惯性技术发展历程回顾与展望

宋丽君，薛连莉，董燕琴，赵万良，陈效真

(1.西安建筑科技大学，西安710055;2.北京海鹰科技情报研究所，北京100074;3.火箭军装备研究院，北京100085;4.上海航天控制技术研究所，上海201109;5.北京航天控制仪器研究所，北京100039)

0 引言

2020年是科氏力、科里奥利定则确立185周年,也是法国物理学家贾斯帕·古斯塔夫·科里奥利诞辰228周年；2020年是陀螺命名170周年、回转罗经发明168周年,也是法国物理学家莱昂·傅科诞辰201周年,更是人类惯性技术从现象发现—机理萌发—验证成律—工程实践—深化拓展—竞争繁荣的200年。

200年来,在惯性技术领域,一直以需求牵引、提高精度为宗旨,通过基础关键技术攻关、积极探索新理论、创新拓展新应用而不断努力。目前,惯性技术在传统机械转子陀螺的基础上,总结积淀、升华跃迁,创新促成了量子、波动等多种新型惯性技术仪表的诞生,形成了2个大类(转子自旋、波动干涉)、4个序列(传统机械、光学、固体波动、量子)约12种百余款不同机理、不同用途、不同结构款式、不同成本构架的工程型号应用惯性技术产品,同类精度相对提升4～5个数量级,体积缩小至原来的近1/60,寿命由几个小时提高到20万小时,应用领域也在不断扩展。本文对惯性技术200年发展历程进行了总结回顾,并对其未来发展进行了分析和展望。

1 惯性技术200年发展历程回顾

惯性技术自1835年确立、1850年形成,至今已有185年,经历了3次科学革命、4次技术革命和4次产业革命,经历了4次物理学革命、2次世界大战以及45年的大国冷战军备竞赛,尤其是大国称霸的2次主权论、3次抵消的颠覆性技术战略竞争。科学技术进步的同时,也极大地激发了惯性技术的蓬勃发展。在需求牵引和技术推动下,近200年,世界惯性领域专家一直以改善支撑摩擦和改变信号采集两个途径提高精度为惯性转子陀螺的终极目标。一方面,通过两小(摩擦、体积)一高(精度),传统机械转子陀螺实现了六代九种模式的不断进化；另一方面,通过阻抗、感抗、容抗,从电感到电流,从电流到频率,综合精度提高了4～5数量级。同时,随着量子、信息化、大数据的快速发展,惯性技术在机械转子陀螺发展的基础上,技术升华跃迁,迅速创新出现了量子自旋陀螺和波动干涉(量子、光学、固体、微机械波动干涉)陀螺以及光动量粒子自旋陀螺。科技进步复兴、国防装备的需求竞争极大地繁荣昌盛了惯性技术,如图1～图3所示。

图1 惯性技术发展与科学革命关系史Fig.1 Relationship between the development of inertial technology and the scientific revolution

图2 国际战略对抗模式变化与惯性技术发展Fig.2 Changes of international strategic confrontation mode and the development of inertial technology

图3 惯性技术200年发展图谱Fig.3 200-year development map of inertial technology

由图1～图3可知,科学进步复兴催生了惯性技术的新理论、新思维和新机理,一战、二战时期的制海、制空权说和战后大国冷战装备竞争(制海定位—制空导航—核战略制导—空间竞争稳姿稳向—深空探测、全方位全域小型智能控制)繁荣了惯性技术新的应用方法、新的领域市场、新的品种模式,惯性技术产品的性能精度也快速成熟提高。惯性技术作为战争国防装备高技术中的核心关键技术,需求迫切,受到世界各发达国家的高度重视,被列入高密工程,并且投入大量人力物力进行研究。如今,惯性技术又迎来了以量子信息与大数据为基础的量子+人工智能新时代,必将带来新的复兴和新的繁荣。

2 惯性技术国内外发展现状

21世纪,量子+人工智能时代已悄然到来,影响着人类的一切活动和科学进步。世界国防大国也在3次抵消战略下将人工智能、量子信息、大数据、云计算、区块链、物联网等前沿高科技嵌入并应用于军事中,提出了 “信息战” “导航战”“马赛克战”等作战概念。而导航系统作为武器装备不可或缺,攻防博弈性能与日俱增,光学陀螺、MEMS陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、原子陀螺、加速度计等惯性仪表及系统发展迅速,其具体精度指标如表1所示。

表1 惯性仪表精度指标Table 1 Accuracy of inertial instruments

2.1 陀螺发展现状

光学陀螺技术日趋成熟,精度突飞猛进,体积、功耗不断降低。激光陀螺精度优于0.0002(°)/h,光纤陀螺精度达0.00008(°)/h,光学陀螺及其系统应用已从战术级逐步拓展到战略级,在陆、海、空、天等多个领域中占主导地位,成为装备应用市场的主角[1]。激光陀螺还以小型化和性能改进为主,而光纤陀螺(干涉式/谐振式光纤陀螺和受激布里渊散射光纤陀螺)的精度/尺寸和成本综合性能不断提高,通过噪声抑制、精密绕环、光子纠缠、集成芯片等提高光纤陀螺的精度和稳定性,缩小体积和降低成本[2-7]。光学陀螺正朝着战略超高精度、导航强环境适应性、集成化、超小型、低成本方向发展。

基于哥氏效应的MEMS陀螺(线振动式/角振动式/振动环式MEMS陀螺和悬浮转子式MEMS陀螺)的精度为 0.0014(°)/h ～ 500(°)/h, 以体积小、质量小、功耗成本适中、具有良好的灵活性和高可靠性等特点成为惯性技术在精确制导弹药、汽车和消费电子领域的研究热点。目前,通过微加工、专用集成电路、测控电路、结构与材料等优化设计,将MEMS陀螺提高到导航级,力求小型/低功耗和经济,以高效替代光纤陀螺[8-9]。DARPA Micro-PNT重点支持振动环式和悬浮转子式MEMS陀螺路线,显示了MEMS陀螺技术路线的军/商用价值。

半球谐振陀螺(HRG)是最具潜力的哥氏振动陀螺,目前精度可达0.0001(°)/h,连续寿命为20年,可靠度达0.995,由于高精度、高可靠、结构简单,极具体积、质量等综合优势,成为了惯性技术应用的热点,如图4所示。3D微纳制造技术的进步使MEMS特征尺寸、高线性度mHRG技术得到发展,应用不断扩展。美国诺格公司在多年半球谐振陀螺研究的基础上,正在开发新型LR-450 IMU中的毫米半球谐振陀螺,专为质量更小、成本更低的小型平台而设计。HRG有两件套和三件套结构,有全角/力平衡控制模式。DARPA公布了比较研究:赛峰电子与防务公司的HRG被评为导航级中具有最佳成本/尺寸/质量/功率(CSWaP)的传感器,可与霍尼韦尔公司的HG9900或诺格公司的HRG竞争,具体如图5所示。

图4 HRG综合性能与相关陀螺的对比Fig.4 Comparison of the comprehensive performance among HRG with related gyroscopes

图5 不同传感器C-SWaP随导航性能的变化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)、无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺)性能不断提升,潜力巨大,工程化进程日益加快,如表2所示。美国加州大学欧文分校利用玻璃吹制工艺、折纸式折叠和传统MEMS制造了核磁共振陀螺和核磁共振磁力计,核磁共振陀螺角随机游走为 0.1(°)/h1/2,推动了工程化实现。由于DARPA精确惯性导航系统(PINS)和自适应导航系统(ANS)的支持,AOSense公司的原子干涉陀螺精度达5×10-6(°)/h。美国桑迪亚国家实验室的原子干涉陀螺内腔尺寸为20mm×30mm×60mm,灵敏度为1×10-6(rad/s)/Hz1/2。在美国小企业创新研究计划(SBIR)支持下,Twinleaf公司的核自旋陀螺精度达1×10-4(°)/h。原子/光子领域,科学发现和量子调控技术飞速发展,推动了原子陀螺的进展。

表2 原子陀螺/加速度计研究现状与成果Table 2 Research status and achievements of atomic gyroscope/accelerometer

2.2 加速度计发展现状

加速度计正向两级(消费/军用)化发展,性能精度不断提高,成本不断降低。摆式积分陀螺加速度计(结构复杂/体积大/价格昂贵)精度为0.1μg,用于战略等高端装备；挠性摆式加速度计(石英/硅)精度为 5μg～1000μg, 是陆、 海、 空、天、制导弹药等多领域的主流；石英振梁加速度计精度达10μg,最高精度为1μg,已应用于战术级,有望进入战略级应用,极具潜力；硅微机电加速度计有制导弹药、机器人、汽车、消费电子应用牵引,性能日益提升,精度达0.1mg～1mg。这些产品充分发挥了高g值和高分辨振动感应细分应用的优势,新型微光学加速度计、原子加速度计等也逐步进入工程实践。iXblue公司将宽带宽/高动态机械加速度计与冷原子干涉加速度计集成混合,该混合加速度计具有传统高动态/高带宽和量子长期稳定性,恶劣条件下运行良好,精度达10ng。伦敦帝国理工学院开发了潜艇量子导航系统用冷原子加速度计,稳定性为传统冷原子加速度计的1000倍。

基础材料应用技术也异常活跃,瑞典皇家理工学院利用高导电纳米石墨烯开发了全球最小的加速度计,在可穿戴人体监测和导航领域开创了突破性应用。

3 惯性技术的发展与展望

科学技术的迅猛发展和国防装备的需求极大地激励、推动和影响着惯性技术的发展和进步。转子惯性技术经过上百年的发展,面临着结构复杂、成本高、精度提升艰难等难题,已经进入瓶颈期,有望基于光动量悬浮粒子技术给传统转子惯性技术的精度提高探索出一条新路。量子、波动(光子、固体波动)惯性技术已成为惯性技术发现的趋势和方向,其中的光学波动干涉陀螺和固体波动陀螺已成为装备和国民经济市场的应用主体,逐渐形成模块/货架化趋势。而干涉和纠缠(光子、量子)将成为惯性技术精度指标跨越突破的新途径,MEMS惯性技术是未来小型低成本、智能嵌入的基础,已初见成效。

我国在新石器时代就有木/土陀螺,唐代则有“环转四周而炉体常平,可置被褥中”的俩环镂空银熏香球,到宋代出现了精制千千车和倒钟体、杂技转盘等陀螺。但是,真正的国防装备工业应用在20世纪50年代才刚刚开始,至今也只有短短70年。就这短短70年,我国惯性技术的发展已取得惊人成果,产、学、研、用行业领域序列(系列)体系已基本形成,性能精度基本满足国防装备多需求配套。

但是,随着高科技信息化的迅猛发展,国防装备需求也相应提高,惯性技术产品精度要求越来越高(优于10-5以上)、体积(质量)要求越来越小、寿命要求越来越长(20年)、可靠性和长期稳定性要求越来越高,这也对我国惯性技术产品提出了更高的要求,主要体现在以下几点:

1)以高精度三浮(液浮、磁悬浮、动压气浮)陀螺、静电悬浮陀螺为典型标志的传统机械转子陀螺已进入瓶颈区。传统机械转子陀螺经过几十年的努力,精度提高、体积缩小,但是,结构越来越复杂、基础配件要求越来越高、制造精度要求越来越精密(纳米级)、工艺难度越来越大、测试技术手段要求越来越精(优于10-19以上),成本相应也就越来越高。由于基础支撑技术(特种结构及功能材料技术、精密超精密制造工艺及其装备技术、检测试验评价理论机理方法设备技术)与惯性产品发展要求的不适配性,致使传统机械转子陀螺性能精度指标难以保证、提升,可靠性、成本难以突破与降低,不能适应新型装备,高精度、小体积、长寿命、快速机动、低成本的快速提高完善和智能化要求成为装备核心重大关键瓶颈技术,制约了重大装备技术的再提高。

2)光学陀螺(激光/光纤)精度不断提升、体积(功耗)不断减少(降低),技术日趋成熟,成为海、陆、空、天等多领域装备的主选。尤其光纤陀螺结构简单(30多个元件)、体积小、门槛低、成本投资小,零部件(光纤环等)成为专业货架产品,形成采购集成态势。

3)MEMS微机械惯性仪表具有精度范围宽、体积小、质量小、功耗成本适中、可靠性高、需求旺盛(智能弹药、交通建筑、医疗防护和消费电子)等优点,依然是惯性技术研究热点。MEMS陀螺品种多(石英、硅、声、光)、结构繁(线振动式/角振动式/振动环/振动块/振动杯/振动半球MEMS陀螺和悬浮转子式MEMS陀螺等)、更新快、流片工艺复杂投入大。近30年来,我国一直处于代工摸索试制阶段,产品提升慢、产业方向不明。近期,石英惯性仪表初步形成了工程装备应用态势,多环、微半球阵列工程运用优势明朗,低精度质量对称块初步商品化。

4)谐振陀螺(金属杯型/石英半球)是传统机械转子陀螺技术的升华,是对物理波粒二象性波动理论的认知运用和机械实现的结晶,以最小最简结构、科学集成量化实现了固体物理谐振,利用静电场振动惯量力学模型优化、半角速率与全角积分实时切换衔接弥补了跨代综合性能,升华了机械惯性敏感精度,拓展了角速率信息敏感新途径。但是,精度和产能与国外同类型产品还有差距,对高纯熔融特种力学(恒弹性)玻璃材料组织机理、制备工艺、检测评价的研究还是空白,还需要下大工夫进行突破。

5)量子惯性技术同样受到青睐和重视,其中的原子干涉陀螺原理实验样机已实现陀螺效应,核磁共振陀螺和SERF原子自旋陀螺以及测力测磁装置已进入工程研制实验改进,性能不断提升。

6)加速度计相对惯性系统组成需求,精度、体积、成本适配性不足。

7)惯性系统(平台/捷联/混合和多元复合)是导航制导和稳姿稳向的基础。捷联系统随计算机和战术装备的需求应用而生,并派生了可标定/调制框架式捷联混合系统,框架式捷联混合系统的出现模糊了惯性平台式和惯性捷联式间的技术界限,有取代惯性平台系统的势头。但惯性平台系统应用研究的技术、人才、物质支撑和投入少,阻碍了新型惯性平台系统(光纤/石英半球谐振陀螺平台系统)应用研究的进一步发展和进步。

8)区域行业及行业上下游互相封闭、技术故步自封给惯性技术系统应用精度提高、成本降低和指标体系的可行、科学、合理制造了障碍,使惯性技术共享共用共荣共进受阻,阻碍了我国惯性技术应用性能科学合理的大幅度飞跃。

惯性技术在我国民间应用较早,工程应用研究起步较晚。由于国外严格的技术封锁和禁运,我国惯性技术的发展具有一定难度。但是,随着我国科学技术的发展和大国地位的崛起,惯性技术发展迅速,品种型号基本满足国防装备和国民经济市场需求,尤其是新型(量子)惯性技术研究走出了一条新路,成果显著,有的指标已经达到或者领先国外先进技术水平,为我国惯性技术进一步发展奠定了基础。

4 对当前惯性技术发展的几点认知和思考

一代技术、一代产品、一代市场,惯性技术经历了制海定位、制空导航、战略制导、空间竞争、稳姿稳向的发展,而今又迎来了量子+人工智能的深空、深地、深海,攻深探盲的探测和国防装备与国民经济全方位、全域感知控制技术应用的新时代。在这科学技术发展的转折点,正确认知与思考惯性技术尤为必要。

(1)量子时代已经到来

国际标准单位物理实体基准的 “常数”化,标志着物理学革命和科学技术复兴进入到了一个新的历史阶段。量子+人工智能时代已经到来,测量技术的微量化、数字化、网络化、智能化已面临挑战。自主精准测控敏感源的惯性技术(从机械转子自旋升华为量子、波动干涉)的发展显示,惯性技术量子时代已经到来。

1924年,德布罗意提出 “一切物质都具有波粒二象性,不只是光子,一切微观粒子包括电子、质子、中子都具有波粒二象性(P=h/mv)”。可见,惯性技术从机械转子自旋升华为量子、波动干涉的发展是物理波粒二象性(自旋、波动)在经典牛顿定律下的应用升华,是量子微粒、波动干涉、感应纠缠技术在惯性技术应用的新篇章,必将推动惯性技术迈向一个新的更高台阶。而惯性技术的MEMS化已成为导航级模块嵌入、微型可靠、低成本的曙光,将成为适应量子+人工智能时代自主驱动感知的基础。

(2)多学科交叉、多技术融合理念是大趋势

惯性技术产品不是简单的功能器件,而是具有多回路(供电、激励、检测、温控等)支撑的精密感知系统。从纯机械—机电结合—光/机/电多技术融合—数字化融入到量子+智能自主驱动的多学科技术集成,从制海定位—制空导航—核战略制导—空间竞争、稳姿稳向到以大数据、人工智能和量子纠缠为标志的现代高科技空间探测/竞争/安全,当前已进入航天空间大规模往返和地月空间经济应用新时代。从战争多维大跨域、立体交叉高端博弈、无人智能多信息融合、协同精确打击和快速、多源、多模式能量强对抗,体系协同一体化适应未来战争信息化,到高速多源化适应未来战争立体多维化、自主小型平台化适应未来战争无人智能化的装备颠覆创新,给国防现代装备的导航与控制、稳姿与稳向核心技术提出了更高要求[10]。极端复杂任务界面的非线性不确定,陌生环境的知识归纳与自主适应,人机多源协同融合/智能控制的可信安全,精准打击效能评估等基础科学问题的模型描述与有效调控,导航控制深度融合理论方法与信息敏感挖掘传递,多元耦合干扰智能处理的反馈控制、相应装备的性能提升和现代网络、数学工具的有效应用等,多学科交叉、多技术融合理念是惯性技术发展进步的基础。

(3)扎实基础研究是引导进步的关键

没有基础科学引导,科技将寸步难行。重视以科学认知和工程应用为目的的惯性技术基础研究,解决行前思、思前知、行必果的有力科学技术支撑,解决研究唯 “用”论、认识 “用”和“认识”的关系及其重要性。未来,惯性仪表和系统的可靠性不断提高,光学陀螺惯导系统平均无故障时间达10万小时,半球谐振陀螺惯导系统平均无故障时间甚至高达100万小时。同时,环境适应性不断增强,MEMS惯导系统可承受20000g的冲击,半球谐振陀螺惯导系统具备超宽的工作温度范围(-95℃～155℃)。其中,材料的作用至关重要,基础理论(新的设计集成理念、测试试验机理、应用评价方法、数字处理算法等)、基础技术(制造处理工艺、试验测试量化流程、标准规范软件等)、基础材料(特种新型结构、功能材料等)的研究亟待创新。如高纯熔融高Q值石英玻璃的研制、处理、评价就是我国惯性技术的缺憾(石英摆、半球、原子泡、悬浮玻璃粒子等),其他高性能功能材料(电、磁、超导等)和相应基础材料工艺智能自适应微应力技术没有系统配套扎实的基础研究是不行的。

(4)平台/捷联各具优势、互补交叉

惯性系统是人工智能信息敏感、操控、制导的源头,是国防装备精确打击的基础,是保证航班化航天运输、重复使用航天运载系统和未来可学习可训练智能航天器安全入轨精准返回的重要技术支撑。从捷联到平台,到捷联/平台中高精度平分秋色,再到 “三自”惯组和混合式旋转惯导,模糊了惯性平台/捷联技术优势的界线。在卫星导航拒止和极端复杂环境任务剖面下,无源惯性基导航系统依然是精密高精度导航的根基。在追求仪表精度的基础上,应正确认识惯性平台系统和惯性捷联系统各自的优势。

惯性平台系统是物理坐标结构,物理实现积分应用、提升刚度、隔离干扰、自标自瞄、自检自修、自解耦,提升了高端应用性能精度。惯性捷联系统是数字坐标结构,数字运算实现速率高动态、小体积和低成本。应在积极发展新型惯性平台系统和惯性基多信息融合、多源复合导航系统的同时,重视平台和捷联各自物理/数字运算优势,探索兼容互补交叉技术,加大研究投入力度,降低成本,推动共同进步和提升,满足未来战略新型智能导弹装备的新要求。所以,亟待重新重视研究新型惯性器件(石英半球谐振陀螺、光学陀螺和高端MEMS陀螺)集成的平台系统和新型数字调制系统以及变模态技术系统,推动系统应用新发展。重视跟踪创新发展导航定位和控制,尤其是无源惯性导航系统、惯性基多信息融合和多源复合导航定位控制系统以及新型机理的导航系统,是适应现代高科技发展的需求。

(5)智能化融入将给惯性技术领域带来新活力

在国际强对抗、战术难预测作战环境下,高价值目标精确攻防的精确打击齐射竞争,自主人工智能和C4ISR作战云系统导弹智能/可靠需求,系统容错及重构、时空基准统一、惯性基多传感器集成技术成为重要发展方向,算法计算软件和误差模型完善将成为惯性系统智能化应用的重大技术。冗余容错、自适应决策、自诊断自修复、自标定自检测、自学习自补偿的自驱动自主传感和嵌入到植入技术的从控制系统整体在线优化轨迹获得惯性导航系统最佳激励或误差规避、全数据采集处理自学习(机械学习)、逻辑推演算法、自驱动动态可调控补偿成为惯性系统的新型标志。智能化是方向和必然,智能化的融入将给惯性技术领域带来新活力。

(6)精度始终是惯性技术领域追求的目标

性能精度始终指引着陀螺、加速度计以及系统技术的发展,同时推动相关前沿科学技术在惯性技术领域的应用,提高精度主要通过挖掘现有技术、拓展新理论新机理以推出新思维的新型结构仪表。宏观物象微观量化归咎、通用尺度精密超精密极值量化判督、四维空间真值方位量化找准传递、多物理场微应力应变效应的量化探究、微小角速率和微重力的灵敏量化感知、高动态大过载复杂环境下的微量量化传输、新概念新原理技术关键谱量的量化分离识别、特种专用功能结构材料的量化核验等是提高惯性技术精度的基础。需要在深化误差参数关联基础上优化工艺、模型,重点突破特种材料、元器件和专用软件技术,关键要解决短板瓶颈工艺测试,千方百计综合治理、统筹提高整机性能精度。

传统机械转子陀螺减小体积、提高精度的同时,其复杂程度、工艺实现难度、成本也相应提高几十倍,已近极致,挖潜空间很小。故应以拓展为主,必须在新材料、新工艺、新原理上下大功夫。光学、波动式量子惯性产品已成趋势,要在性能精度、体积质量、功耗成本综合性能优化上下功夫。要重视 “质量归零”,不走过程,不推诿,要切实科学细化以问题关联逻辑要素鱼刺图为基础,敏锐发现、认真分析、仔细复现、反复验证迭代提升。MEMS惯性器件则应科学定位器件模式路线(高精度振动环和中低精度、低成本微半球/多环碟型具优势)和需求方向。依托核心技术序列化、模块化、标准化是满足新时代装备机动快速智能高精度低成本应对占有装备市场竞争和满足不同需求、拓展扩大领域市场份额的良策。

(7)新型惯性器件发展方向

在量子物理科学等前沿技术发展推动下,在卫星导航拒止装备需求牵引下,新型惯性仪表不断涌现,处于高速发展态势。光学(光子波动)陀螺技术已成熟,正在通过MEMS技术小型化,通过光子纠缠提升性能精度。其精度有望从战术级、导航级延伸到战略级,光子同频共振感应纠缠技术将消除噪声,突破光学陀螺精度极限成为可能。半球谐振陀螺的高精度、高可靠、长寿命受到重视,全角积分/半角速率实时切换应用,大大拓展了仪表应用精度范围,在尽力高精度结构简单化基础上,阵列(多环)微型化已成迈向导航级的趋势。原子自旋陀螺已进入工程阶段,光悬浮粒子惯性技术原理试验样机已完成。可见,量子(冷原子/热原子、光子和光动量悬浮粒子)、波动(原子/光子波动、固态波动和同频共振感应纠缠)技术已成为新型惯性技术突破性能精度的关键,量子(原子/光子陀螺、光动量悬浮陀螺、加速度计、微磁、微重力传感器)传感时代已经到来。在尽力挖掘光学、波动惯性导航系统应用的基础上,着力新型量子及量子纠缠技术惯性导航系统和光悬浮粒子技术惯性产品基础研究(理论机理、制造工艺、测试试验、数据处理),推动新型惯性技术发展,适应未来新一代高科技高要求导航。其中,原子与MEMS固态惯性技术器件的集成组合是提升惯性系统性能精度和动态反应能力的有效技术途径(国外已有应用专利)。MEMS陀螺已在战术级应用中占据主导,后续在微纳米技术和微加工艺等发展的推动下,精度将覆盖导航级。更具超高精度和微小体积的原子干涉或量子自旋新型陀螺将成为研究的新重点。

(8)测试与大数据应用是惯性系统发展的基石

科学是测出来的,没有测量就没有科学。测量检测和试验验证是高精密导航设备性能保证基础,是导航设备数字孪生和产品孪生数字误差模型拟合、迭代、修正、改进、提升的桥梁,是完善验证误差模型的必需,如图6所示。在重视专项超高精度检测试验的同时,应注重多项技术综合实验的理论方法(低精度设备、高精度测量)、误差激励机理、手段装备和规范标准体系的完善研究。建立高效、全面、准确测试试验评估体系,是解决长期困扰的 “天地一致性”关联应用问题的迫切任务。开展高精度惯性仪表误差激励与响应机理、模型参数辨识理论和高精度惯性仪表性能闭环试验评估理论研究以及有效试验方法验证过载振动复合环境效应对惯性导航测量精度影响机理研究至关重要,如图7所示。

图6 测试与数字化Fig.6 Diagram of test and digitization

图7 测试技术思维Fig.7 Diagram of the testing technical cogitation

大数据为解决惯性系统使用过程中的故障诊断和故障预测、综合提升惯性技术的应用水平和科研生产制造水平提供依据。相关领域行业应以区块链(全型号系统/多型号全过程产品数据中心、大数据多媒体推理专用平台)形成系统数据管理、分析和挖掘体系,建设高精度惯性导航系统全寿命周期测试大数据共享平台,主要包括大数据形成技术、大数据分析技术(数据存储、数据分析、数据展示、挖掘算法、数据安全)、大数据应用技术和大数据资源统筹共享技术4方面,如图8所示。充分发挥全源全系统全流程区块链、大数据集成运算推演解算剖析、数字孪生虚拟仿真,发现导航控制新规律,科学优化全系统指标分配体系,创新导航控制新基础理论方法,提升全系统整体应用性能精度。区块链解决多系统保密和数据共享,综合统筹全系统技术指标科学分配的合理性、可行性与科学性固化降低成本,以提高系统整体应用精度,克服精密仪表掣肘瓶颈。

图8 大数据在惯性技术领域的应用Fig.8 Application of big data in inertial technology

(9)重视微应力制造和熵逼近分析应用

精密微细结构是高价值设备系统的核心,更是武器装备精确打击的焦点和要害(精密惯性仪表精度决定制导70%以上；光学观瞄直接影响飞机瞄准精度,100%反映在打击误差中)。精密必然微细,微细是精密(制造加工精度优于微米、亚微米量级,尺寸介于10nm～0.1mm之间的微小型精密结构)的基础与必然。精密武器装备(高价值仪器设备)的战标(性能精度)依赖于精密微细结构制造。精密微细结构形成过程和多物理场多应力应用耦合引起的时变附加误差具有时空演变特性,影响和决定了结构及系统性能的精度和稳定性,尤其精密装配。精密结构复杂,装配接触面和结构体内易引起非均匀应力场及应力集中,产生结构和力学状态时空演变,影响应用精度。微应力集成组装是一个微应变所对应的应力作为参考值来优化集成组装过程中产生的应力分布,使得精密结构体内的应力尽可能降到最低,达到微应力水平,并且不随时间变化而变化,从而将由应力引起的不可控影响因素降到最小,最终实现精密机构的高精度、高稳定性和一致性。从装配量化、微观匹配方面考虑,关键零件的检测效率低、未能全面反应配合面是影响装配精度的误差因素,配合件之间的选配依赖人工技能、试装损失加工精度、特征数据库构建、匹配原则与模型的构建、智能快速选配方法构建、虚拟装配技术与迭代(视觉对位检测感知、力觉感知反馈调整、微力夹持及同轴装配)技术研究。学习掌握熵概念,突破传统几何精度理论局限,精确表征零件实际几何形状误差,用大数据一体化分析建模与误差图谱绘制优化装配工艺提升装配精度。最大熵统计模型需要解决特征空间的确定、问题域特征的选择、寻找约束条件,建立统计模型,基于最大熵理论建立熵最大模型对于产业和批量数字智能化制造具有重大意义,如图9所示。

图9 大数据下的精密制造和半球谐振陀螺精密组装Fig.9 Precision manufacturing and precision assembly of HRG under big data

经验继承模仿多、深入拓展创新少,单项定性分析多、微观分类定量少,基础常规应用多、深层探索研究少,精密超精密在线、专用、特种微观尺寸及其效应的检测、测量、量化手段与先进制造手段的发展不匹配。精密微细结构综合精度是最优设计与最优工艺(最优综合)的结晶,是多件组合应力平衡的杰作。应遵循单件应力服从仪表总体应力平衡原则,统从毛坯抓起,从低应力到可控应力,从细微深处统筹考虑。设计与工艺应取长补短,以应力平衡为目标,严肃工艺执行纪律,规范优化工艺流程程序和工艺参数,实现工艺、设备、工装、材料、检测、控制等最佳科学量化配套,提高微应力制造工艺技术水平。各电磁元件、零组件间同轴对位精度直接影响仪表三轴正交,导致输入轴对准误差、液浮磁悬浮支承耦合误差等。从整表性能出发,采用数字化、智能化优势,克服人为因素,提升制造自动化水平。微应力制造是提升制造能力之本,量化工艺、量化参数是提升微应力制造之源,强化产品全寿命过程数据集成,剖析微应力制造机理关系,强化误差模型软件的创新和验证是实现制造到创造、创造到智能制造的核心。与世界先进水平的差距就在于全寿命周期海量测试数据关联没有被充分挖掘、分析和应用,制约了国防装备精密微细结构系统精度提升、可靠性分析和寿命预估的准确性。

精密超精密制造样本少(数据关联不明显),微观尺寸实现、检测和保持困难,微观尺寸引起的微观效应无法量化和防控,这些制约了惯性器件的低/无应力制造。通过数据数理剖析、挖掘潜在规律算法、智能优化等分析运算,发现影射规律和关联关系,是精密微细结构快速提升性能、精细结构、深化机理、认知设计、保证可靠、有效补偿的创新工具和手段。

(10)重视高端人才战略

惯性技术融汇了力学、数学、化学、计算软件科学和试验科学等,是典型的多学科交叉和多技术融合,需要大量专业科学家、大国工匠和专业战略科学、思维敏捷、策划决策的专家,必须针对性培养惯性技术研究设计工艺应用专业人才。精密微细结构设计工艺专家应具有认真细致、精益求精、契而不舍的钻研献身精神,应建立单件应力平衡整体思维工艺及整件应力平衡综合应用思维工艺理念,既精通数字化软件,又了解熟悉精密微细结构机理性能需求,应是精密微细结构力学、材料、物理学与专业化学等多学科领域的复合型人才。人才匮乏是惯性专业技术进步的短板,好设计易得,好工艺难求,要有相应好的激励人才政策,吸引稳定有胸怀格局、有合作奉献精神、有精悍学科技术的专家学者工匠,协同共进,共促惯性技术进步。

(11)自主创新迫在眉睫

未来新的多维战争模式中装备精确攻防对抗博弈加剧,快速高效创新与应用新技术者就能得到更多优势。惯性技术多年来习惯跟踪和模仿多、自主创新少,而今惯性技术要发展,还要再靠引进？冷战时期有巴黎统筹委员会,冷战结束后有瓦森纳协议,核心就是禁运中国,惯性技术就在其一。2018年的两院院士会议强调“自主创新是攀登世界科技高峰的必由之路”,真正核心技术靠进口是绝不可能的,只有重视基础研究,集聚智慧,从量变迭代到质变,进而才能实现自主创新。同时,要敏锐着力惯性技术热点、难点、关键点,集中人力物力组织集智攻关实现重点跨越、支撑发展、引领未来。

5 结论

随着现代科学技术的高速发展,在海、陆、空、天及武器装备需求牵引下,在现代物理学、计算机、电子技术和先进微制造技术综合推动下,惯性技术取得了巨大进步,已成为人类全方位活动的重要支撑,是现代工业数字+智能化的基础,更是现代国防装备精确打击的关键。惯性技术的发展历程决定着惯性技术的过去和未来,又左右着战略新常态。目前,已由国防核心装备象牙塔进入国民经济各领域成为科学发展的前沿。随着多元智能武器装备需求牵引,电子、光学、计算和软件技术成为现代高新武器装备、多种国民经济领域的高精度精确敏感、轻量自主智能保持、高可靠自动控制、轻质小型快速、低成本抗恶劣环境的保障,相应给惯性导航系统的发展提出更加严苛的要求。在应对如此挑战的同时,也将面临难得的发展机遇。

新一轮科技革命和产业变革,粒子+人工智能、大数据、区块链、智能制造、新材料等前沿技术加速应用于军事领域,也给惯性导航系统的技术升级带来契机。光学、波动、量子惯性产品已成趋势,将主导导航控制的今天和未来。在应用挖掘光学、波动惯性导航系统基础上,着力新型量子及量子纠缠技术惯性导航系统和光动量悬浮力学叠加技术惯性产品研究,适应未来大国新一代高科技发展要求。