二自由度双轴静压气浮陀螺仪

zhoujiren

郝复俭所长（上校）

丁衡高副所长（上将）国防科工委主任

楊暢室副主任（后来副所长）

袁万显现是研究员、享受政府特殊津贴、航天科技集团的劳动模范

作者本人：上尉、陀螺研究室主任、优秀硕士生导师、研究员

                               二自由度双轴静压气浮陀螺仪

                    二自由度双轴静压气浮陀螺仪（垂直陀螺仪和水平陀螺仪）

（1965年-1970年一院十三研究所，成功研发出并用于长征一号火箭恣态控制的陀螺仪，这一个特别重要产品）

                                                     周吉人

                       一，研发二自由度静压气浮陀螺仪的迫切性

上世纪五十年代末，德国V-2火箭恣态控制用的二自由度滾珠轴承的 陀螺仪，它的精度是12度/时。六十年代初，由朱敬仁分队主任领导下，在洛阳轴承厂研制出支承陀螺仪框架的代号为640065E的精密轴承，使DF一1陀螺仪精度提高到9．6度/时。后又改进对称式双定子马达设计，提高了马达转速，DF一2陀螺议精度达到6度/时。在六十年代中叶，又将陀螺马达转速从30000转/分提高到60000转/分（马达壳中抽真空），使DF-3陀螺仪精度达到3度/时。（马达使用寿命极大地受到严重限制）。DF-4陀螺仪精度，系统要求：1度/时，因此，开发静压气浮陀螺仪巳经迫在眉㨗。

早在1964年之前，丁衡高担任陀螺元器件研究室（即十三所第四研究室主任）时，巳经安排胡麒禔到无锡机床厂调研静 压气浮轴承的设计的各项工作。所以，胡麒褆从1964-1967年负责静压轴承的设计和研发。1967年之后，由陈仲瑋接替静压轴承的设计和研发工作。

                         二，上世纪六十年代中期，十三所研制出二自由度单轴静压气浮的陀螺仪。

1964年初，十三所正式开始研制静压气浮陀螺仪，将单轴静压气浮作为陀螺的内框架支承，外框架仍採用滚珠轴承支承，将它们两者组合成二自由陀螺仪，经过实验室测试，陀螺仪的精度明显提高。这将显示出静压气浮支承陀螺仪的预期的远景。如果将其内框架锁住（电锁），只应用其外框架轴的输出信号，用三个这样的二自由单轴静压气浮陀螺仪来控制火箭的恣态，这就是散装的三轴平台。由此，研制出单轴气浮陀螺仪，巳经有实用价值了。但是，它的缺陷也是十分明显，就是火箭要采用三个这样的陀螺仪。明显多增加一个陀螺仪表的重量。当时国外（美国）已经成功地研制出单轴气浮陀螺仪。

                          三，上世纪六十年代中期，二自由度双轴静压气浮陀螺仪的构思

在研制成功二自由度单轴气浮陀螺仪总结会上，袁万显提出了双轴（陀螺仪内、外框轴）均採用气浮支承。得到了时任郝复俭所长、丁衡高付所长的大力支持。这是原创！到目前为止世界上的专利检索系统中尚未检索到的。这样的构思就可以沿用DF-1、DF-2、DF-3的二自由陀螺仪的模式，不必由上所述多用一个陀螺仪了。构思虽好，但它隐藏着十分重大的技术风险，需要领导和技术人员去面对的。

                    四，自主研发的「二自由度双轴静压气浮陀螺仪」三大技术 难关（ 振动扫描关、温度控制关、低气压关） 的攻克。

这里必须特别说明：DF-1、DF-2、DF-3二自由度双轴滚珠轴承陀螺仪，从未经过振动扫描试验、保温试验、低气压试验。由此技术人员缺乏经验。再则，十三所研发陀螺仪人员专业结构：机械、控制、陀螺仪等专业比较集中。对机械振动、温控、气动力学知识比较缺乏。这也是客观原因。这里，也必须特别指出：1986年有一发DF-3火箭飞行失败，系统查找出陀螺仪出现大漂移，仪表通过振动扫描，发现当描扫频率在168Hz时，外框架上的M 3的平衡螺杆在其根部折断，经改进为M4的平𧗽螺杆后，仪表振动扫描平稳通过。可见，这样一个成熟的型号，还在环境问题上再次出事，所以，一个完全崭新型号出事也是并不见怪了。

从1965年初开始，正式成立工程组，由刘次良任组长，组员有十五、六人之多。在短短的几年时间里，「二自由度双轴静压静压气浮陀螺仪」经历两个会合模样设计、生产和试验。一个会合的初样设计、生产和试验后，攻克了多个技术难点，1967年进入了试样设计，并在230厂进行试样生产、组装和调试。

          1， 攻克 振动扫描关：丁衡高付所长，很重视新产品「 二自由度双轴静压气浮陀螺仪」 的可靠性，为提前考核它对实际力学环境的适应性，同郝复俭所长商量后，向「长征一号」运载火箭总师任新民付院长和付总师谢光选总体部主任提出在长辛店二级火箭发动机试车时将初样生产出来的「二自由度双轴静压气浮水平陀螺仪」 和「 二自由度双轴静压气浮垂直陀螺仪」 两套初样仪表同时安装在火箭的仪器仓中进行搭载试验。当得到批准以后，在1868年初夏（时间待查）实现了陀螺仪的搭载试验。对遥测数据进行分析研究。得出的结论是： 当火箭发动机在220Hz振动频率时两台陀螺仪同时出现大漂移。如不解決这个技术关键，「长征一号」火箭一旦发射就会自毁，[ 东方红一号] 卫星不可能预期进入太空。从这里可以看到丁𧗽高付所长的超前意识。

在这关键时刻，离开火箭发射时间又是很迫近，丁𧗾高付所长全盘负责此项攻关工作。直接将230厂生产的试样产品在702所进行振动扫描试验，考核陀螺仪是否复现出火箭振动的220Hz频率出现的大漂移。由于陀螺仪和振动台之间的过渡支架刚度系数特别高，这样就排除了支架引起附加的共振频率的影响。当扫描振动频率到达220Hz频率时陀螺仪果真出现大漂移，而且此项试验重复性极高。这与搭载试验结果完全吻合。敖茂全和崔佩勇两位技术员马上提出加厚底座的方案。将加厚底座的陀螺仪又经过反复振动扫描试验。整个扫描试验过程中，陀螺仪漂移精度十分稳定。为1969年11月16日为「 长征一号」火箭飞行试验赢得了宝贵的时间。虽然这次火箭发射失败（不是陀螺仪的问题）。但为1970年01月30日「长征一号」第二发射成功打下了基础。为了进一步確保[ 东方红一号] 人造卫星的成功发射，郝复俭所长在业余时间在自己家里利用火柴盒和胶水搭出一个完全崭新的陀螺底座模型，这就是后来被人们称之为框架式底座结构的雏型，该结构模式完全改变了先前几个型号中陀螺底座平板型的结构摸式，在不增加重量和体积的前提下，其共振频率隨着结构强度的增加而大大提高。

为争取宝贵时间，由敖茂全连夜精心设计。设计出了一张“零号图纸”的底座设计图。用较薄的塑料薄膜将零号设计图保护起来直接投入生产。将新的底座组装的陀螺仪又一次经过振动扫描试验，扫描全过程中，陀螺仪表精度十分稳定。极圆满解决了陀螺仪的共振问题。不仅为[ 东方红一号] 人造卫星发射打下了结实的基础，而且为以后各种型号的定型奠定了牢固的基础。我们终于攻克了第一道技术难关。

            2， 攻克溫度控制关

以往採用的滚珠轴承支承的二自由度陀螺仪，精度差，其漂移对环境温度在+50 ℃〜-40℃温度范围里，陀螺仪的漂移差别不明显。所以，50年前，陀螺仪的温度控制专业也是一个空白。可是，对二自由度双轴静压气浮陀螺仪情况就完全不同了，它对温度特别敏感，漂移隨温度变化而变化，虽然不会直接影响运载火箭的可靠性，但严重影响导弹的命中精度和卫星的入轨精度，也是必须要攻克的技术关键。

丁衡高付所长将这一个情况马上汇报到一院第一设计总体部主任谢光选副总设计师那里。总体部不仅提供了保温衣的布料、热电阻丝片和温度继电器。而且谢光选部长亲自参加了我们在南苑的温控试验。直到试验全部成功，他才放心离开。 

经过反复试验陀螺仪温度控制获得原満成功。这是我们攻克了第二道技术难关。

           3，攻克低气压关

1969年10月下旬，计划用「长征一号」运载火箭首次进行飞行试验。以检验「 长征一号」 运载火箭的性能，并为发射[ 东方红一号] 卫星作准备。在基地，将「二自由度双轴静压气浮水平螺仪」和 「二由度双轴静压气浮垂直陀螺仪」 两个陀螺仪只通气，不通电的的情况下，仅在试验桌上发出＜ 嗡嗡＞ 的声音，而且由于桌面不平整，陀螺仪还在微微移动。经丁衡高付所长和郝复俭所长电话啇量確定是低气压现象。因为北京的海拨高度平均为43.7 米，气压为0.985 大气压，酒泉的海拨高度为1477.2 米，气压为0.8359 大气压，两者气压差为0.149 大气压，如果火箭升高，海拨高度继续增加，气压接近真空状态下，静压气浮陀螺仪漂移会出现什么情况?丁衡高付所长和一名工人携带两台陀螺仪乘專机返回北京，北京方面作好低气压仿真模拟试验的各项准备。待陀螺仪抵达北京，即刻投入试验。试验持续了一宿。当真空度达到一定数值，相当于火箭上升高度还没超过3Km时，气压为0.691 大气压。陀螺仪马上出现特大、特大漂移，如不解决这个问题，「 长征一号」 火箭同样会出现自毁，[ 东方红一号] 卫星也不能预期进入太空。

郝复俭所长将此实验结果直接向上级𢑥报后，笫二天上午8点钟，钱学森付部长带着一院第一设计总体部的一批人马到230厂厂会议室开会，听取了试验𢑥报后，他作出两条指示：1，13所继续做试验，将出气口拖一根出气管，观察气管长度不断延长到一定长度后，待陀螺漂移稳定后，测量出陀螺仪出口端的压力，并告知一部相关部门。2，一部相关部门立即提供给陀螺仪出气口端安装相应的定压活门。

根据钱付部长的指示，我们又做了大量工作，当出气管延长至0 .7 米时，出气口压力为0.3 个大气压，陀螺仪安全通过真空仿真试验。解决了陀螺仪中静压气体轴承在低气压状态下的自激问题。在仪表出口端安装了定压活门之后，在真空环境下，气浮轴承没有出自激现象，仪表漂移十分稳定。我们终于攻克了第三道技术难关。

这样，于1969年11月16日，完成了「长征一号」运载火箭首次试飞。虽试飞失败，但陀螺仪经受了一次真空环境的考验。为1970年01月30日第二成功试飞打下了基础。

五，双轴气浮陀螺仪的精度评估及其它

系统对陀螺仪精度要求是1度/时， 然而，由于静压气浮的特点，它的漂移极其稳定，（滾珠轴承支承的陀螺仪其漂移极不稳定，离散性极大），这为漂移系数的分离提供了基本条件，为系统进行補偿创造了条件，所以陀螺仪的精度提高了一个数量级。即在0．1度/时的量级。

DF-4陀螺仪研发的成功经验：三个技术关键的攻克及精度的补偿技术等诸多方面，为DF-5的研发提供极其宝贵的经验。

郝复俭所长曾预言： 这种「 二自由度双轴静压气浮水平陀螺仪」 和「 二自由度双轴静压气浮垂直陀螺仪」从设计角度讲，可以说是非常完美了。2009 年用存放27 年的这种陀螺仪重新进行飞行试验，又获得了园满成功。

结束语

1970年04月24日21时35分东方红一号卫星的上天，使中国成为继苏联、美国、法国和日本之后，第五个完全依靠自己的力量成功发射卫星的国家。在中国几代航天人的眼里，作为中国首枚空间运载火箭，“长征一号”托举起了中华民族的“航天梦”和“太空梦”，拉开了中国人探索宇宙奥秘、和平利用太空、造福人类的序幕。 并为十三所以后50年惯性器件的研发奠定了坚实基础。

2019年04月01日於北京海淀区田村山荘

作者简介：本人从1964-1970全程参与陀螺仪研发工作的唯一的一位工程技术人员。并于1970年04月隨丁衡高付所长一起抵达酒泉卫星发射基地，并参与了中国第一颗卫星的发射工作。

吴付所长：这段经历不仅仅是对丁衡高本人很重要，对参与这项工程的全体同仁都很重要，它对十三所也十分重要。甚至于对国家利益而言也特别重要。

                                      题外多余的话

      1，在第一节的最后有一句活，1964-1967是胡麒禔负责气浮轴承设计。1967以后直至定型都是陈仲瑋负责。事情这样的，当在230厂投入生产后，胡、袁俩人在五号解决不了轴承调试的“渦旋力矩”，两人在40车间搞研究，长期得不到结果，后来，他们再也没有进入五号厂房了。实在没有办法，郝所长和楊暢动员了陈仲瑋（当时巳经没有什么人可以用了，20多人的工组能派上用场的只有我、陈仲瑋、崔佩勇、敖茂全四个人了）陈仲瑋仅到郎爱荣哪里请教了一下，郎给陈一本书，就这样陈就加入了工作。她同装配邢师傅相结合，弄了“新的轴承结构模式”，胡、袁又与负责加工的工人也搞了一套“新的轴承结构模式”，弄得又是“两派”，十三所姓杜军管也加入了，总究胡、袁没有成气候。所以，郝复俭所长称陈仲瑋是一位才女。

       2，当陀螺仪扫描发现陀螺底座刚度有问题后，刘次良以七机部军管会第一付主任楊国宇（七机部军管会主任）参观了01车间生产的陀螺底座说的一句话：“支持革命小将”为名，在40车生产了10几套“燈笼式”的陀螺底座，已成半成品。郝所长、丁付所长连图纸也没有见过。在699厂01车间生产“老敖”设计的底座遇到了很大阻力，敖还曾经被别人打过（我向丁电话𢑥报过)。当在03车间底座热处理时，车间外面黑压一帮人，口号是：不让这批底座热处理，“敖”就找到我，让我去保护这批底座一定要完成热处理，我同热处理工艺员极耐心的啇量，总算完成了热处理。

在那“文革”动荡年代，为了陀螺仪的生产钱学森付部长第二次来到十三所，在七楼会议室，40车间的个別工人的口气，完全是变相的批判郝付长，会议结束前钱学森的讲话大意：“我是受周恩来总理的委托，今天听取了大家𢑥报，郝复俭所长是国务院任命的，现在并沒有徹消对他的任命，会议结束后一定负起责任来，在技术方面作出必要的决断，大家一定要服从他的领导”。实际上是支持着郝复俭所长、丁衡高付所长的工作，好像这次丁衡高、楊暢没有参加。但当天的晩上（那时正是703所发生打死姚桐斌所长时期），大部人下班后，郝所长带着丁付长、楊𣈱付主任、崔佩勇、敖茂全和我等到了699厂01车间第一次大家看到40车间投入生产的底座样子。郝所长非常、非常认真，反复看了以后，很感慨地说大意，手心手背都是肉啊！但是这个底座仍在致命的弱点，为对国家负责任，不能被採用。就此以后，40车间底座生产才慢慢地停了下来。

     3，当第一颗卫星发射成功后，我回到了工程组。工程组组员之间严重对立的现象不见，看到另一种景象，刘次良带领工程全组技术人员，严密分工，团结一致，以01批试样为基础，展开了02批试样的设计（实际就是定型阶段）。相互之间看不出曾经发生过那样世不两立的任何分歧。这是文革中第一看到那样团结的氛围。我非常感动。完成这次设计后，20多人的工程人员就各奔东西了。我就去从事“动压陀螺”的研发，有一部份人员由于家属的原因到了十六所（171厂)去了，丁付所长才到十六所去了。他们在那里充分发挥出他们的才华，为新的型号作出过重大贡献。