慣性技術(shù)發(fā)展歷程回顧與展望

宋麗君，薛連莉，董燕琴，趙萬(wàn)良，陳效真

(1.西安建筑科技大學(xué)，西安710055;2.北京海鷹科技情報(bào)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(shù)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(guó)物理學(xué)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(zhuǎn)羅經(jīng)發(fā)明168周年,也是法國(guó)物理學(xué)家萊昂·傅科誕辰201周年,更是人類慣性技術(shù)從現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)—機(jī)理萌發(fā)—驗(yàn)證成律—工程實(shí)踐—深化拓展—競(jìng)爭(zhēng)繁榮的200年。

200年來(lái),在慣性技術(shù)領(lǐng)域,一直以需求牽引、提高精度為宗旨,通過(guò)基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、積極探索新理論、創(chuàng)新拓展新應(yīng)用而不斷努力。目前,慣性技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺的基礎(chǔ)上,總結(jié)積淀、升華躍遷,創(chuàng)新促成了量子、波動(dòng)等多種新型慣性技術(shù)儀表的誕生,形成了2個(gè)大類(轉(zhuǎn)子自旋、波動(dòng)干涉)、4個(gè)序列(傳統(tǒng)機(jī)械、光學(xué)、固體波動(dòng)、量子)約12種百余款不同機(jī)理、不同用途、不同結(jié)構(gòu)款式、不同成本構(gòu)架的工程型號(hào)應(yīng)用慣性技術(shù)產(chǎn)品,同類精度相對(duì)提升4～5個(gè)數(shù)量級(jí),體積縮小至原來(lái)的近1/60,壽命由幾個(gè)小時(shí)提高到20萬(wàn)小時(shí),應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。本文對(duì)慣性技術(shù)200年發(fā)展歷程進(jìn)行了總結(jié)回顧,并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了分析和展望。

1 慣性技術(shù)200年發(fā)展歷程回顧

慣性技術(shù)自1835年確立、1850年形成,至今已有185年,經(jīng)歷了3次科學(xué)革命、4次技術(shù)革命和4次產(chǎn)業(yè)革命,經(jīng)歷了4次物理學(xué)革命、2次世界大戰(zhàn)以及45年的大國(guó)冷戰(zhàn)軍備競(jìng)賽,尤其是大國(guó)稱霸的2次主權(quán)論、3次抵消的顛覆性技術(shù)戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)?？茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí),也極大地激發(fā)了慣性技術(shù)的蓬勃發(fā)展。在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)下,近200年,世界慣性領(lǐng)域?qū)＜乙恢币愿纳浦文Σ梁透淖冃盘?hào)采集兩個(gè)途徑提高精度為慣性轉(zhuǎn)子陀螺的終極目標(biāo)。一方面,通過(guò)兩小(摩擦、體積)一高(精度),傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺實(shí)現(xiàn)了六代九種模式的不斷進(jìn)化；另一方面,通過(guò)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(shù)量級(jí)。同時(shí),隨著量子、信息化、大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展,慣性技術(shù)在機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺發(fā)展的基礎(chǔ)上,技術(shù)升華躍遷,迅速創(chuàng)新出現(xiàn)了量子自旋陀螺和波動(dòng)干涉(量子、光學(xué)、固體、微機(jī)械波動(dòng)干涉)陀螺以及光動(dòng)量粒子自旋陀螺?？萍歼M(jìn)步復(fù)興、國(guó)防裝備的需求競(jìng)爭(zhēng)極大地繁榮昌盛了慣性技術(shù),如圖1～圖3所示。

圖1 慣性技術(shù)發(fā)展與科學(xué)革命關(guān)系史Fig.1 Relationship between the development of inertial technology and the scientific revolution

圖2 國(guó)際戰(zhàn)略對(duì)抗模式變化與慣性技術(shù)發(fā)展Fig.2 Changes of international strategic confrontation mode and the development of inertial technology

圖3 慣性技術(shù)200年發(fā)展圖譜Fig.3 200-year development map of inertial technology

由圖1～圖3可知,科學(xué)進(jìn)步復(fù)興催生了慣性技術(shù)的新理論、新思維和新機(jī)理,一戰(zhàn)、二戰(zhàn)時(shí)期的制海、制空權(quán)說(shuō)和戰(zhàn)后大國(guó)冷戰(zhàn)裝備競(jìng)爭(zhēng)(制海定位—制空導(dǎo)航—核戰(zhàn)略制導(dǎo)—空間競(jìng)爭(zhēng)穩(wěn)姿穩(wěn)向—深空探測(cè)、全方位全域小型智能控制)繁榮了慣性技術(shù)新的應(yīng)用方法、新的領(lǐng)域市場(chǎng)、新的品種模式,慣性技術(shù)產(chǎn)品的性能精度也快速成熟提高。慣性技術(shù)作為戰(zhàn)爭(zhēng)國(guó)防裝備高技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù),需求迫切,受到世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視,被列入高密工程,并且投入大量人力物力進(jìn)行研究。如今,慣性技術(shù)又迎來(lái)了以量子信息與大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的量子+人工智能新時(shí)代,必將帶來(lái)新的復(fù)興和新的繁榮。

2 慣性技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀(jì),量子+人工智能時(shí)代已悄然到來(lái),影響著人類的一切活動(dòng)和科學(xué)進(jìn)步。世界國(guó)防大國(guó)也在3次抵消戰(zhàn)略下將人工智能、量子信息、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等前沿高科技嵌入并應(yīng)用于軍事中,提出了 “信息戰(zhàn)” “導(dǎo)航戰(zhàn)”“馬賽克戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念。而導(dǎo)航系統(tǒng)作為武器裝備不可或缺,攻防博弈性能與日俱增,光學(xué)陀螺、MEMS陀螺、半球諧振陀螺(HRG)、原子陀螺、加速度計(jì)等慣性儀表及系統(tǒng)發(fā)展迅速,其具體精度指標(biāo)如表1所示。

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

2.1 陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

光學(xué)陀螺技術(shù)日趨成熟,精度突飛猛進(jìn),體積、功耗不斷降低。激光陀螺精度優(yōu)于0.0002(°)/h,光纖陀螺精度達(dá)0.00008(°)/h,光學(xué)陀螺及其系統(tǒng)應(yīng)用已從戰(zhàn)術(shù)級(jí)逐步拓展到戰(zhàn)略級(jí),在陸、海、空、天等多個(gè)領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位,成為裝備應(yīng)用市場(chǎng)的主角[1]。激光陀螺還以小型化和性能改進(jìn)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(guò)噪聲抑制、精密繞環(huán)、光子糾纏、集成芯片等提高光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性,縮小體積和降低成本[2-7]。光學(xué)陀螺正朝著戰(zhàn)略超高精度、導(dǎo)航強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性、集成化、超小型、低成本方向發(fā)展。

基于哥氏效應(yīng)的MEMS陀螺(線振動(dòng)式/角振動(dòng)式/振動(dòng)環(huán)式MEMS陀螺和懸浮轉(zhuǎn)子式MEMS陀螺)的精度為 0.0014(°)/h ～ 500(°)/h, 以體積小、質(zhì)量小、功耗成本適中、具有良好的靈活性和高可靠性等特點(diǎn)成為慣性技術(shù)在精確制導(dǎo)彈藥、汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前,通過(guò)微加工、專用集成電路、測(cè)控電路、結(jié)構(gòu)與材料等優(yōu)化設(shè)計(jì),將MEMS陀螺提高到導(dǎo)航級(jí),力求小型/低功耗和經(jīng)濟(jì),以高效替代光纖陀螺[8-9]。DARPA Micro-PNT重點(diǎn)支持振動(dòng)環(huán)式和懸浮轉(zhuǎn)子式MEMS陀螺路線,顯示了MEMS陀螺技術(shù)路線的軍/商用價(jià)值。

半球諧振陀螺(HRG)是最具潛力的哥氏振動(dòng)陀螺,目前精度可達(dá)0.0001(°)/h,連續(xù)壽命為20年,可靠度達(dá)0.995,由于高精度、高可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,極具體積、質(zhì)量等綜合優(yōu)勢(shì),成為了慣性技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn),如圖4所示。3D微納制造技術(shù)的進(jìn)步使MEMS特征尺寸、高線性度mHRG技術(shù)得到發(fā)展,應(yīng)用不斷擴(kuò)展。美國(guó)諾格公司在多年半球諧振陀螺研究的基礎(chǔ)上,正在開發(fā)新型LR-450 IMU中的毫米半球諧振陀螺,專為質(zhì)量更小、成本更低的小型平臺(tái)而設(shè)計(jì)。HRG有兩件套和三件套結(jié)構(gòu),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(wù)公司的HRG被評(píng)為導(dǎo)航級(jí)中具有最佳成本/尺寸/質(zhì)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(jìng)爭(zhēng),具體如圖5所示。

圖4 HRG綜合性能與相關(guān)陀螺的對(duì)比Fig.4 Comparison of the comprehensive performance among HRG with related gyroscopes

圖5 不同傳感器C-SWaP隨導(dǎo)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(wú)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(jìn)程日益加快,如表2所示。美國(guó)加州大學(xué)歐文分校利用玻璃吹制工藝、折紙式折疊和傳統(tǒng)MEMS制造了核磁共振陀螺和核磁共振磁力計(jì),核磁共振陀螺角隨機(jī)游走為 0.1(°)/h1/2,推動(dòng)了工程化實(shí)現(xiàn)。由于DARPA精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(PINS)和自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)(ANS)的支持,AOSense公司的原子干涉陀螺精度達(dá)5×10-6(°)/h。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的原子干涉陀螺內(nèi)腔尺寸為20mm×30mm×60mm,靈敏度為1×10-6(rad/s)/Hz1/2。在美國(guó)小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃(SBIR)支持下,Twinleaf公司的核自旋陀螺精度達(dá)1×10-4(°)/h。原子/光子領(lǐng)域,科學(xué)發(fā)現(xiàn)和量子調(diào)控技術(shù)飛速發(fā)展,推動(dòng)了原子陀螺的進(jìn)展。

表2 原子陀螺/加速度計(jì)研究現(xiàn)狀與成果Table 2 Research status and achievements of atomic gyroscope/accelerometer

2.2 加速度計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

加速度計(jì)正向兩級(jí)(消費(fèi)/軍用)化發(fā)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(jì)(結(jié)構(gòu)復(fù)雜/體積大/價(jià)格昂貴)精度為0.1μg,用于戰(zhàn)略等高端裝備；撓性擺式加速度計(jì)(石英/硅)精度為 5μg～1000μg, 是陸、 海、 空、天、制導(dǎo)彈藥等多領(lǐng)域的主流；石英振梁加速度計(jì)精度達(dá)10μg,最高精度為1μg,已應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)級(jí),有望進(jìn)入戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用,極具潛力；硅微機(jī)電加速度計(jì)有制導(dǎo)彈藥、機(jī)器人、汽車、消費(fèi)電子應(yīng)用牽引,性能日益提升,精度達(dá)0.1mg～1mg。這些產(chǎn)品充分發(fā)揮了高g值和高分辨振動(dòng)感應(yīng)細(xì)分應(yīng)用的優(yōu)勢(shì),新型微光學(xué)加速度計(jì)、原子加速度計(jì)等也逐步進(jìn)入工程實(shí)踐。iXblue公司將寬帶寬/高動(dòng)態(tài)機(jī)械加速度計(jì)與冷原子干涉加速度計(jì)集成混合,該混合加速度計(jì)具有傳統(tǒng)高動(dòng)態(tài)/高帶寬和量子長(zhǎng)期穩(wěn)定性,惡劣條件下運(yùn)行良好,精度達(dá)10ng。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院開發(fā)了潛艇量子導(dǎo)航系統(tǒng)用冷原子加速度計(jì),穩(wěn)定性為傳統(tǒng)冷原子加速度計(jì)的1000倍。

基礎(chǔ)材料應(yīng)用技術(shù)也異常活躍,瑞典皇家理工學(xué)院利用高導(dǎo)電納米石墨烯開發(fā)了全球最小的加速度計(jì),在可穿戴人體監(jiān)測(cè)和導(dǎo)航領(lǐng)域開創(chuàng)了突破性應(yīng)用。

3 慣性技術(shù)的發(fā)展與展望

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和國(guó)防裝備的需求極大地激勵(lì)、推動(dòng)和影響著慣性技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。轉(zhuǎn)子慣性技術(shù)經(jīng)過(guò)上百年的發(fā)展,面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、精度提升艱難等難題,已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期,有望基于光動(dòng)量懸浮粒子技術(shù)給傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子慣性技術(shù)的精度提高探索出一條新路。量子、波動(dòng)(光子、固體波動(dòng))慣性技術(shù)已成為慣性技術(shù)發(fā)現(xiàn)的趨勢(shì)和方向,其中的光學(xué)波動(dòng)干涉陀螺和固體波動(dòng)陀螺已成為裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的應(yīng)用主體,逐漸形成模塊/貨架化趨勢(shì)。而干涉和糾纏(光子、量子)將成為慣性技術(shù)精度指標(biāo)跨越突破的新途徑,MEMS慣性技術(shù)是未來(lái)小型低成本、智能嵌入的基礎(chǔ),已初見(jiàn)成效。

我國(guó)在新石器時(shí)代就有木/土陀螺,唐代則有“環(huán)轉(zhuǎn)四周而爐體常平,可置被褥中”的倆環(huán)鏤空銀熏香球,到宋代出現(xiàn)了精制千千車和倒鐘體、雜技轉(zhuǎn)盤等陀螺。但是,真正的國(guó)防裝備工業(yè)應(yīng)用在20世紀(jì)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(guó)慣性技術(shù)的發(fā)展已取得驚人成果,產(chǎn)、學(xué)、研、用行業(yè)領(lǐng)域序列(系列)體系已基本形成,性能精度基本滿足國(guó)防裝備多需求配套。

但是,隨著高科技信息化的迅猛發(fā)展,國(guó)防裝備需求也相應(yīng)提高,慣性技術(shù)產(chǎn)品精度要求越來(lái)越高(優(yōu)于10-5以上)、體積(質(zhì)量)要求越來(lái)越小、壽命要求越來(lái)越長(zhǎng)(20年)、可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求越來(lái)越高,這也對(duì)我國(guó)慣性技術(shù)產(chǎn)品提出了更高的要求,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

1)以高精度三浮(液浮、磁懸浮、動(dòng)壓氣浮)陀螺、靜電懸浮陀螺為典型標(biāo)志的傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺已進(jìn)入瓶頸區(qū)。傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺經(jīng)過(guò)幾十年的努力,精度提高、體積縮小,但是,結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、基礎(chǔ)配件要求越來(lái)越高、制造精度要求越來(lái)越精密(納米級(jí))、工藝難度越來(lái)越大、測(cè)試技術(shù)手段要求越來(lái)越精(優(yōu)于10-19以上),成本相應(yīng)也就越來(lái)越高。由于基礎(chǔ)支撐技術(shù)(特種結(jié)構(gòu)及功能材料技術(shù)、精密超精密制造工藝及其裝備技術(shù)、檢測(cè)試驗(yàn)評(píng)價(jià)理論機(jī)理方法設(shè)備技術(shù))與慣性產(chǎn)品發(fā)展要求的不適配性,致使傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺性能精度指標(biāo)難以保證、提升,可靠性、成本難以突破與降低,不能適應(yīng)新型裝備,高精度、小體積、長(zhǎng)壽命、快速機(jī)動(dòng)、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(guān)鍵瓶頸技術(shù),制約了重大裝備技術(shù)的再提高。

2)光學(xué)陀螺(激光/光纖)精度不斷提升、體積(功耗)不斷減少(降低),技術(shù)日趨成熟,成為海、陸、空、天等多領(lǐng)域裝備的主選。尤其光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(30多個(gè)元件)、體積小、門檻低、成本投資小,零部件(光纖環(huán)等)成為專業(yè)貨架產(chǎn)品,形成采購(gòu)集成態(tài)勢(shì)。

3)MEMS微機(jī)械慣性儀表具有精度范圍寬、體積小、質(zhì)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(yī)療防護(hù)和消費(fèi)電子)等優(yōu)點(diǎn),依然是慣性技術(shù)研究熱點(diǎn)。MEMS陀螺品種多(石英、硅、聲、光)、結(jié)構(gòu)繁(線振動(dòng)式/角振動(dòng)式/振動(dòng)環(huán)/振動(dòng)塊/振動(dòng)杯/振動(dòng)半球MEMS陀螺和懸浮轉(zhuǎn)子式MEMS陀螺等)、更新快、流片工藝復(fù)雜投入大。近30年來(lái),我國(guó)一直處于代工摸索試制階段,產(chǎn)品提升慢、產(chǎn)業(yè)方向不明。近期,石英慣性儀表初步形成了工程裝備應(yīng)用態(tài)勢(shì),多環(huán)、微半球陣列工程運(yùn)用優(yōu)勢(shì)明朗,低精度質(zhì)量對(duì)稱塊初步商品化。

4)諧振陀螺(金屬杯型/石英半球)是傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)的升華,是對(duì)物理波粒二象性波動(dòng)理論的認(rèn)知運(yùn)用和機(jī)械實(shí)現(xiàn)的結(jié)晶,以最小最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)、科學(xué)集成量化實(shí)現(xiàn)了固體物理諧振,利用靜電場(chǎng)振動(dòng)慣量力學(xué)模型優(yōu)化、半角速率與全角積分實(shí)時(shí)切換銜接彌補(bǔ)了跨代綜合性能,升華了機(jī)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(chǎn)能與國(guó)外同類型產(chǎn)品還有差距,對(duì)高純?nèi)廴谔胤N力學(xué)(恒彈性)玻璃材料組織機(jī)理、制備工藝、檢測(cè)評(píng)價(jià)的研究還是空白,還需要下大工夫進(jìn)行突破。

5)量子慣性技術(shù)同樣受到青睞和重視,其中的原子干涉陀螺原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)陀螺效應(yīng),核磁共振陀螺和SERF原子自旋陀螺以及測(cè)力測(cè)磁裝置已進(jìn)入工程研制實(shí)驗(yàn)改進(jìn),性能不斷提升。

6)加速度計(jì)相對(duì)慣性系統(tǒng)組成需求,精度、體積、成本適配性不足。

7)慣性系統(tǒng)(平臺(tái)/捷聯(lián)/混合和多元復(fù)合)是導(dǎo)航制導(dǎo)和穩(wěn)姿穩(wěn)向的基礎(chǔ)。捷聯(lián)系統(tǒng)隨計(jì)算機(jī)和戰(zhàn)術(shù)裝備的需求應(yīng)用而生,并派生了可標(biāo)定/調(diào)制框架式捷聯(lián)混合系統(tǒng),框架式捷聯(lián)混合系統(tǒng)的出現(xiàn)模糊了慣性平臺(tái)式和慣性捷聯(lián)式間的技術(shù)界限,有取代慣性平臺(tái)系統(tǒng)的勢(shì)頭。但慣性平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)用研究的技術(shù)、人才、物質(zhì)支撐和投入少,阻礙了新型慣性平臺(tái)系統(tǒng)(光纖/石英半球諧振陀螺平臺(tái)系統(tǒng))應(yīng)用研究的進(jìn)一步發(fā)展和進(jìn)步。

8)區(qū)域行業(yè)及行業(yè)上下游互相封閉、技術(shù)故步自封給慣性技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用精度提高、成本降低和指標(biāo)體系的可行、科學(xué)、合理制造了障礙,使慣性技術(shù)共享共用共榮共進(jìn)受阻,阻礙了我國(guó)慣性技術(shù)應(yīng)用性能科學(xué)合理的大幅度飛躍。

慣性技術(shù)在我國(guó)民間應(yīng)用較早,工程應(yīng)用研究起步較晚。由于國(guó)外嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和禁運(yùn),我國(guó)慣性技術(shù)的發(fā)展具有一定難度。但是,隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和大國(guó)地位的崛起,慣性技術(shù)發(fā)展迅速,品種型號(hào)基本滿足國(guó)防裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)需求,尤其是新型(量子)慣性技術(shù)研究走出了一條新路,成果顯著,有的指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或者領(lǐng)先國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平,為我國(guó)慣性技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4 對(duì)當(dāng)前慣性技術(shù)發(fā)展的幾點(diǎn)認(rèn)知和思考

一代技術(shù)、一代產(chǎn)品、一代市場(chǎng),慣性技術(shù)經(jīng)歷了制海定位、制空導(dǎo)航、戰(zhàn)略制導(dǎo)、空間競(jìng)爭(zhēng)、穩(wěn)姿穩(wěn)向的發(fā)展,而今又迎來(lái)了量子+人工智能的深空、深地、深海,攻深探盲的探測(cè)和國(guó)防裝備與國(guó)民經(jīng)濟(jì)全方位、全域感知控制技術(shù)應(yīng)用的新時(shí)代。在這科學(xué)技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn),正確認(rèn)知與思考慣性技術(shù)尤為必要。

(1)量子時(shí)代已經(jīng)到來(lái)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位物理實(shí)體基準(zhǔn)的 “常數(shù)”化,標(biāo)志著物理學(xué)革命和科學(xué)技術(shù)復(fù)興進(jìn)入到了一個(gè)新的歷史階段。量子+人工智能時(shí)代已經(jīng)到來(lái),測(cè)量技術(shù)的微量化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化已面臨挑戰(zhàn)。自主精準(zhǔn)測(cè)控敏感源的慣性技術(shù)(從機(jī)械轉(zhuǎn)子自旋升華為量子、波動(dòng)干涉)的發(fā)展顯示,慣性技術(shù)量子時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

1924年,德布羅意提出 “一切物質(zhì)都具有波粒二象性,不只是光子,一切微觀粒子包括電子、質(zhì)子、中子都具有波粒二象性(P=h/mv)”?？梢?jiàn),慣性技術(shù)從機(jī)械轉(zhuǎn)子自旋升華為量子、波動(dòng)干涉的發(fā)展是物理波粒二象性(自旋、波動(dòng))在經(jīng)典牛頓定律下的應(yīng)用升華,是量子微粒、波動(dòng)干涉、感應(yīng)糾纏技術(shù)在慣性技術(shù)應(yīng)用的新篇章,必將推動(dòng)慣性技術(shù)邁向一個(gè)新的更高臺(tái)階。而慣性技術(shù)的MEMS化已成為導(dǎo)航級(jí)模塊嵌入、微型可靠、低成本的曙光,將成為適應(yīng)量子+人工智能時(shí)代自主驅(qū)動(dòng)感知的基礎(chǔ)。

(2)多學(xué)科交叉、多技術(shù)融合理念是大趨勢(shì)

慣性技術(shù)產(chǎn)品不是簡(jiǎn)單的功能器件,而是具有多回路(供電、激勵(lì)、檢測(cè)、溫控等)支撐的精密感知系統(tǒng)。從純機(jī)械—機(jī)電結(jié)合—光/機(jī)/電多技術(shù)融合—數(shù)字化融入到量子+智能自主驅(qū)動(dòng)的多學(xué)科技術(shù)集成,從制海定位—制空導(dǎo)航—核戰(zhàn)略制導(dǎo)—空間競(jìng)爭(zhēng)、穩(wěn)姿穩(wěn)向到以大數(shù)據(jù)、人工智能和量子糾纏為標(biāo)志的現(xiàn)代高科技空間探測(cè)/競(jìng)爭(zhēng)/安全,當(dāng)前已進(jìn)入航天空間大規(guī)模往返和地月空間經(jīng)濟(jì)應(yīng)用新時(shí)代。從戰(zhàn)爭(zhēng)多維大跨域、立體交叉高端博弈、無(wú)人智能多信息融合、協(xié)同精確打擊和快速、多源、多模式能量強(qiáng)對(duì)抗,體系協(xié)同一體化適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)信息化,到高速多源化適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)立體多維化、自主小型平臺(tái)化適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)無(wú)人智能化的裝備顛覆創(chuàng)新,給國(guó)防現(xiàn)代裝備的導(dǎo)航與控制、穩(wěn)姿與穩(wěn)向核心技術(shù)提出了更高要求[10]。極端復(fù)雜任務(wù)界面的非線性不確定,陌生環(huán)境的知識(shí)歸納與自主適應(yīng),人機(jī)多源協(xié)同融合/智能控制的可信安全,精準(zhǔn)打擊效能評(píng)估等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的模型描述與有效調(diào)控,導(dǎo)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(yīng)裝備的性能提升和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、數(shù)學(xué)工具的有效應(yīng)用等,多學(xué)科交叉、多技術(shù)融合理念是慣性技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的基礎(chǔ)。

(3)扎實(shí)基礎(chǔ)研究是引導(dǎo)進(jìn)步的關(guān)鍵

沒(méi)有基礎(chǔ)科學(xué)引導(dǎo),科技將寸步難行。重視以科學(xué)認(rèn)知和工程應(yīng)用為目的的慣性技術(shù)基礎(chǔ)研究,解決行前思、思前知、行必果的有力科學(xué)技術(shù)支撐,解決研究唯 “用”論、認(rèn)識(shí) “用”和“認(rèn)識(shí)”的關(guān)系及其重要性。未來(lái),慣性儀表和系統(tǒng)的可靠性不斷提高,光學(xué)陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)10萬(wàn)小時(shí),半球諧振陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間甚至高達(dá)100萬(wàn)小時(shí)。同時(shí),環(huán)境適應(yīng)性不斷增強(qiáng),MEMS慣導(dǎo)系統(tǒng)可承受20000g的沖擊,半球諧振陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)具備超寬的工作溫度范圍(-95℃～155℃)。其中,材料的作用至關(guān)重要,基礎(chǔ)理論(新的設(shè)計(jì)集成理念、測(cè)試試驗(yàn)機(jī)理、應(yīng)用評(píng)價(jià)方法、數(shù)字處理算法等)、基礎(chǔ)技術(shù)(制造處理工藝、試驗(yàn)測(cè)試量化流程、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范軟件等)、基礎(chǔ)材料(特種新型結(jié)構(gòu)、功能材料等)的研究亟待創(chuàng)新。如高純?nèi)廴诟逹值石英玻璃的研制、處理、評(píng)價(jià)就是我國(guó)慣性技術(shù)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(dǎo)等)和相應(yīng)基礎(chǔ)材料工藝智能自適應(yīng)微應(yīng)力技術(shù)沒(méi)有系統(tǒng)配套扎實(shí)的基礎(chǔ)研究是不行的。

(4)平臺(tái)/捷聯(lián)各具優(yōu)勢(shì)、互補(bǔ)交叉

慣性系統(tǒng)是人工智能信息敏感、操控、制導(dǎo)的源頭,是國(guó)防裝備精確打擊的基礎(chǔ),是保證航班化航天運(yùn)輸、重復(fù)使用航天運(yùn)載系統(tǒng)和未來(lái)可學(xué)習(xí)可訓(xùn)練智能航天器安全入軌精準(zhǔn)返回的重要技術(shù)支撐。從捷聯(lián)到平臺(tái),到捷聯(lián)/平臺(tái)中高精度平分秋色,再到 “三自”慣組和混合式旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo),模糊了慣性平臺(tái)/捷聯(lián)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的界線。在衛(wèi)星導(dǎo)航拒止和極端復(fù)雜環(huán)境任務(wù)剖面下,無(wú)源慣性基導(dǎo)航系統(tǒng)依然是精密高精度導(dǎo)航的根基。在追求儀表精度的基礎(chǔ)上,應(yīng)正確認(rèn)識(shí)慣性平臺(tái)系統(tǒng)和慣性捷聯(lián)系統(tǒng)各自的優(yōu)勢(shì)。

慣性平臺(tái)系統(tǒng)是物理坐標(biāo)結(jié)構(gòu),物理實(shí)現(xiàn)積分應(yīng)用、提升剛度、隔離干擾、自標(biāo)自瞄、自檢自修、自解耦,提升了高端應(yīng)用性能精度。慣性捷聯(lián)系統(tǒng)是數(shù)字坐標(biāo)結(jié)構(gòu),數(shù)字運(yùn)算實(shí)現(xiàn)速率高動(dòng)態(tài)、小體積和低成本。應(yīng)在積極發(fā)展新型慣性平臺(tái)系統(tǒng)和慣性基多信息融合、多源復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)的同時(shí),重視平臺(tái)和捷聯(lián)各自物理/數(shù)字運(yùn)算優(yōu)勢(shì),探索兼容互補(bǔ)交叉技術(shù),加大研究投入力度,降低成本,推動(dòng)共同進(jìn)步和提升,滿足未來(lái)戰(zhàn)略新型智能導(dǎo)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(xué)陀螺和高端MEMS陀螺)集成的平臺(tái)系統(tǒng)和新型數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)以及變模態(tài)技術(shù)系統(tǒng),推動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用新發(fā)展。重視跟蹤創(chuàng)新發(fā)展導(dǎo)航定位和控制,尤其是無(wú)源慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性基多信息融合和多源復(fù)合導(dǎo)航定位控制系統(tǒng)以及新型機(jī)理的導(dǎo)航系統(tǒng),是適應(yīng)現(xiàn)代高科技發(fā)展的需求。

(5)智能化融入將給慣性技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)新活力

在國(guó)際強(qiáng)對(duì)抗、戰(zhàn)術(shù)難預(yù)測(cè)作戰(zhàn)環(huán)境下,高價(jià)值目標(biāo)精確攻防的精確打擊齊射競(jìng)爭(zhēng),自主人工智能和C4ISR作戰(zhàn)云系統(tǒng)導(dǎo)彈智能/可靠需求,系統(tǒng)容錯(cuò)及重構(gòu)、時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一、慣性基多傳感器集成技術(shù)成為重要發(fā)展方向,算法計(jì)算軟件和誤差模型完善將成為慣性系統(tǒng)智能化應(yīng)用的重大技術(shù)。冗余容錯(cuò)、自適應(yīng)決策、自診斷自修復(fù)、自標(biāo)定自檢測(cè)、自學(xué)習(xí)自補(bǔ)償?shù)淖则?qū)動(dòng)自主傳感和嵌入到植入技術(shù)的從控制系統(tǒng)整體在線優(yōu)化軌跡獲得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)最佳激勵(lì)或誤差規(guī)避、全數(shù)據(jù)采集處理自學(xué)習(xí)(機(jī)械學(xué)習(xí))、邏輯推演算法、自驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)可調(diào)控補(bǔ)償成為慣性系統(tǒng)的新型標(biāo)志。智能化是方向和必然,智能化的融入將給慣性技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)新活力。

(6)精度始終是慣性技術(shù)領(lǐng)域追求的目標(biāo)

性能精度始終指引著陀螺、加速度計(jì)以及系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,同時(shí)推動(dòng)相關(guān)前沿科學(xué)技術(shù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,提高精度主要通過(guò)挖掘現(xiàn)有技術(shù)、拓展新理論新機(jī)理以推出新思維的新型結(jié)構(gòu)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(zhǔn)傳遞、多物理場(chǎng)微應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)的量化探究、微小角速率和微重力的靈敏量化感知、高動(dòng)態(tài)大過(guò)載復(fù)雜環(huán)境下的微量量化傳輸、新概念新原理技術(shù)關(guān)鍵譜量的量化分離識(shí)別、特種專用功能結(jié)構(gòu)材料的量化核驗(yàn)等是提高慣性技術(shù)精度的基礎(chǔ)。需要在深化誤差參數(shù)關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝、模型,重點(diǎn)突破特種材料、元器件和專用軟件技術(shù),關(guān)鍵要解決短板瓶頸工藝測(cè)試,千方百計(jì)綜合治理、統(tǒng)籌提高整機(jī)性能精度。

傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺減小體積、提高精度的同時(shí),其復(fù)雜程度、工藝實(shí)現(xiàn)難度、成本也相應(yīng)提高幾十倍,已近極致,挖潛空間很小。故應(yīng)以拓展為主,必須在新材料、新工藝、新原理上下大功夫。光學(xué)、波動(dòng)式量子慣性產(chǎn)品已成趨勢(shì),要在性能精度、體積質(zhì)量、功耗成本綜合性能優(yōu)化上下功夫。要重視 “質(zhì)量歸零”,不走過(guò)程,不推諉,要切實(shí)科學(xué)細(xì)化以問(wèn)題關(guān)聯(lián)邏輯要素魚刺圖為基礎(chǔ),敏銳發(fā)現(xiàn)、認(rèn)真分析、仔細(xì)復(fù)現(xiàn)、反復(fù)驗(yàn)證迭代提升。MEMS慣性器件則應(yīng)科學(xué)定位器件模式路線(高精度振動(dòng)環(huán)和中低精度、低成本微半球/多環(huán)碟型具優(yōu)勢(shì))和需求方向。依托核心技術(shù)序列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化是滿足新時(shí)代裝備機(jī)動(dòng)快速智能高精度低成本應(yīng)對(duì)占有裝備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和滿足不同需求、拓展擴(kuò)大領(lǐng)域市場(chǎng)份額的良策。

(7)新型慣性器件發(fā)展方向

在量子物理科學(xué)等前沿技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下,在衛(wèi)星導(dǎo)航拒止裝備需求牽引下,新型慣性儀表不斷涌現(xiàn),處于高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。光學(xué)(光子波動(dòng))陀螺技術(shù)已成熟,正在通過(guò)MEMS技術(shù)小型化,通過(guò)光子糾纏提升性能精度。其精度有望從戰(zhàn)術(shù)級(jí)、導(dǎo)航級(jí)延伸到戰(zhàn)略級(jí),光子同頻共振感應(yīng)糾纏技術(shù)將消除噪聲,突破光學(xué)陀螺精度極限成為可能。半球諧振陀螺的高精度、高可靠、長(zhǎng)壽命受到重視,全角積分/半角速率實(shí)時(shí)切換應(yīng)用,大大拓展了儀表應(yīng)用精度范圍,在盡力高精度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化基礎(chǔ)上,陣列(多環(huán))微型化已成邁向?qū)Ш郊?jí)的趨勢(shì)。原子自旋陀螺已進(jìn)入工程階段,光懸浮粒子慣性技術(shù)原理試驗(yàn)樣機(jī)已完成?？梢?jiàn),量子(冷原子/熱原子、光子和光動(dòng)量懸浮粒子)、波動(dòng)(原子/光子波動(dòng)、固態(tài)波動(dòng)和同頻共振感應(yīng)糾纏)技術(shù)已成為新型慣性技術(shù)突破性能精度的關(guān)鍵,量子(原子/光子陀螺、光動(dòng)量懸浮陀螺、加速度計(jì)、微磁、微重力傳感器)傳感時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。在盡力挖掘光學(xué)、波動(dòng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,著力新型量子及量子糾纏技術(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和光懸浮粒子技術(shù)慣性產(chǎn)品基礎(chǔ)研究(理論機(jī)理、制造工藝、測(cè)試試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理),推動(dòng)新型慣性技術(shù)發(fā)展,適應(yīng)未來(lái)新一代高科技高要求導(dǎo)航。其中,原子與MEMS固態(tài)慣性技術(shù)器件的集成組合是提升慣性系統(tǒng)性能精度和動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力的有效技術(shù)途徑(國(guó)外已有應(yīng)用專利)。MEMS陀螺已在戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo),后續(xù)在微納米技術(shù)和微加工藝等發(fā)展的推動(dòng)下,精度將覆蓋導(dǎo)航級(jí)。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(diǎn)。

(8)測(cè)試與大數(shù)據(jù)應(yīng)用是慣性系統(tǒng)發(fā)展的基石

科學(xué)是測(cè)出來(lái)的,沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)。測(cè)量檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證是高精密導(dǎo)航設(shè)備性能保證基礎(chǔ),是導(dǎo)航設(shè)備數(shù)字孿生和產(chǎn)品孿生數(shù)字誤差模型擬合、迭代、修正、改進(jìn)、提升的橋梁,是完善驗(yàn)證誤差模型的必需,如圖6所示。在重視專項(xiàng)超高精度檢測(cè)試驗(yàn)的同時(shí),應(yīng)注重多項(xiàng)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的理論方法(低精度設(shè)備、高精度測(cè)量)、誤差激勵(lì)機(jī)理、手段裝備和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系的完善研究。建立高效、全面、準(zhǔn)確測(cè)試試驗(yàn)評(píng)估體系,是解決長(zhǎng)期困擾的 “天地一致性”關(guān)聯(lián)應(yīng)用問(wèn)題的迫切任務(wù)。開展高精度慣性儀表誤差激勵(lì)與響應(yīng)機(jī)理、模型參數(shù)辨識(shí)理論和高精度慣性儀表性能閉環(huán)試驗(yàn)評(píng)估理論研究以及有效試驗(yàn)方法驗(yàn)證過(guò)載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境效應(yīng)對(duì)慣性導(dǎo)航測(cè)量精度影響機(jī)理研究至關(guān)重要,如圖7所示。

圖6 測(cè)試與數(shù)字化Fig.6 Diagram of test and digitization

圖7 測(cè)試技術(shù)思維Fig.7 Diagram of the testing technical cogitation

大數(shù)據(jù)為解決慣性系統(tǒng)使用過(guò)程中的故障診斷和故障預(yù)測(cè)、綜合提升慣性技術(shù)的應(yīng)用水平和科研生產(chǎn)制造水平提供依據(jù)。相關(guān)領(lǐng)域行業(yè)應(yīng)以區(qū)塊鏈(全型號(hào)系統(tǒng)/多型號(hào)全過(guò)程產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心、大數(shù)據(jù)多媒體推理專用平臺(tái))形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、分析和挖掘體系,建設(shè)高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)全壽命周期測(cè)試大數(shù)據(jù)共享平臺(tái),主要包括大數(shù)據(jù)形成技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示、挖掘算法、數(shù)據(jù)安全)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)和大數(shù)據(jù)資源統(tǒng)籌共享技術(shù)4方面,如圖8所示。充分發(fā)揮全源全系統(tǒng)全流程區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)集成運(yùn)算推演解算剖析、數(shù)字孿生虛擬仿真,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航控制新規(guī)律,科學(xué)優(yōu)化全系統(tǒng)指標(biāo)分配體系,創(chuàng)新導(dǎo)航控制新基礎(chǔ)理論方法,提升全系統(tǒng)整體應(yīng)用性能精度。區(qū)塊鏈解決多系統(tǒng)保密和數(shù)據(jù)共享,綜合統(tǒng)籌全系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)科學(xué)分配的合理性、可行性與科學(xué)性固化降低成本,以提高系統(tǒng)整體應(yīng)用精度,克服精密儀表掣肘瓶頸。

圖8 大數(shù)據(jù)在慣性技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.8 Application of big data in inertial technology

(9)重視微應(yīng)力制造和熵逼近分析應(yīng)用

精密微細(xì)結(jié)構(gòu)是高價(jià)值設(shè)備系統(tǒng)的核心,更是武器裝備精確打擊的焦點(diǎn)和要害(精密慣性儀表精度決定制導(dǎo)70%以上；光學(xué)觀瞄直接影響飛機(jī)瞄準(zhǔn)精度,100%反映在打擊誤差中)。精密必然微細(xì),微細(xì)是精密(制造加工精度優(yōu)于微米、亞微米量級(jí),尺寸介于10nm～0.1mm之間的微小型精密結(jié)構(gòu))的基礎(chǔ)與必然。精密武器裝備(高價(jià)值儀器設(shè)備)的戰(zhàn)標(biāo)(性能精度)依賴于精密微細(xì)結(jié)構(gòu)制造。精密微細(xì)結(jié)構(gòu)形成過(guò)程和多物理場(chǎng)多應(yīng)力應(yīng)用耦合引起的時(shí)變附加誤差具有時(shí)空演變特性,影響和決定了結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)性能的精度和穩(wěn)定性,尤其精密裝配。精密結(jié)構(gòu)復(fù)雜,裝配接觸面和結(jié)構(gòu)體內(nèi)易引起非均勻應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力集中,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和力學(xué)狀態(tài)時(shí)空演變,影響應(yīng)用精度。微應(yīng)力集成組裝是一個(gè)微應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為參考值來(lái)優(yōu)化集成組裝過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力分布,使得精密結(jié)構(gòu)體內(nèi)的應(yīng)力盡可能降到最低,達(dá)到微應(yīng)力水平,并且不隨時(shí)間變化而變化,從而將由應(yīng)力引起的不可控影響因素降到最小,最終實(shí)現(xiàn)精密機(jī)構(gòu)的高精度、高穩(wěn)定性和一致性。從裝配量化、微觀匹配方面考慮,關(guān)鍵零件的檢測(cè)效率低、未能全面反應(yīng)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(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、匹配原則與模型的構(gòu)建、智能快速選配方法構(gòu)建、虛擬裝配技術(shù)與迭代(視覺(jué)對(duì)位檢測(cè)感知、力覺(jué)感知反饋調(diào)整、微力夾持及同軸裝配)技術(shù)研究。學(xué)習(xí)掌握熵概念,突破傳統(tǒng)幾何精度理論局限,精確表征零件實(shí)際幾何形狀誤差,用大數(shù)據(jù)一體化分析建模與誤差圖譜繪制優(yōu)化裝配工藝提升裝配精度。最大熵統(tǒng)計(jì)模型需要解決特征空間的確定、問(wèn)題域特征的選擇、尋找約束條件,建立統(tǒng)計(jì)模型,基于最大熵理論建立熵最大模型對(duì)于產(chǎn)業(yè)和批量數(shù)字智能化制造具有重大意義,如圖9所示。

圖9 大數(shù)據(jù)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(jīng)驗(yàn)繼承模仿多、深入拓展創(chuàng)新少,單項(xiàng)定性分析多、微觀分類定量少,基礎(chǔ)常規(guī)應(yīng)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(yīng)的檢測(cè)、測(cè)量、量化手段與先進(jìn)制造手段的發(fā)展不匹配。精密微細(xì)結(jié)構(gòu)綜合精度是最優(yōu)設(shè)計(jì)與最優(yōu)工藝(最優(yōu)綜合)的結(jié)晶,是多件組合應(yīng)力平衡的杰作。應(yīng)遵循單件應(yīng)力服從儀表總體應(yīng)力平衡原則,統(tǒng)從毛坯抓起,從低應(yīng)力到可控應(yīng)力,從細(xì)微深處統(tǒng)籌考慮。設(shè)計(jì)與工藝應(yīng)取長(zhǎng)補(bǔ)短,以應(yīng)力平衡為目標(biāo),嚴(yán)肅工藝執(zhí)行紀(jì)律,規(guī)范優(yōu)化工藝流程程序和工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)工藝、設(shè)備、工裝、材料、檢測(cè)、控制等最佳科學(xué)量化配套,提高微應(yīng)力制造工藝技術(shù)水平。各電磁元件、零組件間同軸對(duì)位精度直接影響儀表三軸正交,導(dǎo)致輸入軸對(duì)準(zhǔn)誤差、液浮磁懸浮支承耦合誤差等。從整表性能出發(fā),采用數(shù)字化、智能化優(yōu)勢(shì),克服人為因素,提升制造自動(dòng)化水平。微應(yīng)力制造是提升制造能力之本,量化工藝、量化參數(shù)是提升微應(yīng)力制造之源,強(qiáng)化產(chǎn)品全壽命過(guò)程數(shù)據(jù)集成,剖析微應(yīng)力制造機(jī)理關(guān)系,強(qiáng)化誤差模型軟件的創(chuàng)新和驗(yàn)證是實(shí)現(xiàn)制造到創(chuàng)造、創(chuàng)造到智能制造的核心。與世界先進(jìn)水平的差距就在于全壽命周期海量測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)沒(méi)有被充分挖掘、分析和應(yīng)用,制約了國(guó)防裝備精密微細(xì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)精度提升、可靠性分析和壽命預(yù)估的準(zhǔn)確性。

精密超精密制造樣本少(數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)不明顯),微觀尺寸實(shí)現(xiàn)、檢測(cè)和保持困難,微觀尺寸引起的微觀效應(yīng)無(wú)法量化和防控,這些制約了慣性器件的低/無(wú)應(yīng)力制造。通過(guò)數(shù)據(jù)數(shù)理剖析、挖掘潛在規(guī)律算法、智能優(yōu)化等分析運(yùn)算,發(fā)現(xiàn)影射規(guī)律和關(guān)聯(lián)關(guān)系,是精密微細(xì)結(jié)構(gòu)快速提升性能、精細(xì)結(jié)構(gòu)、深化機(jī)理、認(rèn)知設(shè)計(jì)、保證可靠、有效補(bǔ)償?shù)膭?chuàng)新工具和手段。

(10)重視高端人才戰(zhàn)略

慣性技術(shù)融匯了力學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、計(jì)算軟件科學(xué)和試驗(yàn)科學(xué)等,是典型的多學(xué)科交叉和多技術(shù)融合,需要大量專業(yè)科學(xué)家、大國(guó)工匠和專業(yè)戰(zhàn)略科學(xué)、思維敏捷、策劃決策的專家,必須針對(duì)性培養(yǎng)慣性技術(shù)研究設(shè)計(jì)工藝應(yīng)用專業(yè)人才。精密微細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝專家應(yīng)具有認(rèn)真細(xì)致、精益求精、契而不舍的鉆研獻(xiàn)身精神,應(yīng)建立單件應(yīng)力平衡整體思維工藝及整件應(yīng)力平衡綜合應(yīng)用思維工藝?yán)砟?既精通數(shù)字化軟件,又了解熟悉精密微細(xì)結(jié)構(gòu)機(jī)理性能需求,應(yīng)是精密微細(xì)結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料、物理學(xué)與專業(yè)化學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)合型人才。人才匱乏是慣性專業(yè)技術(shù)進(jìn)步的短板,好設(shè)計(jì)易得,好工藝難求,要有相應(yīng)好的激勵(lì)人才政策,吸引穩(wěn)定有胸懷格局、有合作奉獻(xiàn)精神、有精悍學(xué)科技術(shù)的專家學(xué)者工匠,協(xié)同共進(jìn),共促慣性技術(shù)進(jìn)步。

(11)自主創(chuàng)新迫在眉睫

未來(lái)新的多維戰(zhàn)爭(zhēng)模式中裝備精確攻防對(duì)抗博弈加劇,快速高效創(chuàng)新與應(yīng)用新技術(shù)者就能得到更多優(yōu)勢(shì)。慣性技術(shù)多年來(lái)習(xí)慣跟蹤和模仿多、自主創(chuàng)新少,而今慣性技術(shù)要發(fā)展,還要再靠引進(jìn)？冷戰(zhàn)時(shí)期有巴黎統(tǒng)籌委員會(huì),冷戰(zhàn)結(jié)束后有瓦森納協(xié)議,核心就是禁運(yùn)中國(guó),慣性技術(shù)就在其一。2018年的兩院院士會(huì)議強(qiáng)調(diào)“自主創(chuàng)新是攀登世界科技高峰的必由之路”,真正核心技術(shù)靠進(jìn)口是絕不可能的,只有重視基礎(chǔ)研究,集聚智慧,從量變迭代到質(zhì)變,進(jìn)而才能實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新。同時(shí),要敏銳著力慣性技術(shù)熱點(diǎn)、難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn),集中人力物力組織集智攻關(guān)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)跨越、支撐發(fā)展、引領(lǐng)未來(lái)。

5 結(jié)論

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,在海、陸、空、天及武器裝備需求牽引下,在現(xiàn)代物理學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)和先進(jìn)微制造技術(shù)綜合推動(dòng)下,慣性技術(shù)取得了巨大進(jìn)步,已成為人類全方位活動(dòng)的重要支撐,是現(xiàn)代工業(yè)數(shù)字+智能化的基礎(chǔ),更是現(xiàn)代國(guó)防裝備精確打擊的關(guān)鍵。慣性技術(shù)的發(fā)展歷程決定著慣性技術(shù)的過(guò)去和未來(lái),又左右著戰(zhàn)略新常態(tài)。目前,已由國(guó)防核心裝備象牙塔進(jìn)入國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域成為科學(xué)發(fā)展的前沿。隨著多元智能武器裝備需求牽引,電子、光學(xué)、計(jì)算和軟件技術(shù)成為現(xiàn)代高新武器裝備、多種國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的高精度精確敏感、輕量自主智能保持、高可靠自動(dòng)控制、輕質(zhì)小型快速、低成本抗惡劣環(huán)境的保障,相應(yīng)給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展提出更加嚴(yán)苛的要求。在應(yīng)對(duì)如此挑戰(zhàn)的同時(shí),也將面臨難得的發(fā)展機(jī)遇。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革,粒子+人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、智能制造、新材料等前沿技術(shù)加速應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,也給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)帶來(lái)契機(jī)。光學(xué)、波動(dòng)、量子慣性產(chǎn)品已成趨勢(shì),將主導(dǎo)導(dǎo)航控制的今天和未來(lái)。在應(yīng)用挖掘光學(xué)、波動(dòng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上,著力新型量子及量子糾纏技術(shù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和光動(dòng)量懸浮力學(xué)疊加技術(shù)慣性產(chǎn)品研究,適應(yīng)未來(lái)大國(guó)新一代高科技發(fā)展要求。