自美國火箭先驅(qū)羅伯特·戈達爾試驗了早期的陀螺系統(tǒng)，二戰(zhàn)期間經(jīng)德國人馮·布勞恩改進，應(yīng)用于V-2火箭制導(dǎo)后，美國麻省理工學(xué)院德雷珀實驗室等科研機構(gòu)及其研究人員于二戰(zhàn)后對慣性制導(dǎo)進行了深入研究，使得慣性系統(tǒng)發(fā)展成為廣泛應(yīng)用于飛機、火箭、航天飛機、潛艇的現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)。多年來，慣性系統(tǒng)的飛速發(fā)展離不開無數(shù)科研人員的辛苦鉆研，清華大學(xué)的高鐘毓教授便是其中一位。

　　空心球形轉(zhuǎn)子新結(jié)構(gòu)：航海陀螺儀變革之路

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是以陀螺儀和加速度計為敏感器件的航位推算系統(tǒng)，該系統(tǒng)由陀螺儀建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，根據(jù)加速度計輸出解算出運載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置。作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中不可缺少的核心測量器件之一——高精度陀螺儀提出了非常高的要求。

航海陀螺儀是一種戰(zhàn)略級精度陀螺儀，它從研制成功到應(yīng)用，經(jīng)歷了數(shù)十年漫長而艱難的過程，然而高鐘毓及其科研團隊卻始終沒有放棄。經(jīng)過多年的努力，高鐘毓及其科研團隊終于突破了鈹材真空焊接、超精密研磨、球形轉(zhuǎn)子平衡等技術(shù)瓶頸，在材料、工藝、技術(shù)等方面取得了創(chuàng)新成果，發(fā)明了空心球轉(zhuǎn)子新結(jié)構(gòu)、超精密制造方法及工藝裝備。

國外的空心球形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為赤道環(huán)加厚的等壁厚圓球，該結(jié)構(gòu)的球轉(zhuǎn)子的缺點是：在高速旋轉(zhuǎn)時存在四次諧波變形；章動阻尼慢，導(dǎo)致啟動時間長。然而作為航海陀螺儀的核心部件，空心球形轉(zhuǎn)子非常重要，為此高鐘毓教授通過研究提出一種空心球形轉(zhuǎn)子的新結(jié)構(gòu)，其壁厚連續(xù)變化，理論上不存在四次諧波變形，且二次諧波變形最小，使陀螺儀啟動時間縮短60%以上。

構(gòu)成空心球形轉(zhuǎn)子的兩個半球需要在高真空環(huán)境下實現(xiàn)活性金屬鈹材的精密擴散連接，而國內(nèi)外均無滿足要求的無油超高真空焊接設(shè)備可供選擇。高鐘毓教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組成功研制了高真空擴散焊接機，發(fā)明了空心鈹轉(zhuǎn)子精密擴散焊接方法及其卡具，通過精確控制加熱加壓工藝參數(shù)，經(jīng)固相擴散焊接使兩個半球成為一個整球。該工藝的技術(shù)優(yōu)勢是：焊縫處的材料性能與母材相同；焊接變形和錯位小；解決了空心薄壁轉(zhuǎn)子的尺寸難保證、導(dǎo)電性能不均勻、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時焊縫處動態(tài)變形大的問題。同時，采用加壓四軸研磨、化學(xué)腐蝕去重等現(xiàn)代制造工藝，實現(xiàn)了動態(tài)條件下接近理想圓球的轉(zhuǎn)子。

高鐘毓及其科研組研制的陀螺儀經(jīng)過嚴格的試驗和考核，性能指標(biāo)均達到國際先進水平，如今，該陀螺儀已經(jīng)在大型船舶和水下運載體上得到成功應(yīng)用，而且與俄羅斯同類產(chǎn)品相比，具有使用精度更高、功耗更小、壽命更長等優(yōu)點，滿足了國家急需，使我國成為繼美國、俄羅斯、法國之后擁有此項技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)的第四個國家。

　　空間穩(wěn)定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：我國高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的先河

以高鐘毓教授為首的科研組接著通過調(diào)研、消化非常有限的公開資料，根據(jù)自己已有的系統(tǒng)理論知識和科研實踐經(jīng)驗，無數(shù)次的探索、研制了以航海陀螺儀為核心的空間穩(wěn)定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。這是一項全新的長航時高精度導(dǎo)航設(shè)備，目前世界上只有個別國家擁有此技術(shù)。該技術(shù)突破的關(guān)鍵是：解決系統(tǒng)設(shè)計的平臺運動學(xué)建模、標(biāo)稱軌跡解算、系統(tǒng)初始對準與標(biāo)定、阻尼與重調(diào)等系統(tǒng)理論與方法及相關(guān)軟件設(shè)計；克服合金材料、精密機械工藝及機電元器件的困難，解決四環(huán)空間穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)及其緩沖器的基礎(chǔ)技術(shù)；通過多項部件級與系統(tǒng)級的誤差控制技術(shù)，消除系統(tǒng)中存在的90多項誤差對導(dǎo)航精度的影響。并且，建立了相應(yīng)的制造和試驗基地，培養(yǎng)了一支與學(xué)科相配的高水平科研隊伍。

為了保證陀螺儀和加速度計的精度，穩(wěn)定平臺必須提供安靜的工作環(huán)境條件——溫度場、電磁場及隔離運載體的運動等。由于運載體航向變化會引起平臺各個框架之間幾何關(guān)系的改變，進而改變臺體內(nèi)部的溫度分布及其對外散熱的條件，因此解決溫度航向效應(yīng)是研制過程中的一個復(fù)雜課題。高鐘毓及其科研組經(jīng)過反復(fù)試驗和觀測，設(shè)計了一種雙層球罩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平臺。該平臺每層球罩形成一個封閉的等溫面，內(nèi)球罩包圍臺體使臺體內(nèi)的溫度不受球罩外溫度場的不平衡影響；且外球罩與內(nèi)球罩之間采用風(fēng)扇攪拌氣流，加速了內(nèi)球罩與外球罩之間的熱交換，以增加散熱系數(shù)。該平臺的研制成功既解決了臺體的恒溫，又加快了對外散熱，從而實現(xiàn)了慣性儀表優(yōu)良的恒溫工作環(huán)境。

 目前, 高鐘毓及其科研組已經(jīng)完成了空間穩(wěn)定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)樣機的主要研制環(huán)節(jié)，各項試驗結(jié)果表明，樣機的性能指標(biāo)達到國際先進水平。它的研制成功不僅將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，而且開辟了我國高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的先河。

　　動基座矢量重力儀：慣性技術(shù)應(yīng)用的拓展

由于具有自主、實時、連續(xù)、隱蔽、不受外部干擾等優(yōu)點，慣性技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海、陸、空、天等領(lǐng)域的運動體導(dǎo)航及控制。近年來，更是被推廣應(yīng)用于大地測量和重力探測，已經(jīng)成功的航空標(biāo)量重力儀便是其中一例。

高鐘毓及其科研組根據(jù)已有的慣性技術(shù)基礎(chǔ)，正在開發(fā)動基座矢量重力儀。與現(xiàn)有的航空標(biāo)量重力儀相比較，矢量重力儀具有以下優(yōu)點：確定垂線偏差；依靠沿路徑積分水平重力分量直接確定（相對）大地水準面，其估計的大地水準面邊界誤差小、精度高；廣泛應(yīng)用于陸地和海洋的資源勘探及開發(fā)、地震預(yù)報、重力導(dǎo)航等重要領(lǐng)域。因此，動基座矢量重力儀在地球物理領(lǐng)域中具有非常重要的實際應(yīng)用價值，受到科學(xué)家和工程界的廣泛重視，但其硬件和軟件都存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

高鐘毓教授始終緊緊追隨著時間的步伐，邁向科學(xué)的高峰。他先后獲省部級科技進步獎三等獎、北京市科技進步獎一等獎、教育系統(tǒng)科技進步獎一等獎、國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎；出版《機電控制工程》、《靜電陀螺儀技術(shù)》、《慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)》等多部著作，發(fā)表論文140多篇。此外，他曾獲國防軍工協(xié)作配套先進工作者、北京市授予的優(yōu)秀教師。

專家簡介

高鐘毓，男，清華大學(xué)導(dǎo)航技術(shù)工程中心主任，教授，博士生導(dǎo)師。1955～1959年于清華大學(xué)自動控制系學(xué)習(xí)，1959年留校任教至今，1984～1985年赴加拿大渥太華大學(xué)和1988年赴德國斯圖加特大學(xué)進修（訪問學(xué)者）。曾任中國慣性技術(shù)學(xué)會常務(wù)理事、慣性技術(shù)專業(yè)組專家、《中國慣性技術(shù)學(xué)報》副主編及《中國機械工程學(xué)報》編委。主要研究方向：機電控制工程、慣性儀表與系統(tǒng)。