093型攻擊型核潛艇、094型彈道導彈核潛艇潛伏在蒼茫大海深處；055型導彈驅逐艦正在南海游曳；各級別護衛艦、登陸艦、輔助艦……拱衛著(zhù)我國的藍色領(lǐng)土。
東風(fēng)–31A、東風(fēng)–41、東風(fēng)–5B等洲際彈道導彈隨時(shí)候命，巨浪–2?；揠H導彈已在弦上。
這些都是我國最先進(jìn)的戰略武器，我國國防的底氣，國之重器。
然而，要讓它們準確地奔赴戰場(chǎng)，精準地命中目標，都離不開(kāi)一個(gè)巴掌大的傳感器——激光陀螺。
這個(gè)傳感器，全球只有四個(gè)國家能造出來(lái)。為了這個(gè)傳感器，我國兩次研發(fā)失敗，錢(qián)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(shí)戰裝備！
現在，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(huì )迷路！
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激光陀螺是一種高精度慣性傳感器，嚴格來(lái)說(shuō)是角速度傳感器——常稱(chēng)為陀螺儀，是根據近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應的傳感器。
激光于1960 年在世界上首次出現。1962 年，美、英、法、前蘇聯(lián)幾乎同時(shí)開(kāi)始醞釀研制用激光來(lái)作為方位測向器，稱(chēng)之為激光陀螺儀。1970年代，激光陀螺正式用于指導武器上。
隨后，激光陀螺成為現代慣性導航系統的核心部件，是一個(gè)國家工業(yè)、國防、高科技實(shí)力的重要體現。
目前全世界能夠做出高精度激光陀螺的國家不超過(guò)4個(gè)——美、俄、法、中——我國是世界上第四個(gè)自主研發(fā)出激光陀螺的國家，這個(gè)數字遠小于五常國家和擁核國家的數量！
激光陀螺有多重要？
印度布朗導彈的根本原因
激光陀螺的實(shí)力基本是各國航天、航空、導彈實(shí)力的體現！
我們的鄰國印度，號稱(chēng)世界軍力前五，早已宣稱(chēng)要登月，探索火星，但其航天設備常常在發(fā)射過(guò)程中，出現偏離軌道、不能正確著(zhù)陸等情況，其自研導彈發(fā)射也時(shí)常出現布朗運動(dòng)，受世界人民矚目。
其根本原因就是印度沒(méi)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(dòng)彈，專(zhuān)打自己人
東風(fēng)快遞，使命必達的關(guān)鍵
我們知道，洲際彈道導彈是一個(gè)國家核打擊力量的重要依靠，是一國之重器。
東風(fēng)-41型導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。該型導彈采用分導式多彈頭，西方目前的技術(shù)是無(wú)法攔截的。
有沒(méi)有想過(guò)，在無(wú)人干預的情況下，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！
衛星導航？顯然不行，再先進(jìn)的衛星導航都會(huì )被干擾，甚至關(guān)鍵時(shí)刻，北斗衛星都被打下來(lái)了，怎么導航？只能靠導彈自己的慣性導航系統！
▲東風(fēng)-41導彈
現代武器的慣性導航系統是非常復雜且高度保密的設備，我們無(wú)從知道東風(fēng)導彈的慣性導航系統如何，但任何一種慣導系統都嚴重依賴(lài)高精密的加速度計和陀螺儀進(jìn)行瞬時(shí)速度和方位角計算，以此來(lái)調整自身飛行方向。陀螺儀（角速度傳感器）感知上下前后各個(gè)空間的方位，因此成為最核心的設備。
根據數學(xué)知識，因為地球是圓的，導彈要在大氣層中飛行上萬(wàn)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級關(guān)系，用成語(yǔ)來(lái)說(shuō)就是：失之毫厘謬以千里。
導彈在飛行過(guò)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(shí)，現在導彈都是以數倍音速的速度飛行，非?？?，因此要求陀螺儀的修正數據要快，要及時(shí)，每秒修正幾十次，甚至上百次，才能正確到達目的地。
導彈不可怕，可怕的是長(cháng)有眼睛的導彈。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(cháng)征五號B火箭
長(cháng)征火箭、太空站都要靠激光陀螺
2020年5月長(cháng)征五號B運載火箭在文昌成功首飛，拉開(kāi)了我國空間站建設大幕，這才有了我國轟轟烈烈的天宮空間站建造行動(dòng)。
長(cháng)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(gè)火箭，中國才有了建設空間站，載人登月的底氣。
長(cháng)征五號B火箭發(fā)射質(zhì)量重達837.5噸，是世界現役火箭中唯一一款一級半構型運載火箭，名副其實(shí)的大胖子。而在進(jìn)入軌道運行中，卻要求這個(gè)胖子有拿繡花針刺繡的控制度。長(cháng)征五號B火箭在飛行中準確入軌存在幾大困難：
①飛行過(guò)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(dòng)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(dòng)；
③火箭飛行末段，發(fā)動(dòng)機關(guān)機剎車(chē)對速度的控制要求極為精細。
▲長(cháng)征五號B運載火箭超大整流罩
如何修正各種震動(dòng)帶來(lái)的影響，讓火箭能夠正確進(jìn)入預定軌道？只能通過(guò)基于激光陀螺儀的慣性導航系統，對飛行姿態(tài)不斷進(jìn)修修正。同時(shí)結合衛星導航、攝動(dòng)和迭代的接力式制導方案，使火箭可以精確感知自身姿態(tài)、實(shí)際飛行彈道、速度等信息，讓箭載計算機做出正確決策。
無(wú)論是洲際彈道導彈，還是載人航天的實(shí)現，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(méi)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(lái)看看激光陀螺的工作原理，其基于薩格奈克(Sagnac)效應，當環(huán)形激光器相對于慣性空間轉動(dòng)時(shí)，順、逆時(shí)針?lè )较蜻\轉的光將產(chǎn)生與轉動(dòng)線(xiàn)性相關(guān)的光程差。依據對環(huán)形激光器輸出光相位的實(shí)時(shí)檢測，獲得物體相對于慣性空間的轉動(dòng)角速率。因此，激光陀螺有時(shí)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別于傳統的機械式陀螺儀，而傳統機械式陀螺儀是根據旋轉物體的旋轉軸所指的方向受外力影響時(shí)的變化來(lái)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(gè)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(cháng)1 m的正方形閉合光路首次測得50o/h的低轉速，引起了慣性技術(shù)領(lǐng)域的轟動(dòng)。
▲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(jìn)研究。1964年，世界各國有幾十家研究機構相繼開(kāi)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，技術(shù)不斷進(jìn)步、性能不斷提高。
1970年代末，美國正式將激光陀螺列裝到現役武器中，1991年，海灣戰爭中，美國戰斧導彈一戰成名，世人矚目，其慣導系統核心部件就是激光陀螺。同時(shí)，美國也將空中轟炸堡壘——B-52轟炸機等導航系統更新為環(huán)形激光陀螺系統，激光陀螺重要性可見(jiàn)一斑。
▲美國B(niǎo)-52戰略轟炸機
與傳統機械式依靠轉子高速旋轉的陀螺儀相比，激光陀螺的主要優(yōu)勢在于：沒(méi)有轉子活動(dòng)部件，受震動(dòng)、沖擊等影響小，精度高、長(cháng)期精度穩定性好、測試重復性極好、壽命長(cháng)。
同時(shí)，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非常穩定，且動(dòng)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，但是還沒(méi)有出現一種在實(shí)際環(huán)境下綜合性?xún)r(jià)比、環(huán)境適應性能和激光陀螺媲美的慣性傳感器！
2010年國外某權威慣性技術(shù)專(zhuān)家評價(jià)說(shuō)：對標度因數穩定性要求極高的中等精度應用中，零鎖區激光陀螺應是首選。
因此，激光陀螺在各種陀螺儀中脫穎而出，成為各個(gè)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(shí)候，我國就已跟進(jìn)該項研究，然而因為基礎落后，當時(shí)我國已經(jīng)兩次受挫——研發(fā)失敗。
時(shí)任國防科工委副主任的錢(qián)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(qián)學(xué)森不甘心放棄。
1971年，錢(qián)學(xué)森將用兩張用英文書(shū)寫(xiě)著(zhù)公式的照片，交給了國防科技大學(xué)的前身——長(cháng)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(shí)中國對于激光陀螺的全部資料。
▲錢(qián)學(xué)森
在錢(qián)學(xué)森的指導下，國防科技大學(xué)成立激光教研室，開(kāi)始了艱難的探索之路。同期，我國有十多家單位開(kāi)展這項研究，最后絕大多數都因基礎工藝過(guò)不了關(guān)而放棄。
此時(shí)，中國對激光陀螺的所有資料只有這兩張照片，沒(méi)有任何實(shí)物。而且中國當時(shí)的經(jīng)濟條件落后，各種技術(shù)設施、技術(shù)手段都是各大國墊底的存在。加上彼時(shí)西方國家對中國的技術(shù)封鎖已經(jīng)開(kāi)始，無(wú)法從外國獲得技術(shù)協(xié)助——事實(shí)上這一重要技術(shù)任何國家也不會(huì )輕易外露。
在此環(huán)境下，根據兩頁(yè)紙造出激光陀螺，無(wú)異于讓一個(gè)從未見(jiàn)過(guò)火箭的人拿著(zhù)錘子造個(gè)火箭出來(lái)。
這時(shí)候，天選之子出現了，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(xiāo)基礎課部，高伯龍離開(kāi)講臺，被304激光教研室收容，我們上文說(shuō)過(guò)，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(lái)用了40載歲月，一舉推動(dòng)我國激光陀螺事業(yè)發(fā)展，與美國縮小了20年差距。
高伯龍數理功底深厚，通過(guò)大量計算，結合實(shí)驗對激光陀螺進(jìn)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)鍵理論認識和結論，破譯了錢(qián)學(xué)森留下的密碼。
1976年，在全國激光陀螺學(xué)術(shù)交流會(huì )上，進(jìn)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(méi)有任何成功經(jīng)驗可借鑒的四頻差動(dòng)陀螺研制方案，并認為，仿制美國十年內都不可能成功，因為我國基礎材料科學(xué)和工藝技術(shù)太落后了，只有四頻差動(dòng)陀螺因為降低了工藝難度，因此更容易實(shí)現。
▲激光陀螺技術(shù)分類(lèi)
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(guò)國家專(zhuān)家團隊驗收，讓我國繼美俄法后，成為世界上第四個(gè)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(wú)聽(tīng)說(shuō)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(jiàn)！
根據人民網(wǎng)報道描述：
美國經(jīng)過(guò)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(guò)全內腔綠光氦氖激光器，由于技術(shù)太復雜，沒(méi)有成功。我國多家單位在1987年也實(shí)現綠光氦氖激光振蕩，但都是外腔式結構，不便在實(shí)際使用。雖然之后經(jīng)多個(gè)單位努力攻關(guān)，但一直沒(méi)有實(shí)現全內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，在積累相當的工藝經(jīng)驗后，立即用相同的鍍膜工藝，按理論設計方案制備極低損耗的綠光反射鏡，一舉研制出全內腔綠光氦氖激光器，其主要技術(shù)指標達到國際先進(jìn)水平，使我國成為繼美、德之后第三個(gè)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(shí)期的高伯龍院士（中間白衣人物，來(lái)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(shí)驗室（來(lái)自國防科技大學(xué)《激光陀螺誕生記》）
沒(méi)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(shí)驗室；制造激光陀螺的關(guān)鍵技術(shù)之首——鍍膜，工藝不過(guò)關(guān)，高伯龍帶頭改進(jìn)設備，造高精度的反射率透射率測量?jì)x；夏天沒(méi)有空調，甚至連風(fēng)扇都沒(méi)有，工作室密封，高伯龍帶領(lǐng)團隊穿著(zhù)背心就在這個(gè)大悶罐里干活……
失敗、重來(lái)，失敗，重來(lái)……用二十載歲月去研究一個(gè)東西，其中的挫折艱難，遠不是短短數百字所能表達。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(shí)間，力排眾議研制出國內精度第一的基于激光陀螺儀的旋轉式慣性導航系統，并大規模應用于現役武器系統，逐漸發(fā)展出今天航天、航空和國防科技系統中的激光陀螺應用體系，這才有了今天我國航空、航天事業(yè)百花齊放的局面！
結語(yǔ)
從激光陀螺上面，我們可以看到傳感器對于現代工業(yè)和科技的重要性，為了這個(gè)不起眼的傳感器，世界上主要軍事強國均投入二三十年時(shí)間，無(wú)數科研人員去研究。而因為這個(gè)傳感器，全世界的慣性導航系統有了巨大的飛躍。
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，數十年如一日的汗水。
最后，致敬所有一線(xiàn)科研人員！吾輩當自強！
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