让航天“陀螺”不停转

文/刘荣 陈硕

1851年，法国物理学家傅科为了研究地球自转，成功进行了一次摆动实验，傅科摆由此而生。傅科摆实验的第二年，即1852年，傅科又研制了回转仪，现在看来，回转仪就是现代航空、军事领域使用的惯性制导装置—陀螺仪的前身。

之后，人们在观察儿童玩的地陀螺时发现，陀螺之所以能在高速旋转时竖直不倒并与地面保持垂直，与其自身具有的稳定性和进动性有关。科学家们根据这一力学特性，成功研制出了一种无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器—陀螺仪。这种装置能够测量相对惯性空间的角速度和角位移。利用精确的陀螺仪和加速度计能够测量出火箭、导弹、宇航飞行器及远程飞机、潜艇等运载体的角运动和直线运动信号，经计算机综合计算后，便能对姿态控制系统和推进系统发出指令，运载器就能实现自主导航。

陀螺仪自问世以来，一直被广泛地运用于航海、航空、航天、军事等领域，一直是各国重点发展的技术之一，对国防工业和其他高科技的发展具有十分重要的战略意义。第一次世界大战后，美国率先研制出陀螺仪，并将其相继推广应用于航海和航空事业中。20世纪初，飞机陀螺稳定器和自动驾驶仪逐渐出现并在航空领域应用，到了20世纪中叶后期，惯性导航系统已初步实现工程应用。而随着光电技术的迅猛发展，许多可靠性高、寿命长、体积小、质量轻、功耗低、启动快、动态范围大的新型陀螺仪已经成为21世纪惯性测量与制导领域的主导产品之一。直到今天，与陀螺仪相关的技术，仍然是各国科研人员们关注的焦点。

然而，由于发达国家对此技术一直实行严密封锁，再加上我国工艺基础薄弱、关键设备缺乏、可借鉴的经验较少，长期以来，惯性制导技术都是制约我国新型战术武器快速机动、精确打击的关键技术瓶颈之一。尽管发展新型高性能陀螺仪对我国来说已经刻不容缓，但从原理样机、工程样机到产业化应用过程中的一系列难题就像一座座山峦，横亘在我国科研人员面前。

作为我国导航、制导和控制领域新型惯性技术专家，航天惯性技术学科带头人之一，中国航天电子技术研究院十三所副所长王巍从上世纪90年代后期开始主持新型高性能陀螺仪及其惯性系统的研发工作，为满足我国武器装备和宇航飞行器对高精度、长寿命、高可靠陀螺仪的迫切需求，他带领着一支平均年龄仅30岁的科研团队，凭借顽强的意志和勇于开拓创新的精神，突破种种技术瓶颈，打破了技术封锁，使我国新型高性能陀螺技术逐步发展起来，并取得了一系列重要成果。

光纤陀螺显实力

光纤陀螺是应用激光及光导纤维技术测量物体相对于惯性空间的角速度或转动角度的无自转质量的新型光学陀螺仪，其工作原理是基于相对论的Sagnac效应，与传统机械陀螺或激光陀螺相比，具有工艺简单、全固态没有旋转部件和摩擦部件、寿命长、动态范围大、瞬时启动、结构简单、尺寸小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。自1976年问世以来，光纤陀螺在欧美国家得到高度重视和广泛应用，其精度覆盖范围之广、应用范围之大都是以往其他陀螺所无法比拟的，尤其是光通信产业及大规模集成电路的迅速发展更是显著推动了光纤陀螺的发展，使其成为21世纪惯性测量与制导领域的主导产品和研究重点之一，备受世界各国关注。

21世纪初，王巍带领着科研团队针对我国宇航应用的紧迫需求，开展了我国光纤陀螺应用试验研究。他提出采用光纤光源的长波长的新型陀螺仪方案，成功研制出高精度光纤陀螺仪。研制初期，王巍对项目涉及的核心技术、关键技术、外围技术和创新思路进行了全系统的规划和梳理，从光纤陀螺技术方案到实现途径，从光学器件到仪表、系统，从设计技术到工艺装备、试验验证方法等都进行了系统性、理论性、集成性的发明创新。同时，他带领队伍以全新的技术解决途径，将关键光学器件的长期稳定性、调制器及系统输出的非线性、仪表的空间环境适应性等在宇航环境下影响精度的难题逐个击破，实现了高精度光纤陀螺的高信噪比和标度因数的高稳定性目标。

由于光纤陀螺惯性制导技术在战术武器领域具有的特殊重要性，国外对此项技术的封锁十分严密。为了解决国防需要，立足当时国内相对薄弱的相关工业基础，王巍团队选择了一条具有中国特色的光纤陀螺研发道路。据他介绍，与国外光纤陀螺采用“全保偏”和“消偏”光路技术不同，我国采用的是“低偏和保偏混合”光路技术，对光学器件性能要求低，综合成本也低，并且通过采取一系列配套技术支持，使陀螺仪在恶劣条件下能实现较好的精度和测量效果。这就是“具有中国特色的”表现之一。

王巍还提出了基于多约束、多目标优化设计方法的小型化光机电一体闭环光纤陀螺仪技术方案，进行了从光电子器件陀螺仪表到惯性系统的设计思路、技术途径和工程化实现方法的整体创新和发明改造，代表成果之一就是“采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺”。2007年，该成果获得乌克兰专利授权后，又顺利拿到了美国、欧亚等8个国家的发明专利授权。王巍说：“这意味着拥有绝对自主知识产权的光纤陀螺技术不仅填补了航天科技集团公司国际技术专利申请的空白，还获得了国际认可，为进一步开拓国际市场奠定了坚实基础。”2011年，该成果代表军工系统首次问鼎了中国专利金奖的最高荣誉，不仅实现了我国惯性制导技术的更新换代，还扭转了我国宇航领域和新型武器系统相关产品受制于人的被动局面，对我国武器装备和国防科技实现跨越发展来说具有重要意义。

据王巍透露，高精度光纤陀螺仪目前已在神舟八号飞船、神舟九号飞船、天宫一号目标飞行器、资源三号卫星等20余个卫星和载人飞船上成功应用，即将应用于神舟十号等系列载人飞船。高精度光纤陀螺仪的研制成功，不仅满足了我国宇航领域、通信、试验、探测等卫星对新型陀螺仪的应用需求，还彻底结束了我国宇航用高精度长寿命陀螺仪长期依赖进口、受制于人的历史。

王巍作为主任设计师在国家某重点型号任务发射现场

2007年初，王巍团队负责研制的某型导航卫星用光纤陀螺组件在超出技术条件的太空环境下成功启动工作，并在轨连续正常工作25个月以上，实现了国内光纤陀螺技术在卫星中的首次成功应用。他们还组织实施了宇航级光纤陀螺替代进口专项工程，研制了长寿命光纤陀螺组件系列型谱产品，分别替代了进口挠性陀螺和三浮陀螺。目前产品已在对地遥测和科学试验卫星等多颗在轨卫星上应用。与此同时，他们在国内率先研制出的基于长波长的精密级宇航用高精度光纤陀螺仪工程样机荣获2010年国家技术发明二等奖，相关部分技术指标与已报道的实用化光纤陀螺国际最优水平相当，技术水平被鉴定为国内领先、国际先进。

但是，王巍和团队并不满足于此。他说：“我们搞科技创新不是为创新而创新，申请专利也不是为专利而专利。立足科研攻关，解决实际需要，让产品发挥真正的实用价值，实现真正应用，才是我们追求的目标。”

王巍（左一）正在给王礼恒、陆元九、梁思礼、庄逢甘等院士和专家介绍光纤陀螺及其惯导系统技术研究情况

多年来，王巍团队以打牢基础、吃透技术为本，深入钻研光纤陀螺误差机理，建立应用模型，并承担了国家“973”项目，担任技术首席。同时，他们以市场为导向，坚定不移地以产业化发展为目标，发挥专业优势，积极为光纤陀螺惯导项目的市场开拓和推广应用探索新思路和新途径。为了实现光纤陀螺的工程化，王巍团队在产业配套上不仅自主建立了Y波导、耦合器、光纤环等关键光学元器件的研制工艺线，加强关键光学元器件的产业链建设，成为国内唯一具有完备产业配套的光纤陀螺研制单位，还拉动了国内光纤陀螺用光学元器件技术的发展，编制起草了一系列企业标准、宇航标准和国家军用标准，建立了新品研发体系，将航天型号要求传递贯彻至基层，使民口企业建立健全了技术、质量、保密体系，探索出了一条军民互动、寓军于民的发展新路子。

电学参量拓领域

科研是一项讲求前瞻性的工作，最忌固步自封。王巍说：“我们常常同时进行多个相关方向的研究工作，如果总是取得一个突破之后才开始新的研究，很多技术可能就会落后于人。”正是因为具有这样的前瞻性和敏锐意识，王巍很早就率领团队开始了电气系统电学参量宽频域光纤精密测量技术的研究。

据了解，电气系统电学参量包括电压、电流、阻抗、功率、频率、相位等，它的准确测量是获取电气系统和电气设备运行状况和实施各类电气控制的关键依据信息，也是电气测量与控制系统安全、可靠、稳定、有效运行的基础。但电学参量传统测量技术在原理上存在一定的缺陷，使其成为诸多工业领域技术发展的瓶颈。

王巍此次提出的电气系统电学参量宽频域光纤精密测量技术，是一种非接触式的精确测量装置，是电力系统智能电网中测量与控制的新一代关键设备，能够有效解决互感器高压绝缘困难等瓶颈性难题。整个研制过程中，王巍研究了基于Sagnac干涉仪的全光纤电流测量装置的时空非互易性误差机理，创新磁光效应有用信号高精度检测的光路偏振复用和光纤敏感环圈圆偏振保持等方法，实现了宽温范围内标度因数的稳定性，使其达到10kHz宽频带0.1%的高检测精度。同时，他们研制的基于泡克尔斯效应的光纤电压测量装置，突破了光路增益变化影响测量精度的难题，实现了环境条件下的长期稳定性，达到了0.2%的高检测精度。

王巍介绍说：“运用电气系统电学参量宽频域光纤精密测量技术对电学参量进行测量，可以理解为我们给电线戴了一个‘手镯’，然后通过‘感应’掌握所需信息，有点儿像中医的把脉过程。而以往要通过‘抽血化验’才能获得相关电学参量。”王巍提出的办法不仅简化了电学参量的测量，还为变电站的建设提供了新的途径。“以前变电站周围由于安全问题是不允许建房子的，但应用这个新技术后，可以在地下建变电站，节约用地的同时还美化了环境。”

据悉，电气系统电学参量宽频域光纤精密测量系统是突破我国智能电网的关键技术之一，它所具备的强绝缘性、高安全性、数字化输出和小型化等优点使其成为国内大多数数字化变电站的首选，目前已在40多个智能电网示范项目上成功运行，累计应用数量达到1600余相，投运数量跃居世界第一。王巍表示，该测量系统在航天科研现场电源品质检测、舰船电力监控、有色金属冶炼等领域具有广泛的应用前景。目前，公司已与德国西门子集团达成合作意向，签署了产品出口合同。

在为航天、军工发展服务的同时，王巍还不断加强技术和产业拓展，积极探索新形势下产业发展的新思路和新途径，并将所取得的核心技术逐步拓展到民用领域。近年来，团队在他的带领下开拓思路，不断创新，先后完成了“北京奥运博物馆科技展项工程”“油气管线光纤安全报警系统”等一系列项目研究，研制了许多性能稳定的产品，不仅树立了光纤传感系统系列产品的良好形象，同时也进一步推动了航天技术应用产业向信息技术、物联网技术方向的发展。

三浮陀螺打基础

据了解，三浮陀螺仪是一种液浮、磁浮和动压气浮并用的陀螺仪。而高精度三浮陀螺仪和加速度计是我国国家重点任务惯性制导平台系统的核心惯性仪表，是一项涉及多学科的世界公认的高难技术之一，在高精度导弹武器系统中长期起着支撑性作用。

1995年，王巍作为课题负责人，带领团队承担了三浮陀螺仪表的关键技术—数字化有源磁悬浮支承系统研制的任务。为提高我国新型导弹惯性制导用三浮陀螺仪表磁悬浮支承的支承力和浮子对中精度，解决其干扰力矩大、启动时间长等难题，王巍在当时研制条件薄弱、技术封锁严密的情况下，带领团队创新开拓，突破时分复用的有源磁悬浮动态模型辨识和电磁元件转换效率提高技术，提出了基于模糊控制规则的有源磁悬浮智能控制系统技术方案，实现了磁悬浮支承系统的变周期、变刚度及径向解耦控制。该技术的应用使我国三浮陀螺仪和加速度计性能获得显著突破，获部级奖励2项。

注重创新育人才

科技创新，人才为本。面对新技术研发和工程应用并举的激烈竞争形势，王巍始终把发现、培育和集聚创新人才、打造创新团队作为工作重点。在他看来，创新不仅建立在扎实的基础之上，还需要勇气和闯劲儿。“就像打仗一样，不攻下这个山头，部队就面临全军覆没，这种时候就算玩命也要打赢。所谓狭路相逢勇者胜，年轻人如果不敢闯新路、不敢担当，还怎么谈创新？”

王巍所带领的光纤项目团队中，近几年参加工作的年轻人占到了80%，他结合航天科技集团公司“航天人才科学作风培养”工程，将培养和创新相结合，以航天工程课题组+研讨会的创新模式开展人才培养工作，不仅增强了团队的创新活力，帮助年轻人更快进步，还让中年技术骨干和老同志在帮助年轻人的过程中再学习、再提高，从而适应新技术研发的需要。通过在创新中发现、培育和凝聚人才，激励新思路、新发明，以积极的态度直面市场竞争和技术进步，王巍团队形成了创新型的文化和优良作风，而这种文化和作风也有力地推动了团队科研事业的创新发展。

作为博士生导师和团队带头人，王巍在深入科研攻关一线，与大家一起制定方案、攻克难题的同时，还不断钻研机理、总结经验，将其提炼成专利、标准、书籍，以此带动整个技术领域的发展。他发表的学术专著《干涉型光纤陀螺技术》荣获2011年度新闻出版总署“三个一百”原创图书奖，同时被评为中国宇航出版社“30年最具影响力的10部（套）航天专著”之一。到目前为止，王巍先后为我国航天事业培养了3名博士、9名硕士、7名在读博士、8名博士后，其中2人荣获中国航天科技集团公司优秀毕业生称号。

如今，团队中的许多科技尖兵，都成为了中坚力量，曾经只有几个人的课题小组，也变成了集研发、设计、制造等于一体的高新技术研究创新型企业和新型研究所。在王巍的带领下，团队又在三轴一体光纤陀螺、谐振腔型光纤陀螺技术研究中取得突破，研制出了工业级、军品级、宇航级系列型谱光纤陀螺及其系统产品，以及新型分布式光纤温度、应力、气体等传感器，并已在数十个型号中得到广泛应用。与此同时，王巍及其团队凭借这些极具创新的科技成果，在获得第十三届中国专利金奖的同时，先后两次获得国家技术发明二等奖、一次国家科技进步奖，多项国防科技、军队、中央企业创新奖，并多次在航天集团公司技术创新、知识产权、标准化、工艺、信息化等工作中获得先进集体和标杆单位称号。

务实平凡求无愧

2011年11月3日，神舟八号与天宫一号交会对接，天宫一号目标飞行器的主控惯导设备是王巍和团队研制的光纤陀螺惯测装置，这也是该装置在世界上首次被用于空间站姿态测量与控制，可以说是交会对接技术的创新亮点之一。2012年6月24日，神舟九号与天宫一号首次交会对接，王巍带领团队研制的手控光纤惯组装置稳定了飞船位置和姿态，帮助航天员顺利完成了对接任务，为此次交会对接任务的顺利完成发挥了重要作用……

也许很多人都以为，能够承担这些影响深远、意义重大、责任艰巨、关乎国家利益，甚至关乎国防安全的研制任务，王巍心里一定很兴奋、激动，或者觉得无上光荣。其实，他很忐忑，也不敢轻易说光荣，因为这两个字的分量太重！每一次发射，王巍和团队都会坚守在现场，一直要等到航天员的返回舱安全着陆，心里的石头才可以放下，才敢确定任务成功。

王巍说，航天是一项大系统工程，对技术、质量的要求严格、挑剔到了极致，这种特殊性“逼着”科研人员必须理性，来不得一点儿马虎。可这并不代表他们不感性。王巍记得，当光纤陀螺第一次取得突破的时候，每一个参与了研制任务的战友眼泪都夺眶而出。这些泪水里包含着压力，包含着项目研制时经历的艰辛和煎熬，也包含着成功之后的喜悦。就像王巍说的，这一刻的喜极而泣，没有身处其中的人，难以感同身受。

所谓业精于勤，王巍的脑子里清楚地记得每一个重点产品的尺寸、技术指标，甚至闭着眼睛都能摸出是哪个部件。他熟悉这些产品胜过熟悉自己的孩子，因为在他看来，它们凝聚着全团队的心血，寄托着全团队的梦想，它们是有生命的。

从业20多年来，王巍和他的团队埋头苦干、兢兢业业，只求无愧于国家、无愧于事业。他表示，我国由航天大国迈向航天强国，还有很长的一段路要走，而他和团队必将在这条路上不断前行，为航天事业发展贡献更多的力量。