡單、全固態沒有旋轉部件和摩擦部件、壽命長、動態范圍大、瞬時啟動、結構簡單、尺寸小、重量輕、成本低、可靠性高等優點。自1976年問世以來，光纖陀螺在歐美國家得到高度重視和廣泛應用，其精度覆蓋范圍之廣、應用范圍之大都是以往其他陀螺所無法比擬的，尤其是光通信產業及大規模集成電路的迅速發展更是顯著推動了光纖陀螺的發展，使其成為21世紀慣性測量與制導領域的主導產品和研究重點之一，備受世界各國關注。

21世紀初，王巍帶領著科研團隊針對我國宇航應用的緊迫需求，開展了我國光纖陀螺應用試驗研究。他提出采用光纖光源的長波長的新型陀螺儀方案，成功研制出高精度光纖陀螺儀。研制初期，王巍對項目涉及的核心技術、關鍵技術、外圍技術和創新思路進行了全系統的規劃和梳理，從光纖陀螺技術方案到實現途徑，從光學器件到儀表、系統，從設計技術到工藝裝備、試驗驗證方法等都進行了系統性、理論性、集成性的發明創新。同時，他帶領隊伍以全新的技術解決途徑，將關鍵光學器件的長期穩定性、調制器及系統輸出的非線性、儀表的空間環境適應性等在宇航環境下影響精度的難題逐個擊破，實現了高精度光纖陀螺的高信噪比和標度因數的高穩定性目標。

由于光纖陀螺慣性制導技術在戰術武器領域具有的特殊重要性，國外對此項技術的封鎖十分嚴密。為了解決國防需要，立足當時國內相對薄弱的相關工業基礎，王巍團隊選擇了一條具有中國特色的光纖陀螺研發道路。據他介紹，與國外光纖陀螺采用“全保偏”和“消偏”光路技術不同，我國采用的是“低偏和保偏混合”光路技術，對光學器件性能要求低，綜合成本也低，并且通過采取一系列配套技術支持，使陀螺儀在惡劣條件下能實現較好的精度和測量效果。這就是“具有中國特色的”表現之一。

王巍還提出了基于多約束、多目標優化設計方法的小型化光機電一體閉環光纖陀螺儀技術方案，進行了從光電子器件陀螺儀表到慣性系統的設計思路、技術途徑和工程化實現方法的整體創新和發明改造，代表成果之一就是“采用低偏和保偏混合光路的光纖陀螺”。2007年，該成果獲得烏克蘭專利授權后，又順利拿到了美國、歐亞等8個國家的發明專利授權。王巍說：“這意味著擁有絕對自主知識產權的光纖陀螺技術不僅填補了航天科技集團公司國際技術專利申請的空白，還獲得了國際認可，為進一步開拓國際市場奠定了堅實基礎?！?011年，該成果代表軍工系統首次問鼎了中國專利金獎的最高榮譽，不僅實現了我國慣性制導技術的更新換代，還扭轉了我國宇航領域和新型武器系統相關產品受制于人的被動局面，對我國武器裝備和國防科技實現跨越發展來說具有重要意義。

據王巍透露，高精度光纖陀螺儀目前已在神舟八號飛船、神舟九號飛船、天宮一號目標飛行器、資源三號衛星等20余個衛星和載人飛船上成功應用，即將應用于神舟十號等系列載人飛船。高精度光纖陀螺儀的研制成功，不僅滿足了我國宇航領域、通信、試驗、探測等衛星對新型陀螺儀的應用需求，還徹底結束了我國宇航用高精度長壽命陀螺儀長期依賴進口、受制于人的歷史。

王巍作為主任設計師在國家某重點型號任務發射現場

2007年初，王巍團隊負責研制的某型導航衛星用光纖陀螺組件在超出技術條件的太空環境下成功啟動工作，并在軌連續正常工作25個月以上，實現了國內光纖陀螺技術在衛星中的首次成功應用。他們還組織實施了宇航級光纖陀螺替代進口專項工程，研制了長壽命光纖陀螺組件系列型譜產品，分別替代了進口撓性陀螺和三浮陀螺。目前產品已在對地遙測和科學試驗衛星等多顆在軌衛星上應用。與此同時，他們在國內率先研制出的基于長波長的精密級宇航用高精度光纖陀螺儀工程樣機榮獲2010年國家技術發明二等獎，相關部分技術指標與已報道的實用化光纖陀螺國際最優水平相當，技術水平被鑒定為國內領先、國際先進。

但是，王巍和團隊并不滿足于此。他說：“我們搞科技創新不是為創新而創新，申請專利也不是為專利而專利。立足科研攻關，解決實際需要，讓產品發揮真正的實用價值，實現真正應用，才是我們追求的目標?！?/p>

王?。ㄗ笠唬┱诮o王禮恒、陸元九、梁思禮、莊逢甘等院士和專家介紹光纖陀螺及其慣導系統技術研究情況

多年來，王巍團隊以打牢基礎、吃透技術為本，深入鉆研光纖陀螺誤差機理，建立應用模型，并承擔了國家“973”項目，擔任技術首席。同時，他們以市場為導向，堅定不移地以產業化發展為目標，發揮專業優勢，積極為光纖陀螺慣導項目的市場開拓和推廣應用探索新思路和新途徑。為了實現光纖陀螺的工程化，王巍團隊在產業配套上不僅自主建立了Y波導、耦合器、光纖環等關鍵光學元器件的研制工藝線，加強關鍵光學元器件的產業鏈建設，成為國內唯一具有完備產業配套的光纖陀螺研制單位，還拉動了國內光纖陀螺用光學元器件技術的發展，編制起草了一系列企業標準、宇航標準和國家軍用標準，建立了新品研發體系，將航天型號要求傳遞貫徹至基層，使民口企業建立健全了技術、質量、保密體系，探索出了一條軍民互動、寓軍于民的發展新路子。

電學參量拓領域

科研是一項講求前瞻性的工作，最忌固步自封。王巍說：“我們常常同時進行多個相關方向的研究工作，如果總是取得一個突破之后才開始新的研究，很多技術可能就會落后于人?！闭且驗榫哂羞@樣的前瞻性和敏銳意識，王巍很早就率領團隊開始了電氣系統電學參量寬頻域光纖精密測量技術的研究。

據了解，電氣系統電學參量包括電壓、電流、阻抗、功率、頻率、相位等，它的準確測量是獲取電氣系統和電氣設備運行狀況和實施各類電氣控制的關鍵依據信息，也是電氣測量與控制系統安全、可靠、穩定、有效運行的基礎。但電學參量傳統測量技術在原理上存在一定的缺陷，使其成為諸多工業領域技術發展的瓶頸。

王巍此次提出的電氣系統電學參量寬頻域光纖精密測量技術，是一種非接觸式的精確測量裝置，是電力系統智能電網中測量與控制的新一代關鍵設備，能夠有效解決互感器高壓絕緣困難等瓶頸性難題。整個研制過程中，王巍研究了基于Sagnac干涉儀的全光纖電流測量裝置的時空非互易性誤差機理，創新磁光效應有用信號高精度檢測的光路偏振復用和光纖敏感環圈圓偏振保持等方法，實現了寬溫范圍內標度因數的穩定性，使其達到10kHz寬頻帶0.1%的高檢測精度。同時，他們研制的基于泡克爾斯效應的光纖電壓測量裝置，突破了光路增益變化影響測量精度的難題，實現了環境條件下的長期穩定性，達到了0.2%的高檢測精度。

王巍介紹說：“運用電氣系統電學參量寬頻域光纖精密測量技術對電學參量進行測量，可以理解為我們給電線戴了一個‘手鐲’，然后通過‘感應’掌握所需信息，有點兒像中醫的把脈過程。而以往要通過‘抽血化驗’才能獲得相關電學參量?！蓖跷√岢龅霓k法不僅簡化了電學參量的測量，還為變電站的建設提供了新的途徑?！耙郧白冸娬局車捎诎踩珕栴}是不允許建房子的，但應用這個新技術后，可以在地下建變電站，節約用地的同時還美化了環境?！?/p>

據悉，電氣系統電學參量寬頻域光纖精密測量系統是突破我國智能電網的關鍵技術之一，它所具備的強絕緣性、高安全性、數字化輸出和小型化等優點使其成為國內大多數數字化變電站的首選，目前已在40多個智能電網示范項目上成功運行，累計應用數量達到1600余相，投運數量躍居世界第一。王巍表示，該測量系統在航天科研現場電源品質檢測、艦船電力監控、有色金屬冶煉等領域具有廣泛的應用前景。目前，公司已與德國西門子集團達成合作意向，簽署了產品出口合同。

在為航天、軍工發展服務的同時，王巍還不斷加強技術和產業拓展，積極探索新形勢下產業發展的新思路和新途徑，并將所取得的核心技術逐步拓展到民用領域。近年來，團隊在他的帶領下開拓思路，不斷創新，先后完成了“北京奧運博物館科技展項工程”“油氣管線光纖安全報警系統”等一系列項目研究，研制了許多性能穩定的產品，不僅樹立了光纖傳感系統系列產品的良好形象，同時也進一步推動了航天技術應用產業向信息技術、物聯網技術方向的發展。

三浮陀螺打基礎

據了解，三浮陀螺儀是一種液浮、磁浮和動壓氣浮并用的陀螺儀。而高精度三浮陀螺儀和加速度計是我國國家重點任務慣性制導平臺系統的核心慣性儀表，是一項涉及多學科的世界公認的高難技術之一，在高精度導彈武器系統中長期起著支撐性作用。

1995年，王巍作為課題負責人，帶領團隊承擔了三浮陀螺儀表的關鍵技術—數字化有源磁懸浮支承系統研制的任務。為提高我國新型導彈慣性制導用三浮陀螺儀表磁懸浮支承的支承力和浮子對中精度，解決其干擾力矩大、啟動時間長等難題，王巍在當時研制條件薄弱、技術封鎖嚴密的情況下，帶領團隊創新開拓，突破時分復用的有源磁懸浮動態模型辨識和電磁元件轉換效率提高技術，提出了基于模糊控制規則的有源磁懸浮智能控制系統技術方案，實現了磁懸浮支承系統的變周期、變剛度及徑向解耦控制。該技術的應用使我國三浮陀螺儀和加速度計性能獲得顯著突破，獲部級獎勵2項。

注重創新育人才

科技創新，人才為本。面對新技術研發和工程應用并舉的激烈競爭形勢，王巍始終把發現、培育和集聚創新人才、打造創新團隊作為工作重點。在他看來，創新不僅建立在扎實的基礎之上，還需要勇氣和闖勁兒?！熬拖翊蛘桃粯?，不攻下這個山頭，部隊就面臨全軍覆沒，這種時候就算玩命也要打贏。所謂狹路相逢勇者勝，年輕人如果不敢闖新路、不敢擔當，還怎么談創新？”

王巍所帶領的光纖項目團隊中，近幾年參加工作的年輕人占到了80%，他結合航天科技集團公司“航天人才科學作風培養”工程，將培養和創新相結合，以航天工程課題組+研討會的創新模式開展人才培養工作，不僅增強了團隊的創新活力，幫助年輕人更快進步，還讓中年技術骨干和老同志在幫助年輕人的過程中再學習、再提高，從而適應新技術研發的需要。通過在創新中發現、培育和凝聚人才，激勵新思路、新發明，以積極的態度直面市場競爭和技術進步，王巍團隊形成了創新型的文化和優良作風，而這種文化和作風也有力地推動了團隊科研事業的創新發展。

作為博士生導師和團隊帶頭人，王巍在深入科研攻關一線，與大家一起制定方案、攻克難題的同時，還不斷鉆研機理、總結經驗，將其提煉成專利、標準、書籍，以此帶動整個技術領域的發展。他發表的學術專著《干涉型光纖陀螺技術》榮獲2011年度新聞出版總署“三個一百”原創圖書獎，同時被評為中國宇航出版社“30年最具影響力的10部（套）航天專著”之一。到目前為止，王巍先后為我國航天事業培養了3名博士、9名碩士、7名在讀博士、8名博士后，其中2人榮獲中國航天科技集團公司優秀畢業生稱號。

如今，團隊中的許多科技尖兵，都成為了中堅力量，曾經只有幾個人的課題小組，也變成了集研發、設計、制造等于一體的高新技術研究創新型企業和新型研究所。在王巍的帶領下，團隊又在三軸一體光纖陀螺、諧振腔型光纖陀螺技術研究中取得突破，研制出了工業級、軍品級、宇航級系列型譜光纖陀螺及其系統產品，以及新型分布式光纖溫度、應力、氣體等傳感器，并已在數十個型號中得到廣泛應用。與此同時，王巍及其團隊憑借這些極具創新的科技成果，在獲得第十三屆中國專利金獎的同時，先后兩次獲得國家技術發明二等獎、一次國家科技進步獎，多項國防科技、軍隊、中央企業創新獎，并多次在航天集團公司技術創新、知識產權、標準化、工藝、信息化等工作中獲得先進集體和標桿單位稱號。

務實平凡求無愧

2011年11月3日，神舟八號與天宮一號交會對接，天宮一號目標飛行器的主控慣導設備是王巍和團隊研制的光纖陀螺慣測裝置，這也是該裝置在世界上首次被用于空間站姿態測量與控制，可以說是交會對接技術的創新亮點之一。2012年6月24日，神舟九號與天宮一號首次交會對接，王巍帶領團隊研制的手控光纖慣組裝置穩定了飛船位置和姿態，幫助航天員順利完成了對接任務，為此次交會對接任務的順利完成發揮了重要作用……

也許很多人都以為，能夠承擔這些影響深遠、意義重大、責任艱巨、關乎國家利益，甚至關乎國防安全的研制任務，王巍心里一定很興奮、激動，或者覺得無上光榮。其實，他很忐忑，也不敢輕易說光榮，因為這兩個字的分量太重！每一次發射，王巍和團隊都會堅守在現場，一直要等到航天員的返回艙安全著陸，心里的石頭才可以放下，才敢確定任務成功。

王巍說，航天是一項大系統工程，對技術、質量的要求嚴格、挑剔到了極致，這種特殊性“逼著”科研人員必須理性，來不得一點兒馬虎?？蛇@并不代表他們不感性。王巍記得，當光纖陀螺第一次取得突破的時候，每一個參與了研制任務的戰友眼淚都奪眶而出。這些淚水里包含著壓力，包含著項目研制時經歷的艱辛和煎熬，也包含著成功之后的喜悅。就像王巍說的，這一刻的喜極而泣，沒有身處其中的人，難以感同身受。

所謂業精于勤，王巍的腦子里清楚地記得每一個重點產品的尺寸、技術指標，甚至閉著眼睛都能摸出是哪個部件。他熟悉這些產品勝過熟悉自己的孩子，因為在他看來，它們凝聚著全團隊的心血，寄托著全團隊的夢想，它們是有生命的。

從業20多年來，王巍和他的團隊埋頭苦干、兢兢業業，只求無愧于國家、無愧于事業。他表示，我國由航天大國邁向航天強國，還有很長的一段路要走，而他和團隊必將在這條路上不斷前行，為航天事業發展貢獻更多的力量。