093型攻擊型核潛艇、094型彈道導(dǎo)彈核潛艇潛伏在蒼茫大海深處；055型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦正在南海游曳；各級別護衛(wèi)艦、登陸艦、輔助艦……拱衛(wèi)著我國的藍色領(lǐng)土。
東風(fēng)–31A、東風(fēng)–41、東風(fēng)–5B等洲際彈道導(dǎo)彈隨時候命，巨浪–2海基洲際導(dǎo)彈已在弦上。
這些都是我國最先進的戰(zhàn)略武器，我國國防的底氣，國之重器。
然而，要讓它們準確地奔赴戰(zhàn)場，精準地命中目標，都離不開一個巴掌大的傳感器——激光陀螺。
這個傳感器，全球只有四個國家能造出來。為了這個傳感器，我國兩次研發(fā)失敗，錢學(xué)森多次囑咐交代，一位院士窮盡一生。
最終，我國用了20年艱苦攻關(guān)才做出樣機，40年迭代磨煉才最終實戰(zhàn)裝備！
現(xiàn)在，敵人在威脅中國之前都要三思了，因為中國的東風(fēng)快遞可不會迷路！
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激光陀螺是一種高精度慣性傳感器，嚴格來說是角速度傳感器——常稱為陀螺儀，是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。
激光于1960 年在世界上首次出現(xiàn)。1962 年，美、英、法、前蘇聯(lián)幾乎同時開始醞釀研制用激光來作為方位測向器，稱之為激光陀螺儀。1970年代，激光陀螺正式用于指導(dǎo)武器上。
隨后，激光陀螺成為現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件，是一個國家工業(yè)、國防、高科技實力的重要體現(xiàn)。
目前全世界能夠做出高精度激光陀螺的國家不超過4個——美、俄、法、中——我國是世界上第四個自主研發(fā)出激光陀螺的國家，這個數(shù)字遠小于五常國家和擁核國家的數(shù)量！
激光陀螺有多重要？
印度布朗導(dǎo)彈的根本原因
激光陀螺的實力基本是各國航天、航空、導(dǎo)彈實力的體現(xiàn)！
我們的鄰國印度，號稱世界軍力前五，早已宣稱要登月，探索火星，但其航天設(shè)備常常在發(fā)射過程中，出現(xiàn)偏離軌道、不能正確著陸等情況，其自研導(dǎo)彈發(fā)射也時常出現(xiàn)布朗運動，受世界人民矚目。
其根本原因就是印度沒有掌握高精度的激光陀螺技術(shù)，甚至普通機械式高精度陀螺儀技術(shù)是否完全掌握也成疑。印度的激光陀螺采購自俄羅斯。
▲印度布朗運動彈，專打自己人
東風(fēng)快遞，使命必達的關(guān)鍵
我們知道，洲際彈道導(dǎo)彈是一個國家核打擊力量的重要依靠，是一國之重器。
東風(fēng)-41型導(dǎo)彈是目前我國射程最遠、攜帶彈頭最多、威力最強的洲際彈道導(dǎo)彈。其射程為12000～15000千米，最多可配備10枚核彈頭，飛行速度25馬赫，圓周概率誤差為100～200米。該型導(dǎo)彈采用分導(dǎo)式多彈頭，西方目前的技術(shù)是無法攔截的。
有沒有想過，在無人干預(yù)的情況下，我們的東風(fēng)快遞怎么準確送到敵人家？要飛行12000公里，而圓周概率誤差僅為100~200米！
衛(wèi)星導(dǎo)航？顯然不行，再先進的衛(wèi)星導(dǎo)航都會被干擾，甚至關(guān)鍵時刻，北斗衛(wèi)星都被打下來了，怎么導(dǎo)航？只能靠導(dǎo)彈自己的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)！
▲東風(fēng)-41導(dǎo)彈
現(xiàn)代武器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是非常復(fù)雜且高度保密的設(shè)備，我們無從知道東風(fēng)導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如何，但任何一種慣導(dǎo)系統(tǒng)都嚴重依賴高精密的加速度計和陀螺儀進行瞬時速度和方位角計算，以此來調(diào)整自身飛行方向。陀螺儀（角速度傳感器）感知上下前后各個空間的方位，因此成為最核心的設(shè)備。
根據(jù)數(shù)學(xué)知識，因為地球是圓的，導(dǎo)彈要在大氣層中飛行上萬公里到達目的地，其產(chǎn)生的圓周概率誤差與精度之差存在指數(shù)級關(guān)系，用成語來說就是：失之毫厘謬以千里。
導(dǎo)彈在飛行過程中，需要靠陀螺儀邊飛行邊修正，才能準確到達目的地。同時，現(xiàn)在導(dǎo)彈都是以數(shù)倍音速的速度飛行，非常快，因此要求陀螺儀的修正數(shù)據(jù)要快，要及時，每秒修正幾十次，甚至上百次，才能正確到達目的地。
導(dǎo)彈不可怕，可怕的是長有眼睛的導(dǎo)彈。所以高精度的陀螺儀是擁核大國的不傳之秘，目前這種陀螺儀就是激光陀螺。
▲長征五號B火箭
長征火箭、太空站都要靠激光陀螺
2020年5月長征五號B運載火箭在文昌成功首飛，拉開了我國空間站建設(shè)大幕，這才有了我國轟轟烈烈的天宮空間站建造行動。
長征五號B遙一運載火箭是我國服務(wù)載人登月用途的新一代火箭，也即是有了這個火箭，中國才有了建設(shè)空間站，載人登月的底氣。
長征五號B火箭發(fā)射質(zhì)量重達837.5噸，是世界現(xiàn)役火箭中唯一一款一級半構(gòu)型運載火箭，名副其實的大胖子。而在進入軌道運行中，卻要求這個胖子有拿繡花針刺繡的控制度。長征五號B火箭在飛行中準確入軌存在幾大困難：
①飛行過程中需要分離一對高達20.5米相當于6層樓房高度的超大尺寸整流罩，其產(chǎn)生的震動對飛行軌道偏離有很大影響；
②船箭分離， 火箭芯級與二十余噸的飛船分離，將產(chǎn)生較大震動；
③火箭飛行末段，發(fā)動機關(guān)機剎車對速度的控制要求極為精細。
▲長征五號B運載火箭超大整流罩
如何修正各種震動帶來的影響，讓火箭能夠正確進入預(yù)定軌道？只能通過基于激光陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，對飛行姿態(tài)不斷進修修正。同時結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航、攝動和迭代的接力式制導(dǎo)方案，使火箭可以精確感知自身姿態(tài)、實際飛行彈道、速度等信息，讓箭載計算機做出正確決策。
無論是洲際彈道導(dǎo)彈，還是載人航天的實現(xiàn)，激光陀螺在其中都扮演這關(guān)鍵作用。這也折射出傳感器這一隱形王者的特質(zhì)——東西雖小，作用巨大，沒它不行！
為什么是激光陀螺？
我們知道，陀螺儀（角速度傳感器）有許多種：滾珠軸承自由陀螺儀、液浮陀螺儀、靜電陀螺儀、撓性陀螺儀、MEMS陀螺儀、光纖陀螺等，為什么激光陀螺這么被各國看重？
我們先來看看激光陀螺的工作原理，其基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)，當環(huán)形激光器相對于慣性空間轉(zhuǎn)動時，順、逆時針方向運轉(zhuǎn)的光將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動線性相關(guān)的光程差。依據(jù)對環(huán)形激光器輸出光相位的實時檢測，獲得物體相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動角速率。因此，激光陀螺有時也叫做環(huán)形激光陀螺。
▲一種環(huán)式激光陀螺
可以看到，激光陀螺的工作原理區(qū)別于傳統(tǒng)的機械式陀螺儀，而傳統(tǒng)機械式陀螺儀是根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向受外力影響時的變化來制作，激光陀螺是一種特色鮮明的角速率傳感器。
1960年世界上第一個寶石激光器誕生。1963年，美國Sperry公司首次報道了激光陀螺原理試驗，利用邊長1 m的正方形閉合光路首次測得50o/h的低轉(zhuǎn)速，引起了慣性技術(shù)領(lǐng)域的轟動。
▲1963年美國Sperry公司展示第一臺激光陀螺演示裝置
之后，美國、前蘇聯(lián)、法國等軍事大國，看到了激光陀螺在航天航空、國防軍事領(lǐng)域的巨大前景，紛紛跟進研究。1964年，世界各國有幾十家研究機構(gòu)相繼開展了激光陀螺研究，轟轟烈烈的激光陀螺熱潮涌起，隨后各種激光陀螺相繼出現(xiàn)，技術(shù)不斷進步、性能不斷提高。
1970年代末，美國正式將激光陀螺列裝到現(xiàn)役武器中，1991年，海灣戰(zhàn)爭中，美國戰(zhàn)斧導(dǎo)彈一戰(zhàn)成名，世人矚目，其慣導(dǎo)系統(tǒng)核心部件就是激光陀螺。同時，美國也將空中轟炸堡壘——B-52轟炸機等導(dǎo)航系統(tǒng)更新為環(huán)形激光陀螺系統(tǒng)，激光陀螺重要性可見一斑。
▲美國B-52戰(zhàn)略轟炸機
與傳統(tǒng)機械式依靠轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀相比，激光陀螺的主要優(yōu)勢在于：沒有轉(zhuǎn)子活動部件，受震動、沖擊等影響小，精度高、長期精度穩(wěn)定性好、測試重復(fù)性極好、壽命長。
同時，與一樣是光學(xué)陀螺儀的光纖陀螺相比，激光陀螺的標度因數(shù)非常穩(wěn)定，且動態(tài)特性好。
總之，到目前為止，雖然各種新型陀螺儀不斷出現(xiàn)，但是還沒有出現(xiàn)一種在實際環(huán)境下綜合性價比、環(huán)境適應(yīng)性能和激光陀螺媲美的慣性傳感器！
2010年國外某權(quán)威慣性技術(shù)專家評價說：對標度因數(shù)穩(wěn)定性要求極高的中等精度應(yīng)用中，零鎖區(qū)激光陀螺應(yīng)是首選。
因此，激光陀螺在各種陀螺儀中脫穎而出，成為各個大國爭先投入巨資研發(fā)的重要傳感器技術(shù)。
背心院士——中國激光陀螺背后的男人
在1960年代，國際主要軍事強國掀起激光陀螺研究熱潮的時候，我國就已跟進該項研究，然而因為基礎(chǔ)落后，當時我國已經(jīng)兩次受挫——研發(fā)失敗。
時任國防科工委副主任的錢學(xué)森看到了激光陀螺這項傳感器技術(shù)對我國航天航空和國防軍事事業(yè)的重要意義，這是關(guān)系重大的關(guān)鍵技術(shù)??！錢學(xué)森不甘心放棄。
1971年，錢學(xué)森將用兩張用英文書寫著公式的照片，交給了國防科技大學(xué)的前身——長沙工學(xué)院，將這一國之重器的研發(fā)希望寄托在了這里。而這兩張照片，就是當時中國對于激光陀螺的全部資料。
▲錢學(xué)森
在錢學(xué)森的指導(dǎo)下，國防科技大學(xué)成立激光教研室，開始了艱難的探索之路。同期，我國有十多家單位開展這項研究，最后絕大多數(shù)都因基礎(chǔ)工藝過不了關(guān)而放棄。
此時，中國對激光陀螺的所有資料只有這兩張照片，沒有任何實物。而且中國當時的經(jīng)濟條件落后，各種技術(shù)設(shè)施、技術(shù)手段都是各大國墊底的存在。加上彼時西方國家對中國的技術(shù)封鎖已經(jīng)開始，無法從外國獲得技術(shù)協(xié)助——事實上這一重要技術(shù)任何國家也不會輕易外露。
在此環(huán)境下，根據(jù)兩頁紙造出激光陀螺，無異于讓一個從未見過火箭的人拿著錘子造個火箭出來。
這時候，天選之子出現(xiàn)了，他就是中國激光陀螺奠基人、中國工程院院士高伯龍，外號背心院士。
▲穿軍裝的中國激光陀螺奠基人、中國工程院院士高伯龍
▲穿背心的中國激光陀螺奠基人、中國工程院院士高伯龍
1975年，全國撤銷基礎(chǔ)課部，高伯龍離開講臺，被304激光教研室收容，我們上文說過，該室主要就是搞激光陀螺研究的。
從此高伯龍跟激光陀螺耗上了，接下來用了40載歲月，一舉推動我國激光陀螺事業(yè)發(fā)展，與美國縮小了20年差距。
高伯龍數(shù)理功底深厚，通過大量計算，結(jié)合實驗對激光陀螺進行了深入理論研究，竟被他從兩張紙里反推出激光陀螺的若干關(guān)鍵理論認識和結(jié)論，破譯了錢學(xué)森留下的密碼。
1976年，在全國激光陀螺學(xué)術(shù)交流會上，進入該領(lǐng)域不到一年的高伯龍一鳴驚人——提出了我國獨有、完全沒有任何成功經(jīng)驗可借鑒的四頻差動陀螺研制方案，并認為，仿制美國十年內(nèi)都不可能成功，因為我國基礎(chǔ)材料科學(xué)和工藝技術(shù)太落后了，只有四頻差動陀螺因為降低了工藝難度，因此更容易實現(xiàn)。
▲激光陀螺技術(shù)分類
在高伯龍院士的帶領(lǐng)下，國防科技大學(xué)激光陀螺研究團隊歷經(jīng)20載歲月，終于在1994年11月，造出我國第一臺激光陀螺工程化樣機，并通過國家專家團隊驗收，讓我國繼美俄法后，成為世界上第四個能夠獨立研制激光陀螺的國家。
而這一局面，到今天依然如此，中國之后再無聽說國際上有其他國家獨立掌握激光陀螺技術(shù)，這一技術(shù)的難度由此可見！
根據(jù)人民網(wǎng)報道描述：
美國經(jīng)過二十多年的研究，將激光陀螺的鍍膜技術(shù)推廣到多色氦氖激光器的反射鏡制備，終于在1985年推出了全內(nèi)腔綠光氦氖激光器產(chǎn)品，一年后德國也推出了相關(guān)產(chǎn)品。俄羅斯亦曾研制過全內(nèi)腔綠光氦氖激光器，由于技術(shù)太復(fù)雜，沒有成功。我國多家單位在1987年也實現(xiàn)綠光氦氖激光振蕩，但都是外腔式結(jié)構(gòu)，不便在實際使用。雖然之后經(jīng)多個單位努力攻關(guān)，但一直沒有實現(xiàn)全內(nèi)腔氦氖激光器的綠光輸出，更談不上商品化。
在1994年，激光陀螺反射膜的攻關(guān)取得重大突破，在積累相當?shù)墓に嚱?jīng)驗后，立即用相同的鍍膜工藝，按理論設(shè)計方案制備極低損耗的綠光反射鏡，一舉研制出全內(nèi)腔綠光氦氖激光器，其主要技術(shù)指標達到國際先進水平，使我國成為繼美、德之后第三個擁有這種高性能激光器制造技術(shù)的國家。
▲研發(fā)激光陀螺時期的高伯龍院士（中間白衣人物，來自國防科技大學(xué)《激光陀螺誕生記》）
▲高伯龍院士改造廢棄食堂當實驗室（來自國防科技大學(xué)《激光陀螺誕生記》）
沒有地方，高伯龍院士帶隊親自改造校園里的廢棄食堂作為實驗室；制造激光陀螺的關(guān)鍵技術(shù)之首——鍍膜，工藝不過關(guān)，高伯龍帶頭改進設(shè)備，造高精度的反射率透射率測量儀；夏天沒有空調(diào)，甚至連風(fēng)扇都沒有，工作室密封，高伯龍帶領(lǐng)團隊穿著背心就在這個大悶罐里干活……
失敗、重來，失敗，重來……用二十載歲月去研究一個東西，其中的挫折艱難，遠不是短短數(shù)百字所能表達。然而高伯龍院士團隊做到了，中國做到了！
之后，高伯龍院士團隊又用了將近10年時間，力排眾議研制出國內(nèi)精度第一的基于激光陀螺儀的旋轉(zhuǎn)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)役武器系統(tǒng)，逐漸發(fā)展出今天航天、航空和國防科技系統(tǒng)中的激光陀螺應(yīng)用體系，這才有了今天我國航空、航天事業(yè)百花齊放的局面！
結(jié)語
從激光陀螺上面，我們可以看到傳感器對于現(xiàn)代工業(yè)和科技的重要性，為了這個不起眼的傳感器，世界上主要軍事強國均投入二三十年時間，無數(shù)科研人員去研究。而因為這個傳感器，全世界的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有了巨大的飛躍。
中國今天在航空航天等科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，決不是一朝一夕的功夫，背后是許許多多科研人員，如高伯龍院士一樣，數(shù)十年如一日的汗水。
最后，致敬所有一線科研人員！吾輩當自強！
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