宋麗君，薛連莉，董燕琴，趙萬良，陳效真

(1.西安建筑科技大學，西安710055;2.北京海鷹科技情報研究所，北京100074;3.火箭軍裝備研究院，北京100085;4.上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109;5.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

2020年是科氏力、科里奧利定則確立185周年,也是法國物理學家賈斯帕·古斯塔夫·科里奧利誕辰228周年；2020年是陀螺命名170周年、回轉(zhuǎn)羅經(jīng)發(fā)明168周年,也是法國物理學家萊昂·傅科誕辰201周年,更是人類慣性技術(shù)從現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)—機理萌發(fā)—驗證成律—工程實踐—深化拓展—競爭繁榮的200年。

200年來,在慣性技術(shù)領(lǐng)域,一直以需求牽引、提高精度為宗旨,通過基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、積極探索新理論、創(chuàng)新拓展新應(yīng)用而不斷努力。目前,慣性技術(shù)在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)子陀螺的基礎(chǔ)上,總結(jié)積淀、升華躍遷,創(chuàng)新促成了量子、波動等多種新型慣性技術(shù)儀表的誕生,形成了2個大類(轉(zhuǎn)子自旋、波動干涉)、4個序列(傳統(tǒng)機械、光學、固體波動、量子)約12種百余款不同機理、不同用途、不同結(jié)構(gòu)款式、不同成本構(gòu)架的工程型號應(yīng)用慣性技術(shù)產(chǎn)品,同類精度相對提升4～5個數(shù)量級,體積縮小至原來的近1/60,壽命由幾個小時提高到20萬小時,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展。本文對慣性技術(shù)200年發(fā)展歷程進行了總結(jié)回顧,并對其未來發(fā)展進行了分析和展望。

1 慣性技術(shù)200年發(fā)展歷程回顧

慣性技術(shù)自1835年確立、1850年形成,至今已有185年,經(jīng)歷了3次科學革命、4次技術(shù)革命和4次產(chǎn)業(yè)革命,經(jīng)歷了4次物理學革命、2次世界大戰(zhàn)以及45年的大國冷戰(zhàn)軍備競賽,尤其是大國稱霸的2次主權(quán)論、3次抵消的顛覆性技術(shù)戰(zhàn)略競爭?？茖W技術(shù)進步的同時,也極大地激發(fā)了慣性技術(shù)的蓬勃發(fā)展。在需求牽引和技術(shù)推動下,近200年,世界慣性領(lǐng)域?qū)＜乙恢币愿纳浦文Σ梁透淖冃盘柌杉瘍蓚€途徑提高精度為慣性轉(zhuǎn)子陀螺的終極目標。一方面,通過兩小(摩擦、體積)一高(精度),傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)子陀螺實現(xiàn)了六代九種模式的不斷進化；另一方面,通過阻抗、感抗、容抗,從電感到電流,從電流到頻率,綜合精度提高了4～5數(shù)量級。同時,隨著量子、信息化、大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展,慣性技術(shù)在機械轉(zhuǎn)子陀螺發(fā)展的基礎(chǔ)上,技術(shù)升華躍遷,迅速創(chuàng)新出現(xiàn)了量子自旋陀螺和波動干涉(量子、光學、固體、微機械波動干涉)陀螺以及光動量粒子自旋陀螺。科技進步復(fù)興、國防裝備的需求競爭極大地繁榮昌盛了慣性技術(shù),如圖1～圖3所示。

圖1 慣性技術(shù)發(fā)展與科學革命關(guān)系史Fig.1 Relationship between the development of inertial technology and the scientific revolution

圖2 國際戰(zhàn)略對抗模式變化與慣性技術(shù)發(fā)展Fig.2 Changes of international strategic confrontation mode and the development of inertial technology

圖3 慣性技術(shù)200年發(fā)展圖譜Fig.3 200-year development map of inertial technology

由圖1～圖3可知,科學進步復(fù)興催生了慣性技術(shù)的新理論、新思維和新機理,一戰(zhàn)、二戰(zhàn)時期的制海、制空權(quán)說和戰(zhàn)后大國冷戰(zhàn)裝備競爭(制海定位—制空導(dǎo)航—核戰(zhàn)略制導(dǎo)—空間競爭穩(wěn)姿穩(wěn)向—深空探測、全方位全域小型智能控制)繁榮了慣性技術(shù)新的應(yīng)用方法、新的領(lǐng)域市場、新的品種模式,慣性技術(shù)產(chǎn)品的性能精度也快速成熟提高。慣性技術(shù)作為戰(zhàn)爭國防裝備高技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù),需求迫切,受到世界各發(fā)達國家的高度重視,被列入高密工程,并且投入大量人力物力進行研究。如今,慣性技術(shù)又迎來了以量子信息與大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的量子+人工智能新時代,必將帶來新的復(fù)興和新的繁榮。

2 慣性技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀,量子+人工智能時代已悄然到來,影響著人類的一切活動和科學進步。世界國防大國也在3次抵消戰(zhàn)略下將人工智能、量子信息、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等前沿高科技嵌入并應(yīng)用于軍事中,提出了 “信息戰(zhàn)” “導(dǎo)航戰(zhàn)”“馬賽克戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念。而導(dǎo)航系統(tǒng)作為武器裝備不可或缺,攻防博弈性能與日俱增,光學陀螺、MEMS陀螺、半球諧振陀螺(HRG)、原子陀螺、加速度計等慣性儀表及系統(tǒng)發(fā)展迅速,其具體精度指標如表1所示。

表1 慣性儀表精度指標Table 1 Accuracy of inertial instruments

2.1 陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

光學陀螺技術(shù)日趨成熟,精度突飛猛進,體積、功耗不斷降低。激光陀螺精度優(yōu)于0.0002(°)/h,光纖陀螺精度達0.00008(°)/h,光學陀螺及其系統(tǒng)應(yīng)用已從戰(zhàn)術(shù)級逐步拓展到戰(zhàn)略級,在陸、海、空、天等多個領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位,成為裝備應(yīng)用市場的主角[1]。激光陀螺還以小型化和性能改進為主,而光纖陀螺(干涉式/諧振式光纖陀螺和受激布里淵散射光纖陀螺)的精度/尺寸和成本綜合性能不斷提高,通過噪聲抑制、精密繞環(huán)、光子糾纏、集成芯片等提高光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性,縮小體積和降低成本[2-7]。光學陀螺正朝著戰(zhàn)略超高精度、導(dǎo)航強環(huán)境適應(yīng)性、集成化、超小型、低成本方向發(fā)展。

基于哥氏效應(yīng)的MEMS陀螺(線振動式/角振動式/振動環(huán)式MEMS陀螺和懸浮轉(zhuǎn)子式MEMS陀螺)的精度為 0.0014(°)/h ～ 500(°)/h, 以體積小、質(zhì)量小、功耗成本適中、具有良好的靈活性和高可靠性等特點成為慣性技術(shù)在精確制導(dǎo)彈藥、汽車和消費電子領(lǐng)域的研究熱點。目前,通過微加工、專用集成電路、測控電路、結(jié)構(gòu)與材料等優(yōu)化設(shè)計,將MEMS陀螺提高到導(dǎo)航級,力求小型/低功耗和經(jīng)濟,以高效替代光纖陀螺[8-9]。DARPA Micro-PNT重點支持振動環(huán)式和懸浮轉(zhuǎn)子式MEMS陀螺路線,顯示了MEMS陀螺技術(shù)路線的軍/商用價值。

半球諧振陀螺(HRG)是最具潛力的哥氏振動陀螺,目前精度可達0.0001(°)/h,連續(xù)壽命為20年,可靠度達0.995,由于高精度、高可靠、結(jié)構(gòu)簡單,極具體積、質(zhì)量等綜合優(yōu)勢,成為了慣性技術(shù)應(yīng)用的熱點,如圖4所示。3D微納制造技術(shù)的進步使MEMS特征尺寸、高線性度mHRG技術(shù)得到發(fā)展,應(yīng)用不斷擴展。美國諾格公司在多年半球諧振陀螺研究的基礎(chǔ)上,正在開發(fā)新型LR-450 IMU中的毫米半球諧振陀螺,專為質(zhì)量更小、成本更低的小型平臺而設(shè)計。HRG有兩件套和三件套結(jié)構(gòu),有全角/力平衡控制模式。DARPA公布了比較研究:賽峰電子與防務(wù)公司的HRG被評為導(dǎo)航級中具有最佳成本/尺寸/質(zhì)量/功率(CSWaP)的傳感器,可與霍尼韋爾公司的HG9900或諾格公司的HRG競爭,具體如圖5所示。

圖4 HRG綜合性能與相關(guān)陀螺的對比Fig.4 Comparison of the comprehensive performance among HRG with related gyroscopes

圖5 不同傳感器C-SWaP隨導(dǎo)航性能的變化Fig.5 C-SWaP changes with navigation performance in different sensors

新型原子陀螺(原子干涉/核磁共振陀螺(NMRG)、無自旋交換弛豫(SERF)原子自旋陀螺)性能不斷提升,潛力巨大,工程化進程日益加快,如表2所示。美國加州大學歐文分校利用玻璃吹制工藝、折紙式折疊和傳統(tǒng)MEMS制造了核磁共振陀螺和核磁共振磁力計,核磁共振陀螺角隨機游走為 0.1(°)/h1/2,推動了工程化實現(xiàn)。由于DARPA精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(PINS)和自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)(ANS)的支持,AOSense公司的原子干涉陀螺精度達5×10-6(°)/h。美國桑迪亞國家實驗室的原子干涉陀螺內(nèi)腔尺寸為20mm×30mm×60mm,靈敏度為1×10-6(rad/s)/Hz1/2。在美國小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃(SBIR)支持下,Twinleaf公司的核自旋陀螺精度達1×10-4(°)/h。原子/光子領(lǐng)域,科學發(fā)現(xiàn)和量子調(diào)控技術(shù)飛速發(fā)展,推動了原子陀螺的進展。

表2 原子陀螺/加速度計研究現(xiàn)狀與成果Table 2 Research status and achievements of atomic gyroscope/accelerometer

2.2 加速度計發(fā)展現(xiàn)狀

加速度計正向兩級(消費/軍用)化發(fā)展,性能精度不斷提高,成本不斷降低。擺式積分陀螺加速度計(結(jié)構(gòu)復(fù)雜/體積大/價格昂貴)精度為0.1μg,用于戰(zhàn)略等高端裝備；撓性擺式加速度計(石英/硅)精度為 5μg～1000μg, 是陸、 海、 空、天、制導(dǎo)彈藥等多領(lǐng)域的主流；石英振梁加速度計精度達10μg,最高精度為1μg,已應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)級,有望進入戰(zhàn)略級應(yīng)用,極具潛力；硅微機電加速度計有制導(dǎo)彈藥、機器人、汽車、消費電子應(yīng)用牽引,性能日益提升,精度達0.1mg～1mg。這些產(chǎn)品充分發(fā)揮了高g值和高分辨振動感應(yīng)細分應(yīng)用的優(yōu)勢,新型微光學加速度計、原子加速度計等也逐步進入工程實踐。iXblue公司將寬帶寬/高動態(tài)機械加速度計與冷原子干涉加速度計集成混合,該混合加速度計具有傳統(tǒng)高動態(tài)/高帶寬和量子長期穩(wěn)定性,惡劣條件下運行良好,精度達10ng。倫敦帝國理工學院開發(fā)了潛艇量子導(dǎo)航系統(tǒng)用冷原子加速度計,穩(wěn)定性為傳統(tǒng)冷原子加速度計的1000倍。

基礎(chǔ)材料應(yīng)用技術(shù)也異?；钴S,瑞典皇家理工學院利用高導(dǎo)電納米石墨烯開發(fā)了全球最小的加速度計,在可穿戴人體監(jiān)測和導(dǎo)航領(lǐng)域開創(chuàng)了突破性應(yīng)用。

3 慣性技術(shù)的發(fā)展與展望

科學技術(shù)的迅猛發(fā)展和國防裝備的需求極大地激勵、推動和影響著慣性技術(shù)的發(fā)展和進步。轉(zhuǎn)子慣性技術(shù)經(jīng)過上百年的發(fā)展,面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、精度提升艱難等難題,已經(jīng)進入瓶頸期,有望基于光動量懸浮粒子技術(shù)給傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子慣性技術(shù)的精度提高探索出一條新路。量子、波動(光子、固體波動)慣性技術(shù)已成為慣性技術(shù)發(fā)現(xiàn)的趨勢和方向,其中的光學波動干涉陀螺和固體波動陀螺已成為裝備和國民經(jīng)濟市場的應(yīng)用主體,逐漸形成模塊/貨架化趨勢。而干涉和糾纏(光子、量子)將成為慣性技術(shù)精度指標跨越突破的新途徑,MEMS慣性技術(shù)是未來小型低成本、智能嵌入的基礎(chǔ),已初見成效。

我國在新石器時代就有木/土陀螺,唐代則有“環(huán)轉(zhuǎn)四周而爐體常平,可置被褥中”的倆環(huán)鏤空銀熏香球,到宋代出現(xiàn)了精制千千車和倒鐘體、雜技轉(zhuǎn)盤等陀螺。但是,真正的國防裝備工業(yè)應(yīng)用在20世紀50年代才剛剛開始,至今也只有短短70年。就這短短70年,我國慣性技術(shù)的發(fā)展已取得驚人成果,產(chǎn)、學、研、用行業(yè)領(lǐng)域序列(系列)體系已基本形成,性能精度基本滿足國防裝備多需求配套。

但是,隨著高科技信息化的迅猛發(fā)展,國防裝備需求也相應(yīng)提高,慣性技術(shù)產(chǎn)品精度要求越來越高(優(yōu)于10-5以上)、體積(質(zhì)量)要求越來越小、壽命要求越來越長(20年)、可靠性和長期穩(wěn)定性要求越來越高,這也對我國慣性技術(shù)產(chǎn)品提出了更高的要求,主要體現(xiàn)在以下幾點:

1)以高精度三浮(液浮、磁懸浮、動壓氣浮)陀螺、靜電懸浮陀螺為典型標志的傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)子陀螺已進入瓶頸區(qū)。傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)子陀螺經(jīng)過幾十年的努力,精度提高、體積縮小,但是,結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、基礎(chǔ)配件要求越來越高、制造精度要求越來越精密(納米級)、工藝難度越來越大、測試技術(shù)手段要求越來越精(優(yōu)于10-19以上),成本相應(yīng)也就越來越高。由于基礎(chǔ)支撐技術(shù)(特種結(jié)構(gòu)及功能材料技術(shù)、精密超精密制造工藝及其裝備技術(shù)、檢測試驗評價理論機理方法設(shè)備技術(shù))與慣性產(chǎn)品發(fā)展要求的不適配性,致使傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)子陀螺性能精度指標難以保證、提升,可靠性、成本難以突破與降低,不能適應(yīng)新型裝備,高精度、小體積、長壽命、快速機動、低成本的快速提高完善和智能化要求成為裝備核心重大關(guān)鍵瓶頸技術(shù),制約了重大裝備技術(shù)的再提高。

2)光學陀螺(激光/光纖)精度不斷提升、體積(功耗)不斷減少(降低),技術(shù)日趨成熟,成為海、陸、空、天等多領(lǐng)域裝備的主選。尤其光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單(30多個元件)、體積小、門檻低、成本投資小,零部件(光纖環(huán)等)成為專業(yè)貨架產(chǎn)品,形成采購集成態(tài)勢。

3)MEMS微機械慣性儀表具有精度范圍寬、體積小、質(zhì)量小、功耗成本適中、可靠性高、需求旺盛(智能彈藥、交通建筑、醫(yī)療防護和消費電子)等優(yōu)點,依然是慣性技術(shù)研究熱點。MEMS陀螺品種多(石英、硅、聲、光)、結(jié)構(gòu)繁(線振動式/角振動式/振動環(huán)/振動塊/振動杯/振動半球MEMS陀螺和懸浮轉(zhuǎn)子式MEMS陀螺等)、更新快、流片工藝復(fù)雜投入大。近30年來,我國一直處于代工摸索試制階段,產(chǎn)品提升慢、產(chǎn)業(yè)方向不明。近期,石英慣性儀表初步形成了工程裝備應(yīng)用態(tài)勢,多環(huán)、微半球陣列工程運用優(yōu)勢明朗,低精度質(zhì)量對稱塊初步商品化。

4)諧振陀螺(金屬杯型/石英半球)是傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)的升華,是對物理波粒二象性波動理論的認知運用和機械實現(xiàn)的結(jié)晶,以最小最簡結(jié)構(gòu)、科學集成量化實現(xiàn)了固體物理諧振,利用靜電場振動慣量力學模型優(yōu)化、半角速率與全角積分實時切換銜接彌補了跨代綜合性能,升華了機械慣性敏感精度,拓展了角速率信息敏感新途徑。但是,精度和產(chǎn)能與國外同類型產(chǎn)品還有差距,對高純?nèi)廴谔胤N力學(恒彈性)玻璃材料組織機理、制備工藝、檢測評價的研究還是空白,還需要下大工夫進行突破。

5)量子慣性技術(shù)同樣受到青睞和重視,其中的原子干涉陀螺原理實驗樣機已實現(xiàn)陀螺效應(yīng),核磁共振陀螺和SERF原子自旋陀螺以及測力測磁裝置已進入工程研制實驗改進,性能不斷提升。

6)加速度計相對慣性系統(tǒng)組成需求,精度、體積、成本適配性不足。

7)慣性系統(tǒng)(平臺/捷聯(lián)/混合和多元復(fù)合)是導(dǎo)航制導(dǎo)和穩(wěn)姿穩(wěn)向的基礎(chǔ)。捷聯(lián)系統(tǒng)隨計算機和戰(zhàn)術(shù)裝備的需求應(yīng)用而生,并派生了可標定/調(diào)制框架式捷聯(lián)混合系統(tǒng),框架式捷聯(lián)混合系統(tǒng)的出現(xiàn)模糊了慣性平臺式和慣性捷聯(lián)式間的技術(shù)界限,有取代慣性平臺系統(tǒng)的勢頭。但慣性平臺系統(tǒng)應(yīng)用研究的技術(shù)、人才、物質(zhì)支撐和投入少,阻礙了新型慣性平臺系統(tǒng)(光纖/石英半球諧振陀螺平臺系統(tǒng))應(yīng)用研究的進一步發(fā)展和進步。

8)區(qū)域行業(yè)及行業(yè)上下游互相封閉、技術(shù)故步自封給慣性技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用精度提高、成本降低和指標體系的可行、科學、合理制造了障礙,使慣性技術(shù)共享共用共榮共進受阻,阻礙了我國慣性技術(shù)應(yīng)用性能科學合理的大幅度飛躍。

慣性技術(shù)在我國民間應(yīng)用較早,工程應(yīng)用研究起步較晚。由于國外嚴格的技術(shù)封鎖和禁運,我國慣性技術(shù)的發(fā)展具有一定難度。但是,隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展和大國地位的崛起,慣性技術(shù)發(fā)展迅速,品種型號基本滿足國防裝備和國民經(jīng)濟市場需求,尤其是新型(量子)慣性技術(shù)研究走出了一條新路,成果顯著,有的指標已經(jīng)達到或者領(lǐng)先國外先進技術(shù)水平,為我國慣性技術(shù)進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4 對當前慣性技術(shù)發(fā)展的幾點認知和思考

一代技術(shù)、一代產(chǎn)品、一代市場,慣性技術(shù)經(jīng)歷了制海定位、制空導(dǎo)航、戰(zhàn)略制導(dǎo)、空間競爭、穩(wěn)姿穩(wěn)向的發(fā)展,而今又迎來了量子+人工智能的深空、深地、深海,攻深探盲的探測和國防裝備與國民經(jīng)濟全方位、全域感知控制技術(shù)應(yīng)用的新時代。在這科學技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點,正確認知與思考慣性技術(shù)尤為必要。

(1)量子時代已經(jīng)到來

國際標準單位物理實體基準的 “常數(shù)”化,標志著物理學革命和科學技術(shù)復(fù)興進入到了一個新的歷史階段。量子+人工智能時代已經(jīng)到來,測量技術(shù)的微量化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化已面臨挑戰(zhàn)。自主精準測控敏感源的慣性技術(shù)(從機械轉(zhuǎn)子自旋升華為量子、波動干涉)的發(fā)展顯示,慣性技術(shù)量子時代已經(jīng)到來。

1924年,德布羅意提出 “一切物質(zhì)都具有波粒二象性,不只是光子,一切微觀粒子包括電子、質(zhì)子、中子都具有波粒二象性(P=h/mv)”?？梢?慣性技術(shù)從機械轉(zhuǎn)子自旋升華為量子、波動干涉的發(fā)展是物理波粒二象性(自旋、波動)在經(jīng)典牛頓定律下的應(yīng)用升華,是量子微粒、波動干涉、感應(yīng)糾纏技術(shù)在慣性技術(shù)應(yīng)用的新篇章,必將推動慣性技術(shù)邁向一個新的更高臺階。而慣性技術(shù)的MEMS化已成為導(dǎo)航級模塊嵌入、微型可靠、低成本的曙光,將成為適應(yīng)量子+人工智能時代自主驅(qū)動感知的基礎(chǔ)。

(2)多學科交叉、多技術(shù)融合理念是大趨勢

慣性技術(shù)產(chǎn)品不是簡單的功能器件,而是具有多回路(供電、激勵、檢測、溫控等)支撐的精密感知系統(tǒng)。從純機械—機電結(jié)合—光/機/電多技術(shù)融合—數(shù)字化融入到量子+智能自主驅(qū)動的多學科技術(shù)集成,從制海定位—制空導(dǎo)航—核戰(zhàn)略制導(dǎo)—空間競爭、穩(wěn)姿穩(wěn)向到以大數(shù)據(jù)、人工智能和量子糾纏為標志的現(xiàn)代高科技空間探測/競爭/安全,當前已進入航天空間大規(guī)模往返和地月空間經(jīng)濟應(yīng)用新時代。從戰(zhàn)爭多維大跨域、立體交叉高端博弈、無人智能多信息融合、協(xié)同精確打擊和快速、多源、多模式能量強對抗,體系協(xié)同一體化適應(yīng)未來戰(zhàn)爭信息化,到高速多源化適應(yīng)未來戰(zhàn)爭立體多維化、自主小型平臺化適應(yīng)未來戰(zhàn)爭無人智能化的裝備顛覆創(chuàng)新,給國防現(xiàn)代裝備的導(dǎo)航與控制、穩(wěn)姿與穩(wěn)向核心技術(shù)提出了更高要求[10]。極端復(fù)雜任務(wù)界面的非線性不確定,陌生環(huán)境的知識歸納與自主適應(yīng),人機多源協(xié)同融合/智能控制的可信安全,精準打擊效能評估等基礎(chǔ)科學問題的模型描述與有效調(diào)控,導(dǎo)航控制深度融合理論方法與信息敏感挖掘傳遞,多元耦合干擾智能處理的反饋控制、相應(yīng)裝備的性能提升和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、數(shù)學工具的有效應(yīng)用等,多學科交叉、多技術(shù)融合理念是慣性技術(shù)發(fā)展進步的基礎(chǔ)。

(3)扎實基礎(chǔ)研究是引導(dǎo)進步的關(guān)鍵

沒有基礎(chǔ)科學引導(dǎo),科技將寸步難行。重視以科學認知和工程應(yīng)用為目的的慣性技術(shù)基礎(chǔ)研究,解決行前思、思前知、行必果的有力科學技術(shù)支撐,解決研究唯 “用”論、認識 “用”和“認識”的關(guān)系及其重要性。未來,慣性儀表和系統(tǒng)的可靠性不斷提高,光學陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)平均無故障時間達10萬小時,半球諧振陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)平均無故障時間甚至高達100萬小時。同時,環(huán)境適應(yīng)性不斷增強,MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)可承受20000g的沖擊,半球諧振陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)具備超寬的工作溫度范圍(-95℃～155℃)。其中,材料的作用至關(guān)重要,基礎(chǔ)理論(新的設(shè)計集成理念、測試試驗機理、應(yīng)用評價方法、數(shù)字處理算法等)、基礎(chǔ)技術(shù)(制造處理工藝、試驗測試量化流程、標準規(guī)范軟件等)、基礎(chǔ)材料(特種新型結(jié)構(gòu)、功能材料等)的研究亟待創(chuàng)新。如高純?nèi)廴诟逹值石英玻璃的研制、處理、評價就是我國慣性技術(shù)的缺憾(石英擺、半球、原子泡、懸浮玻璃粒子等),其他高性能功能材料(電、磁、超導(dǎo)等)和相應(yīng)基礎(chǔ)材料工藝智能自適應(yīng)微應(yīng)力技術(shù)沒有系統(tǒng)配套扎實的基礎(chǔ)研究是不行的。

(4)平臺/捷聯(lián)各具優(yōu)勢、互補交叉

慣性系統(tǒng)是人工智能信息敏感、操控、制導(dǎo)的源頭,是國防裝備精確打擊的基礎(chǔ),是保證航班化航天運輸、重復(fù)使用航天運載系統(tǒng)和未來可學習可訓(xùn)練智能航天器安全入軌精準返回的重要技術(shù)支撐。從捷聯(lián)到平臺,到捷聯(lián)/平臺中高精度平分秋色,再到 “三自”慣組和混合式旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo),模糊了慣性平臺/捷聯(lián)技術(shù)優(yōu)勢的界線。在衛(wèi)星導(dǎo)航拒止和極端復(fù)雜環(huán)境任務(wù)剖面下,無源慣性基導(dǎo)航系統(tǒng)依然是精密高精度導(dǎo)航的根基。在追求儀表精度的基礎(chǔ)上,應(yīng)正確認識慣性平臺系統(tǒng)和慣性捷聯(lián)系統(tǒng)各自的優(yōu)勢。

慣性平臺系統(tǒng)是物理坐標結(jié)構(gòu),物理實現(xiàn)積分應(yīng)用、提升剛度、隔離干擾、自標自瞄、自檢自修、自解耦,提升了高端應(yīng)用性能精度。慣性捷聯(lián)系統(tǒng)是數(shù)字坐標結(jié)構(gòu),數(shù)字運算實現(xiàn)速率高動態(tài)、小體積和低成本。應(yīng)在積極發(fā)展新型慣性平臺系統(tǒng)和慣性基多信息融合、多源復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)的同時,重視平臺和捷聯(lián)各自物理/數(shù)字運算優(yōu)勢,探索兼容互補交叉技術(shù),加大研究投入力度,降低成本,推動共同進步和提升,滿足未來戰(zhàn)略新型智能導(dǎo)彈裝備的新要求。所以,亟待重新重視研究新型慣性器件(石英半球諧振陀螺、光學陀螺和高端MEMS陀螺)集成的平臺系統(tǒng)和新型數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)以及變模態(tài)技術(shù)系統(tǒng),推動系統(tǒng)應(yīng)用新發(fā)展。重視跟蹤創(chuàng)新發(fā)展導(dǎo)航定位和控制,尤其是無源慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性基多信息融合和多源復(fù)合導(dǎo)航定位控制系統(tǒng)以及新型機理的導(dǎo)航系統(tǒng),是適應(yīng)現(xiàn)代高科技發(fā)展的需求。

(5)智能化融入將給慣性技術(shù)領(lǐng)域帶來新活力

在國際強對抗、戰(zhàn)術(shù)難預(yù)測作戰(zhàn)環(huán)境下,高價值目標精確攻防的精確打擊齊射競爭,自主人工智能和C4ISR作戰(zhàn)云系統(tǒng)導(dǎo)彈智能/可靠需求,系統(tǒng)容錯及重構(gòu)、時空基準統(tǒng)一、慣性基多傳感器集成技術(shù)成為重要發(fā)展方向,算法計算軟件和誤差模型完善將成為慣性系統(tǒng)智能化應(yīng)用的重大技術(shù)。冗余容錯、自適應(yīng)決策、自診斷自修復(fù)、自標定自檢測、自學習自補償?shù)淖则?qū)動自主傳感和嵌入到植入技術(shù)的從控制系統(tǒng)整體在線優(yōu)化軌跡獲得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最佳激勵或誤差規(guī)避、全數(shù)據(jù)采集處理自學習(機械學習)、邏輯推演算法、自驅(qū)動動態(tài)可調(diào)控補償成為慣性系統(tǒng)的新型標志。智能化是方向和必然,智能化的融入將給慣性技術(shù)領(lǐng)域帶來新活力。

(6)精度始終是慣性技術(shù)領(lǐng)域追求的目標

性能精度始終指引著陀螺、加速度計以及系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,同時推動相關(guān)前沿科學技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,提高精度主要通過挖掘現(xiàn)有技術(shù)、拓展新理論新機理以推出新思維的新型結(jié)構(gòu)儀表。宏觀物象微觀量化歸咎、通用尺度精密超精密極值量化判督、四維空間真值方位量化找準傳遞、多物理場微應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)的量化探究、微小角速率和微重力的靈敏量化感知、高動態(tài)大過載復(fù)雜環(huán)境下的微量量化傳輸、新概念新原理技術(shù)關(guān)鍵譜量的量化分離識別、特種專用功能結(jié)構(gòu)材料的量化核驗等是提高慣性技術(shù)精度的基礎(chǔ)。需要在深化誤差參數(shù)關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝、模型,重點突破特種材料、元器件和專用軟件技術(shù),關(guān)鍵要解決短板瓶頸工藝測試,千方百計綜合治理、統(tǒng)籌提高整機性能精度。

傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)子陀螺減小體積、提高精度的同時,其復(fù)雜程度、工藝實現(xiàn)難度、成本也相應(yīng)提高幾十倍,已近極致,挖潛空間很小。故應(yīng)以拓展為主,必須在新材料、新工藝、新原理上下大功夫。光學、波動式量子慣性產(chǎn)品已成趨勢,要在性能精度、體積質(zhì)量、功耗成本綜合性能優(yōu)化上下功夫。要重視 “質(zhì)量歸零”,不走過程,不推諉,要切實科學細化以問題關(guān)聯(lián)邏輯要素魚刺圖為基礎(chǔ),敏銳發(fā)現(xiàn)、認真分析、仔細復(fù)現(xiàn)、反復(fù)驗證迭代提升。MEMS慣性器件則應(yīng)科學定位器件模式路線(高精度振動環(huán)和中低精度、低成本微半球/多環(huán)碟型具優(yōu)勢)和需求方向。依托核心技術(shù)序列化、模塊化、標準化是滿足新時代裝備機動快速智能高精度低成本應(yīng)對占有裝備市場競爭和滿足不同需求、拓展擴大領(lǐng)域市場份額的良策。

(7)新型慣性器件發(fā)展方向

在量子物理科學等前沿技術(shù)發(fā)展推動下,在衛(wèi)星導(dǎo)航拒止裝備需求牽引下,新型慣性儀表不斷涌現(xiàn),處于高速發(fā)展態(tài)勢。光學(光子波動)陀螺技術(shù)已成熟,正在通過MEMS技術(shù)小型化,通過光子糾纏提升性能精度。其精度有望從戰(zhàn)術(shù)級、導(dǎo)航級延伸到戰(zhàn)略級,光子同頻共振感應(yīng)糾纏技術(shù)將消除噪聲,突破光學陀螺精度極限成為可能。半球諧振陀螺的高精度、高可靠、長壽命受到重視,全角積分/半角速率實時切換應(yīng)用,大大拓展了儀表應(yīng)用精度范圍,在盡力高精度結(jié)構(gòu)簡單化基礎(chǔ)上,陣列(多環(huán))微型化已成邁向?qū)Ш郊壍内厔荨Ｔ幼孕勇菀堰M入工程階段,光懸浮粒子慣性技術(shù)原理試驗樣機已完成?？梢?量子(冷原子/熱原子、光子和光動量懸浮粒子)、波動(原子/光子波動、固態(tài)波動和同頻共振感應(yīng)糾纏)技術(shù)已成為新型慣性技術(shù)突破性能精度的關(guān)鍵,量子(原子/光子陀螺、光動量懸浮陀螺、加速度計、微磁、微重力傳感器)傳感時代已經(jīng)到來。在盡力挖掘光學、波動慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,著力新型量子及量子糾纏技術(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和光懸浮粒子技術(shù)慣性產(chǎn)品基礎(chǔ)研究(理論機理、制造工藝、測試試驗、數(shù)據(jù)處理),推動新型慣性技術(shù)發(fā)展,適應(yīng)未來新一代高科技高要求導(dǎo)航。其中,原子與MEMS固態(tài)慣性技術(shù)器件的集成組合是提升慣性系統(tǒng)性能精度和動態(tài)反應(yīng)能力的有效技術(shù)途徑(國外已有應(yīng)用專利)。MEMS陀螺已在戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo),后續(xù)在微納米技術(shù)和微加工藝等發(fā)展的推動下,精度將覆蓋導(dǎo)航級。更具超高精度和微小體積的原子干涉或量子自旋新型陀螺將成為研究的新重點。

(8)測試與大數(shù)據(jù)應(yīng)用是慣性系統(tǒng)發(fā)展的基石

科學是測出來的,沒有測量就沒有科學。測量檢測和試驗驗證是高精密導(dǎo)航設(shè)備性能保證基礎(chǔ),是導(dǎo)航設(shè)備數(shù)字孿生和產(chǎn)品孿生數(shù)字誤差模型擬合、迭代、修正、改進、提升的橋梁,是完善驗證誤差模型的必需,如圖6所示。在重視專項超高精度檢測試驗的同時,應(yīng)注重多項技術(shù)綜合實驗的理論方法(低精度設(shè)備、高精度測量)、誤差激勵機理、手段裝備和規(guī)范標準體系的完善研究。建立高效、全面、準確測試試驗評估體系,是解決長期困擾的 “天地一致性”關(guān)聯(lián)應(yīng)用問題的迫切任務(wù)。開展高精度慣性儀表誤差激勵與響應(yīng)機理、模型參數(shù)辨識理論和高精度慣性儀表性能閉環(huán)試驗評估理論研究以及有效試驗方法驗證過載振動復(fù)合環(huán)境效應(yīng)對慣性導(dǎo)航測量精度影響機理研究至關(guān)重要,如圖7所示。

圖6 測試與數(shù)字化Fig.6 Diagram of test and digitization

圖7 測試技術(shù)思維Fig.7 Diagram of the testing technical cogitation

大數(shù)據(jù)為解決慣性系統(tǒng)使用過程中的故障診斷和故障預(yù)測、綜合提升慣性技術(shù)的應(yīng)用水平和科研生產(chǎn)制造水平提供依據(jù)。相關(guān)領(lǐng)域行業(yè)應(yīng)以區(qū)塊鏈(全型號系統(tǒng)/多型號全過程產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心、大數(shù)據(jù)多媒體推理專用平臺)形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、分析和挖掘體系,建設(shè)高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)全壽命周期測試大數(shù)據(jù)共享平臺,主要包括大數(shù)據(jù)形成技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)(數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示、挖掘算法、數(shù)據(jù)安全)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)和大數(shù)據(jù)資源統(tǒng)籌共享技術(shù)4方面,如圖8所示。充分發(fā)揮全源全系統(tǒng)全流程區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)集成運算推演解算剖析、數(shù)字孿生虛擬仿真,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航控制新規(guī)律,科學優(yōu)化全系統(tǒng)指標分配體系,創(chuàng)新導(dǎo)航控制新基礎(chǔ)理論方法,提升全系統(tǒng)整體應(yīng)用性能精度。區(qū)塊鏈解決多系統(tǒng)保密和數(shù)據(jù)共享,綜合統(tǒng)籌全系統(tǒng)技術(shù)指標科學分配的合理性、可行性與科學性固化降低成本,以提高系統(tǒng)整體應(yīng)用精度,克服精密儀表掣肘瓶頸。

圖8 大數(shù)據(jù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.8 Application of big data in inertial technology

(9)重視微應(yīng)力制造和熵逼近分析應(yīng)用

精密微細結(jié)構(gòu)是高價值設(shè)備系統(tǒng)的核心,更是武器裝備精確打擊的焦點和要害(精密慣性儀表精度決定制導(dǎo)70%以上；光學觀瞄直接影響飛機瞄準精度,100%反映在打擊誤差中)。精密必然微細,微細是精密(制造加工精度優(yōu)于微米、亞微米量級,尺寸介于10nm～0.1mm之間的微小型精密結(jié)構(gòu))的基礎(chǔ)與必然。精密武器裝備(高價值儀器設(shè)備)的戰(zhàn)標(性能精度)依賴于精密微細結(jié)構(gòu)制造。精密微細結(jié)構(gòu)形成過程和多物理場多應(yīng)力應(yīng)用耦合引起的時變附加誤差具有時空演變特性,影響和決定了結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)性能的精度和穩(wěn)定性,尤其精密裝配。精密結(jié)構(gòu)復(fù)雜,裝配接觸面和結(jié)構(gòu)體內(nèi)易引起非均勻應(yīng)力場及應(yīng)力集中,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和力學狀態(tài)時空演變,影響應(yīng)用精度。微應(yīng)力集成組裝是一個微應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力作為參考值來優(yōu)化集成組裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力分布,使得精密結(jié)構(gòu)體內(nèi)的應(yīng)力盡可能降到最低,達到微應(yīng)力水平,并且不隨時間變化而變化,從而將由應(yīng)力引起的不可控影響因素降到最小,最終實現(xiàn)精密機構(gòu)的高精度、高穩(wěn)定性和一致性。從裝配量化、微觀匹配方面考慮,關(guān)鍵零件的檢測效率低、未能全面反應(yīng)配合面是影響裝配精度的誤差因素,配合件之間的選配依賴人工技能、試裝損失加工精度、特征數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、匹配原則與模型的構(gòu)建、智能快速選配方法構(gòu)建、虛擬裝配技術(shù)與迭代(視覺對位檢測感知、力覺感知反饋調(diào)整、微力夾持及同軸裝配)技術(shù)研究。學習掌握熵概念,突破傳統(tǒng)幾何精度理論局限,精確表征零件實際幾何形狀誤差,用大數(shù)據(jù)一體化分析建模與誤差圖譜繪制優(yōu)化裝配工藝提升裝配精度。最大熵統(tǒng)計模型需要解決特征空間的確定、問題域特征的選擇、尋找約束條件,建立統(tǒng)計模型,基于最大熵理論建立熵最大模型對于產(chǎn)業(yè)和批量數(shù)字智能化制造具有重大意義,如圖9所示。

圖9 大數(shù)據(jù)下的精密制造和半球諧振陀螺精密組裝Fig.9 Precision manufacturing and precision assembly of HRG under big data

經(jīng)驗繼承模仿多、深入拓展創(chuàng)新少,單項定性分析多、微觀分類定量少,基礎(chǔ)常規(guī)應(yīng)用多、深層探索研究少,精密超精密在線、專用、特種微觀尺寸及其效應(yīng)的檢測、測量、量化手段與先進制造手段的發(fā)展不匹配。精密微細結(jié)構(gòu)綜合精度是最優(yōu)設(shè)計與最優(yōu)工藝(最優(yōu)綜合)的結(jié)晶,是多件組合應(yīng)力平衡的杰作。應(yīng)遵循單件應(yīng)力服從儀表總體應(yīng)力平衡原則,統(tǒng)從毛坯抓起,從低應(yīng)力到可控應(yīng)力,從細微深處統(tǒng)籌考慮。設(shè)計與工藝應(yīng)取長補短,以應(yīng)力平衡為目標,嚴肅工藝執(zhí)行紀律,規(guī)范優(yōu)化工藝流程程序和工藝參數(shù),實現(xiàn)工藝、設(shè)備、工裝、材料、檢測、控制等最佳科學量化配套,提高微應(yīng)力制造工藝技術(shù)水平。各電磁元件、零組件間同軸對位精度直接影響儀表三軸正交,導(dǎo)致輸入軸對準誤差、液浮磁懸浮支承耦合誤差等。從整表性能出發(fā),采用數(shù)字化、智能化優(yōu)勢,克服人為因素,提升制造自動化水平。微應(yīng)力制造是提升制造能力之本,量化工藝、量化參數(shù)是提升微應(yīng)力制造之源,強化產(chǎn)品全壽命過程數(shù)據(jù)集成,剖析微應(yīng)力制造機理關(guān)系,強化誤差模型軟件的創(chuàng)新和驗證是實現(xiàn)制造到創(chuàng)造、創(chuàng)造到智能制造的核心。與世界先進水平的差距就在于全壽命周期海量測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)沒有被充分挖掘、分析和應(yīng)用,制約了國防裝備精密微細結(jié)構(gòu)系統(tǒng)精度提升、可靠性分析和壽命預(yù)估的準確性。

精密超精密制造樣本少(數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)不明顯),微觀尺寸實現(xiàn)、檢測和保持困難,微觀尺寸引起的微觀效應(yīng)無法量化和防控,這些制約了慣性器件的低/無應(yīng)力制造。通過數(shù)據(jù)數(shù)理剖析、挖掘潛在規(guī)律算法、智能優(yōu)化等分析運算,發(fā)現(xiàn)影射規(guī)律和關(guān)聯(lián)關(guān)系,是精密微細結(jié)構(gòu)快速提升性能、精細結(jié)構(gòu)、深化機理、認知設(shè)計、保證可靠、有效補償?shù)膭?chuàng)新工具和手段。

(10)重視高端人才戰(zhàn)略

慣性技術(shù)融匯了力學、數(shù)學、化學、計算軟件科學和試驗科學等,是典型的多學科交叉和多技術(shù)融合,需要大量專業(yè)科學家、大國工匠和專業(yè)戰(zhàn)略科學、思維敏捷、策劃決策的專家,必須針對性培養(yǎng)慣性技術(shù)研究設(shè)計工藝應(yīng)用專業(yè)人才。精密微細結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝專家應(yīng)具有認真細致、精益求精、契而不舍的鉆研獻身精神,應(yīng)建立單件應(yīng)力平衡整體思維工藝及整件應(yīng)力平衡綜合應(yīng)用思維工藝理念,既精通數(shù)字化軟件,又了解熟悉精密微細結(jié)構(gòu)機理性能需求,應(yīng)是精密微細結(jié)構(gòu)力學、材料、物理學與專業(yè)化學等多學科領(lǐng)域的復(fù)合型人才。人才匱乏是慣性專業(yè)技術(shù)進步的短板,好設(shè)計易得,好工藝難求,要有相應(yīng)好的激勵人才政策,吸引穩(wěn)定有胸懷格局、有合作奉獻精神、有精悍學科技術(shù)的專家學者工匠,協(xié)同共進,共促慣性技術(shù)進步。

(11)自主創(chuàng)新迫在眉睫

未來新的多維戰(zhàn)爭模式中裝備精確攻防對抗博弈加劇,快速高效創(chuàng)新與應(yīng)用新技術(shù)者就能得到更多優(yōu)勢。慣性技術(shù)多年來習慣跟蹤和模仿多、自主創(chuàng)新少,而今慣性技術(shù)要發(fā)展,還要再靠引進？冷戰(zhàn)時期有巴黎統(tǒng)籌委員會,冷戰(zhàn)結(jié)束后有瓦森納協(xié)議,核心就是禁運中國,慣性技術(shù)就在其一。2018年的兩院院士會議強調(diào)“自主創(chuàng)新是攀登世界科技高峰的必由之路”,真正核心技術(shù)靠進口是絕不可能的,只有重視基礎(chǔ)研究,集聚智慧,從量變迭代到質(zhì)變,進而才能實現(xiàn)自主創(chuàng)新。同時,要敏銳著力慣性技術(shù)熱點、難點、關(guān)鍵點,集中人力物力組織集智攻關(guān)實現(xiàn)重點跨越、支撐發(fā)展、引領(lǐng)未來。

5 結(jié)論

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的高速發(fā)展,在海、陸、空、天及武器裝備需求牽引下,在現(xiàn)代物理學、計算機、電子技術(shù)和先進微制造技術(shù)綜合推動下,慣性技術(shù)取得了巨大進步,已成為人類全方位活動的重要支撐,是現(xiàn)代工業(yè)數(shù)字+智能化的基礎(chǔ),更是現(xiàn)代國防裝備精確打擊的關(guān)鍵。慣性技術(shù)的發(fā)展歷程決定著慣性技術(shù)的過去和未來,又左右著戰(zhàn)略新常態(tài)。目前,已由國防核心裝備象牙塔進入國民經(jīng)濟各領(lǐng)域成為科學發(fā)展的前沿。隨著多元智能武器裝備需求牽引,電子、光學、計算和軟件技術(shù)成為現(xiàn)代高新武器裝備、多種國民經(jīng)濟領(lǐng)域的高精度精確敏感、輕量自主智能保持、高可靠自動控制、輕質(zhì)小型快速、低成本抗惡劣環(huán)境的保障,相應(yīng)給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展提出更加嚴苛的要求。在應(yīng)對如此挑戰(zhàn)的同時,也將面臨難得的發(fā)展機遇。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革,粒子+人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、智能制造、新材料等前沿技術(shù)加速應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,也給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)升級帶來契機。光學、波動、量子慣性產(chǎn)品已成趨勢,將主導(dǎo)導(dǎo)航控制的今天和未來。在應(yīng)用挖掘光學、波動慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上,著力新型量子及量子糾纏技術(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和光動量懸浮力學疊加技術(shù)慣性產(chǎn)品研究,適應(yīng)未來大國新一代高科技發(fā)展要求。