近日，一臺(tái)邊長(zhǎng)達(dá)2.5 m的大型激光陀螺儀原型機(jī)在湖南建造成功并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，這是國(guó)際上目前投入實(shí)用的最先進(jìn)技術(shù)方案首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主試制。據(jù)悉，該原型機(jī)由湖南二零八先進(jìn)科技有限公司（下簡(jiǎn)稱(chēng)“二零八公司”）技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)，填補(bǔ)了我國(guó)在大型激光陀螺建造領(lǐng)域的空白，為進(jìn)一步推進(jìn)該領(lǐng)域的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

激光陀螺儀——航天航空關(guān)鍵器件，卻被外國(guó)長(zhǎng)期“卡脖子”

激光陀螺儀是高精度慣性傳感器的一種，主要用于感知物體的角運(yùn)動(dòng)，其核心是呈四邊形或三角形的環(huán)形激光器。與加速度傳感器組合制成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)后，可以不依賴(lài)GPS精確地解算出運(yùn)動(dòng)載體在空間中的位置，是航空、航天、航海領(lǐng)域的關(guān)鍵器件之一。由于其在導(dǎo)航制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域的巨大價(jià)值，激光陀螺儀一直名列各國(guó)出口管制清單之上。

目前國(guó)際上研究的激光陀螺儀主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是小型的激光陀螺儀，在導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛；一類(lèi)是大型的激光陀螺儀，具備大科學(xué)裝置特征。

小型激光陀螺儀一般邊長(zhǎng)在幾厘米至十幾厘米量級(jí)，眾多海陸空天武器裝備以及相關(guān)民用領(lǐng)域中均使用了激光陀螺儀作為核心導(dǎo)航部件，最著名的如美軍的F-35、F-22戰(zhàn)機(jī)，波音、空客等民用航空器等。目前，小型激光陀螺儀的研究與生產(chǎn)相對(duì)成熟，我國(guó)在2010年左右就已成為全世界第四個(gè)可自主量產(chǎn)小型激光陀螺儀的國(guó)家。

大型激光陀螺儀是指邊長(zhǎng)在米級(jí)以上的陀螺儀，巨大的面積優(yōu)勢(shì)賦予其極高的測(cè)量靈敏度和精度，其測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出小型激光陀螺儀，這使其在世界時(shí)（UT1）測(cè)量、地球物理、大地測(cè)量、地震學(xué)等領(lǐng)域有著全新的應(yīng)用。但隨著尺寸增大其研制難度大幅提升，研制過(guò)程也需要在小型激光陀螺儀基礎(chǔ)上多花費(fèi)五至十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)需要大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行支撐。目前僅有新西蘭、德國(guó)、美國(guó)以及中國(guó)的部分科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，屬于高精尖的基礎(chǔ)科學(xué)裝置。我國(guó)在大型激光陀螺儀技術(shù)方案上一直未能獲得突破，相關(guān)領(lǐng)域面臨“卡脖子”困境。

激光陀螺儀

有望實(shí)現(xiàn)高精度世界時(shí)（UT1）測(cè)量，我國(guó)大型激光陀螺儀獲重大突破

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航、航空航天等科學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，在某些應(yīng)用中通常需要用到高時(shí)間分辨率甚至是實(shí)時(shí)的UT1參數(shù)。但UT1具有實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，是地球定向參數(shù)(EOP，地球在空間的自轉(zhuǎn)角、地極坐標(biāo)（x、y）、歲差等參數(shù))中最難精確預(yù)報(bào)的參數(shù)，需要通過(guò)連續(xù)不斷地觀測(cè)來(lái)獲取，其解算的關(guān)鍵在于高精度測(cè)量地球參數(shù)——地球自轉(zhuǎn)角速度的瞬時(shí)值。大型激光陀螺儀作為一種高精度測(cè)量世界時(shí)（UT1）的重要技術(shù)，可以提供更加簡(jiǎn)潔獨(dú)立、實(shí)時(shí)性更好的手段，不僅在科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域有廣泛用途，在國(guó)防和航天領(lǐng)域也具有戰(zhàn)略重要性。

在接到國(guó)內(nèi)某單位大型激光陀螺儀原型機(jī)的研制需求之后，二零八公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性的提出了基于模塊化組裝的大型激光陀螺儀構(gòu)建方案和基于長(zhǎng)變焦成像的精密諧振腔準(zhǔn)直系統(tǒng)，克服了超大尺寸材料加工和超長(zhǎng)光路準(zhǔn)直的難題。在經(jīng)費(fèi)有限的情況下，自主搭建了超潔凈與隔振平臺(tái)，在狹小的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)盡最大可能先后完成邊長(zhǎng)1 m、1.5 m、2 m、2.5 m大型激光陀螺儀原型機(jī)的搭建，實(shí)現(xiàn)了出光閾值小于1 mA、地速自主出鎖、短時(shí)精度保持等初步目標(biāo)，積累了大型激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置、激光模式選擇等多個(gè)方面的重要數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于模塊化組裝的大型激光陀螺儀構(gòu)建方案完全可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種邊長(zhǎng)大型激光陀螺儀的諧振腔體構(gòu)建，制造成本遠(yuǎn)低于國(guó)外已有方案，屬于原始創(chuàng)新，該方案及相關(guān)技術(shù)已獲得專(zhuān)利授權(quán)。

目前，二零八公司的技術(shù)方案，已可支持邊長(zhǎng)3 m甚至更大尺寸的大型激光陀螺儀建造。

構(gòu)建研究—技術(shù)—產(chǎn)品完整鏈條，布局新一代慣性器件研發(fā)

總的來(lái)看，目前大型激光陀螺儀的研究仍需要克服眾多的困難。在過(guò)去的近三十年時(shí)間里，歐美等國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)，先后花費(fèi)了數(shù)十年的時(shí)間建設(shè)這一裝置。大型激光陀螺儀由于體積龐大、靈敏度高，與傳統(tǒng)小體積的激光陀螺相比，其制造方法和誤差機(jī)理均有天壤之別，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能任重道遠(yuǎn)、意義重大。

在“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念已經(jīng)提出若干年、美國(guó)國(guó)防部2021年又提出研發(fā)新的PNT 技術(shù)（Positioning, Navigation, and Timing Technologies）作為 GPS 的補(bǔ)充的大背景下，高端慣性器件作為重要支撐器件之一顯得尤為重要。同時(shí)，高精度慣性器件也是未來(lái)無(wú)人駕駛汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、室內(nèi)導(dǎo)航、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性器件，眾多場(chǎng)景創(chuàng)新都將有賴(lài)于其在性?xún)r(jià)比和產(chǎn)能等方面的進(jìn)一步提升。