基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)磁懸浮陀螺儀研究

韓玉龍　向楠

摘要：陀螺儀被廣泛應(yīng)用于海、陸、空等多個(gè)國防領(lǐng)域，經(jīng)常被使用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以說陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心敏感器。目前我國研究生產(chǎn)的陀螺儀的精度和穩(wěn)定性還不夠高，所以想要提高我國國防領(lǐng)域的導(dǎo)航等方面的能力，提高陀螺儀的精度是非常有必要的。

關(guān)鍵詞：陀螺儀；Meissner效應(yīng)；超導(dǎo)磁懸浮陀螺儀；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；核心敏感器 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH702 文章編號：1009-2374（2017）05-0016-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.008

人們利用角動量不滅的理論設(shè)計(jì)了一種可以用來維持方向并且感測方向的裝置，這就是陀螺儀。陀螺儀的主要構(gòu)成部分是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的輪子并且位于軸心。因?yàn)檩喿拥慕莿恿浚援?dāng)陀螺儀開始旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，它會有抵抗方向改變的趨向。因此，陀螺儀一般使用在定位和導(dǎo)航等系統(tǒng)。陀螺儀分為微機(jī)械陀螺儀、三浮陀螺儀、光纖陀螺儀、壓電陀螺儀、激光陀螺儀、粒子陀螺儀、靜電陀螺儀、超導(dǎo)陀螺儀等，其中基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀是一種新型的陀螺儀。

1 研究基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀的目的和意義

從陀螺儀的工作原理不難看出，陀螺儀其實(shí)是一種較為常見的慣性元件，并且屬于綜合性的高技術(shù)。陀螺儀被廣泛應(yīng)用于海、陸、空等多個(gè)國防領(lǐng)域，經(jīng)常被使用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以說陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心敏感器。例如，當(dāng)核潛艇長期在水下進(jìn)行隱蔽航行的時(shí)候，如果想要順利航行就離不開慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精確導(dǎo)航，所以航行的順利程度與陀螺儀的精度密切相關(guān)。目前我國研究生產(chǎn)的陀螺儀的精度對于核潛艇的導(dǎo)航定位來說是完全不夠的，所以想要提高我國國防領(lǐng)域的導(dǎo)航等方面的能力、提高陀螺儀的精度是非常有必要的。基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)磁懸浮陀螺儀可以廣泛應(yīng)用于海、陸、空各個(gè)國防領(lǐng)域的導(dǎo)航定位等方面的科學(xué)研究，可見其具有非常重要的科學(xué)研究和軍事價(jià)值。

相較于常規(guī)的陀螺儀，高精度的基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)懸浮陀螺系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢。基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)懸浮陀螺系統(tǒng)不僅精度高，同時(shí)可以承受較大的加速度的沖擊，所以在技術(shù)可行性方面也具有非常突出的優(yōu)勢。高精度的超導(dǎo)懸浮陀螺系統(tǒng)不僅可以用在潛艇上，使海軍作戰(zhàn)能力大大提高，而且可以在水面艦艇、航天技術(shù)、陸基運(yùn)載武器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)

Meissner在1933年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的完全抗磁性，也被稱作為Meissner效應(yīng)。Meissner效應(yīng)是超導(dǎo)體一旦進(jìn)入到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量會被全部排出，磁感應(yīng)強(qiáng)度則恒為零。自超導(dǎo)電現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)至1933年Meissner效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一直被人們看作單純的理想導(dǎo)體，而從1933年Meissner效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后我們才認(rèn)識到超導(dǎo)體具有獨(dú)特的磁性質(zhì)，它并不只是單純的理想導(dǎo)體。圖1是超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖：

圖1中“N”表示正常態(tài)、“S”表示超導(dǎo)態(tài)。從超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖可以看出，無論初始條件是怎樣的，也不論過程如何，只要超導(dǎo)體進(jìn)入到超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體就會把體內(nèi)的全部磁通排出，可見超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)與過程和初始條件都無關(guān)。

3 London理論對超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)的解釋

H.London和F.London在1935年在二流體模型的基礎(chǔ)上提出了兩個(gè)描述電磁場和超導(dǎo)體流關(guān)系的方程，它們與Maxwell方程一起構(gòu)成了超導(dǎo)體電動力學(xué)的基礎(chǔ)，即為London理論。

以下是利用London理論對超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)進(jìn)行解釋。

以上是London方程對超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)的解釋。

4 基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)磁懸浮陀螺儀

利用超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的超導(dǎo)磁懸浮。圖2和圖3是超導(dǎo)懸浮實(shí)例，分別是平面超導(dǎo)體和旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)體。

利用低溫超導(dǎo)體繞制超導(dǎo)線圈以產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場是超導(dǎo)體的零電阻特性的最為成功的應(yīng)用方面。

5 基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)磁懸浮陀螺儀的特點(diǎn)

基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)磁懸浮陀螺儀具有以下主要特點(diǎn)：（1）基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀相較于常規(guī)陀螺儀在精度和穩(wěn)定性方面有很大優(yōu)勢，并且比常規(guī)的陀螺儀可以說高出了一個(gè)數(shù)量級；（2）在較為惡劣的環(huán)境條件下，基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀的支承剛度則可以隨著工作環(huán)境所施加的加速度的改變而改變；（3）基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀在使用過程中當(dāng)轉(zhuǎn)子開始正常旋轉(zhuǎn)后，即可去除電源，從而在很大程度上節(jié)省了能量，所以基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀可以節(jié)省大量的能源，在深海環(huán)境和深空環(huán)境下的應(yīng)用有著非常重要的意義；（4）基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀一般使用于低溫環(huán)境中，所以材料處于化學(xué)惰性狀態(tài)，膨脹系數(shù)幾乎為零及材料蠕變趨勢也有所降低，因此基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀具有非常良好的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀具有高精度、低能耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，是非常有潛力及非常重要的慣性元件。基于Meissner效應(yīng)的超導(dǎo)陀螺儀在地質(zhì)、潛艇、石油勘探、宇宙飛船衛(wèi)星、艦船及航天等方面將會得到廣泛應(yīng)用。

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基金項(xiàng)目：2016安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目《陀螺儀懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究》（KJ2016A118）研究成果。

作者簡介：韓玉龍（1988-），男，安徽六安人，供職于安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，研究方向：車輛工程、電子信息；向楠（1983-），女，安徽國防科技職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：汽車電子技術(shù)、電子信息。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）