又一卡脖子技术获突破,中国2.5米大型激光陀螺仪试制成功
最近,一台长2.5米的大型激光陀螺仪原型机在湖南建成,并实现了闭环运行,这是目前国际上第一个投入使用的最为先进的技术方案,国内首次实现了自主试制。据介绍,样机是由湖南二零八先进科技有限公司(下称“二零八公司”)技术团队研制而成,填补了我国在大型激光陀螺领域的空白,为进一步推进该领域的研究奠定了良好的基础。
激光陀螺仪——航天航空关键器件,却被外国长期“卡脖子”
激光陀螺是一种高精度惯性传感器,主要用来感知物体的角运动,其核心是四边形或三角形环形激光器。结合加速度传感器构成惯性导航系统,可不依靠 GPS来精确解算运动载体所处的空间位置,是航空、航天、航海等领域的关键器件之一。激光陀螺在军事上具有很大的应用价值,已被列入各国出口管制清单。
当前,国内外研究的激光陀螺主要分为两大类,一类是小尺寸的激光陀螺,它们在导航领域应用较广;一类是具有大科学装置特性的大型激光陀螺。
小的激光陀螺一般边长在几厘米到十几厘米量级,许多海陆空天武器装备及相关民用领域都用激光陀螺仪作为核心导航部件,如美军F-35、F-22战机、波音、空客等,都是用激光陀螺作为核心导航部件。现在小型激光陀螺的研发和生产已经相对成熟,我国在2010年左右已经成为全球可以自主量产小型激光陀螺的第四个国家。
大尺寸激光陀螺是指边长在米级以上的陀螺,大面积的优势赋予了它极高的测量灵敏度和精确度,其测量精度远远超过了小型激光陀螺,这使它在世界时(UT1)测量、地球物理、大地测量、地震等领域具有全新的应用。但是随着体积的增大,其研制难度也大大提高,研制过程也需要在小型激光陀螺仪的基础上多花费5至10年甚至更长的时间,同时需要大量经费支撑。截止到目前,全世界也只有新西兰、德国、美国以及中国的一些科研机构进行研究,属于高精尖基础科学装置。国内大型激光陀螺技术方案一直未能取得突破,相关领域面临着“卡脖子”的困境。
有望实现高精度世界时(UT1)测量,我国大型激光陀螺仪获重大突破
近几年来,随着卫星导航、航空航天等科学领域的不断发展,在某些应用中往往要求UT1参数具有高时间分辨率甚至实时性。但是UT1具有实时变化的特征,即地球方位参数(EOP、地球在空间的自转角、地极坐标(x, y)、岁差等参数)中最难精确预测的参数,需要通过连续观测得到,其解算的关键是高精度地球参数——地球自转角速度瞬时值。作为高精度测量世界时(UT1)的一项重要技术,大型激光陀螺不仅在科学、技术、经济建设等领域有着广泛的应用,而且在国防、航天等领域具有战略意义。
随着国内某单位大型激光陀螺陀螺原型机的研制需求,二零八公司的研究开发团队创造性地提出了基于模块化装配的大型激光陀螺制造方案和基于长变焦成像的精密谐振腔准直系统,克服了大尺寸材料加工和超长光路直角等难题。由于资金有限,自主建立了超洁净与隔振平台,在狭小的实验室中尽最大可能先后完成了边长1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、5 m大型激光陀螺仪原型机的搭建,并在狭小的实验室内尽最大可能先后完成边长1 m、1.5 m、2 m、2.5 m大型激光陀螺仪原型机的搭建,并对激光陀螺仪的重要数据进行分析。
试验结果表明,基于模块化装配的大型激光陀螺构建方案,完全可以在较短的时间内实现各种边长的大型激光陀螺的谐振腔,制造成本远低于国外现有方案,属于原始创新,该方案及其相关技术已获得专利授权。
现在,二零八公司的技术方案,已经可以支持3米或3米以上的大型激光陀螺的制造。
构建研究—技术—产品完整链条,布局新一代惯性器件研发
总体来看,目前大型激光陀螺的研究还存在着许多困难。近三十年来,欧美等国的研究队伍,都用了几十年的时间来建造这种装置。大尺寸激光陀螺具有体积大、灵敏度高等优点,它的制造方法和误差机制等诸多方面与传统小体积陀螺相比存在着很大的差距,进一步提高陀螺的性能意义重大。
"导航战"的概念已经提出数年,美国国防部将在2021年再次提出开发新的 PNT技术(Positioning, Navigation, and Timing Technologies)作为 GPS的补充的大背景下,高端惯性器件作为重要支撑器件之一显得尤为重要。与此同时,高精度惯性器件也是未来无人驾驶汽车、无人机、室内导航、物联网等领域的基础器件,众多的场景创新将依赖于它在性价比和产能等方面的进一步提升。
正是在这样的背景下,原国防科技大学激光陀螺团队的卢广锋、王飞秉承国防科大研发团队四十多年的不懈努力精神和先进研发经验,创立了湖南二零八科技有限公司。而高性能惯性器件的技术壁垒很高,国内在该领域研发的企业很少。二零八公司依托国内顶级惯性器件团队和材料科学领域的科学家,通过融合基础研究和工程实践,实现新一代陀螺仪和加速度计的技术研发、工程技术以及批量生产工艺研究,建立国内研发水平最高、产品系列最完整的通用惯性器件技术平台,立志成为行业领军企业。
二零八现已联合国内一流大学相关团队组建联合实验室,建立从前沿基础研究到工程实施的完整技术研发及产品制造,积极投入新一代惯性器件研发,致力于为国家强盛贡献力量!