日前，用于開展引力波研究的“天琴計劃”，第一階段將完成大型激光陀螺儀等地面輔助設(shè)施建設(shè)。近期，美國國防后勤局授權(quán)3890萬美元，用于霍尼韋爾國際公司為美國海軍AN/WSN-7(V)海上導航系統(tǒng)研制環(huán)形激光陀螺系統(tǒng)。激光陀螺，又叫環(huán)形激光器，在加速度計配合下可以感知物體在任意時刻的空間位置，被譽為慣性導航系統(tǒng)這頂皇冠上的“明珠”。目前，我國已經(jīng)成為世界上第四個具備獨立研制激光陀螺能力的國家，產(chǎn)品應(yīng)用范圍覆蓋陸?？仗斓榷鄠€領(lǐng)域。激光陀螺雖小，卻集成了光、機、電等諸多領(lǐng)域高精尖技術(shù)，是一個國家科技實力和軍事實力的綜合體現(xiàn)。
麻雀雖?。悍酱缰斜M知世間動態(tài)
在古希臘語里，“陀螺”一詞的含義是“旋轉(zhuǎn)指示器”，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，只要能對物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進行感知測量的裝置，都可被稱為陀螺儀。慣性測量裝置好比現(xiàn)代高精度設(shè)備的“眼睛”，而激光陀螺的出現(xiàn)，已成為慣性制導系統(tǒng)的“火眼金睛”。
早在18世紀，人類就開始了對陀螺運動的研究，第一次世界大戰(zhàn)中，美國海軍首先成功研制了機械陀螺儀。1960年，美國人在成功研制出世界上第一臺激光器后，迅速開始激光陀螺的研究。1963年，美國斯佩里公司首次成功制成了激光陀螺儀的實驗裝置。到上個世紀70年代末，激光陀螺的相關(guān)技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)飛機和導彈上試驗成功，激光陀螺得到飛速發(fā)展應(yīng)用。到80年代，美國空軍實施了“綜合慣性基準組件”研制計劃，將激光陀螺應(yīng)用在雙盒組件式傳感器系統(tǒng)中，美國海軍也研制了“CA1NS1”系統(tǒng)，將激光陀螺應(yīng)用到艦載飛機中。1985年美國提出了戰(zhàn)略防御計劃(SDI)后，激光技術(shù)得到了更大規(guī)模的研究與應(yīng)用，其中1985財年SDI預算在激光領(lǐng)域的投資高達10.4億美元，大部分用于開展激光實驗，其中就包括激光陀螺的研究。
激光陀螺研究的巨大進展刺激了世界上其他科技大國開展對相關(guān)領(lǐng)域的研究，法國、俄羅斯、德國、日本等國都相繼研制出高精度激光陀螺系統(tǒng)。法國的SEXTANT公司于1972年開始激光陀螺研究，1979年SEXTANT型激光陀螺首次成功應(yīng)用于“美洲虎”直升機，而后又成功應(yīng)用于“ANS超音速導彈”項目和“阿里安-4”型火箭。法國SAGEM公司研制的激光陀螺成功應(yīng)用于航空和潛水艇的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。
隨著技術(shù)的發(fā)展，激光陀螺的性能越來越好，應(yīng)用也更加廣泛。今后激光陀螺技術(shù)將主要向更高精度和可靠性、更小體積和更便宜價格發(fā)展。美國霍尼韋爾公司的GG1308型激光陀螺，通過采用一次成型工藝，總體積小于2立方英寸，重量僅為60克，卻可以達到1°/h的精度，價格僅為1000美元。激光陀螺“麻雀雖小”，卻集成了光、機、電等諸多領(lǐng)域高精尖技術(shù)，考量著一個國家的綜合國力，是一個國家科技實力和軍事實力的綜合體現(xiàn)。
“千里點穴”：精確打擊的導航“心臟”
早在1998年美國對伊“沙漠之狐”行動中，“戰(zhàn)斧”式巡航導彈就大放異彩，成功發(fā)射導彈325枚，主要用來攻擊伊軍指揮控制機構(gòu)、核生化武器設(shè)施、防空陣地和地下指揮中心，其命中精度令世人驚嘆。而讓“戰(zhàn)斧”式巡航導彈實現(xiàn)“千里點穴”功能的核心器件，就是激光陀螺。
馳騁在現(xiàn)代戰(zhàn)場上的飛機、導彈、坦克以及各類水面艦艇，無不需要準確測量方位、速度、姿態(tài)等信息參量才能圓滿完成預定的導航或作戰(zhàn)任務(wù)。放置在“身體”中作為精確導航“心臟”的就是慣性導航系統(tǒng)。傳統(tǒng)的慣性導航儀器主要是機械式陀螺，其制作工藝要求高，結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大，精度也受到極大限制。
激光陀螺的出現(xiàn)極大地改變了這種狀況，它具有重量輕、尺寸小、精度高、可靠性好、動態(tài)范圍大、響應(yīng)時間短、耐沖擊和振動、工作壽命和存放時間長、可直接與計算機相連實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。尤其是它極高的精度值，每小時漂移角速率在0.0001～1°范圍內(nèi)。正是源于激光陀螺的優(yōu)異性能，美國B-52轟炸機把陳舊的機械慣性導航系統(tǒng)更新為環(huán)形激光陀螺慣性系統(tǒng)，英國的“勇士”機械化炮兵觀測車載導航系統(tǒng)以及皇家海軍的三艘新型“機敏”級攻擊核潛艇、日本的“AS90”式自行榴彈炮等都使用了激光陀螺，極大提升了武器作戰(zhàn)平臺的導航精度。
其實，這枚精確導航“心臟”看似神秘，其原理并不復雜，激光陀螺主要依據(jù)Sagnac效應(yīng)制作而來。通俗地講，當光束在設(shè)定好的通道中傳播時，由于通道本身具有轉(zhuǎn)動速度，從而引起光沿通道轉(zhuǎn)動方向時間的改變。使用光電手段測量這個相位差的改變，就可以測出閉合光路的旋轉(zhuǎn)角速度。利用這種光程變化的原理，就可以制作出激光陀螺儀。由于光電設(shè)備具有較高的可靠性和較長的工作壽命，它才能像一顆永不停息的“心臟”，時刻為設(shè)備導航。
陸?？仗欤很娒裼枚囝I(lǐng)域大放異彩
自行火炮、步戰(zhàn)車、飛機、飛船、導彈、人造衛(wèi)星、潛艇、艦船……這些裝置都需要陀螺儀測定東西南北和判斷上下。近年來，隨著光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，集光、機、電“三位一體”的新型激光陀螺得到迅速發(fā)展，并在陸?？仗斓阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光陀螺也被譽為茫茫海天的“定位神器”。
對應(yīng)于不同的用途，激光陀螺的種類也有很多，一般可分為指示陀螺儀和傳感陀螺儀。指示陀螺儀用于在行進狀態(tài)中作為領(lǐng)航和駕駛儀表使用，傳感陀螺儀可用于運動物體的自動控制系統(tǒng)中。為保證羅盤和自動駕駛儀器的正常工作，一般的飛機要使用10多個陀螺儀。哈勃太空望遠鏡和國際空間站系統(tǒng)也大量使用激光陀螺來判斷自身方位。此外，根據(jù)框架數(shù)目和工作形式，激光陀螺又可分為：三自由度陀螺儀、二自由度陀螺儀、速率陀螺儀、積分陀螺儀、無約束陀螺儀等。這些陀螺儀與機械式陀螺儀、光纖陀螺儀、自由轉(zhuǎn)子陀螺儀、振動式陀螺儀等一起構(gòu)成了“陀螺大家族”，從而在各個模塊、各種應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。
首先，激光陀螺可以用于為各類飛行器和精確制導武器提供實時航向、速度、高度、姿態(tài)等空間位置信息，提高飛機的可靠飛行時間，并使精確制導武器的命中精度得到極大提高。美國將激光陀螺系統(tǒng)成功應(yīng)用于新一代遠程反潛機“P-7A”，極大地提高了改型飛機的飛行穩(wěn)定性和探測位置精確度。激光陀螺還為機動發(fā)射的彈道導彈、巡航導彈提供方位基準，使它們能實現(xiàn)快速定向定位，準確地命中目標。俄羅斯就已經(jīng)將激光陀螺應(yīng)用于蘇-30MK、蘇-32FN、蘇-34等各類型戰(zhàn)斗機和彈道導彈的制導與控制系統(tǒng)中。
其次，激光陀螺還可以為艦船、潛艇和魚雷提供航向、航速和位置等基準數(shù)據(jù)，它們不依賴于任何外部信息，就能獨立地進行實時導航。加拿大海軍就將配置有“MK49”型環(huán)形激光陀螺導航儀的新一代慣性導航系統(tǒng)(INS)安裝在“哈利法克斯”級護衛(wèi)艦、“易洛魁”級驅(qū)逐艦和“維多利亞”級潛艇上。將激光陀螺與全球定位系統(tǒng)(GPS)相結(jié)合作為精確導航系統(tǒng)的核心組件，也正被廣泛應(yīng)用于核潛艇、飛機、巡航導彈、洲際導彈及衛(wèi)星制導中，這一系統(tǒng)目前已多次經(jīng)過實戰(zhàn)檢驗。1999年美國B-2A轟炸機轟炸南斯拉夫時使用的聯(lián)合直接攻擊彈藥(JDAM)，就是采用這種制導方式的“GBM-31”型精確制導炸彈。
此外，激光陀螺還可以作為坦克、步兵戰(zhàn)車的穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)車體狀態(tài)的自我感知;還可以作為航天器姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)的重要組成部分，還可以用于運載火箭的慣性制導系統(tǒng)。在其他民用領(lǐng)域，可以將激光陀螺安裝在望遠鏡上提供實時角坐標信息，可以用超大型激光陀螺觀測地震波信息、固體地面潮汐效應(yīng)和測量引力波等?？梢灶A見，隨著激光陀螺技術(shù)的日漸完善，它的應(yīng)用范圍還會更加廣闊，勢必會對未來戰(zhàn)爭和日常生活產(chǎn)生巨大影響。
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