日前，用于開展引力波研究的“天琴計(jì)劃”，第一階段將完成大型激光陀螺儀等地面輔助設(shè)施建設(shè)。近期，美國國防后勤局授權(quán)3890萬美元，用于霍尼韋爾國際公司為美國海軍AN/WSN-7(V)海上導(dǎo)航系統(tǒng)研制環(huán)形激光陀螺系統(tǒng)。激光陀螺，又叫環(huán)形激光器，在加速度計(jì)配合下可以感知物體在任意時(shí)刻的空間位置，被譽(yù)為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)這頂皇冠上的“明珠”。目前，我國已經(jīng)成為世界上第四個(gè)具備獨(dú)立研制激光陀螺能力的國家，產(chǎn)品應(yīng)用范圍覆蓋陸?？仗斓榷鄠€(gè)領(lǐng)域。激光陀螺雖小，卻集成了光、機(jī)、電等諸多領(lǐng)域高精尖技術(shù)，是一個(gè)國家科技實(shí)力和軍事實(shí)力的綜合體現(xiàn)。
麻雀雖?。悍酱缰斜M知世間動(dòng)態(tài)
在古希臘語里，“陀螺”一詞的含義是“旋轉(zhuǎn)指示器”，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，只要能對(duì)物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行感知測量的裝置，都可被稱為陀螺儀。慣性測量裝置好比現(xiàn)代高精度設(shè)備的“眼睛”，而激光陀螺的出現(xiàn)，已成為慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的“火眼金睛”。
早在18世紀(jì)，人類就開始了對(duì)陀螺運(yùn)動(dòng)的研究，第一次世界大戰(zhàn)中，美國海軍首先成功研制了機(jī)械陀螺儀。1960年，美國人在成功研制出世界上第一臺(tái)激光器后，迅速開始激光陀螺的研究。1963年，美國斯佩里公司首次成功制成了激光陀螺儀的實(shí)驗(yàn)裝置。到上個(gè)世紀(jì)70年代末，激光陀螺的相關(guān)技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)和導(dǎo)彈上試驗(yàn)成功，激光陀螺得到飛速發(fā)展應(yīng)用。到80年代，美國空軍實(shí)施了“綜合慣性基準(zhǔn)組件”研制計(jì)劃，將激光陀螺應(yīng)用在雙盒組件式傳感器系統(tǒng)中，美國海軍也研制了“CA1NS1”系統(tǒng)，將激光陀螺應(yīng)用到艦載飛機(jī)中。1985年美國提出了戰(zhàn)略防御計(jì)劃(SDI)后，激光技術(shù)得到了更大規(guī)模的研究與應(yīng)用，其中1985財(cái)年SDI預(yù)算在激光領(lǐng)域的投資高達(dá)10.4億美元，大部分用于開展激光實(shí)驗(yàn)，其中就包括激光陀螺的研究。
激光陀螺研究的巨大進(jìn)展刺激了世界上其他科技大國開展對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究，法國、俄羅斯、德國、日本等國都相繼研制出高精度激光陀螺系統(tǒng)。法國的SEXTANT公司于1972年開始激光陀螺研究，1979年SEXTANT型激光陀螺首次成功應(yīng)用于“美洲虎”直升機(jī)，而后又成功應(yīng)用于“ANS超音速導(dǎo)彈”項(xiàng)目和“阿里安-4”型火箭。法國SAGEM公司研制的激光陀螺成功應(yīng)用于航空和潛水艇的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。
隨著技術(shù)的發(fā)展，激光陀螺的性能越來越好，應(yīng)用也更加廣泛。今后激光陀螺技術(shù)將主要向更高精度和可靠性、更小體積和更便宜價(jià)格發(fā)展。美國霍尼韋爾公司的GG1308型激光陀螺，通過采用一次成型工藝，總體積小于2立方英寸，重量僅為60克，卻可以達(dá)到1°/h的精度，價(jià)格僅為1000美元。激光陀螺“麻雀雖小”，卻集成了光、機(jī)、電等諸多領(lǐng)域高精尖技術(shù)，考量著一個(gè)國家的綜合國力，是一個(gè)國家科技實(shí)力和軍事實(shí)力的綜合體現(xiàn)。
“千里點(diǎn)穴”：精確打擊的導(dǎo)航“心臟”
早在1998年美國對(duì)伊“沙漠之狐”行動(dòng)中，“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈就大放異彩，成功發(fā)射導(dǎo)彈325枚，主要用來攻擊伊軍指揮控制機(jī)構(gòu)、核生化武器設(shè)施、防空陣地和地下指揮中心，其命中精度令世人驚嘆。而讓“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)“千里點(diǎn)穴”功能的核心器件，就是激光陀螺。
馳騁在現(xiàn)代戰(zhàn)場上的飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克以及各類水面艦艇，無不需要準(zhǔn)確測量方位、速度、姿態(tài)等信息參量才能圓滿完成預(yù)定的導(dǎo)航或作戰(zhàn)任務(wù)。放置在“身體”中作為精確導(dǎo)航“心臟”的就是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航儀器主要是機(jī)械式陀螺，其制作工藝要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，精度也受到極大限制。
激光陀螺的出現(xiàn)極大地改變了這種狀況，它具有重量輕、尺寸小、精度高、可靠性好、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)時(shí)間短、耐沖擊和振動(dòng)、工作壽命和存放時(shí)間長、可直接與計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。尤其是它極高的精度值，每小時(shí)漂移角速率在0.0001～1°范圍內(nèi)。正是源于激光陀螺的優(yōu)異性能，美國B-52轟炸機(jī)把陳舊的機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)更新為環(huán)形激光陀螺慣性系統(tǒng)，英國的“勇士”機(jī)械化炮兵觀測車載導(dǎo)航系統(tǒng)以及皇家海軍的三艘新型“機(jī)敏”級(jí)攻擊核潛艇、日本的“AS90”式自行榴彈炮等都使用了激光陀螺，極大提升了武器作戰(zhàn)平臺(tái)的導(dǎo)航精度。
其實(shí)，這枚精確導(dǎo)航“心臟”看似神秘，其原理并不復(fù)雜，激光陀螺主要依據(jù)Sagnac效應(yīng)制作而來。通俗地講，當(dāng)光束在設(shè)定好的通道中傳播時(shí)，由于通道本身具有轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而引起光沿通道轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)間的改變。使用光電手段測量這個(gè)相位差的改變，就可以測出閉合光路的旋轉(zhuǎn)角速度。利用這種光程變化的原理，就可以制作出激光陀螺儀。由于光電設(shè)備具有較高的可靠性和較長的工作壽命，它才能像一顆永不停息的“心臟”，時(shí)刻為設(shè)備導(dǎo)航。
陸?？仗欤很娒裼枚囝I(lǐng)域大放異彩
自行火炮、步戰(zhàn)車、飛機(jī)、飛船、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、潛艇、艦船……這些裝置都需要陀螺儀測定東西南北和判斷上下。近年來，隨著光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，集光、機(jī)、電“三位一體”的新型激光陀螺得到迅速發(fā)展，并在陸?？仗斓阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光陀螺也被譽(yù)為茫茫海天的“定位神器”。
對(duì)應(yīng)于不同的用途，激光陀螺的種類也有很多，一般可分為指示陀螺儀和傳感陀螺儀。指示陀螺儀用于在行進(jìn)狀態(tài)中作為領(lǐng)航和駕駛儀表使用，傳感陀螺儀可用于運(yùn)動(dòng)物體的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。為保證羅盤和自動(dòng)駕駛儀器的正常工作，一般的飛機(jī)要使用10多個(gè)陀螺儀。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和國際空間站系統(tǒng)也大量使用激光陀螺來判斷自身方位。此外，根據(jù)框架數(shù)目和工作形式，激光陀螺又可分為：三自由度陀螺儀、二自由度陀螺儀、速率陀螺儀、積分陀螺儀、無約束陀螺儀等。這些陀螺儀與機(jī)械式陀螺儀、光纖陀螺儀、自由轉(zhuǎn)子陀螺儀、振動(dòng)式陀螺儀等一起構(gòu)成了“陀螺大家族”，從而在各個(gè)模塊、各種應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。
首先，激光陀螺可以用于為各類飛行器和精確制導(dǎo)武器提供實(shí)時(shí)航向、速度、高度、姿態(tài)等空間位置信息，提高飛機(jī)的可靠飛行時(shí)間，并使精確制導(dǎo)武器的命中精度得到極大提高。美國將激光陀螺系統(tǒng)成功應(yīng)用于新一代遠(yuǎn)程反潛機(jī)“P-7A”，極大地提高了改型飛機(jī)的飛行穩(wěn)定性和探測位置精確度。激光陀螺還為機(jī)動(dòng)發(fā)射的彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈提供方位基準(zhǔn)，使它們能實(shí)現(xiàn)快速定向定位，準(zhǔn)確地命中目標(biāo)。俄羅斯就已經(jīng)將激光陀螺應(yīng)用于蘇-30MK、蘇-32FN、蘇-34等各類型戰(zhàn)斗機(jī)和彈道導(dǎo)彈的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中。
其次，激光陀螺還可以為艦船、潛艇和魚雷提供航向、航速和位置等基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，它們不依賴于任何外部信息，就能獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航。加拿大海軍就將配置有“MK49”型環(huán)形激光陀螺導(dǎo)航儀的新一代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)安裝在“哈利法克斯”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦、“易洛魁”級(jí)驅(qū)逐艦和“維多利亞”級(jí)潛艇上。將激光陀螺與全球定位系統(tǒng)(GPS)相結(jié)合作為精確導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組件，也正被廣泛應(yīng)用于核潛艇、飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、洲際導(dǎo)彈及衛(wèi)星制導(dǎo)中，這一系統(tǒng)目前已多次經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。1999年美國B-2A轟炸機(jī)轟炸南斯拉夫時(shí)使用的聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)，就是采用這種制導(dǎo)方式的“GBM-31”型精確制導(dǎo)炸彈。
此外，激光陀螺還可以作為坦克、步兵戰(zhàn)車的穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車體狀態(tài)的自我感知;還可以作為航天器姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)的重要組成部分，還可以用于運(yùn)載火箭的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。在其他民用領(lǐng)域，可以將激光陀螺安裝在望遠(yuǎn)鏡上提供實(shí)時(shí)角坐標(biāo)信息，可以用超大型激光陀螺觀測地震波信息、固體地面潮汐效應(yīng)和測量引力波等?？梢灶A(yù)見，隨著激光陀螺技術(shù)的日漸完善，它的應(yīng)用范圍還會(huì)更加廣闊，勢必會(huì)對(duì)未來戰(zhàn)爭和日常生活產(chǎn)生巨大影響。
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