曾经隐藏于大山深处的高科技-陀螺仪史话

回眸

曾经，在广袤的中国中西部腹地很多地方会突兀而现这样一个场景：高大的厂房、轰鸣的机器、耸立的烟筒......这一切仿佛与周围的农村格格不入，这就是著名的中国三线企业，而这其中又有很多是用来研制陀螺仪及其派生产品的。 50多年过去了，这些曾为我国国防事业立下汗马功劳的老式建筑有些虽已破败失落，但还有一些仍充满生机而愈发显得挺拔深䆳，这里可不是生产普通陀螺仪玩具的场地，其发展见证了我国惯性技术发展从无到有、从弱到强的奋斗史。 　提起陀螺仪，不少人在儿童时期都玩过这种玩具，这种头重脚轻的玩具无论你怎么扶它都站不起来，但是你用绳子绕上，然后用力拉或用鞭子抽打，它就具有很大的惯性并高速旋转，使它的旋转轴在一个静止的空间（惯性空间）保持稳定不变，这就是陀螺仪的定轴性。 　利用各类陀螺仪和加速度计（另一种利用摆的原理测量运动体加速度的仪表）来实现运动体姿态和运动轨迹的测量和控制技术，包括惯性导航与惯性制导技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及有关设备和装置的技术统称为惯性技术。 惯性技术的理论基础是牛顿定律。 300多年前，英国大科学家牛顿提出了著名的“力学三大定律”，奠定了经典力学的基础。 牛顿第一定律就是关于惯性的定律，即世上万物在无外力作用时，静者恒静，动者恒动。牛顿将物体的这种总是保持自身原来状态的性质称为“惯性”。 　惯性技术是涉及多学科综合技术的尖端科技，在国防科技领域占有十分重要的地位，是现代高技术武器的一项关键支撑技术，被誉为武器之眼，神奇的指路魔杖。它与核动力技术、固体火箭发动机技术一起被称为20世纪军事科技三大技术。也是西方各发达国家对我国严格禁运的关键技术之一。 　惯性技术的发展代表了一个国家的工业水平。 指南针是古代航海、行军中不可缺的，这种简单而古老的指示方向的仪器，是我国古代四大发明之一。在战国时期，人们用天然磁铁磨成针的形状，这种装置称为“司南”，这就是指南针的原型。 由于依赖磁场的特性工作，在磁暴和磁异常附近，指南针将会失灵。 　1500多年前，我国东晋有个叫法显的和尚，提出了一种可以在茫茫大海中为船只导航的方法 -“牵星过洋术”。大航海家郑和7次下西洋，一直采用的就是这种古老的天文导航法，具体来说，就是使用简单的测角仪，测量从水平线到星体的仰角，从而为船队定位。 但测星受天气影响，看不见星体时就无法使用。 　公元前140年，西汉大辞赋家司马相如在其所作的《美人赋》中，首次提到了供皇宫贵族用的卧褥香炉，这是一种基于平衡环原理的装置，平衡环是现代机械转子式陀螺仪的基础。到了唐代，人们成功制作了镂空银熏球，其中香炉被放在一个镂空的球内并用两个圆环架起来，使之“环转四周而炉体常平，可置被褥中”。 遗憾的是，当欧洲航海家将这一精美的装置用于航海时，我国古人却将其用于宫廷玩物玩了上千年。 　平衡环结构随着科学技术的发展有着很多重要作用。但真正把平衡环用于现代科学技术并作出重要贡献的是法国科学家傅科。 高速旋转的陀螺仪具有保持旋转轴指向不变的性质。如果把陀螺仪放在平衡环结构的支架上，支架在地球上，地球旋转而陀螺的轴不旋转就能显现出地球的自转。 1852年（1851年的著名傅科摆实验后的第二年），傅科首次提出了陀螺仪的定义、原理及应用设想，并制造了最早的傅科陀螺仪，即现代实用陀螺仪的“鼻祖”。 傅科利用他发明的傅科摆和这种陀螺仪，雄辨地证明了地球自转这个在当时已争论了两个多世纪的难题。 　20世纪是人类科学技术大发展、大爆发的世纪，惯性技术正是在这场科学技术大爆发中出现的一朵绚丽的奇葩！ 1908-1909年，德国的安休茨和美国的斯佩里先后成功研制了陀螺罗经并用于舰船导航，这是陀螺仪技术形成和发展的开端。 当世界航海事业的蓬勃发展，铁壳轮船、军舰代替木质船体，传统的磁罗盘已无法使用时，陀螺罗经巧妙地应用陀螺仪的特性，使陀螺仪的主轴稳定在水平面并指北。 陀螺罗经是将陀螺理论造福于人类社会的第一大贡献。 　惯性导航实现中的最关键技术之一，也是难点中的难点，是如何区分开地球重力加速度和运动物体的运动加速度。 1923年，德国科学家舒勒提出了著名的“舒勒调谐原理”，为惯性系统的发展奠定了重要的理论基础，陀螺仪设计开始走向完善。 　20世纪20-30年代，陀螺转弯仪和陀螺方向仪作为指示仪表相继在飞机上使用。 　第二次世界大战期间，1942年，德国火箭专家冯·布劳恩将装有2个导引陀螺仪的惯性装置首次用于纳粹德国的V-2导弹，这是惯性技术在火箭和导弹上的开创性应用，被誉为是现代导弹的“鼻祖”。 　1953年，美国将1台机械陀螺结构的惯性导航系统安装到1架B-29远程轰炸机上，首次实现了横贯美国大陆的远程飞行，验证了惯性导航在飞机上应用的技术可行性。 自1687年牛顿奠定惯性技术理论基础，历经近300年直到20世纪50年代才有了第1台惯性导航的飞行验证，表明了要把理论变成工程实践需要经历非常艰辛的过程。 　1958年，美国的“鹦鹉螺号”依靠惯性系统冰下穿越北极的壮举，表明惯性系统技术趋于成熟。 　在第二次世界大战后的太空开发中，惯性技术又有了新的发展，特别是美国和前苏联的激烈竞争又使其迅猛发展，以下几个重大历史事件的应用充分证明了这点。 1957年10月，前苏联首次发射了世界上第1颗人造地球卫星，接着在1961年4月，前苏联宇航员加加林乘“东方1号”飞船完成了有史以来的首次载人太空飞行。 　为了力争第一，美国推出了“阿波罗计划”，1969年7月16日，“阿波罗11号”升空，经过大约4天4小时的飞行，登月舱在月球静海地区着陆。7月21日格林威治时间3时51分，指令长阿姆斯特朗首先走出舱门，这是人类留在月球上的第一个脚印。 正如阿姆斯特朗所说：“这是个人的一小步，但却是人类的一大步！” 　1970年4月24日，我国成功发射了第1颗人造地球卫星（东方红1号），开启了新中国对浩瀚星空的探索之路。 　20世纪90年代初被美国称为“沙漠风暴”的海湾战争，是第二次世界大战以来规模较大，采用新式武器较多的一场现代化战争。战争中多国部队所使用的各种武器装备都装有各式各样的惯性系统，可以说惯性系统在海湾战争中是多国武器的重要关键。 1999年的以美国为首的北约对南联盟的空袭也证明了这一点。 　俗话说：“差之毫厘，失之千里”。也就是说，在方向上只有毫厘之差，其结果就会有千里之误。惯性系统的重要性已不言而喻，而陀螺仪作为各种运载体的耳目，它直接影响着运载体的飞行方向和精度。 我们常用“百步穿杨”来形容射箭技术和枪法的高明。在科学技术高度发展的今天，洲际导弹的命中精度已达到飞行一万公里，偏离目标仅为几十米，可以说远远超过了“百步穿杨”的准确度。导弹命中精度取目标命中率，70%取决于惯性仪表的精度，可见陀螺仪在里面所起的作用了。 　陀螺仪制造属于精密、超精密仪器的制造范畴。为保证其精度，需要超精密加工、超洁净厂房和超精准测试设备与技术。 因此，当年隐蔽建于“大三线”里的陀螺仪生产基地，都是按此要求高标准所建。 以下图片来自于央视《三线风云》和《大三线》记录片的视频截图。这是当年成功击落美国U-2高空侦察机的某重要战略武器的陀螺仪生产车间。 　记录片中提到的是挠性陀螺仪。 这是20世纪60年代初迅速发展起来的一种新型陀螺仪，也是当年得到成功应用的先进陀螺仪之一。 挠性陀螺仪和先前的普通框架式陀螺仪类似，都是利用转子的高速旋转产生陀螺效应来工作的，不同的是挠性陀螺仪是由电动机的马达转动通过驱动轴和一根很细的挠性接头带动陀螺转子高速转动，就像杂技表演中的转碟，碟盘不停的转动，细杆可以自由弯曲。 挠性陀螺仪的挠性接头如同头发丝一般既柔软又很细，要求高、加工难度大，也由此可见当时这个精密机械加工车间的先进程度。 “......想不到在大山沟里，有这么好的车间，有这么好的设备......”片中说到。 　为普及惯性技术知识并对广大青少年进行爱国主义教育，中国惯性技术学会还主办了《惯性世界》科普期刊，期刊自1987年试刊于1995年正式发行。同期还多次举办了惯性技术青少年夏令营活动，邀请长期从事惯性技术的高校老师和“三线”老专家进行讲座。 《惯性世界》刊名为张爱萍题写，时任中国工程院院长、两弹之父朱光亚和时任国防科工委主任、中国惯性技术学会理事长丁衡高为期刊的正式发行题了词。 　发展惯性技术重在创新。 在希腊语里，“陀螺仪”是“观察+旋转”的意思，就是说，只要在惯性空间里，能用来确定方向和测量旋转的都可以叫作陀螺仪，从这个意义上说，除具有高速旋转转子的陀螺仪外，还有近百种物理现象和新的原理都能在陀螺技术中得到应用。 可喜的是，陀螺仪的家族目前已经有了近百个成员，如果把陀螺仪的家谱排列开来，会使我们眼花缭乱。它们的年龄、相貌和性格各异，它们的原理、结构和用途也各不相同，它们的足迹遍布外层空间、陆地、空中和海洋，它们在军事、民用和人们的日常生活等各个领域起着自己特殊的作用。 　这里要提到的还有“神舟十号”的太空授课记。 2013年6月20日上午，在远离地面300多公里的“天宫一号”，我国第一位“太空教师”王亚平在航天员聂海胜和张晓光的协助下，通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球5个试验，采用视频通话与地面课堂师生进行的互动方式，让大家领略了奇妙的太空世界。 王亚平在陀螺运动的演示中告诉同学们，高速旋转的陀螺具有很好的定轴性，在天宫一号目标飞行器上就装有各式各样这样的陀螺仪，正是有了它们，才能精准地测量航天器的飞行姿态。牛顿怎么也没想到，他的“三大定律”不仅被实物带到了太空翱翔，而且被美丽的中国太空女教师讲到了天上。 这是中国最大的课堂，8万多所中学、数千名教师，通过广播、电视共同收听、收看了航天员的太空授课。 　可上九天揽月，可下五洋捉鳖。 中国“蛟龙”号深海载人潜水试验当然少不了也有陀螺家族的一份功劳哦！ 　惯性技术的发展，从传统的机械陀螺到光学陀螺、微机电陀螺、再到基于现代量子物理学理论的原子陀螺，每一次新概念、新原理的提出都将引起一场“改变游戏规则”的技术革新，并对导航技术造成冲击，最终形成强大的技术优势和能力优势。 300多年前的1687年，伟大科学家牛顿为惯性技术奠定了基础。 1851年的傅科试验，非常简单地验证了地球自转现象。 2005年6月17日，为纪念爱因斯坦狭义相对论发表100周年及配合国际物理年纪念活动，中国惯性技术学会与清华大学在中国科技会堂联合召开了“应用惯性技术验证广义相对论预测效应”学术报告会，反应了惯性技术的发展动向与高科技。 　回顾百年，从早期德国的V-2导弹采用原始的电子和机械陀螺仪，发展到现代交通工具采用全固态陀螺仪的惯性导航，其技术和产品早已退去神秘的面纱，并在人们的生产和生活中得到广泛应用。 当初隐蔽建于大山里的这些工厂、企业现大多也早已离开了山沟，融入了市场。 惯性世界，明天更璀璨！ ［美篇制作：王建平，中国惯性技术学会第三、第四届理事会理事，四川省三线建设研究会理事。专业：陀螺仪表及惯性导航］