093型攻擊型核潛艇、094型彈道導(dǎo)彈核潛艇潛伏在蒼茫大海深處；055型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦正在南海游曳；各級(jí)別護(hù)衛(wèi)艦、登陸艦、輔助艦……拱衛(wèi)著我國(guó)的藍(lán)色領(lǐng)土。
東風(fēng)–31A、東風(fēng)–41、東風(fēng)–5B等洲際彈道導(dǎo)彈隨時(shí)候命，巨浪–2?；揠H導(dǎo)彈已在弦上。
這些都是我國(guó)最先進(jìn)的戰(zhàn)略武器，我國(guó)國(guó)防的底氣，國(guó)之重器。
然而，要讓它們準(zhǔn)確地奔赴戰(zhàn)場(chǎng)，精準(zhǔn)地命中目標(biāo)，都離不開(kāi)一個(gè)巴掌大的傳感器——激光陀螺。
這個(gè)傳感器，全球只有四個(gè)國(guó)家能造出來(lái)。為了這個(gè)傳感器，我國(guó)兩次研發(fā)失敗，錢學(xué)森多次囑咐交代，一位院士窮盡一生。
最終，我國(guó)用了20年艱苦攻關(guān)才做出樣機(jī)，40年迭代磨煉才最終實(shí)戰(zhàn)裝備！
現(xiàn)在，敵人在威脅中國(guó)之前都要三思了，因?yàn)橹袊?guó)的東風(fēng)快遞可不會(huì)迷路！
獲取傳感器知識(shí)、報(bào)告，請(qǐng)點(diǎn)擊藍(lán)字查看《傳感器專業(yè)知識(shí)資料100+，總有一份適合你~》內(nèi)容，匯聚多篇權(quán)威傳感器知識(shí)資料，持續(xù)更新ing……
避免錯(cuò)過(guò)傳感器行業(yè)深度資訊、報(bào)告，以及傳感器技術(shù)、傳感器與測(cè)試技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)……等傳感器知識(shí)，請(qǐng)關(guān)注傳感器專家網(wǎng)公眾號(hào)，設(shè)為星標(biāo)，查看往期內(nèi)容。
激光陀螺是一種高精度慣性傳感器，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是角速度傳感器——常稱為陀螺儀，是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。
激光于1960 年在世界上首次出現(xiàn)。1962 年，美、英、法、前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)開(kāi)始醞釀研制用激光來(lái)作為方位測(cè)向器，稱之為激光陀螺儀。1970年代，激光陀螺正式用于指導(dǎo)武器上。
隨后，激光陀螺成為現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)、國(guó)防、高科技實(shí)力的重要體現(xiàn)。
目前全世界能夠做出高精度激光陀螺的國(guó)家不超過(guò)4個(gè)——美、俄、法、中——我國(guó)是世界上第四個(gè)自主研發(fā)出激光陀螺的國(guó)家，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)小于五常國(guó)家和擁核國(guó)家的數(shù)量！
激光陀螺有多重要？
印度布朗導(dǎo)彈的根本原因
激光陀螺的實(shí)力基本是各國(guó)航天、航空、導(dǎo)彈實(shí)力的體現(xiàn)！
我們的鄰國(guó)印度，號(hào)稱世界軍力前五，早已宣稱要登月，探索火星，但其航天設(shè)備常常在發(fā)射過(guò)程中，出現(xiàn)偏離軌道、不能正確著陸等情況，其自研導(dǎo)彈發(fā)射也時(shí)常出現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)，受世界人民矚目。
其根本原因就是印度沒(méi)有掌握高精度的激光陀螺技術(shù)，甚至普通機(jī)械式高精度陀螺儀技術(shù)是否完全掌握也成疑。印度的激光陀螺采購(gòu)自俄羅斯。
▲印度布朗運(yùn)動(dòng)彈，專打自己人
東風(fēng)快遞，使命必達(dá)的關(guān)鍵
我們知道，洲際彈道導(dǎo)彈是一個(gè)國(guó)家核打擊力量的重要依靠，是一國(guó)之重器。
東風(fēng)-41型導(dǎo)彈是目前我國(guó)射程最遠(yuǎn)、攜帶彈頭最多、威力最強(qiáng)的洲際彈道導(dǎo)彈。其射程為12000～15000千米，最多可配備10枚核彈頭，飛行速度25馬赫，圓周概率誤差為100～200米。該型導(dǎo)彈采用分導(dǎo)式多彈頭，西方目前的技術(shù)是無(wú)法攔截的。
有沒(méi)有想過(guò)，在無(wú)人干預(yù)的情況下，我們的東風(fēng)快遞怎么準(zhǔn)確送到敵人家？要飛行12000公里，而圓周概率誤差僅為100~200米！
衛(wèi)星導(dǎo)航？顯然不行，再先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航都會(huì)被干擾，甚至關(guān)鍵時(shí)刻，北斗衛(wèi)星都被打下來(lái)了，怎么導(dǎo)航？只能靠導(dǎo)彈自己的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)！
▲東風(fēng)-41導(dǎo)彈
現(xiàn)代武器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是非常復(fù)雜且高度保密的設(shè)備，我們無(wú)從知道東風(fēng)導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如何，但任何一種慣導(dǎo)系統(tǒng)都嚴(yán)重依賴高精密的加速度計(jì)和陀螺儀進(jìn)行瞬時(shí)速度和方位角計(jì)算，以此來(lái)調(diào)整自身飛行方向。陀螺儀（角速度傳感器）感知上下前后各個(gè)空間的方位，因此成為最核心的設(shè)備。
根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，因?yàn)榈厍蚴菆A的，導(dǎo)彈要在大氣層中飛行上萬(wàn)公里到達(dá)目的地，其產(chǎn)生的圓周概率誤差與精度之差存在指數(shù)級(jí)關(guān)系，用成語(yǔ)來(lái)說(shuō)就是：失之毫厘謬以千里。
導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中，需要靠陀螺儀邊飛行邊修正，才能準(zhǔn)確到達(dá)目的地。同時(shí)，現(xiàn)在導(dǎo)彈都是以數(shù)倍音速的速度飛行，非?？欤?strong style="font-size:18px;margin:20px 0px;font-weight:700;">因此要求陀螺儀的修正數(shù)據(jù)要快，要及時(shí)，每秒修正幾十次，甚至上百次，才能正確到達(dá)目的地。
導(dǎo)彈不可怕，可怕的是長(zhǎng)有眼睛的導(dǎo)彈。所以高精度的陀螺儀是擁核大國(guó)的不傳之秘，目前這種陀螺儀就是激光陀螺。
▲長(zhǎng)征五號(hào)B火箭
長(zhǎng)征火箭、太空站都要靠激光陀螺
2020年5月長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭在文昌成功首飛，拉開(kāi)了我國(guó)空間站建設(shè)大幕，這才有了我國(guó)轟轟烈烈的天宮空間站建造行動(dòng)。
長(zhǎng)征五號(hào)B遙一運(yùn)載火箭是我國(guó)服務(wù)載人登月用途的新一代火箭，也即是有了這個(gè)火箭，中國(guó)才有了建設(shè)空間站，載人登月的底氣。
長(zhǎng)征五號(hào)B火箭發(fā)射質(zhì)量重達(dá)837.5噸，是世界現(xiàn)役火箭中唯一一款一級(jí)半構(gòu)型運(yùn)載火箭，名副其實(shí)的大胖子。而在進(jìn)入軌道運(yùn)行中，卻要求這個(gè)胖子有拿繡花針刺繡的控制度。長(zhǎng)征五號(hào)B火箭在飛行中準(zhǔn)確入軌存在幾大困難：
①飛行過(guò)程中需要分離一對(duì)高達(dá)20.5米相當(dāng)于6層樓房高度的超大尺寸整流罩，其產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)飛行軌道偏離有很大影響；
②船箭分離， 火箭芯級(jí)與二十余噸的飛船分離，將產(chǎn)生較大震動(dòng)；
③火箭飛行末段，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)剎車對(duì)速度的控制要求極為精細(xì)。
▲長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭超大整流罩
如何修正各種震動(dòng)帶來(lái)的影響，讓火箭能夠正確進(jìn)入預(yù)定軌道？只能通過(guò)基于激光陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)飛行姿態(tài)不斷進(jìn)修修正。同時(shí)結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航、攝動(dòng)和迭代的接力式制導(dǎo)方案，使火箭可以精確感知自身姿態(tài)、實(shí)際飛行彈道、速度等信息，讓箭載計(jì)算機(jī)做出正確決策。
無(wú)論是洲際彈道導(dǎo)彈，還是載人航天的實(shí)現(xiàn)，激光陀螺在其中都扮演這關(guān)鍵作用。這也折射出傳感器這一隱形王者的特質(zhì)——東西雖小，作用巨大，沒(méi)它不行！
為什么是激光陀螺？
我們知道，陀螺儀（角速度傳感器）有許多種：滾珠軸承自由陀螺儀、液浮陀螺儀、靜電陀螺儀、撓性陀螺儀、MEMS陀螺儀、光纖陀螺等，為什么激光陀螺這么被各國(guó)看重？
我們先來(lái)看看激光陀螺的工作原理，其基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)，當(dāng)環(huán)形激光器相對(duì)于慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順、逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)的光將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)線性相關(guān)的光程差。依據(jù)對(duì)環(huán)形激光器輸出光相位的實(shí)時(shí)檢測(cè)，獲得物體相對(duì)于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率。因此，激光陀螺有時(shí)也叫做環(huán)形激光陀螺。
▲一種環(huán)式激光陀螺
可以看到，激光陀螺的工作原理區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械式陀螺儀，而傳統(tǒng)機(jī)械式陀螺儀是根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向受外力影響時(shí)的變化來(lái)制作，激光陀螺是一種特色鮮明的角速率傳感器。
1960年世界上第一個(gè)寶石激光器誕生。1963年，美國(guó)Sperry公司首次報(bào)道了激光陀螺原理試驗(yàn)，利用邊長(zhǎng)1 m的正方形閉合光路首次測(cè)得50o/h的低轉(zhuǎn)速，引起了慣性技術(shù)領(lǐng)域的轟動(dòng)。
▲1963年美國(guó)Sperry公司展示第一臺(tái)激光陀螺演示裝置
之后，美國(guó)、前蘇聯(lián)、法國(guó)等軍事大國(guó)，看到了激光陀螺在航天航空、國(guó)防軍事領(lǐng)域的巨大前景，紛紛跟進(jìn)研究。1964年，世界各國(guó)有幾十家研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了激光陀螺研究，轟轟烈烈的激光陀螺熱潮涌起，隨后各種激光陀螺相繼出現(xiàn)，技術(shù)不斷進(jìn)步、性能不斷提高。
1970年代末，美國(guó)正式將激光陀螺列裝到現(xiàn)役武器中，1991年，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)戰(zhàn)斧導(dǎo)彈一戰(zhàn)成名，世人矚目，其慣導(dǎo)系統(tǒng)核心部件就是激光陀螺。同時(shí)，美國(guó)也將空中轟炸堡壘——B-52轟炸機(jī)等導(dǎo)航系統(tǒng)更新為環(huán)形激光陀螺系統(tǒng)，激光陀螺重要性可見(jiàn)一斑。
▲美國(guó)B-52戰(zhàn)略轟炸機(jī)
與傳統(tǒng)機(jī)械式依靠轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀相比，激光陀螺的主要優(yōu)勢(shì)在于：沒(méi)有轉(zhuǎn)子活動(dòng)部件，受震動(dòng)、沖擊等影響小，精度高、長(zhǎng)期精度穩(wěn)定性好、測(cè)試重復(fù)性極好、壽命長(zhǎng)。
同時(shí)，與一樣是光學(xué)陀螺儀的光纖陀螺相比，激光陀螺的標(biāo)度因數(shù)非常穩(wěn)定，且動(dòng)態(tài)特性好。
總之，到目前為止，雖然各種新型陀螺儀不斷出現(xiàn)，但是還沒(méi)有出現(xiàn)一種在實(shí)際環(huán)境下綜合性價(jià)比、環(huán)境適應(yīng)性能和激光陀螺媲美的慣性傳感器！
2010年國(guó)外某權(quán)威慣性技術(shù)專家評(píng)價(jià)說(shuō)：對(duì)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性要求極高的中等精度應(yīng)用中，零鎖區(qū)激光陀螺應(yīng)是首選。
因此，激光陀螺在各種陀螺儀中脫穎而出，成為各個(gè)大國(guó)爭(zhēng)先投入巨資研發(fā)的重要傳感器技術(shù)。
背心院士——中國(guó)激光陀螺背后的男人
在1960年代，國(guó)際主要軍事強(qiáng)國(guó)掀起激光陀螺研究熱潮的時(shí)候，我國(guó)就已跟進(jìn)該項(xiàng)研究，然而因?yàn)榛A(chǔ)落后，當(dāng)時(shí)我國(guó)已經(jīng)兩次受挫——研發(fā)失敗。
時(shí)任國(guó)防科工委副主任的錢學(xué)森看到了激光陀螺這項(xiàng)傳感器技術(shù)對(duì)我國(guó)航天航空和國(guó)防軍事事業(yè)的重要意義，這是關(guān)系重大的關(guān)鍵技術(shù)?。″X學(xué)森不甘心放棄。
1971年，錢學(xué)森將用兩張用英文書寫著公式的照片，交給了國(guó)防科技大學(xué)的前身——長(zhǎng)沙工學(xué)院，將這一國(guó)之重器的研發(fā)希望寄托在了這里。而這兩張照片，就是當(dāng)時(shí)中國(guó)對(duì)于激光陀螺的全部資料。
▲錢學(xué)森
在錢學(xué)森的指導(dǎo)下，國(guó)防科技大學(xué)成立激光教研室，開(kāi)始了艱難的探索之路。同期，我國(guó)有十多家單位開(kāi)展這項(xiàng)研究，最后絕大多數(shù)都因基礎(chǔ)工藝過(guò)不了關(guān)而放棄。
此時(shí)，中國(guó)對(duì)激光陀螺的所有資料只有這兩張照片，沒(méi)有任何實(shí)物。而且中國(guó)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件落后，各種技術(shù)設(shè)施、技術(shù)手段都是各大國(guó)墊底的存在。加上彼時(shí)西方國(guó)家對(duì)中國(guó)的技術(shù)封鎖已經(jīng)開(kāi)始，無(wú)法從外國(guó)獲得技術(shù)協(xié)助——事實(shí)上這一重要技術(shù)任何國(guó)家也不會(huì)輕易外露。
在此環(huán)境下，根據(jù)兩頁(yè)紙?jiān)斐黾す馔勇?，無(wú)異于讓一個(gè)從未見(jiàn)過(guò)火箭的人拿著錘子造個(gè)火箭出來(lái)。
這時(shí)候，天選之子出現(xiàn)了，他就是中國(guó)激光陀螺奠基人、中國(guó)工程院院士高伯龍，外號(hào)背心院士。
▲穿軍裝的中國(guó)激光陀螺奠基人、中國(guó)工程院院士高伯龍
▲穿背心的中國(guó)激光陀螺奠基人、中國(guó)工程院院士高伯龍
1975年，全國(guó)撤銷基礎(chǔ)課部，高伯龍離開(kāi)講臺(tái)，被304激光教研室收容，我們上文說(shuō)過(guò)，該室主要就是搞激光陀螺研究的。
從此高伯龍跟激光陀螺耗上了，接下來(lái)用了40載歲月，一舉推動(dòng)我國(guó)激光陀螺事業(yè)發(fā)展，與美國(guó)縮小了20年差距。
高伯龍數(shù)理功底深厚，通過(guò)大量計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)激光陀螺進(jìn)行了深入理論研究，竟被他從兩張紙里反推出激光陀螺的若干關(guān)鍵理論認(rèn)識(shí)和結(jié)論，破譯了錢學(xué)森留下的密碼。
1976年，在全國(guó)激光陀螺學(xué)術(shù)交流會(huì)上，進(jìn)入該領(lǐng)域不到一年的高伯龍一鳴驚人——提出了我國(guó)獨(dú)有、完全沒(méi)有任何成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒的四頻差動(dòng)陀螺研制方案，并認(rèn)為，仿制美國(guó)十年內(nèi)都不可能成功，因?yàn)槲覈?guó)基礎(chǔ)材料科學(xué)和工藝技術(shù)太落后了，只有四頻差動(dòng)陀螺因?yàn)榻档土斯に囯y度，因此更容易實(shí)現(xiàn)。
▲激光陀螺技術(shù)分類
在高伯龍?jiān)菏康膸ьI(lǐng)下，國(guó)防科技大學(xué)激光陀螺研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)20載歲月，終于在1994年11月，造出我國(guó)第一臺(tái)激光陀螺工程化樣機(jī)，并通過(guò)國(guó)家專家團(tuán)隊(duì)驗(yàn)收，讓我國(guó)繼美俄法后，成為世界上第四個(gè)能夠獨(dú)立研制激光陀螺的國(guó)家。
而這一局面，到今天依然如此，中國(guó)之后再無(wú)聽(tīng)說(shuō)國(guó)際上有其他國(guó)家獨(dú)立掌握激光陀螺技術(shù)，這一技術(shù)的難度由此可見(jiàn)！
根據(jù)人民網(wǎng)報(bào)道描述：
美國(guó)經(jīng)過(guò)二十多年的研究，將激光陀螺的鍍膜技術(shù)推廣到多色氦氖激光器的反射鏡制備，終于在1985年推出了全內(nèi)腔綠光氦氖激光器產(chǎn)品，一年后德國(guó)也推出了相關(guān)產(chǎn)品。俄羅斯亦曾研制過(guò)全內(nèi)腔綠光氦氖激光器，由于技術(shù)太復(fù)雜，沒(méi)有成功。我國(guó)多家單位在1987年也實(shí)現(xiàn)綠光氦氖激光振蕩，但都是外腔式結(jié)構(gòu)，不便在實(shí)際使用。雖然之后經(jīng)多個(gè)單位努力攻關(guān)，但一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全內(nèi)腔氦氖激光器的綠光輸出，更談不上商品化。
在1994年，激光陀螺反射膜的攻關(guān)取得重大突破，在積累相當(dāng)?shù)墓に嚱?jīng)驗(yàn)后，立即用相同的鍍膜工藝，按理論設(shè)計(jì)方案制備極低損耗的綠光反射鏡，一舉研制出全內(nèi)腔綠光氦氖激光器，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，使我國(guó)成為繼美、德之后第三個(gè)擁有這種高性能激光器制造技術(shù)的國(guó)家。
▲研發(fā)激光陀螺時(shí)期的高伯龍?jiān)菏浚ㄖ虚g白衣人物，來(lái)自國(guó)防科技大學(xué)《激光陀螺誕生記》）
▲高伯龍?jiān)菏扛脑鞆U棄食堂當(dāng)實(shí)驗(yàn)室（來(lái)自國(guó)防科技大學(xué)《激光陀螺誕生記》）
沒(méi)有地方，高伯龍?jiān)菏繋ш?duì)親自改造校園里的廢棄食堂作為實(shí)驗(yàn)室；制造激光陀螺的關(guān)鍵技術(shù)之首——鍍膜，工藝不過(guò)關(guān)，高伯龍帶頭改進(jìn)設(shè)備，造高精度的反射率透射率測(cè)量?jī)x；夏天沒(méi)有空調(diào)，甚至連風(fēng)扇都沒(méi)有，工作室密封，高伯龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)穿著背心就在這個(gè)大悶罐里干活……
失敗、重來(lái)，失敗，重來(lái)……用二十載歲月去研究一個(gè)東西，其中的挫折艱難，遠(yuǎn)不是短短數(shù)百字所能表達(dá)。然而高伯龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)做到了，中國(guó)做到了！
之后，高伯龍?jiān)菏繄F(tuán)隊(duì)又用了將近10年時(shí)間，力排眾議研制出國(guó)內(nèi)精度第一的基于激光陀螺儀的旋轉(zhuǎn)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)役武器系統(tǒng)，逐漸發(fā)展出今天航天、航空和國(guó)防科技系統(tǒng)中的激光陀螺應(yīng)用體系，這才有了今天我國(guó)航空、航天事業(yè)百花齊放的局面！
結(jié)語(yǔ)
從激光陀螺上面，我們可以看到傳感器對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)和科技的重要性，為了這個(gè)不起眼的傳感器，世界上主要軍事強(qiáng)國(guó)均投入二三十年時(shí)間，無(wú)數(shù)科研人員去研究。而因?yàn)檫@個(gè)傳感器，全世界的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有了巨大的飛躍。
中國(guó)今天在航空航天等科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，決不是一朝一夕的功夫，背后是許許多多科研人員，如高伯龍?jiān)菏恳粯?，?shù)十年如一日的汗水。
最后，致敬所有一線科研人員！吾輩當(dāng)自強(qiáng)！
星標(biāo)的內(nèi)容=你在乎的內(nèi)容，根據(jù)微信公眾號(hào)推薦原則，沒(méi)有在傳感器專家網(wǎng)公眾號(hào)主頁(yè)【設(shè)為星標(biāo)】，將無(wú)法及時(shí)獲得傳感器行業(yè)最新資訊！
聲明：本文內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表傳感器專家網(wǎng)觀點(diǎn)或立場(chǎng)。更多觀點(diǎn)，歡迎大家留言評(píng)論。
