国防科大研制激光武器器件中国海军一百个放心

2013-08-05 admin1 992

国防科技大学光电科学与工程学院院长秦石乔教授刚刚主持召开了一个项目阶段性报告会,又急匆匆地赶往某实验室,组织课题负责人现场会商某难题,他接受采访时说:“习主席要求我们牢记能打仗、打胜仗是强军之要,作为军队的科技工作者,就是要牢固树立实验室就是战场、搞科研也是打仗的理念。”

该院某研究所从事某激光器件研制已经40多年了,他们早在上世纪80年代就研制出了原理样机,但是能否真正在武器装备上发挥作用,当时大家心里都没有底。第一代学术带头人、一直从事激光陀螺研制、率先对激光陀螺的基本理论进行深入系统研究的高伯龙院士鼓动大家:“我们研制的器件,只有能够在装备上得到应用,才算尽到了军人的职责。我们必须一直到研制出实用性强的器件为止。”最终在上世纪90年代研制出了实用化的激光器件,并研制成功有关激光陀螺原理样机、实验室样机,为国内领先;工程化样机具有独创性,可以进入实用阶段,同时小批量供有关部门使用,并正在研制新品种。同时,为解决激光陀螺研制中高精度光学检测问题,又研制出一系列精密检测仪器。

高伯龙在实验室

新世纪初,某新型器件由于性能优异,被海军部队选作核心导航部件,靶场试验屡获成功。海军某领导在试验现场夸奖道:“这是海军部队此类试验第一次取得百分百的成功,非常值得庆贺啊。”但是,研究所的科研人员生怕器件还存在问题影响作战性能,又组织了一次次严格的试验。果然发现器件光强不太稳定,会对若干年后的使用造成隐患。

在党委会上,研究所的科研人员统一了思想:不能因为今天丢脸,就为明天的使用留下隐患。他们主动找到海军相关部门,说明了情况。海军领导对此很是理解,主动提出给他们半年时间查找解决问题的方法。最终,他们改进了该型器件,并使得某武器平台的打击精度有了较大的提高。海军领导高兴地说:“你们是干实事的人,武器装备由你们研制,我们上战场一百个放心。”

矢志激光永不悔

在国防科技展厅,激光技术展示格外引人注目,一束束神奇的光芒,正向人们显示着科学的魅力。这是两项国家重点攻关项目——“全内腔绿光氦氖激光器”和“环形激光器”,它的主要完成者,国防科技大学教授高伯龙。他以超凡的智慧和百折不回的毅力,为中国激光技术领域填补了七项空白,以十余篇(部)精辟的论文和专著把中国激光技术的若干理论推到了世界前列,并为这个领域培养造就了一批高质量的博士、硕士研究生,先后获得多项国家和军队科技成果奖。

高伯龙是激光物理专家,中国工程院院士。广西岑溪人。1951年清华大学物理系毕业。长期从事理论物理及激光技术的研究和教学工作,主持研究的“全内腔绿(黄、橙)光氦氖激光器”获国家科技进步二等奖。1996年获解放军首届专业技术重大贡献奖。历任中国科学院应用物理研究所实习研究员,哈尔滨军事工程学院主任教员、讲师、副教授,长沙工学院物理研究室、激光研究室副教授,国防科技大学应用物理系教授、环形激光器研究室主任、博士生导师。1997年当选为中国工程院信息与电子工程学部院士。是国务院学位委员会学科评议组第二、三届成员,国家863高技术专家组成员,中国惯性技术学会理事、 名誉理事,全国政协第七、八届委员。

50年代初的清华大学物理系有几个出类拔萃的高材生,其中之一便是高伯龙。他立志要当一名有成就的理论物理学家。1954年,由于工作需要,高伯龙被选调到解放军哈尔滨军事工程学院,他一口咬定要进物理教研室,专心在理论物理的海洋中酣游畅想。

然而,历史的机遇促使他改变了初衷,将自己的选择毫不犹豫地标定在祖国的需要上。

60年代初,美国发明的世界上第一台红宝石激光器和第一台氦氖红光激光器,引发了世界光学领域的一场革命。把激光应用于航空航天领域的设想,更引起了包括我国在内的世界各国科学家的普遍关注,并纷纷开始进行“环形激光器”的研制工作。然而,专家们没有料到,这项工作竟会如此之难,其中的关键技术——基础工艺成为世界性的难题。

1971年,在钱学森教授建议下,国防科技大学成立了激光研究实验室。校领导深谋远虑,专门把高伯龙调了进来。

“搞激光,对希望从事理论物理研究的我来说,也许是个损失,也是我事业上一次艰难的选择。”高伯龙在接受采访时感慨地说。这确是一次艰难的选择。高伯龙自信在理论上决不比外国人逊色,可是,代表一个国家整体工业发展水平的基础工艺,并不是可以在短时间内一蹴而就跻身世界前列的。然而,迎难而上,为他人所不敢为,正是高伯龙的性格。他说:“环形激光器是衡量一个国家光学技术发展水平的重要标志之一。不干就可能给国家留下空白,要干,就干这个世界性难题”。

他把目光盯在了世界光学领域的最前沿,以自己非凡的智慧去攻占事业的制高点。1975年,高伯龙从国外资料中看到了一份美国研制某种环形激光器的简报,虽是不足千字的短文,高伯龙却慧眼识珠,以自己深厚的理论根底、非凡的数学物理分析能力,对此进行了深入推论,不仅形成了严密的理论设想,还发现了对方不少设计理论上的缺陷。从那时起,高伯龙开始了他整整20年的艰辛探索,开始了对适合中国国情的环形激光器研制理论锲而不舍的实践。20年中,虽然不断有人对他的研制理论和方法表示怀疑,甚至反对,但高伯龙对攻克世界性难题的信心不曾有过一丝动摇。当环形激光器通过国家鉴定时,一位专家曾感慨地说:“国防科技大学能搞成环形激光器,是与高伯龙教授百折不回的精神和毅力分不开的”。

作为激光技术领域的世界性难题,环形激光器研制工作在国内几经沉浮。从六十年代开始,中国曾有多家单位投入力量开展研制,但先后由于工艺技术过不了关,精度难以达到要求而中止。而高伯龙主持的国防科技大学激光研究室,历尽磨难坚持搞了下来。它似一棵劲松挺立在科学的峰峦上,几经风霜雪雨,坚韧不拔。环形激光器的研制工作从一开始就在重重迷雾中艰难摸索,到1978年,终于制成第一代实验室原理样机。

此时,有人提醒高伯龙:“要使原理样机过渡到实用阶段,还需进行工程化处理,而激光器上反射膜片质量要求非常高,根据国内现有的工艺技术水平,要突破这道难关几乎不可能。不如趁早体面地收场,向上报个奖了事”。

高伯龙火了:“我们能干到今天这一步多么不容易,怎么说退就退呢?不管遇到多大困难,一定要干出中国的环形激光器!”可是,要突破工艺难关,谈何容易?一批批膜片被加工出来,又一批批地报废,研制工作陷入了困境。不少人面对一次次失败显露出悲观情绪:“工艺上不去,我们干也白干”。

高伯龙沉默着。作为当时国内唯一坚持研制工作的实验室,如果不搞下去,环形激光器就将彻底夭折,我国激光技术与国外的差距就会越拉越大。他毅然决定,暂时放下多年的理论研究,把研究方向转入基础工艺。 于是,高伯龙把实验室变成了“生产车间”,放弃对国内现有工艺的依赖,自己潜心搞起基础工艺研究来。为了解决环形激光器“头号”关键技术——多层介质膜的检测问题,高伯龙凭借其高屋建瓴的理论功底,经过几年摸索,研制成功了中国第一台激光高精度全程测量设备——DF“透反仪”。直到目前,它仍是激光检测的主要仪器。

1984年初,高伯龙带领科技人员制成了改进的某型环形激光器实验室样机,这一成果解决了大量理论和技术工艺问题,为进一步研制、生产环形激光器提供了技术基础和条件。当一些人又觉得该松口气的时候,执拗的高伯龙却不肯轻易罢休。他根据现有的工艺技术水平,提出了进一步发展工程化的某型环形激光器的新设想。这当时在国外尚无先例,只能靠自己探索。

又是反复实验、反复失败。高伯龙组织科研人员在镀膜理论、改造镀膜机、监控、检测等方面做了大量工作,但在反射膜技术上始终没有突破。一个时期内,他曾尝试在理论和技术上作些让步,这一转变,虽然降低了镀膜的要求,在工程化方面取得了进展,但一些重要性能仍达不到要求。

1993年初,有关方面要求国防科技大学按合同限期交上合格产品。高伯龙认为只有下决心攻克镀膜难关才能达标,于是他决定背水一战,并立下军令状:保证几月之内交出工程化的新型样机。在短短的几个月里,干成环形激光器的新型工程化样机,对许多人来说似乎是“天方夜谭”。连室里的技术骨干也都感到没有信心,有的发起牢骚:“不说几个月,就是三年恐怕也成不了。”

大伙的灰心是有道理的,镀膜难题多年解决不了,哪能短时间就产生飞跃呢?

高伯龙依然沉默,信心却没有一丝动摇。多年前,他就在理论上对新型样机进行了大量推算和论证,并通过实验积累了丰富经验。他坚信,只要再下些功夫,镀膜技术是可突破的。

当高伯龙教授一位已毕业的博士向他征求毕业后工作的意见时,他不假思索地回答:“镀膜!” 这位博士先是一愣,尔后马上明白了教授的良苦用心。他结合高伯龙的理论分析,依靠他在材料科学方面的功底和细微的观察、试验,经过5个多月,终于摸索出一套镀膜新方案。

当新的镀膜片通过试验时,实验室所有的人欣喜若狂。一种型号环形激光器工程化样机,终于研制成功了,并于当年在北京通过了专家鉴定。

在此期间,高伯龙还率领技术人员研制成功了全内腔绿色氦氖激光器,使中国成为继美国、德国之后第三个掌握这种制造技术的国家。

结语

国防科技大学虽然是院校,是装备承研单位,但是他们同样是军人,深知为部队提供管用、好用的高新装备的重要性。就是抱着这样一颗心,前仆后继的光电人为铸造共和国利剑作出了重大的贡献。

相关背景:

详解激光陀螺技术及其典型应用

1、激光陀螺简介

激光陀螺是基于Sagnac效应来测量角速度的光学仪表。所谓Sagnac效应是指,在任意形状的闭合光路中,从某观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后再次回到该观察点时,这对反向运行光波所经历的光程将由于闭合光路相对于惯性空间的旋转而不同,光程差与闭合光路的转动角速率成正比。激光陀螺的基本元件是环形激光器,与通常的直腔或折叠腔激光器的主要区别在于它是一种行波激光器,沿环形谐振腔顺时针和逆时针运行的激光能够以不同的频率独立振荡。激光的谐振条件要求腔长为激光波长的整数倍,因此Sagnac效应所导致的光程差转换成反向运行激光的频率差,该频差与环形激光器相对惯性空间转动的角速率成正比。通过测量激光陀螺瞬时的频差或一段时间内拍频振荡周期数,即可实现角速率或角度的高精度测量。

美国斯佩里公司于1963年演示了世界上第一台激光陀螺装置,掀起了激光陀螺研制的热潮,但马上就遇到了一大困难,即闭锁问题。由于光学元件的背向散射和环形谐振腔的损耗非均匀性,激光陀螺中的反向光波发生耦合,结果是它们的振荡频率趋于同步,不能测量较低的角速率。闭锁阈值典型值为100o/h,比一般惯性导航的要求大4个数量级。为了使激光陀螺能够测量较小的角速率,需要采用偏频技术,不同偏频方案就衍生了不同类型的激光陀螺。

较为自然想到的一种方案是给激光陀螺一个较大的实际或等效的恒定角速度,使其测量区域偏离闭锁区域,称为恒定偏频,这种方案遇到的最大困难是对偏频的稳定性要求极高而难以实现。四频差动法巧妙地克服了这个问题。在四频差动激光陀螺中,两个正交偏振的二频激光陀螺共用一个谐振腔,它们的偏频相同但对角速度的响应符号相反,通过对两个激光陀螺的频差再次差动,即可将偏频消除而且获得双倍的灵敏度。在实际研制中这种方案的关键是克服腔内偏频元件的不利影响。美国前利顿公司(现并入诺斯罗普-格鲁曼公司)在1991年开始批产这种激光陀螺,注册商标为零闭锁激光陀螺。

机械抖动偏频是应用最广泛的方案,它使激光陀螺不停地以小幅度高频率振动,在输出频差中再将抖动偏频扣掉。尽管在一个抖动周期中经过两次锁区,但由于过锁时间极短而对测量精度影响很小。机械抖动偏频的主要缺点是机械振动容易对系统中其它传感器产生干扰,增大了激光陀螺随机游走,增加了信号延迟使测量带宽降低。

利用增益介质的塞曼效应或反射镜的磁光克尔效应也可为激光陀螺提供等效的抖动偏频,这两种方案精度较低,主要原因是偏频装置对环形激光器中的激光模式产生了不利影响,但因其无机械活动部件而适合用于高冲击振动的场合。速率偏频是介于恒定偏频和抖动偏频之间的一种方案,它与机械抖动激光陀螺采用相同的环形激光器,相当于大幅度低频率抖动。因其过锁区时间更少,其随机游走指标优于机械抖动激光陀螺,缺点是使用了大幅度偏频转台,实用性不如机械抖动激光陀螺。

与传统的机电陀螺相比,激光陀螺的主要优点有:(1) 可靠性高、寿命长;(2) 启动速度快;(3) 动态范围大;(4) 比例因子线性度好;(5) 抗振动冲击性能好;(6) 体积小、重量轻、功耗低;(7) 数字量输出;(8) 无交叉耦合效应;(9) 对加速度不敏感。这些特点使它特别适用于构建捷联式惯性导航系统。

一个环路的激光陀螺只能敏感一个方向的角速度,一般的惯性导航系统要使用三只激光陀螺。为了减小系统的体积和重量,可在一块腔体上加工三个激光陀螺,即集成三轴激光陀螺。美国吉尔福特公司和法国萨克斯坦公司的三轴激光陀螺技术最为先进。

激光陀螺的主要评价指标是零漂、比例因子和随机游走。目前中高精度激光陀螺的典型指标为零漂误差(0.01-0.001)o/h,比例因子误差(10-1)×10-6,随机游走(0.005-0.0005)o/h1/2。

2、激光陀螺的典型应用

2.1 惯性导航与制导、姿态测量与控制

激光陀螺最重要的应用是惯性测量如惯性导航和制导、姿态测量与控制。惯性导航是一种自主的导航技术,它不需要外界信息即可实现导航,因此具有隐蔽性好、不受外界干扰等优点,在军事场合具有重要的价值。机载合成孔径雷达和红外传感器、舰载卫星通信天线、星载红外传感器和摄像机等需要精确的传感器姿态信息来对传感器的运动进行补偿或者对传感器的姿态进行控制。

在航空上,陀螺仪用来测量飞机的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)和角速度,以它为核心构成的惯导系统可以为飞机提供姿态、航向、速度和位置,即导航所需的所有参量,因此被称为飞机上的中心信息源。目前大多数西方的军用和民用飞机都采用激光陀螺惯导系统,如F-22、F-35、SU-30等战机以及B747、A320等民航机。

在航海上,陀螺仪早已成为航海的重要导航仪器。航海惯导能够为舰船提供位置、姿态、速度等数据,不仅可用于舰船自身的导航,还可为舰载武器提供方位基准或稳定平台。Sperry公司的MK39系列激光陀螺惯导系统已被超过24个国家的海军用于各种舰船平台,MK-49 激光陀螺导航仪已成为北约12个国家的标准设备,AN/WSN-7系列激光陀螺导航系统是美国海军水面舰船和潜艇的标准设备,并在2001就已完成全部航母换装此系统的工作。

在地面上,坦克、火炮等常规兵器的机动能力和运动中攻击能力对保存自己、打击敌人极为重要,这就要求它们具有定位定向和导航能力。1989年开始使用的H-726型激光陀螺美军标准地面导航系统,就已用在“帕拉丁”自行榴弹炮、瑞典的BKAN1A和FH-77B型榴弹炮,各种精密测量侦察车和布雷德利战车等装备上。

在惯性制导上,目前各种战术导弹和战略导弹广泛采用陀螺仪来测量导弹的姿态和航向,进行制导控制。美国的小型洲际弹道导弹“侏儒”、2005年部署的最新型Block III战斧巡航导弹、法国的ANS超音速反舰导弹均采用激光陀螺。随着激光陀螺的小型化和成本的降低,激光陀螺开始进入制导弹药领域,如Honeywell研制的GG-1308小型激光陀螺,惯组型号之一为HG1700,曾用在联合攻击制导炸弹(JDAM)上。

在航天上,陀螺仪是运载火箭、人造地球卫星、宇宙飞船等航天飞行器的姿态稳定和控制系统的重要组成部分。法国研制的激光陀螺在1988年成功用于阿丽亚娜4火箭发射,这是世界上首次在运载器发射中采用激光陀螺惯性系统。

导弹预警卫星在美国国家导弹防御计划中占有重要地位,它装备有红外扫描传感器和辅助凝视传感器等,能够准确地探测和跟踪弹道导弹。在美国最新的天基红外系统中,地球同步卫星采用了激光陀螺惯性系统来为星载传感器提供定向和跟踪等功能。

现代战争中,情报收集系统是指挥自动化系统的眼睛。美国Northrop Grumman公司研制的LN-120G惯性/GPS/恒星定位系统采用零闭锁激光陀螺作为惯性单元的角速度传感器,能为RC-135战略侦察机提供精确的航向和定位信息,使之能够精确探测和侦察敌方目标,经分析后分发到战斗单元。

将激光陀螺安装在望远镜上可以实时提供其角坐标,通过计算机求出实际角坐标与目标角坐标之间的差值,然后对其姿态进行控制可使之实时跟踪目标,精度可达亚角秒。与光学编码器和圆感应同步器相比,激光陀螺体积小、分辨率高,而且安装调整非常简单。

2.2 动态测角

角度测量是几何量计量技术的重要组成部分,激光陀螺可以实现高精度和高分辨率的动态角度测量。俄罗斯电子光学公司(Electrooptika Corp.)研制的激光陀螺测角仪可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转体的外部角度测量等,随机误差0.03角秒,单次测量的总误差小于0.2角秒。激光陀螺测角技术除了精度和分辨率高之外,还有易于自校准、测量速度快等优点。

2.3 地球物理学、基础物理学

激光陀螺在科学研究领域也有很大的用途。通过增大激光陀螺的尺寸可显著提高精度,新西兰和德国联合研制了超大激光陀螺,其中的UG-2型超大激光陀螺的环路面积达834 m2。用超大激光陀螺可以观察微小的地震效应、固体地面潮汐效应(solid earth tides,不同于海洋潮汐效应),还有望用来测量引力波等几种相对论效应。

3、激光陀螺应用前景

惯性导航系统的一大缺点是误差随时间累加,采用多传感器信息融合的组合导航、零速修正和旋转调制等技术可以从一定程度上克服该问题。采用GPS、星敏感器等与惯性系统进行组合,可大大提高激光陀螺导航系统的精度,减小误差随时间的积累。在实时性要求不高的场合,可以采取零速修正技术,能够将定位精度从纯惯性的1海里左右提高到米的量级,适用于对实时性要求不高的场合,如大地测量。采用旋转调制技术后,激光陀螺惯性导航系统的精度能提高1到2个数量级,适合于长期导航。

激光陀螺以其独特的优点在军事、民用和科研等领域具有广泛的应用。美国霍尼韦尔公司仅型号为GG-1320的激光陀螺即已生产了25万只以上,且目前仍以1.7万只每年的产量全速生产,诺斯罗普-格鲁曼公司的零闭锁激光陀螺也已生产了3万只以上。尽管在价格上面临微机电陀螺、光纤陀螺等陀螺的竞争,但在中高精度应用领域,激光陀螺仍有广阔的市场。

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