慣性技術發展歷程回顧與展望

宋麗君，薛連莉，董燕琴，趙萬良，陳效真

(1.西安建筑科技大學，西安710055;2.北京海鷹科技情報研究所，北京100074;3.火箭軍裝備研究院，北京100085;4.上海航天控制技術研究所，上海201109;5.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

0 引言

2020年是科氏力、科里奧利定則確立185周年,也是法國物理學家賈斯帕·古斯塔夫·科里奧利誕辰228周年；2020年是陀螺命名170周年、回轉羅經發明168周年,也是法國物理學家萊昂·傅科誕辰201周年,更是人類慣性技術從現象發現—機理萌發—驗證成律—工程實踐—深化拓展—競爭繁榮的200年。

200年來,在慣性技術領域,一直以需求牽引、提高精度為宗旨,通過基礎關鍵技術攻關、積極探索新理論、創新拓展新應用而不斷努力。目前,慣性技術在傳統機械轉子陀螺的基礎上,總結積淀、升華躍遷,創新促成了量子、波動等多種新型慣性技術儀表的誕生,形成了2個大類(轉子自旋、波動干涉)、4個序列(傳統機械、光學、固體波動、量子)約12種百余款不同機理、不同用途、不同結構款式、不同成本構架的工程型號應用慣性技術產品,同類精度相對提升4～5個數量級,體積縮小至原來的近1/60,壽命由幾個小時提高到20萬小時,應用領域也在不斷擴展。本文對慣性技術200年發展歷程進行了總結回顧,并對其未來發展進行了分析和展望。

1 慣性技術200年發展歷程回顧

慣性技術自1835年確立、1850年形成,至今已有185年,經歷了3次科學革命、4次技術革命和4次產業革命,經歷了4次物理學革命、2次世界大戰以及45年的大國冷戰軍備競賽,尤其是大國稱霸的2次主權論、3次抵消的顛覆性技術戰略競爭?？茖W技術進步的同時,也極大地激發了慣性技術的蓬勃發展。在需求牽引和技術推動下,近200年,世界慣性領域專家一直以改善支撐摩擦和改變信號采集兩個途徑提高精度為慣性轉子陀螺的終極目標。一方面,通過兩小(摩擦、體積)一高(精度),傳統機械轉子陀螺實現了六代九種模式的不斷進化；另一方面,通過阻抗、感抗、容抗,從電感到電流,從電流到頻率,綜合精度提高了4～5數量級。同時,隨著量子、信息化、大數據的快速發展,慣性技術在機械轉子陀螺發展的基礎上,技術升華躍遷,迅速創新出現了量子自旋陀螺和波動干涉(量子、光學、固體、微機械波動干涉)陀螺以及光動量粒子自旋陀螺。科技進步復興、國防裝備的需求競爭極大地繁榮昌盛了慣性技術,如圖1～圖3所示。

圖1 慣性技術發展與科學革命關系史Fig.1 Relationship between the development of inertial technology and the scientific revolution

圖2 國際戰略對抗模式變化與慣性技術發展Fig.2 Changes of international strategic confrontation mode and the development of inertial technology

圖3 慣性技術200年發展圖譜Fig.3 200-year development map of inertial technology

由圖1～圖3可知,科學進步復興催生了慣性技術的新理論、新思維和新機理,一戰、二戰時期的制海、制空權說和戰后大國冷戰裝備競爭(制海定位—制空導航—核戰略制導—空間競爭穩姿穩向—深空探測、全方位全域小型智能控制)繁榮了慣性技術新的應用方法、新的領域市場、新的品種模式,慣性技術產品的性能精度也快速成熟提高。慣性技術作為戰爭國防裝備高技術中的核心關鍵技術,需求迫切,受到世界各發達國家的高度重視,被列入高密工程,并且投入大量人力物力進行研究。如今,慣性技術又迎來了以量子信息與大數據為基礎的量子+人工智能新時代,必將帶來新的復興和新的繁榮。

2 慣性技術國內外發展現狀

21世紀,量子+人工智能時代已悄然到來,影響著人類的一切活動和科學進步。世界國防大國也在3次抵消戰略下將人工智能、量子信息、大數據、云計算、區塊鏈、物聯網等前沿高科技嵌入并應用于軍事中,提出了 “信息戰” “導航戰”“馬賽克戰”等作戰概念。而導航系統作為武器裝備不可或缺,攻防博弈性能與日俱增,光學陀螺、MEMS陀螺、半球諧振陀螺(HRG)、原子陀螺、加速度計等慣性儀表及系統發展迅速,其具體精度指標如表1所示。

表1 慣性儀表精度指標Table 1 Accuracy of inertial instruments

2.1 陀螺發展現狀

光學陀螺技術日趨成熟,精度突飛猛進,體積、功耗不斷降低。激光陀螺精度優于0.0002(°)/h,光纖陀螺精度達0.00008(°)/h,光學陀螺及其系統應用已從戰術級逐步拓展到戰略級,在陸、海、空、天等多個領域中占主導地位,成為裝備應用市場的主角[1]。激光陀螺還以小型化和性能改進為主,而光纖陀螺(干涉式/諧振式光纖陀螺和受激布里淵散射光纖陀螺)的精度/尺寸和成本綜合性能不斷提高,通過噪聲抑制、精密繞環、光子糾纏、集成芯片等提高光纖陀螺的精度和穩定性,縮小體積和降低成本[2-7]。光學陀螺正朝著戰略超高精度、導航強環境適應性、集成化、超小型、低成本方向發展。

基于哥氏效應的MEMS陀螺(線振動式/角振動式/振動環式MEMS陀螺和懸浮轉子式MEMS陀螺)的精度為 0.0014(°)/h ～ 500(°)/h, 以體積小、質量小、功耗成本適中、具有良好的靈活性和高可靠性等特點成為慣性技術在精確制導彈藥、汽車和消費電子領域的研究熱點。目前,通過微加工、專用集成電路、測控電路、結構與材料等優化設計,將MEMS陀螺提高到導航級,力求小型/低功耗和經濟,以高效替代光纖陀螺[8-9]。DARPA Micro-PNT重點支持振動環式和懸浮轉子式MEMS陀螺路線,顯示了MEMS陀螺技術路線的軍/商用價值。

半球諧振陀螺(HRG)是最具潛力的哥氏振動陀螺,目前精度可達0.0001(°)/h,連續壽命為20年,可靠度達0.995,由于高精度、高可靠、結構簡單,極具體積、質量等綜合優勢,成為了慣性技術應用的熱點,如圖4所示。3D微納制造技術的進步使MEMS特征尺寸、高線性度mHRG技術得到發展,應用不斷擴展。美國諾格公司在多年半球諧振陀螺研究的基礎上,正在開發新型LR-450 IMU中的毫米半球諧振陀螺,專為質量更小、成本更低的小型平臺而設計。HRG有兩件套和三件套結構,有全角/力平衡控制模式。DARPA公布了比較研究:賽峰電子與防務公司的HRG被評為導航級中具有最佳成本/尺寸/質量/功率(CSWaP)的傳感器,可與霍尼韋爾公司的HG9900或諾格公司的HRG競爭,具體如圖5所示。

圖4 HRG綜合性能與相關陀螺的對比Fig.4 Comparison of the comprehensive performance among HRG with related gyroscopes

圖5 不同傳感器C-SWaP隨導航性能的變化Fig.5 C-SWaP changes with navigation performance in different sensors

新型原子陀螺(原子干涉/核磁共振陀螺(NMRG)、無自旋交換弛豫(SERF)原子自旋陀螺)性能不斷提升,潛力巨大,工程化進程日益加快,如表2所示。美國加州大學歐文分校利用玻璃吹制工藝、折紙式折疊和傳統MEMS制造了核磁共振陀螺和核磁共振磁力計,核磁共振陀螺角隨機游走為 0.1(°)/h1/2,推動了工程化實現。由于DARPA精確慣性導航系統(PINS)和自適應導航系統(ANS)的支持,AOSense公司的原子干涉陀螺精度達5×10-6(°)/h。美國桑迪亞國家實驗室的原子干涉陀螺內腔尺寸為20mm×30mm×60mm,靈敏度為1×10-6(rad/s)/Hz1/2。在美國小企業創新研究計劃(SBIR)支持下,Twinleaf公司的核自旋陀螺精度達1×10-4(°)/h。原子/光子領域,科學發現和量子調控技術飛速發展,推動了原子陀螺的進展。

表2 原子陀螺/加速度計研究現狀與成果Table 2 Research status and achievements of atomic gyroscope/accelerometer

2.2 加速度計發展現狀

加速度計正向兩級(消費/軍用)化發展,性能精度不斷提高,成本不斷降低。擺式積分陀螺加速度計(結構復雜/體積大/價格昂貴)精度為0.1μg,用于戰略等高端裝備；撓性擺式加速度計(石英/硅)精度為 5μg～1000μg, 是陸、 海、 空、天、制導彈藥等多領域的主流；石英振梁加速度計精度達10μg,最高精度為1μg,已應用于戰術級,有望進入戰略級應用,極具潛力；硅微機電加速度計有制導彈藥、機器人、汽車、消費電子應用牽引,性能日益提升,精度達0.1mg～1mg。這些產品充分發揮了高g值和高分辨振動感應細分應用的優勢,新型微光學加速度計、原子加速度計等也逐步進入工程實踐。iXblue公司將寬帶寬/高動態機械加速度計與冷原子干涉加速度計集成混合,該混合加速度計具有傳統高動態/高帶寬和量子長期穩定性,惡劣條件下運行良好,精度達10ng。倫敦帝國理工學院開發了潛艇量子導航系統用冷原子加速度計,穩定性為傳統冷原子加速度計的1000倍。

基礎材料應用技術也異?；钴S,瑞典皇家理工學院利用高導電納米石墨烯開發了全球最小的加速度計,在可穿戴人體監測和導航領域開創了突破性應用。

3 慣性技術的發展與展望

科學技術的迅猛發展和國防裝備的需求極大地激勵、推動和影響著慣性技術的發展和進步。轉子慣性技術經過上百年的發展,面臨著結構復雜、成本高、精度提升艱難等難題,已經進入瓶頸期,有望基于光動量懸浮粒子技術給傳統轉子慣性技術的精度提高探索出一條新路。量子、波動(光子、固體波動)慣性技術已成為慣性技術發現的趨勢和方向,其中的光學波動干涉陀螺和固體波動陀螺已成為裝備和國民經濟市場的應用主體,逐漸形成模塊/貨架化趨勢。而干涉和糾纏(光子、量子)將成為慣性技術精度指標跨越突破的新途徑,MEMS慣性技術是未來小型低成本、智能嵌入的基礎,已初見成效。

我國在新石器時代就有木/土陀螺,唐代則有“環轉四周而爐體常平,可置被褥中”的倆環鏤空銀熏香球,到宋代出現了精制千千車和倒鐘體、雜技轉盤等陀螺。但是,真正的國防裝備工業應用在20世紀50年代才剛剛開始,至今也只有短短70年。就這短短70年,我國慣性技術的發展已取得驚人成果,產、學、研、用行業領域序列(系列)體系已基本形成,性能精度基本滿足國防裝備多需求配套。

但是,隨著高科技信息化的迅猛發展,國防裝備需求也相應提高,慣性技術產品精度要求越來越高(優于10-5以上)、體積(質量)要求越來越小、壽命要求越來越長(20年)、可靠性和長期穩定性要求越來越高,這也對我國慣性技術產品提出了更高的要求,主要體現在以下幾點:

1)以高精度三浮(液浮、磁懸浮、動壓氣浮)陀螺、靜電懸浮陀螺為典型標志的傳統機械轉子陀螺已進入瓶頸區。傳統機械轉子陀螺經過幾十年的努力,精度提高、體積縮小,但是,結構越來越復雜、基礎配件要求越來越高、制造精度要求越來越精密(納米級)、工藝難度越來越大、測試技術手段要求越來越精(優于10-19以上),成本相應也就越來越高。由于基礎支撐技術(特種結構及功能材料技術、精密超精密制造工藝及其裝備技術、檢測試驗評價理論機理方法設備技術)與慣性產品發展要求的不適配性,致使傳統機械轉子陀螺性能精度指標難以保證、提升,可靠性、成本難以突破與降低,不能適應新型裝備,高精度、小體積、長壽命、快速機動、低成本的快速提高完善和智能化要求成為裝備核心重大關鍵瓶頸技術,制約了重大裝備技術的再提高。

2)光學陀螺(激光/光纖)精度不斷提升、體積(功耗)不斷減少(降低),技術日趨成熟,成為海、陸、空、天等多領域裝備的主選。尤其光纖陀螺結構簡單(30多個元件)、體積小、門檻低、成本投資小,零部件(光纖環等)成為專業貨架產品,形成采購集成態勢。

3)MEMS微機械慣性儀表具有精度范圍寬、體積小、質量小、功耗成本適中、可靠性高、需求旺盛(智能彈藥、交通建筑、醫療防護和消費電子)等優點,依然是慣性技術研究熱點。MEMS陀螺品種多(石英、硅、聲、光)、結構繁(線振動式/角振動式/振動環/振動塊/振動杯/振動半球MEMS陀螺和懸浮轉子式MEMS陀螺等)、更新快、流片工藝復雜投入大。近30年來,我國一直處于代工摸索試制階段,產品提升慢、產業方向不明。近期,石英慣性儀表初步形成了工程裝備應用態勢,多環、微半球陣列工程運用優勢明朗,低精度質量對稱塊初步商品化。

4)諧振陀螺(金屬杯型/石英半球)是傳統機械轉子陀螺技術的升華,是對物理波粒二象性波動理論的認知運用和機械實現的結晶,以最小最簡結構、科學集成量化實現了固體物理諧振,利用靜電場振動慣量力學模型優化、半角速率與全角積分實時切換銜接彌補了跨代綜合性能,升華了機械慣性敏感精度,拓展了角速率信息敏感新途徑。但是,精度和產能與國外同類型產品還有差距,對高純熔融特種力學(恒彈性)玻璃材料組織機理、制備工藝、檢測評價的研究還是空白,還需要下大工夫進行突破。

5)量子慣性技術同樣受到青睞和重視,其中的原子干涉陀螺原理實驗樣機已實現陀螺效應,核磁共振陀螺和SERF原子自旋陀螺以及測力測磁裝置已進入工程研制實驗改進,性能不斷提升。

6)加速度計相對慣性系統組成需求,精度、體積、成本適配性不足。

7)慣性系統(平臺/捷聯/混合和多元復合)是導航制導和穩姿穩向的基礎。捷聯系統隨計算機和戰術裝備的需求應用而生,并派生了可標定/調制框架式捷聯混合系統,框架式捷聯混合系統的出現模糊了慣性平臺式和慣性捷聯式間的技術界限,有取代慣性平臺系統的勢頭。但慣性平臺系統應用研究的技術、人才、物質支撐和投入少,阻礙了新型慣性平臺系統(光纖/石英半球諧振陀螺平臺系統)應用研究的進一步發展和進步。

8)區域行業及行業上下游互相封閉、技術故步自封給慣性技術系統應用精度提高、成本降低和指標體系的可行、科學、合理制造了障礙,使慣性技術共享共用共榮共進受阻,阻礙了我國慣性技術應用性能科學合理的大幅度飛躍。

慣性技術在我國民間應用較早,工程應用研究起步較晚。由于國外嚴格的技術封鎖和禁運,我國慣性技術的發展具有一定難度。但是,隨著我國科學技術的發展和大國地位的崛起,慣性技術發展迅速,品種型號基本滿足國防裝備和國民經濟市場需求,尤其是新型(量子)慣性技術研究走出了一條新路,成果顯著,有的指標已經達到或者領先國外先進技術水平,為我國慣性技術進一步發展奠定了基礎。

4 對當前慣性技術發展的幾點認知和思考

一代技術、一代產品、一代市場,慣性技術經歷了制海定位、制空導航、戰略制導、空間競爭、穩姿穩向的發展,而今又迎來了量子+人工智能的深空、深地、深海,攻深探盲的探測和國防裝備與國民經濟全方位、全域感知控制技術應用的新時代。在這科學技術發展的轉折點,正確認知與思考慣性技術尤為必要。

(1)量子時代已經到來

國際標準單位物理實體基準的 “常數”化,標志著物理學革命和科學技術復興進入到了一個新的歷史階段。量子+人工智能時代已經到來,測量技術的微量化、數字化、網絡化、智能化已面臨挑戰。自主精準測控敏感源的慣性技術(從機械轉子自旋升華為量子、波動干涉)的發展顯示,慣性技術量子時代已經到來。

1924年,德布羅意提出 “一切物質都具有波粒二象性,不只是光子,一切微觀粒子包括電子、質子、中子都具有波粒二象性(P=h/mv)”。可見,慣性技術從機械轉子自旋升華為量子、波動干涉的發展是物理波粒二象性(自旋、波動)在經典牛頓定律下的應用升華,是量子微粒、波動干涉、感應糾纏技術在慣性技術應用的新篇章,必將推動慣性技術邁向一個新的更高臺階。而慣性技術的MEMS化已成為導航級模塊嵌入、微型可靠、低成本的曙光,將成為適應量子+人工智能時代自主驅動感知的基礎。

(2)多學科交叉、多技術融合理念是大趨勢

慣性技術產品不是簡單的功能器件,而是具有多回路(供電、激勵、檢測、溫控等)支撐的精密感知系統。從純機械—機電結合—光/機/電多技術融合—數字化融入到量子+智能自主驅動的多學科技術集成,從制海定位—制空導航—核戰略制導—空間競爭、穩姿穩向到以大數據、人工智能和量子糾纏為標志的現代高科技空間探測/競爭/安全,當前已進入航天空間大規模往返和地月空間經濟應用新時代。從戰爭多維大跨域、立體交叉高端博弈、無人智能多信息融合、協同精確打擊和快速、多源、多模式能量強對抗,體系協同一體化適應未來戰爭信息化,到高速多源化適應未來戰爭立體多維化、自主小型平臺化適應未來戰爭無人智能化的裝備顛覆創新,給國防現代裝備的導航與控制、穩姿與穩向核心技術提出了更高要求[10]。極端復雜任務界面的非線性不確定,陌生環境的知識歸納與自主適應,人機多源協同融合/智能控制的可信安全,精準打擊效能評估等基礎科學問題的模型描述與有效調控,導航控制深度融合理論方法與信息敏感挖掘傳遞,多元耦合干擾智能處理的反饋控制、相應裝備的性能提升和現代網絡、數學工具的有效應用等,多學科交叉、多技術融合理念是慣性技術發展進步的基礎。

(3)扎實基礎研究是引導進步的關鍵

沒有基礎科學引導,科技將寸步難行。重視以科學認知和工程應用為目的的慣性技術基礎研究,解決行前思、思前知、行必果的有力科學技術支撐,解決研究唯 “用”論、認識 “用”和“認識”的關系及其重要性。未來,慣性儀表和系統的可靠性不斷提高,光學陀螺慣導系統平均無故障時間達10萬小時,半球諧振陀螺慣導系統平均無故障時間甚至高達100萬小時。同時,環境適應性不斷增強,MEMS慣導系統可承受20000g的沖擊,半球諧振陀螺慣導系統具備超寬的工作溫度范圍(-95℃～155℃)。其中,材料的作用至關重要,基礎理論(新的設計集成理念、測試試驗機理、應用評價方法、數字處理算法等)、基礎技術(制造處理工藝、試驗測試量化流程、標準規范軟件等)、基礎材料(特種新型結構、功能材料等)的研究亟待創新。如高純熔融高Q值石英玻璃的研制、處理、評價就是我國慣性技術的缺憾(石英擺、半球、原子泡、懸浮玻璃粒子等),其他高性能功能材料(電、磁、超導等)和相應基礎材料工藝智能自適應微應力技術沒有系統配套扎實的基礎研究是不行的。

(4)平臺/捷聯各具優勢、互補交叉

慣性系統是人工智能信息敏感、操控、制導的源頭,是國防裝備精確打擊的基礎,是保證航班化航天運輸、重復使用航天運載系統和未來可學習可訓練智能航天器安全入軌精準返回的重要技術支撐。從捷聯到平臺,到捷聯/平臺中高精度平分秋色,再到 “三自”慣組和混合式旋轉慣導,模糊了慣性平臺/捷聯技術優勢的界線。在衛星導航拒止和極端復雜環境任務剖面下,無源慣性基導航系統依然是精密高精度導航的根基。在追求儀表精度的基礎上,應正確認識慣性平臺系統和慣性捷聯系統各自的優勢。

慣性平臺系統是物理坐標結構,物理實現積分應用、提升剛度、隔離干擾、自標自瞄、自檢自修、自解耦,提升了高端應用性能精度。慣性捷聯系統是數字坐標結構,數字運算實現速率高動態、小體積和低成本。應在積極發展新型慣性平臺系統和慣性基多信息融合、多源復合導航系統的同時,重視平臺和捷聯各自物理/數字運算優勢,探索兼容互補交叉技術,加大研究投入力度,降低成本,推動共同進步和提升,滿足未來戰略新型智能導彈裝備的新要求。所以,亟待重新重視研究新型慣性器件(石英半球諧振陀螺、光學陀螺和高端MEMS陀螺)集成的平臺系統和新型數字調制系統以及變模態技術系統,推動系統應用新發展。重視跟蹤創新發展導航定位和控制,尤其是無源慣性導航系統、慣性基多信息融合和多源復合導航定位控制系統以及新型機理的導航系統,是適應現代高科技發展的需求。

(5)智能化融入將給慣性技術領域帶來新活力

在國際強對抗、戰術難預測作戰環境下,高價值目標精確攻防的精確打擊齊射競爭,自主人工智能和C4ISR作戰云系統導彈智能/可靠需求,系統容錯及重構、時空基準統一、慣性基多傳感器集成技術成為重要發展方向,算法計算軟件和誤差模型完善將成為慣性系統智能化應用的重大技術。冗余容錯、自適應決策、自診斷自修復、自標定自檢測、自學習自補償的自驅動自主傳感和嵌入到植入技術的從控制系統整體在線優化軌跡獲得慣性導航系統最佳激勵或誤差規避、全數據采集處理自學習(機械學習)、邏輯推演算法、自驅動動態可調控補償成為慣性系統的新型標志。智能化是方向和必然,智能化的融入將給慣性技術領域帶來新活力。

(6)精度始終是慣性技術領域追求的目標

性能精度始終指引著陀螺、加速度計以及系統技術的發展,同時推動相關前沿科學技術在慣性技術領域的應用,提高精度主要通過挖掘現有技術、拓展新理論新機理以推出新思維的新型結構儀表。宏觀物象微觀量化歸咎、通用尺度精密超精密極值量化判督、四維空間真值方位量化找準傳遞、多物理場微應力應變效應的量化探究、微小角速率和微重力的靈敏量化感知、高動態大過載復雜環境下的微量量化傳輸、新概念新原理技術關鍵譜量的量化分離識別、特種專用功能結構材料的量化核驗等是提高慣性技術精度的基礎。需要在深化誤差參數關聯基礎上優化工藝、模型,重點突破特種材料、元器件和專用軟件技術,關鍵要解決短板瓶頸工藝測試,千方百計綜合治理、統籌提高整機性能精度。

傳統機械轉子陀螺減小體積、提高精度的同時,其復雜程度、工藝實現難度、成本也相應提高幾十倍,已近極致,挖潛空間很小。故應以拓展為主,必須在新材料、新工藝、新原理上下大功夫。光學、波動式量子慣性產品已成趨勢,要在性能精度、體積質量、功耗成本綜合性能優化上下功夫。要重視 “質量歸零”,不走過程,不推諉,要切實科學細化以問題關聯邏輯要素魚刺圖為基礎,敏銳發現、認真分析、仔細復現、反復驗證迭代提升。MEMS慣性器件則應科學定位器件模式路線(高精度振動環和中低精度、低成本微半球/多環碟型具優勢)和需求方向。依托核心技術序列化、模塊化、標準化是滿足新時代裝備機動快速智能高精度低成本應對占有裝備市場競爭和滿足不同需求、拓展擴大領域市場份額的良策。

(7)新型慣性器件發展方向

在量子物理科學等前沿技術發展推動下,在衛星導航拒止裝備需求牽引下,新型慣性儀表不斷涌現,處于高速發展態勢。光學(光子波動)陀螺技術已成熟,正在通過MEMS技術小型化,通過光子糾纏提升性能精度。其精度有望從戰術級、導航級延伸到戰略級,光子同頻共振感應糾纏技術將消除噪聲,突破光學陀螺精度極限成為可能。半球諧振陀螺的高精度、高可靠、長壽命受到重視,全角積分/半角速率實時切換應用,大大拓展了儀表應用精度范圍,在盡力高精度結構簡單化基礎上,陣列(多環)微型化已成邁向導航級的趨勢。原子自旋陀螺已進入工程階段,光懸浮粒子慣性技術原理試驗樣機已完成。可見,量子(冷原子/熱原子、光子和光動量懸浮粒子)、波動(原子/光子波動、固態波動和同頻共振感應糾纏)技術已成為新型慣性技術突破性能精度的關鍵,量子(原子/光子陀螺、光動量懸浮陀螺、加速度計、微磁、微重力傳感器)傳感時代已經到來。在盡力挖掘光學、波動慣性導航系統應用的基礎上,著力新型量子及量子糾纏技術慣性導航系統和光懸浮粒子技術慣性產品基礎研究(理論機理、制造工藝、測試試驗、數據處理),推動新型慣性技術發展,適應未來新一代高科技高要求導航。其中,原子與MEMS固態慣性技術器件的集成組合是提升慣性系統性能精度和動態反應能力的有效技術途徑(國外已有應用專利)。MEMS陀螺已在戰術級應用中占據主導,后續在微納米技術和微加工藝等發展的推動下,精度將覆蓋導航級。更具超高精度和微小體積的原子干涉或量子自旋新型陀螺將成為研究的新重點。

(8)測試與大數據應用是慣性系統發展的基石

科學是測出來的,沒有測量就沒有科學。測量檢測和試驗驗證是高精密導航設備性能保證基礎,是導航設備數字孿生和產品孿生數字誤差模型擬合、迭代、修正、改進、提升的橋梁,是完善驗證誤差模型的必需,如圖6所示。在重視專項超高精度檢測試驗的同時,應注重多項技術綜合實驗的理論方法(低精度設備、高精度測量)、誤差激勵機理、手段裝備和規范標準體系的完善研究。建立高效、全面、準確測試試驗評估體系,是解決長期困擾的 “天地一致性”關聯應用問題的迫切任務。開展高精度慣性儀表誤差激勵與響應機理、模型參數辨識理論和高精度慣性儀表性能閉環試驗評估理論研究以及有效試驗方法驗證過載振動復合環境效應對慣性導航測量精度影響機理研究至關重要,如圖7所示。

圖6 測試與數字化Fig.6 Diagram of test and digitization

圖7 測試技術思維Fig.7 Diagram of the testing technical cogitation

大數據為解決慣性系統使用過程中的故障診斷和故障預測、綜合提升慣性技術的應用水平和科研生產制造水平提供依據。相關領域行業應以區塊鏈(全型號系統/多型號全過程產品數據中心、大數據多媒體推理專用平臺)形成系統數據管理、分析和挖掘體系,建設高精度慣性導航系統全壽命周期測試大數據共享平臺,主要包括大數據形成技術、大數據分析技術(數據存儲、數據分析、數據展示、挖掘算法、數據安全)、大數據應用技術和大數據資源統籌共享技術4方面,如圖8所示。充分發揮全源全系統全流程區塊鏈、大數據集成運算推演解算剖析、數字孿生虛擬仿真,發現導航控制新規律,科學優化全系統指標分配體系,創新導航控制新基礎理論方法,提升全系統整體應用性能精度。區塊鏈解決多系統保密和數據共享,綜合統籌全系統技術指標科學分配的合理性、可行性與科學性固化降低成本,以提高系統整體應用精度,克服精密儀表掣肘瓶頸。

圖8 大數據在慣性技術領域的應用Fig.8 Application of big data in inertial technology

(9)重視微應力制造和熵逼近分析應用

精密微細結構是高價值設備系統的核心,更是武器裝備精確打擊的焦點和要害(精密慣性儀表精度決定制導70%以上；光學觀瞄直接影響飛機瞄準精度,100%反映在打擊誤差中)。精密必然微細,微細是精密(制造加工精度優于微米、亞微米量級,尺寸介于10nm～0.1mm之間的微小型精密結構)的基礎與必然。精密武器裝備(高價值儀器設備)的戰標(性能精度)依賴于精密微細結構制造。精密微細結構形成過程和多物理場多應力應用耦合引起的時變附加誤差具有時空演變特性,影響和決定了結構及系統性能的精度和穩定性,尤其精密裝配。精密結構復雜,裝配接觸面和結構體內易引起非均勻應力場及應力集中,產生結構和力學狀態時空演變,影響應用精度。微應力集成組裝是一個微應變所對應的應力作為參考值來優化集成組裝過程中產生的應力分布,使得精密結構體內的應力盡可能降到最低,達到微應力水平,并且不隨時間變化而變化,從而將由應力引起的不可控影響因素降到最小,最終實現精密機構的高精度、高穩定性和一致性。從裝配量化、微觀匹配方面考慮,關鍵零件的檢測效率低、未能全面反應配合面是影響裝配精度的誤差因素,配合件之間的選配依賴人工技能、試裝損失加工精度、特征數據庫構建、匹配原則與模型的構建、智能快速選配方法構建、虛擬裝配技術與迭代(視覺對位檢測感知、力覺感知反饋調整、微力夾持及同軸裝配)技術研究。學習掌握熵概念,突破傳統幾何精度理論局限,精確表征零件實際幾何形狀誤差,用大數據一體化分析建模與誤差圖譜繪制優化裝配工藝提升裝配精度。最大熵統計模型需要解決特征空間的確定、問題域特征的選擇、尋找約束條件,建立統計模型,基于最大熵理論建立熵最大模型對于產業和批量數字智能化制造具有重大意義,如圖9所示。

圖9 大數據下的精密制造和半球諧振陀螺精密組裝Fig.9 Precision manufacturing and precision assembly of HRG under big data

經驗繼承模仿多、深入拓展創新少,單項定性分析多、微觀分類定量少,基礎常規應用多、深層探索研究少,精密超精密在線、專用、特種微觀尺寸及其效應的檢測、測量、量化手段與先進制造手段的發展不匹配。精密微細結構綜合精度是最優設計與最優工藝(最優綜合)的結晶,是多件組合應力平衡的杰作。應遵循單件應力服從儀表總體應力平衡原則,統從毛坯抓起,從低應力到可控應力,從細微深處統籌考慮。設計與工藝應取長補短,以應力平衡為目標,嚴肅工藝執行紀律,規范優化工藝流程程序和工藝參數,實現工藝、設備、工裝、材料、檢測、控制等最佳科學量化配套,提高微應力制造工藝技術水平。各電磁元件、零組件間同軸對位精度直接影響儀表三軸正交,導致輸入軸對準誤差、液浮磁懸浮支承耦合誤差等。從整表性能出發,采用數字化、智能化優勢,克服人為因素,提升制造自動化水平。微應力制造是提升制造能力之本,量化工藝、量化參數是提升微應力制造之源,強化產品全壽命過程數據集成,剖析微應力制造機理關系,強化誤差模型軟件的創新和驗證是實現制造到創造、創造到智能制造的核心。與世界先進水平的差距就在于全壽命周期海量測試數據關聯沒有被充分挖掘、分析和應用,制約了國防裝備精密微細結構系統精度提升、可靠性分析和壽命預估的準確性。

精密超精密制造樣本少(數據關聯不明顯),微觀尺寸實現、檢測和保持困難,微觀尺寸引起的微觀效應無法量化和防控,這些制約了慣性器件的低/無應力制造。通過數據數理剖析、挖掘潛在規律算法、智能優化等分析運算,發現影射規律和關聯關系,是精密微細結構快速提升性能、精細結構、深化機理、認知設計、保證可靠、有效補償的創新工具和手段。

(10)重視高端人才戰略

慣性技術融匯了力學、數學、化學、計算軟件科學和試驗科學等,是典型的多學科交叉和多技術融合,需要大量專業科學家、大國工匠和專業戰略科學、思維敏捷、策劃決策的專家,必須針對性培養慣性技術研究設計工藝應用專業人才。精密微細結構設計工藝專家應具有認真細致、精益求精、契而不舍的鉆研獻身精神,應建立單件應力平衡整體思維工藝及整件應力平衡綜合應用思維工藝理念,既精通數字化軟件,又了解熟悉精密微細結構機理性能需求,應是精密微細結構力學、材料、物理學與專業化學等多學科領域的復合型人才。人才匱乏是慣性專業技術進步的短板,好設計易得,好工藝難求,要有相應好的激勵人才政策,吸引穩定有胸懷格局、有合作奉獻精神、有精悍學科技術的專家學者工匠,協同共進,共促慣性技術進步。

(11)自主創新迫在眉睫

未來新的多維戰爭模式中裝備精確攻防對抗博弈加劇,快速高效創新與應用新技術者就能得到更多優勢。慣性技術多年來習慣跟蹤和模仿多、自主創新少,而今慣性技術要發展,還要再靠引進？冷戰時期有巴黎統籌委員會,冷戰結束后有瓦森納協議,核心就是禁運中國,慣性技術就在其一。2018年的兩院院士會議強調“自主創新是攀登世界科技高峰的必由之路”,真正核心技術靠進口是絕不可能的,只有重視基礎研究,集聚智慧,從量變迭代到質變,進而才能實現自主創新。同時,要敏銳著力慣性技術熱點、難點、關鍵點,集中人力物力組織集智攻關實現重點跨越、支撐發展、引領未來。

5 結論

隨著現代科學技術的高速發展,在海、陸、空、天及武器裝備需求牽引下,在現代物理學、計算機、電子技術和先進微制造技術綜合推動下,慣性技術取得了巨大進步,已成為人類全方位活動的重要支撐,是現代工業數字+智能化的基礎,更是現代國防裝備精確打擊的關鍵。慣性技術的發展歷程決定著慣性技術的過去和未來,又左右著戰略新常態。目前,已由國防核心裝備象牙塔進入國民經濟各領域成為科學發展的前沿。隨著多元智能武器裝備需求牽引,電子、光學、計算和軟件技術成為現代高新武器裝備、多種國民經濟領域的高精度精確敏感、輕量自主智能保持、高可靠自動控制、輕質小型快速、低成本抗惡劣環境的保障,相應給慣性導航系統的發展提出更加嚴苛的要求。在應對如此挑戰的同時,也將面臨難得的發展機遇。

新一輪科技革命和產業變革,粒子+人工智能、大數據、區塊鏈、智能制造、新材料等前沿技術加速應用于軍事領域,也給慣性導航系統的技術升級帶來契機。光學、波動、量子慣性產品已成趨勢,將主導導航控制的今天和未來。在應用挖掘光學、波動慣性導航系統基礎上,著力新型量子及量子糾纏技術慣性導航系統和光動量懸浮力學疊加技術慣性產品研究,適應未來大國新一代高科技發展要求。