日前，用于開展引力波研究的“天琴計劃”，第一階段將完成大型激光陀螺儀等地面輔助設施建設。近期，美國國防后勤局授權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，在加速度計配合下可以感知物體在任意時刻的空間位置，被譽為慣性導航系統(tǒng)這頂皇冠上的“明珠”。目前，我國已經(jīng)成為世界上第四個具備獨立研制激光陀螺能力的國家，產(chǎn)品應用范圍覆蓋陸海空天等多個領域。激光陀螺雖小，卻集成了光、機、電等諸多領域高精尖技術，是一個國家科技實力和軍事實力的綜合體現(xiàn)。
麻雀雖小：方寸之中盡知世間動態(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)代科學技術的飛速發(fā)展，只要能對物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進行感知測量的裝置，都可被稱為陀螺儀。慣性測量裝置好比現(xiàn)代高精度設備的“眼睛”，而激光陀螺的出現(xiàn)，已成為慣性制導系統(tǒng)的“火眼金睛”。
早在18世紀，人類就開始了對陀螺運動的研究，第一次世界大戰(zhàn)中，美國海軍首先成功研制了機械陀螺儀。1960年，美國人在成功研制出世界上第一臺激光器后，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驗裝置。到上個世紀70年代末，激光陀螺的相關技術在戰(zhàn)術飛機和導彈上試驗成功，激光陀螺得到飛速發(fā)展應用。到80年代，美國空軍實施了“綜合慣性基準組件”研制計劃，將激光陀螺應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)，將激光陀螺應用到艦載飛機中。1985年美國提出了戰(zhàn)略防御計劃(SDI)后，激光技術得到了更大規(guī)模的研究與應用，其中1985財年SDI預算在激光領域的投資高達10.4億美元，大部分用于開展激光實驗，其中就包括激光陀螺的研究。
激光陀螺研究的巨大進展刺激了世界上其他科技大國開展對相關領域的研究，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用于“美洲虎”直升機，而后又成功應用于“ANS超音速導彈”項目和“阿里安-4”型火箭。法國SAGEM公司研制的激光陀螺成功應用于航空和潛水艇的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。
隨著技術的發(fā)展，激光陀螺的性能越來越好，應用也更加廣泛。今后激光陀螺技術將主要向更高精度和可靠性、更小體積和更便宜價格發(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，卻可以達到1°/h的精度，價格僅為1000美元。激光陀螺“麻雀雖小”，卻集成了光、機、電等諸多領域高精尖技術，考量著一個國家的綜合國力，是一個國家科技實力和軍事實力的綜合體現(xiàn)。
“千里點穴”：精確打擊的導航“心臟”
早在1998年美國對伊“沙漠之狐”行動中，“戰(zhàn)斧”式巡航導彈就大放異彩，成功發(fā)射導彈325枚，主要用來攻擊伊軍指揮控制機構、核生化武器設施、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”式巡航導彈實現(xiàn)“千里點穴”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、導彈、坦克以及各類水面艦艇，無不需要準確測量方位、速度、姿態(tài)等信息參量才能圓滿完成預定的導航或作戰(zhàn)任務。放置在“身體”中作為精確導航“心臟”的就是慣性導航系統(tǒng)。傳統(tǒng)的慣性導航儀器主要是機械式陀螺，其制作工藝要求高，結構復雜，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、動態(tài)范圍大、響應時間短、耐沖擊和振動、工作壽命和存放時間長、可直接與計算機相連實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。尤其是它極高的精度值，每小時漂移角速率在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轟炸機把陳舊的機械慣性導航系統(tǒng)更新為環(huán)形激光陀螺慣性系統(tǒng)，英國的“勇士”機械化炮兵觀測車載導航系統(tǒng)以及皇家海軍的三艘新型“機敏”級攻擊核潛艇、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)平臺的導航精度。
其實，這枚精確導航“心臟”看似神秘，其原理并不復雜，激光陀螺主要依據(jù)Sagnac效應制作而來。通俗地講，當光束在設定好的通道中傳播時，由于通道本身具有轉(zhuǎn)動速度，從而引起光沿通道轉(zhuǎn)動方向時間的改變。使用光電手段測量這個相位差的改變，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”，時刻為設備導航。
陸海空天：軍民用多領域大放異彩
自行火炮、步戰(zhàn)車、飛機、飛船、導彈、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，隨著光電技術的迅猛發(fā)展，集光、機、電“三位一體”的新型激光陀螺得到迅速發(fā)展，并在陸海空天等領域得到廣泛應用。激光陀螺也被譽為茫茫海天的“定位神器”。
對應于不同的用途，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狀態(tài)中作為領航和駕駛儀表使用，傳感陀螺儀可用于運動物體的自動控制系統(tǒng)中。為保證羅盤和自動駕駛儀器的正常工作，一般的飛機要使用10多個陀螺儀。哈勃太空望遠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。這些陀螺儀與機械式陀螺儀、光纖陀螺儀、自由轉(zhuǎn)子陀螺儀、振動式陀螺儀等一起構成了“陀螺大家族”，從而在各個模塊、各種應用領域發(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武器提供實時航向、速度、高度、姿態(tài)等空間位置信息，提高飛機的可靠飛行時間，并使精確制導武器的命中精度得到極大提高。美國將激光陀螺系統(tǒng)成功應用于新一代遠程反潛機“P-7A”，極大地提高了改型飛機的飛行穩(wěn)定性和探測位置精確度。激光陀螺還為機動發(fā)射的彈道導彈、巡航導彈提供方位基準，使它們能實現(xiàn)快速定向定位，準確地命中目標。俄羅斯就已經(jīng)將激光陀螺應用于蘇-30MK、蘇-32FN、蘇-34等各類型戰(zhàn)斗機和彈道導彈的制導與控制系統(tǒng)中。
其次，激光陀螺還可以為艦船、潛艇和魚雷提供航向、航速和位置等基準數(shù)據(jù)，它們不依賴于任何外部信息，就能獨立地進行實時導航。加拿大海軍就將配置有“MK49”型環(huán)形激光陀螺導航儀的新一代慣性導航系統(tǒng)(INS)安裝在“哈利法克斯”級護衛(wèi)艦、“易洛魁”級驅(qū)逐艦和“維多利亞”級潛艇上。將激光陀螺與全球定位系統(tǒng)(GPS)相結合作為精確導航系統(tǒng)的核心組件，也正被廣泛應用于核潛艇、飛機、巡航導彈、洲際導彈及衛(wèi)星制導中，這一系統(tǒng)目前已多次經(jīng)過實戰(zhàn)檢驗。1999年美國B-2A轟炸機轟炸南斯拉夫時使用的聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)，就是采用這種制導方式的“GBM-31”型精確制導炸彈。
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，還可以用于運載火箭的慣性制導系統(tǒng)。在其他民用領域，可以將激光陀螺安裝在望遠鏡上提供實時角坐標信息，可以用超大型激光陀螺觀測地震波信息、固體地面潮汐效應和測量引力波等。可以預見，隨著激光陀螺技術的日漸完善，它的應用范圍還會更加廣闊，勢必會對未來戰(zhàn)爭和日常生活產(chǎn)生巨大影響。
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