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技术突破:中国2.5 m大型激光陀螺仪试制成功


  来源: 和讯网 时间:2021-11-30 编辑:仪器仪表WXF
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近日,一台边长达2.5 m的大型激光陀螺仪原型机在湖南建造成功并实现闭环运转,这是国际上目前投入实用的最先进技术方案首次在国内实现自主试制。据悉,该原型机由湖南二零八先进科技有限公司(下简称“二零八公司”)技术团队研发,填补了我国在大型激光陀螺建造领域的空白,为进一步推进该领域的研究奠定了良好的基础。


激光陀螺仪——航天航空关键器件,却被外国长期“卡脖子”


激光陀螺仪是高精度惯性传感器的一种,主要用于感知物体的角运动,其核心是呈四边形或三角形的环形激光器。与加速度传感器组合制成惯性导航系统后,可以不依赖GPS精确地解算出运动载体在空间中的位置,是航空、航天、航海领域的关键器件之一。由于其在导航制导等军事领域的巨大价值,激光陀螺仪一直名列各国出口管制清单之上。


目前国际上研究的激光陀螺仪主要分为两大类,一类是小型的激光陀螺仪,在导航领域应用较为广泛;一类是大型的激光陀螺仪,具备大科学装置特征。


小型激光陀螺仪一般边长在几厘米至十几厘米量级,众多海陆空天武器装备以及相关民用领域中均使用了激光陀螺仪作为核心导航部件,最著名的如美军的F-35、F-22战机,波音、空客等民用航空器等。目前,小型激光陀螺仪的研究与生产相对成熟,我国在2010年左右就已成为全世界第四个可自主量产小型激光陀螺仪的国家。


大型激光陀螺仪是指边长在米级以上的陀螺仪,巨大的面积优势赋予其极高的测量灵敏度和精度,其测量精度远远超出小型激光陀螺仪,这使其在世界时(UT1)测量、地球物理、大地测量、地震学等领域有着全新的应用。但随着尺寸增大其研制难度大幅提升,研制过程也需要在小型激光陀螺仪基础上多花费五至十年甚至更长的时间,同时需要大量经费进行支撑。目前仅有新西兰、德国、美国以及中国的部分科研机构进行研究,属于高精尖的基础科学装置。我国在大型激光陀螺仪技术方案上一直未能获得突破,相关领域面临“卡脖子”困境。


激光陀螺仪

激光陀螺仪


有望实现高精度世界时(UT1)测量,我国大型激光陀螺仪获重大突破


近年来,随着卫星导航、航空航天等科学领域的不断发展,在某些应用中通常需要用到高时间分辨率甚至是实时的UT1参数。但UT1具有实时变化的特点,是地球定向参数(EOP,地球在空间的自转角、地极坐标(x、y)、岁差等参数)中最难精确预报的参数,需要通过连续不断地观测来获取,其解算的关键在于高精度测量地球参数——地球自转角速度的瞬时值。大型激光陀螺仪作为一种高精度测量世界时(UT1)的重要技术,可以提供更加简洁独立、实时性更好的手段,不仅在科学、技术、经济建设领域有广泛用途,在国防和航天领域也具有战略重要性。


在接到国内某单位大型激光陀螺仪原型机的研制需求之后,二零八公司的研发团队创造性的提出了基于模块化组装的大型激光陀螺仪构建方案和基于长变焦成像的精密谐振腔准直系统,克服了超大尺寸材料加工和超长光路准直的难题。在经费有限的情况下,自主搭建了超洁净与隔振平台,在狭小的实验室内尽最大可能先后完成边长1 m、1.5 m、2 m、2.5 m大型激光陀螺仪原型机的搭建,实现了出光阈值小于1 mA、地速自主出锁、短时精度保持等初步目标,积累了大型激光陀螺仪的结构参数设置、激光模式选择等多个方面的重要数据。


实验结果表明,基于模块化组装的大型激光陀螺仪构建方案完全可以在较短的时间内实现各种边长大型激光陀螺仪的谐振腔体构建,制造成本远低于国外已有方案,属于原始创新,该方案及相关技术已获得专利授权。


目前,二零八公司的技术方案,已可支持边长3 m甚至更大尺寸的大型激光陀螺仪建造。


构建研究—技术—产品完整链条,布局新一代惯性器件研发


总的来看,目前大型激光陀螺仪的研究仍需要克服众多的困难。在过去的近三十年时间里,欧美等国家的研究团队,先后花费了数十年的时间建设这一装置。大型激光陀螺仪由于体积庞大、灵敏度高,与传统小体积的激光陀螺相比,其制造方法和误差机理均有天壤之别,进一步提高系统的性能任重道远、意义重大。


在“导航战”概念已经提出若干年、美国国防部2021年又提出研发新的PNT 技术(Positioning, Navigation, and Timing Technologies)作为 GPS 的补充的大背景下,高端惯性器件作为重要支撑器件之一显得尤为重要。同时,高精度惯性器件也是未来无人驾驶汽车、无人机、室内导航、物联网等领域的基础性器件,众多场景创新都将有赖于其在性价比和产能等方面的进一步提升。


关键词:技术突破 激光陀螺仪    浏览量:2104

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