劉年凱

2019年4月24日至5月3日，清華大學(xué)科學(xué)博物館(籌)舉辦了“百年器象——清華大學(xué)科學(xué)博物館籌備展”，這是清華大學(xué)科學(xué)博物館(籌)藏品的首次亮相。在本次展覽中，中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺(見圖1)吸引了眾多參觀者的目光。

這臺三自由度飛行模擬實驗臺可簡稱為“飛行模擬轉(zhuǎn)臺”或“飛行模擬臺”。飛行器(如飛機(jī)、導(dǎo)彈)和魚雷的運(yùn)動具有六個自由度，包括三個線運(yùn)動(質(zhì)心沿坐標(biāo)系三個軸向的位移)和三個角運(yùn)動(質(zhì)心繞坐標(biāo)系三個軸的轉(zhuǎn)動)。該模擬實驗臺用來模擬飛行器的角運(yùn)動，這種模擬對于飛機(jī)的穩(wěn)定飛行、導(dǎo)彈和魚雷的精準(zhǔn)射擊都有重要的意義。[注]飛行器航行依靠閉環(huán)系統(tǒng)的控制。舉例來說，若航向偏北，就要根據(jù)方位陀螺的指示值控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)，讓飛行器向南轉(zhuǎn)，才能沿正確航線飛行。該閉環(huán)系統(tǒng)的性能，必須通過地面仿真研究，才能確定其參數(shù)。這臺飛行模擬臺的重要性體現(xiàn)于此。

一、 組成和參數(shù)

這臺三自由度飛行模擬實驗臺為鋁合金材質(zhì)，主體為一個長方體框架，總高 137cm，上側(cè)總寬116cm，下側(cè)總寬128cm。實驗臺由三個可以翻轉(zhuǎn)的長方形金屬框架組成，大框長94cm，寬61cm；中框長65cm，寬48cm；小框長48cm，寬33cm。小框內(nèi)有鏤空圓孔，直徑為23cm，上下兩側(cè)的長方形均寬9cm，陀螺儀即置于該鏤空處?？蚣芤揽慷鄠€大小不一的齒輪調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動，其中最大的齒輪直徑為26cm，數(shù)量為4個。直徑20cm、17cm和12cm的齒輪分別有2個、16個和8個。

模擬實驗臺裝有12個МУ-100АП 直流電機(jī)，可以帶動內(nèi)側(cè)的齒輪轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)動框架。每4個電機(jī)驅(qū)動1個框架運(yùn)轉(zhuǎn)：主體上下橫梁的4個電機(jī)轉(zhuǎn)動大框架，大框架左右兩側(cè)的4個電機(jī)轉(zhuǎn)動中框架，中框架上下兩側(cè)的4個電機(jī)轉(zhuǎn)動小框架，這樣實現(xiàn)三個自由度上的飛行模擬控制。

МУ-100АП電機(jī)直徑為7cm，長10cm，功率是177W，額定電壓為27V。МУ系列電機(jī)是蘇聯(lián)廣泛應(yīng)用的航空直流電機(jī)，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)種類很多，功率范圍從5到1500W。它的工作特點(diǎn)是：可正反運(yùn)轉(zhuǎn)，額定電壓較低(20～27V)，有利于滑動接觸處(電刷—換向器)和接觸聯(lián)結(jié)處的電壓降。轉(zhuǎn)向的變換只需一個單刀雙擲開關(guān)就可實現(xiàn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的激磁繞組放置在不同的磁極上，體積增大使得電動機(jī)的利用系數(shù)較低，但轉(zhuǎn)向變換的線路得到簡化。[1]

圖1 中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺

二、 誕生

(一) 歷史背景

中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺的誕生，有特殊的歷史時代背景，一是當(dāng)代中國自主研發(fā)航空飛行器的需要；二是全國高校院系調(diào)整及清華大學(xué)之后的新專業(yè)增設(shè)；三是全國開展教學(xué)改革，學(xué)習(xí)蘇聯(lián)教育經(jīng)驗；與此同時，蘇聯(lián)專家援華，清華師生留蘇或訪蘇。

1952年6月，全國高等院校進(jìn)行大規(guī)模院系調(diào)整。清華大學(xué)取消學(xué)院建制，轉(zhuǎn)變成一所多科性工業(yè)大學(xué)。為了適應(yīng)20世紀(jì)50年代世界科技突破性的發(fā)展和國家建設(shè)需要，清華大學(xué)從1955年陸續(xù)建立新技術(shù)專業(yè)，[2]68其中包括設(shè)立在電機(jī)系的“自動學(xué)與遠(yuǎn)動學(xué)專業(yè)”。[3]

1958年7月3日，清華大學(xué)成立自動控制系，鐘士模[注]鐘士模(1911-1971)，1936年到清華大學(xué)電機(jī)工程系工作，1943年取得學(xué)校資助留美資格，1947年獲得麻省理工學(xué)院科學(xué)博士學(xué)位，創(chuàng)辦中國首個自動學(xué)與遠(yuǎn)動學(xué)專業(yè)和自動控制系，清華大學(xué)自動控制系(計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系前身)首任系主任(1958-1971)。(見圖2)教授被任命為系主任，凌瑞驥[注]凌瑞驥，1930年生，1952年畢業(yè)于清華大學(xué)電機(jī)系，1958—1966年任自動控制系(計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系前身)首任黨總支書記。為系黨總支書記。自動控制系包含三個專業(yè)，分別是自動控制(即原自動學(xué)與遠(yuǎn)動學(xué)專業(yè))、計算機(jī)以及運(yùn)籌學(xué)(后很快取消)。其中，自動控制很快發(fā)展為三個學(xué)科方向：自動控制系統(tǒng)、自動控制理論和自動控制元件。自動控制系統(tǒng)又分為“飛行器自動控制”和“核能生產(chǎn)自動控制”兩個專門化。[3]通過中、蘇兩國之間的保密渠道，清華大學(xué)得到一份列寧格勒多科性技術(shù)學(xué)院的自動學(xué)與遠(yuǎn)動學(xué)專業(yè)教學(xué)計劃，其中主要專業(yè)課程有：陀螺儀與穩(wěn)定裝置、飛行力學(xué)與自動駕駛儀、飛行控制系統(tǒng)模擬技術(shù)。這份教學(xué)計劃是籌建飛行器控制專門化的依據(jù)。[4]當(dāng)時，章燕申[注]章燕申，1929年生，1950年畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系，1953年赴蘇聯(lián)莫斯科包曼技術(shù)大學(xué)精密儀器系讀研究生，于1957年獲副博士學(xué)位，1957年2月回清華大學(xué)籌建自動控制系，擔(dān)任飛行器自動控制教研組的主任。老師任“飛行器自動控制”教研室的主任。

1952年，院系調(diào)整的同時，全國高等院校開始教育改革，學(xué)習(xí)蘇聯(lián)教育經(jīng)驗。1952—1960年，清華大學(xué)先后聘請60余位蘇聯(lián)專家，[2]763其中，自動控制系于1956年和1957年先后聘請?zhí)K啟林[注]蘇啟林(А.М. Сучилин)來自列寧格勒多科性技術(shù)學(xué)院的“自動學(xué)與遠(yuǎn)動學(xué)”教研室，1956年10月13日到1958年6月在清華大爺工作。蘇啟林在清華的講義于1959年被自動控制系譯成《模擬理論及計算技術(shù)》和《自動控制系統(tǒng)》兩書。和克羅利[注]克羅列(Н.Г. Кроль)(1910-1986)，來自列寧格勒光學(xué)與精密機(jī)械學(xué)院的“計算機(jī)”教研室，1957年11月到1958年11月在清華大學(xué)工作。兩位蘇聯(lián)專家。[5]

圖2 清華大學(xué)自動控制系主任鐘士模教授(中間站立者)在實驗室內(nèi)指導(dǎo)學(xué)生(清華大學(xué)檔案館提供)

自動控制系師生也積極與蘇聯(lián)開展交流，如吳麒[注]吳麒，1930年生，1952年畢業(yè)于清華大學(xué)電機(jī)系，1959年在蘇聯(lián)列寧格勒加里寧工學(xué)院獲副博士學(xué)位，并回清華大學(xué)自動控制系任教，擔(dān)任控制理論教研組主任。1955年赴蘇聯(lián)列寧格勒加里寧工學(xué)院讀研究生；金蘭[注]金蘭，1949年畢業(yè)于清華大學(xué)電機(jī)系，后赴蘇聯(lián)莫洛托夫動力學(xué)院讀研究生，1957年回國后在清華大學(xué)任教，任自動控制系計算機(jī)教研組主任。赴蘇聯(lián)莫洛托夫動力學(xué)院讀研究生；鐘士模教授1957年赴列寧格勒訪問；章燕申老師1958年參加“全蘇第二屆高校陀螺儀學(xué)術(shù)會議”，訪問了莫斯科包曼技術(shù)大學(xué)等，了解“自動學(xué)與遠(yuǎn)動學(xué)”“陀螺與導(dǎo)航系統(tǒng)”專業(yè)教學(xué)科研情況。[3]

(二) “小11號”和“大11號”

中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺被參與研制的師生親切地稱為“大11號”。稱為“11號”，是因為這是當(dāng)時510教研組第一號科研任務(wù)；稱為“大”，則是因為自動控制系在1958年首先研制過一臺一自由度飛行模擬實驗臺——該實驗臺被稱為“小11號”(見封二下圖)。本節(jié)主要根據(jù)口述史訪談和郵件咨詢敘述“小11號”和“大11號”的研制過程。

1957年，鐘士模教授訪問蘇聯(lián)，參觀列寧格勒多科性技術(shù)學(xué)院的“飛行器控制系統(tǒng)模擬技術(shù)”實驗室，列寧格勒加里寧工學(xué)院在讀研究生吳麒陪同，他們看到實驗室有多臺飛行模擬臺。鐘士模希望蘇聯(lián)方面提供飛行模擬臺的圖紙，但被對方婉拒。

鐘士?；貒鬀Q定自行研制飛行模擬實驗臺，他安排章燕申老師和林堯瑞[注]林堯瑞，1933年生，1956年畢業(yè)于東北大學(xué)，分配到清華大學(xué)并先后在電機(jī)系、自動控制系、計算機(jī)系任教。老師分別負(fù)責(zé)機(jī)械部分和轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)部分[注]當(dāng)時鐘士模教授并沒有提供具體的技術(shù)參數(shù)，只是描述了他所見到的模擬實驗臺的結(jié)構(gòu)。他的口頭描述有“像搖籃一樣，搖來搖去”。來自與章燕申教授和張鈸院士的交流。。模擬實驗臺研制地點(diǎn)是清華大學(xué)西主樓4樓[注]據(jù)章燕申教授回憶，1957年他到鐘士模領(lǐng)導(dǎo)的“自動學(xué)與遠(yuǎn)動學(xué)”教研室工作，當(dāng)時教研室在新水利館。1958年，教研室搬到西主樓1區(qū)4層，屬于“絕密區(qū)”。另據(jù)張鈸院士回憶，一自由度飛行模擬臺在西主樓1區(qū)4樓，三自由度飛行模擬臺在西主樓2區(qū)4樓(陽臺對面的房間)。。

研制人員到漢口買了蘇聯(lián)制的模擬計算機(jī)，計劃把飛行控制的陀螺儀放在飛行模擬轉(zhuǎn)臺上，將飛行控制的運(yùn)動方程輸入模擬器，陀螺儀能把飛行器的姿態(tài)角信息轉(zhuǎn)換成電信號，這樣做閉環(huán)回路就能考驗控制系統(tǒng)的性能。當(dāng)時章燕申還不太熟悉陀螺儀。蘇聯(lián)專家蘇啟林雖然來自列寧格勒多科性技術(shù)學(xué)院的“自動學(xué)與遠(yuǎn)動學(xué)”教研室，但他的專長是交磁放大機(jī)控制的火炮隨動系統(tǒng)，而非飛行器控制，[4]所以研制人員也無法得到蘇聯(lián)專家的幫助。

同年，金蘭和章燕申在國防部第五研究院[注]1956年8月，國防部第五局成立，錢學(xué)森任第一副局長兼總工程師。10月，國防部五院在北京正式成立，錢學(xué)森于1957年任院長。1957年3月，國防部第五局并入國防部五院。擔(dān)任技術(shù)顧問，每周工作一天，參加仿制從蘇聯(lián)引進(jìn)的“地對地彈道導(dǎo)彈”工作。該導(dǎo)彈是蘇聯(lián)在德國“V-2”型導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上研制的，它的水平陀螺、方位陀螺以及陀螺積分加速度計均采用滾珠軸承結(jié)構(gòu)。這是他們第一次見到彈道導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和射程控制系統(tǒng)。不過，同年秋，大批蘇聯(lián)專家到五院工作，為了執(zhí)行五院的保密規(guī)定，金蘭和章燕申只能退出。[4]通過在五院短暫的工作經(jīng)歷，章燕申明白了陀螺儀的工作原理，為研制飛行模擬實驗臺打下了基礎(chǔ)。

1958年，清華大學(xué)獨(dú)立成功研制出一自由度飛行模擬實驗臺，[6]并于當(dāng)年夏天在北京鋼鐵學(xué)院(現(xiàn)北京科技大學(xué))舉辦的“高校國防科研成果展覽會”展出。據(jù)張鈸[注]張鈸，1935年生，1958年畢業(yè)于清華大學(xué)自動控制系，同年留校任教，1995年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士，2011年漢堡大學(xué)授予自然科學(xué)榮譽(yù)博士。教授回憶，這次展覽為內(nèi)部展覽，僅供領(lǐng)導(dǎo)參觀，主要展示各高校的軍事科研成果。多位中央領(lǐng)導(dǎo)如劉少奇、周恩來、鄧小平、陳云、彭真、胡耀邦及各部部長前來參觀。中央領(lǐng)導(dǎo)參觀由凌瑞驥講解，其他人員參觀由張鈸負(fù)責(zé)講解，講解內(nèi)容主要是宣傳師生的革命熱情、理論聯(lián)系實際的實干精神，以及趕超世界水平的決心。一自由度飛行模擬實驗臺在北京鋼鐵學(xué)院展出后，受到中央領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，清華大學(xué)研究飛行器自動控制的消息也廣為人知。

章燕申等為了收集伺服電機(jī)、廢舊陀螺等器材，從1957年開始訪問第二機(jī)械工業(yè)部四局(航空工業(yè)部的前身)。蘇聯(lián)專家克羅利的專長為指揮火炮射擊的解算裝置，他當(dāng)時為了教學(xué)實驗的開展，也曾和章燕申去空軍后勤倉庫尋找陀螺儀。在這個過程中，章燕申認(rèn)識了四局航空儀表設(shè)計室[注]1957年，航空工業(yè)局航空儀表設(shè)計室成立。1960年3月，第一機(jī)械工業(yè)部第30研究設(shè)計所(簡稱30所)成立。1961年，國防部航空研究院(簡稱六院)正式成立，30所劃歸六院領(lǐng)導(dǎo)。1965年1月，六院與第三機(jī)械工業(yè)部(三機(jī)部)合并，1968年3月，30所更名為中國人民解放軍618研究所，后在1974年成為第三機(jī)械工業(yè)部第618研究所，現(xiàn)為中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所。主任兼總設(shè)計師昝凌[注]昝凌(1912-1967)，1932年考入南開大學(xué)，后轉(zhuǎn)入清華大學(xué)數(shù)學(xué)系，1939年空軍機(jī)械學(xué)校高級班畢業(yè)。昝凌為航空儀表專家，任航空儀表設(shè)計室室主任兼總設(shè)計師。。昝凌明白三自由度飛行模擬實驗臺是研究飛行器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，于是和清華大學(xué)開展合作，并按照飛機(jī)自動駕駛儀中水平和方位兩種陀螺儀的體積大小確定了三自由度飛行模擬實驗臺的尺寸。航空儀表設(shè)計室向清華大學(xué)提供了航空電機(jī)、滾珠軸承、高強(qiáng)度鋁合金鑄件等關(guān)鍵器材，還安排了技術(shù)員和高級技工參加，[4]清華大學(xué)主要負(fù)責(zé)儀器設(shè)計以及控制系統(tǒng)調(diào)試。在鐘士模教授的主持和雙方合作下，飛行器自動控制教研組解決了許多控制理論和技術(shù)問題，在1959年成功研制出三自由度飛行模擬實驗臺。之后推出了改進(jìn)型的由16階模擬計算機(jī)控制的電動實驗平臺。[7]

值得一提的是，清華大學(xué)計算機(jī)系的網(wǎng)頁[8]及系史第一冊[9]中，介紹“我系研制成功我國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺”時配有一張彩色圖片，其中的三自由度飛行模擬實驗臺主體為藍(lán)色，齒輪為黑色，經(jīng)考證，這臺實驗臺并非中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺[注]來自與張鈸院士的郵件交流。，而應(yīng)該為后來的改進(jìn)型。

1959年研制成功的三自由度飛行模擬實驗臺及其改進(jìn)型對中國飛行模擬技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。30所(后改為618所)和705所[注]705研究所隸屬于中國船舶重工集團(tuán)第七研究院，建于1958年。所部位于西安，分部位于昆明，承擔(dān)水下航行體及發(fā)射裝置研究。之后均仿制了同樣的模擬實驗臺，分別開展飛機(jī)駕駛儀研制和魚雷仿真實驗等。

以705所為例。1978年，中國海南島漁民在海上作業(yè)時撈到一條美制MK46-1型魚雷。[10]后在中央安排下，705所與有關(guān)工廠和學(xué)校對魚雷分解和研究仿制，其中魚雷的導(dǎo)航研究就需要使用三自由度飛行模擬實驗臺。高鐘毓[注]高鐘毓教授，1936年生，1959年畢業(yè)于清華大學(xué)自動控制系，后留校任教。他是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)專家，任清華大學(xué)導(dǎo)航技術(shù)工程中心第一任主任。教授等在1988年對705所的三自由度飛行模擬實驗臺進(jìn)行了控制系統(tǒng)改造，把交磁機(jī)控制改造成集成電路控制，通頻帶由原來的3Hz變成10Hz以上，主要技術(shù)指標(biāo)為正弦搖擺頻率為2Hz，輸入輸出相位誤差在10°以內(nèi)，[11]滿足了電動魚雷仿真的技術(shù)要求。這是對三自由度飛行模擬實驗臺的后期改進(jìn)。

三、 重生

20世紀(jì)70年代，清華大學(xué)的兩臺飛行模擬實驗臺逐漸退出“現(xiàn)役”，從東主樓搬至9003大樓[注]據(jù)高鐘毓教授回憶，1971年，自動控制系(當(dāng)時更名為電子工程系)從西主樓搬到東主樓，后1974年校內(nèi)院系調(diào)整時，章燕申和高鐘毓調(diào)到精密儀器系，“大11號”和“小11號”也從東主樓搬至9003大樓。。2019年，中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺誕生整整60年后，它從布滿灰塵的倉庫來到明亮整潔的展廳，讓參觀者親身感受到清華大學(xué)師生自力更生的奮斗精神。中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺的“重生”，與清華大學(xué)科學(xué)史學(xué)科的建制化和科學(xué)博物館的籌備密不可分。

2017年5月16日，清華大學(xué)科學(xué)史系成立，啟動籌備建立清華大學(xué)科學(xué)博物館。[12]2018年12月20日，筆者來到清華大學(xué)9003大樓西側(cè)一樓倉庫的一角，第一次親眼看到中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺的實物。當(dāng)天，筆者將兩臺儀器運(yùn)回科學(xué)博物館(籌)地下倉庫。由于不確定儀器的準(zhǔn)確名稱，筆者按“陀螺儀轉(zhuǎn)臺”登記了該儀器。12月24日，高鐘毓和王永梁老師來到科學(xué)博物館(籌)地下倉庫，在大小“11號”面前，高老師回憶了當(dāng)年參與研制模擬實驗臺的經(jīng)歷，并愿意接受進(jìn)一步的采訪。

2019年3月14日，筆者和科學(xué)博物館(籌)沈萌老師赴清華大學(xué)導(dǎo)航技術(shù)工程中心，拜訪了高鐘毓教授和王永梁老師。高老師還請來章燕申教授，向筆者詳細(xì)講述了當(dāng)年參與研制的過程。值得一提的是，4月24日“百年器象”開展當(dāng)日，高鐘毓教授和王永梁老師親臨現(xiàn)場參加了開幕式；4月26日，章燕申教授也來到展覽現(xiàn)場，觀看了這臺三自由度飛行模擬實驗臺，以及他在20世紀(jì)70年代主持研制的靜電陀螺三軸穩(wěn)定平臺?？梢哉f，中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺的“重生”，與清華大學(xué)科學(xué)史系的成立和科學(xué)博物館的籌備密不可分，儀器史研究和口述史訪談的開展是其必要補(bǔ)充。

尋找、收集、保存和研究科學(xué)儀器是科學(xué)博物館的應(yīng)盡之責(zé)。清華大學(xué)科學(xué)博物館從2017年科學(xué)史系成立初期，便以多種方式聯(lián)系和調(diào)研清華大學(xué)各理工科教學(xué)和科研實驗室，收集有歷史意義的科學(xué)儀器設(shè)備。目前，科學(xué)博物館已有三千余件科技藏品。但令人遺憾的是，早年歷經(jīng)戰(zhàn)亂，儀器多有遺失，后因科技發(fā)展迅速，科研場所空間局促，儀器設(shè)備更新頻繁，也少有人有意識地保存不再使用的科學(xué)儀器。 如今，收集清華古舊科學(xué)儀器，完整呈現(xiàn)清華科學(xué)儀器購買、研制和使用的演變歷史并非易事。本臺三自由度飛行模擬實驗臺由中國自動控制學(xué)科和教育的開拓者之一、清華大學(xué)自動控制系創(chuàng)系系主任鐘士模教授主持，且其研制過程涉及多家科研單位，具有重要的科學(xué)史價值。而這臺三自由度飛行模擬實驗臺研制成于1959年，屬于科學(xué)博物館目前藏品中少有的早期儀器，是中華人民共和國成立初期科學(xué)研究的重要?dú)v史見證和珍貴科學(xué)遺產(chǎn)。

四、 結(jié)語

清華大學(xué)自動控制系分別在1958年和1959年研制成功一自由度飛行模擬實驗臺(“小11號”)和三自由度飛行模擬實驗臺(“大11號”)。作為中國第一臺三自由度飛行模擬實驗臺，“大11號”的誕生為我國飛行模擬技術(shù)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。清華大學(xué)科學(xué)史學(xué)科的建制化和科學(xué)博物館籌備工作的開展，使得諸如第一臺三自由度飛行模擬實驗臺這樣的珍貴科學(xué)遺產(chǎn)在科學(xué)博物館展覽中得以重生。

致謝感謝章燕申教授、張鈸院士、高鐘毓教授和王永梁老師提供了珍貴史料。感謝章燕申教授和高鐘毓教授審閱本文原稿并提出修改建議。感謝蔣澈博士協(xié)助查找俄文資料。