惯性技术发展历程回顾与展望

0 引言

2020年是科氏力、科里奥利定则确立185周年,也是法国物理学家贾斯帕·古斯塔夫·科里奥利诞辰228周年；2020年是陀螺命名170周年、回转罗经发明168周年,也是法国物理学家莱昂·傅科诞辰201周年,更是人类惯性技术从现象发现—机理萌发—验证成律—工程实践—深化拓展—竞争繁荣的200年。

200年来,在惯性技术领域,一直以需求牵引、提高精度为宗旨,通过基础关键技术攻关、积极探索新理论、创新拓展新应用而不断努力。目前,惯性技术在传统机械转子陀螺的基础上,总结积淀、升华跃迁,创新促成了量子、波动等多种新型惯性技术仪表的诞生,形成了2个大类(转子自旋、波动干涉)、4个序列(传统机械、光学、固体波动、量子)约12种百余款不同机理、不同用途、不同结构款式、不同成本构架的工程型号应用惯性技术产品,同类精度相对提升4～5个数量级,体积缩小至原来的近1/60,寿命由几个小时提高到20万小时,应用领域也在不断扩展。本文对惯性技术200年发展历程进行了总结回顾,并对其未来发展进行了分析和展望。

1 惯性技术200年发展历程回顾

惯性技术自1835年确立、1850年形成,至今已有185年,经历了3次科学革命、4次技术革命和4次产业革命,经历了4次物理学革命、2次世界大战以及45年的大国冷战军备竞赛,尤其是大国称霸的2次主权论、3次抵消的颠覆性技术战略竞争。科学技术进步的同时,也极大地激发了惯性技术的蓬勃发展。在需求牵引和技术推动下,近200年,世界惯性领域专家一直以改善支撑摩擦和改变信号采集两个途径提高精度为惯性转子陀螺的终极目标。一方面,通过两小(摩擦、体积)一高(精度),传统机械转子陀螺实现了六代九种模式的不断进化；另一方面,通过阻抗、感抗、容抗,从电感到电流,从电流到频率,综合精度提高了4～5数量级。同时,随着量子、信息化、大数据的快速发展,惯性技术在机械转子陀螺发展的基础上,技术升华跃迁,迅速创新出现了量子自旋陀螺和波动干涉(量子、光学、固体、微机械波动干涉)陀螺以及光动量粒子自旋陀螺。科技进步复兴、国防装备的需求竞争极大地繁荣昌盛了惯性技术,如图1～图3所示。

图1 惯性技术发展与科学革命关系史Fig.1 Relationship between the development of inertial technology and the scientific revolution

图2 国际战略对抗模式变化与惯性技术发展Fig.2 Changes of international strategic confrontation mode and the development of inertial technology

图3 惯性技术200年发展图谱Fig.3 200-year development map of inertial technology

由图1～图3可知,科学进步复兴催生了惯性技术的新理论、新思维和新机理,一战、二战时期的制海、制空权说和战后大国冷战装备竞争(制海定位—制空导航—核战略制导—空间竞争稳姿稳向—深空探测、全方位全域小型智能控制)繁荣了惯性技术新的应用方法、新的领域市场、新的品种模式,惯性技术产品的性能精度也快速成熟提高。惯性技术作为战争国防装备高技术中的核心关键技术,需求迫切,受到世界各发达国家的高度重视,被列入高密工程,并且投入大量人力物力进行研究。如今,惯性技术又迎来了以量子信息与大数据为基础的量子+人工智能新时代,必将带来新的复兴和新的繁荣。

2 惯性技术国内外发展现状

21世纪,量子+人工智能时代已悄然到来,影响着人类的一切活动和科学进步。世界国防大国也在3次抵消战略下将人工智能、量子信息、大数据、云计算、区块链、物联网等前沿高科技嵌入并应用于军事中,提出了 “信息战” “导航战”“马赛克战”等作战概念。而导航系统作为武器装备不可或缺,攻防博弈性能与日俱增,光学陀螺、MEMS陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、原子陀螺、加速度计等惯性仪表及系统发展迅速,其具体精度指标如表1所示。

表1 惯性仪表精度指标Table 1 Accuracy of inertial instruments惯性仪表 精度（国内）/[（°）/h]精度（国外）/[（°）/h]三浮陀螺 0.0008(1年) 1×10-6(3～5年)静电陀螺 0.00014(1年) 1×10-11(3～5年)(空间应用精度)液浮陀螺 0.01(1年) 0.001(3～5年)挠性陀螺 0.01(5～10年) 0.001(3～5年)激光陀螺 0.003(5～10年) 0.0002(10～15年)光纤陀螺 0.001(5～10年) 0.00008(10～15年)微陀螺 0.4～100 0.05原子陀螺 原理样机 0.000002石英半球谐振陀螺 0.001 0.00004

2.1 陀螺发展现状

光学陀螺技术日趋成熟,精度突飞猛进,体积、功耗不断降低。激光陀螺精度优于0.0002(°)/h,光纤陀螺精度达0.00008(°)/h,光学陀螺及其系统应用已从战术级逐步拓展到战略级,在陆、海、空、天等多个领域中占主导地位,成为装备应用市场的主角[1]。激光陀螺还以小型化和性能改进为主,而光纤陀螺(干涉式/谐振式光纤陀螺和受激布里渊散射光纤陀螺)的精度/尺寸和成本综合性能不断提高,通过噪声抑制、精密绕环、光子纠缠、集成芯片等提高光纤陀螺的精度和稳定性,缩小体积和降低成本[2-7]。光学陀螺正朝着战略超高精度、导航强环境适应性、集成化、超小型、低成本方向发展。

文章来源：《中国惯性技术学报》 网址: http://www.zggxjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0709/729.html