钱学森多次嘱咐，一位院士穷尽一生攻下这个传感器，赋予我国核武器最大的威力！|每日简讯

今日（3月24日），美“米利厄斯”号导弹驱逐舰未经中国政府批准，再次非法闯入中国西沙领海，国防部发声，将坚决捍卫国家主权和安全！

(资料图片仅供参考)

093型攻击型核潜艇、094型弹道导弹核潜艇潜伏在苍茫大海深处；055型导弹驱逐舰正在南海游曳；各级别护卫舰、登陆舰、辅助舰……拱卫着我国的蓝色领土。

东风–31A、东风–41、东风–5B等洲际弹道导弹随时候命，巨浪–2”海基洲际导弹已在弦上。

这些都是我国最先进的战略武器，是我国坚决捍卫国家主权和安全的底气，国之重器。

然而，要让它们准确地奔赴战场，精准地命中目标，准确地打向地球的另一端，都离不开一个巴掌大的传感器——激光陀螺。

这个传感器，全球只有四个国家能造出来。为了这个传感器，我国两次研发失败，钱学森多次嘱咐交代，一位院士穷尽一生。

最终，我国用了20年艰苦攻关才做出样机，40年迭代磨炼才最终实战装备！

这个传感器，给了敌人最大的威胁，赋予我国核武器最大的威力！

激光陀螺是一种高精度惯性传感器，严格来说是角速度传感器——常称为陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。

激光于1960年在世界上首次出现。1962年，美、英、法、前苏联几乎同时开始酝酿研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪。1970年代，激光陀螺正式用于指导武器上。

随后，激光陀螺成为现代惯性导航系统的核心部件，是一个国家工业、国防、高科技实力的重要体现。

目前全世界能够做出高精度激光陀螺的国家不超过4个——美、俄、法、中——我国是世界上第四个自主研发出激光陀螺的国家，这个数字远小于五常国家和拥核国家的数量！

激光陀螺有多重要？

印度“布朗导弹”的根本原因

激光陀螺的实力基本是各国航天、航空、导弹实力的体现！

我们的邻国印度，号称世界军力前五，早已宣称要登月，探索火星，但其航天设备常常在发射过程中，出现偏离轨道、不能正确着陆等情况，其自研导弹发射也时常出现“布朗运动”，受世界人民瞩目。

其根本原因就是印度没有掌握高精度的激光陀螺技术，甚至普通机械式高精度陀螺仪技术是否完全掌握也成疑。印度的激光陀螺采购自俄罗斯。

▲印度布朗运动弹，专打自己人

“东风快递，使命必达”的关键

我们知道，洲际弹道导弹是一个国家核打击力量的重要依靠，是一国之重器。

东风-41型导弹是目前我国射程最远、携带弹头最多、威力最强的洲际弹道导弹。其射程为12000～15000千米，最多可配备10枚核弹头，飞行速度25马赫，圆周概率误差为100～200米。该型导弹采用分导式多弹头，西方目前的技术是无法拦截的。

有没有想过，在无人干预的情况下，我们的东风快递怎么准确送到敌人家？要飞行12000公里，而圆周概率误差仅为100~200米！

卫星导航？显然不行，再先进的卫星导航都会被干扰，甚至关键时刻，北斗卫星都被打下来了，怎么导航？只能靠导弹自己的惯性导航系统！

▲东风-41导弹

现代武器的惯性导航系统是非常复杂且高度保密的设备，我们无从知道东风导弹的惯性导航系统如何，但任何一种惯导系统都严重依赖高精密的加速度计和陀螺仪进行瞬时速度和方位角计算，以此来调整自身飞行方向。陀螺仪（角速度传感器）感知上下前后各个空间的方位，因此成为最核心的设备。

根据数学知识，因为地球是圆的，导弹要在大气层中飞行上万公里到达目的地，其产生的圆周概率误差与精度之差存在指数级关系，用成语来说就是：失之毫厘谬以千里。

导弹在飞行过程中，需要靠陀螺仪边飞行边修正，才能准确到达目的地。同时，现在导弹都是以数倍音速的速度飞行，非常快，因此要求陀螺仪的修正数据要快，要及时，每秒修正几十次，甚至上百次，才能正确到达目的地。

导弹不可怕，可怕的是长有“眼睛”的导弹。所以高精度的陀螺仪是拥核大国的不传之秘，目前这种陀螺仪就是激光陀螺。

▲长征五号B火箭

长征火箭、太空站都要靠激光陀螺

2020年5月长征五号B运载火箭在文昌成功首飞，拉开了我国空间站建设大幕，这才有了我国轰轰烈烈的天宫空间站建造行动。

长征五号B遥一运载火箭是我国服务载人登月用途的新一代火箭，也即是有了这个火箭，中国才有了建设空间站，载人登月的底气。

长征五号B火箭发射质量重达837.5吨，是世界现役火箭中唯一一款一级半构型运载火箭，名副其实的“大胖子”。而在进入轨道运行中，却要求这个胖子有拿绣花针刺绣的控制度。长征五号B火箭在飞行中准确入轨存在几大困难：

①飞行过程中需要分离一对高达20.5米相当于6层楼房高度的超大尺寸整流罩，其产生的震动对飞行轨道偏离有很大影响；

②船箭分离，火箭芯级与二十余吨的飞船分离，将产生较大震动；

③火箭飞行末段，发动机关机刹车对速度的控制要求极为精细。

▲长征五号B运载火箭超大整流罩

如何修正各种震动带来的影响，让火箭能够正确进入预定轨道？只能通过基于激光陀螺仪的惯性导航系统，对飞行姿态不断进修修正。同时结合卫星导航、摄动和迭代的接力式制导方案，使火箭可以精确感知自身姿态、实际飞行弹道、速度等信息，让箭载计算机做出正确决策。

无论是洲际弹道导弹，还是载人航天的实现，激光陀螺在其中都扮演这关键作用。这也折射出传感器这一隐形王者的特质——东西虽小，作用巨大，没它不行！

为什么是激光陀螺？

我们知道，陀螺仪（角速度传感器）有许多种：滚珠轴承自由陀螺仪、液浮陀螺仪、静电陀螺仪、挠性陀螺仪、MEMS陀螺仪、光纤陀螺等，为什么激光陀螺这么被各国看重？

我们先来看看激光陀螺的工作原理，其基于萨格奈克(Sagnac)效应，当环形激光器相对于惯性空间转动时，顺、逆时针方向运转的光将产生与转动线性相关的光程差。依据对环形激光器输出光相位的实时检测，获得物体相对于惯性空间的转动角速率。因此，激光陀螺有时也叫做环形激光陀螺。

▲一种环式激光陀螺

可以看到，激光陀螺的工作原理区别于传统的机械式陀螺仪，而传统机械式陀螺仪是根据旋转物体的旋转轴所指的方向受外力影响时的变化来制作，激光陀螺是一种特色鲜明的角速率传感器。

1960年世界上第一个宝石激光器诞生。1963年，美国Sperry公司首次报道了激光陀螺原理试验，利用边长1m的正方形闭合光路首次测得50º/h的低转速，引起了惯性技术领域的轰动。

▲1963年美国Sperry公司展示第一台激光陀螺演示装置

之后，美国、前苏联、法国等军事大国，看到了激光陀螺在航天航空、国防军事领域的巨大前景，纷纷跟进研究。1964年，世界各国有几十家研究机构相继开展了激光陀螺研究，轰轰烈烈的激光陀螺热潮涌起，随后各种激光陀螺相继出现，技术不断进步、性能不断提高。

1970年代末，美国正式将激光陀螺列装到现役武器中，1991年，海湾战争中，美国“战斧”导弹一战成名，世人瞩目，其惯导系统核心部件就是激光陀螺。同时，美国也将空中轰炸堡垒——B-52轰炸机等导航系统更新为环形激光陀螺系统，激光陀螺重要性可见一斑。

▲美国B-52战略轰炸机

与传统机械式依靠转子高速旋转的陀螺仪相比，激光陀螺的主要优势在于：没有转子活动部件，受震动、冲击等影响小，精度高、长期精度稳定性好、测试重复性极好、寿命长。

同时，与一样是光学陀螺仪的光纤陀螺相比，激光陀螺的标度因数非常稳定，且动态特性好。

总之，到目前为止，虽然各种新型陀螺仪不断出现，但是还没有出现一种在实际环境下综合性价比、环境适应性能和激光陀螺媲美的惯性传感器！

2010年国外某权威惯性技术专家评价说：“对标度因数稳定性要求极高的中等精度应用中，零锁区激光陀螺应是首选”。

因此，激光陀螺在各种陀螺仪中脱颖而出，成为各个大国争先投入巨资研发的重要传感器技术。

“背心院士”——中国激光陀螺背后的男人

在1960年代，国际主要军事强国掀起激光陀螺研究热潮的时候，我国就已跟进该项研究，然而因为基础落后，当时我国已经两次受挫——研发失败。

时任国防科工委副主任的钱学森看到了激光陀螺这项传感器技术对我国航天航空和国防军事事业的重要意义，这是关系重大的关键技术啊！钱学森不甘心放弃。

1971年，钱学森将用两张用英文书写着公式的照片，交给了国防科技大学的前身——长沙工学院，将这一国之重器的研发希望寄托在了这里。而这两张照片，就是当时中国对于激光陀螺的全部资料。

▲钱学森

在钱学森的指导下，国防科技大学成立激光教研室，开始了艰难的探索之路。同期，我国有十多家单位开展这项研究，最后绝大多数都因基础工艺过不了关而放弃。

此时，中国对激光陀螺的所有资料只有这两张照片，没有任何实物。而且中国当时的经济条件落后，各种技术设施、技术手段都是各大国垫底的存在。加上彼时西方国家对中国的技术封锁已经开始，无法从外国获得技术协助——事实上这一重要技术任何国家也不会轻易外露。

在此环境下，根据两页纸造出激光陀螺，无异于让一个从未见过火箭的人拿着锤子造个火箭出来。

这时候，天选之子出现了，他就是中国激光陀螺奠基人、中国工程院院士高伯龙，外号“背心院士”。

▲穿军装的中国激光陀螺奠基人、中国工程院院士高伯龙

▲穿背心的中国激光陀螺奠基人、中国工程院院士高伯龙

1975年，全国撤销基础课部，高伯龙离开讲台，被304激光教研室“收容”，我们上文说过，该室主要就是搞激光陀螺研究的。

从此高伯龙跟激光陀螺耗上了，接下来用了40载岁月，一举推动我国激光陀螺事业发展，与美国缩小了20年差距。

高伯龙数理功底深厚，通过大量计算，结合实验对激光陀螺进行了深入理论研究，竟被他从两张纸里反推出激光陀螺的若干关键理论认识和结论，破译了钱学森留下的“密码”。

1976年，在全国激光陀螺学术交流会上，进入该领域不到一年的高伯龙一鸣惊人——提出了我国独有、完全没有任何成功经验可借鉴的四频差动陀螺研制方案，并认为，仿制美国十年内都不可能成功，因为我国基础材料科学和工艺技术太落后了，只有四频差动陀螺因为降低了工艺难度，因此更容易实现。

▲激光陀螺技术分类

在高伯龙院士的带领下，国防科技大学激光陀螺研究团队历经20载岁月，终于在1994年11月，造出我国第一台激光陀螺工程化样机，并通过国家专家团队验收，让我国继美俄法后，成为世界上第四个能够独立研制激光陀螺的国家。

而这一局面，到今天依然如此，中国之后再无听说国际上有其他国家独立掌握激光陀螺技术，这一技术的难度由此可见！

根据人民网报道描述：

美国经过二十多年的研究，将激光陀螺的镀膜技术推广到多色氦氖激光器的反射镜制备，终于在1985年推出了全内腔绿光氦氖激光器产品，一年后德国也推出了相关产品。俄罗斯亦曾研制过全内腔绿光氦氖激光器，由于“技术太复杂”，没有成功。我国多家单位在1987年也实现绿光氦氖激光振荡，但都是外腔式结构，不便在实际使用。虽然之后经多个单位努力攻关，但一直没有实现全内腔氦氖激光器的绿光输出，更谈不上商品化。

在1994年，激光陀螺反射膜的攻关取得重大突破，在积累相当的工艺经验后，立即用相同的镀膜工艺，按理论设计方案制备极低损耗的绿光反射镜，一举研制出全内腔绿光氦氖激光器，其主要技术指标达到国际先进水平，使我国成为继美、德之后第三个拥有这种高性能激光器制造技术的国家。

▲研发激光陀螺时期的高伯龙院士（中间白衣人物，来自国防科技大学《激光陀螺诞生记》）

▲高伯龙院士改造废弃食堂当实验室（来自国防科技大学《激光陀螺诞生记》）

没有地方，高伯龙院士带队亲自改造校园里的废弃食堂作为实验室；制造激光陀螺的“关键技术之首”——镀膜，工艺不过关，高伯龙带头改进设备，造高精度的反射率透射率测量仪；夏天没有空调，甚至连风扇都没有，工作室密封，高伯龙带领团队穿着背心就在这个“大闷罐”里干活……

失败、重来，失败，重来……用二十载岁月去研究一个东西，其中的挫折艰难，远不是短短数百字所能表达。然而高伯龙院士团队做到了，中国做到了！

之后，高伯龙院士团队又用了将近10年时间，力排众议研制出国内精度第一的基于激光陀螺仪的“旋转式惯性导航系统”，并大规模应用于现役武器系统，逐渐发展出今天航天、航空和国防科技系统中的激光陀螺应用体系，这才有了今天我国航空、航天事业百花齐放的局面！

结语

从激光陀螺上面，我们可以看到传感器对于现代工业和科技的重要性，为了这个不起眼的传感器，世界上主要军事强国均投入二三十年时间，无数科研人员去研究。而因为这个传感器，全世界的惯性导航系统有了巨大的飞跃。

中国今天在航空航天等科技领域的快速发展，决不是一朝一夕的功夫，背后是许许多多科研人员，如高伯龙院士一样，数十年如一日的汗水。

我国在传感器等关系国际民生的重大科技上，做到自立自强、自给自足，是我国国防不受敌人威胁的底气，是我国坚决捍卫国家主权和安全的底气！

致敬所有一线科研人员！吾辈当自强！

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