作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/27 13:40:25
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永不停息的“陀螺梦”
记国家自然科学基金创新研究群体项目“导航制导与传感——先进惯性仪表与系统技术”

 

群体成员合影(左五为房建成)。研究团队供图

科学家眼中,陀螺不是一种普通玩具,而是一种相当有用的仪器。利用陀螺敏感惯性空间角速率的特征,科学家研制出结构复杂、具有极高精度的惯性导航定位系统。

自2012年起,在国家自然科学基金创新研究群体项目“导航制导与传感——先进惯性仪表与系统技术”(以下简称创新群体项目)持续资助下,中国科学院院士、北京航空航天大学(以下简称北航)常务副校长房建成团队传承和弘扬“心怀祖国、勇于创新、甘于奉献”的精神,坚持“把论文写在祖国的大地上”,推动了我国惯性仪表与传感技术从机械式到光电式,再到量子式的跨越式发展。

敢为人先攀高峰

早在19世纪,科学家就提出了陀螺仪的概念,之后利用高速旋转自由转子的“定轴性”和“进动性”研制出系列机械转子陀螺仪。在移动的物体中,把一个高速旋转的转子放在可以自由转动的万向支架上,转子将保持惯性空间稳定,通过转子与万向支架三轴框架间的角度来辨认移动物体的方向和姿态,也可以通过调整陀螺仪的力矩来控制移动物体的姿态。

然而,现实中想要实现这一原理,却面临重重困难。例如,第一代陀螺仪“机械陀螺仪”要满足支架“自由转动”的条件,必然受到机械运动摩擦力的阻碍。随着科技进步,科学家开始尝试更先进的办法,提出并研制利用光传播特性进行测量的第二代陀螺仪——“光学陀螺仪”。

如今,陀螺仪已经在飞行器的自主导航中取得广泛应用。长期奋战在航空航天科研事业一线的群体成员意识到,国家重大需求对陀螺仪的精度提出了越来越高的要求。基于多项量子技术的重大突破性成果,2012年,房建成带领北航仪器科学与光电工程学院的研究团队获得创新群体项目的资助,为他们攀登科学高峰、开拓人类知识疆域注入了强劲动力。

“面向国家重大需求,我们牢牢把握住基础研究这个‘总机关’。”房建成对《中国科学报》表示,“这就要求我们以敢为人先的精神开展攻关。”

在该创新群体项目支持下,团队开始向第三代陀螺仪——“原子陀螺”挺进。原子陀螺主要是基于原子自旋的定轴性实现超高灵敏度惯性测量的仪器,在没有任何外界环境磁场干扰下,原子自旋类似于传统的转子陀螺;当存在外界磁场变化时,原子自旋会产生进动,从而实现超高灵敏度的磁场测量。因此,基于原子自旋效应,团队同时开展了超高灵敏磁场与惯性测量技术的研究,并取得重要突破,实现了“一箭双雕”。

2008年,团队在国内率先开展了基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量技术研究。2013~2018年,团队在国家自然科学基金委创新群体项目和重大科研仪器研制项目支持下,成功研制出国际公开报道最高指标的科学装置,为超高精度原子陀螺和原子磁强计的研制奠定了基础。

坚持不懈攻难题

回顾与团队并肩作战的科研生涯,房建成的体会是,“自主创新是一个漫长而艰苦的过程。”创新群体项目如今取得的突破,离不开几十年如一日的长期奋斗。

当年,团队在启动磁悬浮飞轮和控制力矩陀螺研制时,曾遭到“这个技术太前沿、风险太大”的质疑,房建成带领团队下定决心,“要拿出中国人自己研制的产品”,“团队坚信,做科研就要有前瞻精神,不能永远跟在别人后面跑”。

于是,从2000年开始,仅有5人的团队向目标发起了冲击。当时有关磁悬浮飞轮的信息极少,大家甚至连它长什么样儿都不知道。团队充分发扬不怕困难的“钉钉子”精神,没有周末,没有假期,没日没夜地查资料、调参数、做测试。

为了解决陀螺“失稳”的问题,几百组参数一组一组地实验,连续奋战,团队终于突破共性核心技术瓶颈。

团队经过近20年坚持不懈的努力,终于取得多个国内第一:成功研制出国内第一台超高速磁悬浮姿控储能两用飞轮、国内第一台高精度长寿命磁悬浮反作用飞轮、第一台单框架磁悬浮控制力矩陀螺、第一台双框架磁悬浮控制力矩陀螺……为我国航空航天事业的飞跃发展提供了重要技术支撑。

光纤陀螺方向的成果积累则更为深厚。在20世纪80年代“中国光纤陀螺之父”张惟叙教授在国内率先开展光纤陀螺研究的基础上,群体成员张春熹带领研究团队,突破高性能光纤陀螺基础瓶颈,研制出高精度高动态系列光纤陀螺及系统。

特别是,团队创造性地提出将“光子晶体光纤陀螺”作为突破复杂环境下光纤陀螺精度瓶颈的新途径,并攻克了诸多技术难题,研制出高精度光子晶体光纤陀螺,首次在空间应用中验证了光子晶体光纤陀螺作为新一代光学陀螺的技术可行性。

三代传承爱国心

经过多年科研实践,团队总结出近70年来北航三代“陀螺人”“心怀祖国、勇于创新、甘于奉献”的“陀螺精神”。

新中国成立之初,以林士谔先生为代表的第一代“陀螺人”,从“零”起步,开启了中国完全自主创新的陀螺惯导研究,实现了我国陀螺仪从无到有的跨越。多年来,林士谔先生无私的爱国精神一直在几代“陀螺人”中传承发扬。

20世纪80年代,以张惟叙教授为代表的第二代“陀螺人”,30年如一日研制光纤陀螺,满足国家急需。新世纪以后,以房建成、张春熹、宋凝芳等为代表的学者接过创新的“接力棒”,成为第三代“陀螺人”,研制惯性级高精度光纤陀螺,并在国内率先开展基于原子自旋效应超高灵敏惯性与磁场测量技术研究。

在三代人的“陀螺精神”中,爱国既是永恒无私的精神坚守,更是无穷无尽的创新原动力。研制出国家急需的陀螺仪成为他们永不停息的梦想。

如今,心怀“陀螺梦”,创新群体成员又开启了新的奋斗征程。最近,他们以超高灵敏极弱磁场与惯性测量装置研究成果为基础,申请立项建设“超高灵敏极弱磁场和惯性测量装置”国家发改委重大科技基础设施已获通过。这一设施将建成世界唯一、性能最高、空间最大的“零磁”空间,提供极限弱磁环境和极限测量手段。

房建成期待,这一设施将为我国开展从“0”到“1”的原创性“零磁科学”探索提供“利器”。依托这一设施,科学家将聚焦零磁和近零磁环境下,生物、医学、化学和物理学的前沿基础科学命题,建立“零磁科学”新学科。

梦想没有边界,创新永无止境。群体成员相信,“陀螺梦”描绘的蓝图正在成为现实。

《中国科学报》:群体成员如何理解基础研究与国家重大需求现实之间的关系?群体成员之间如何分工合作?

房建成:基础研究和国家重大需求是相辅相成的,基础研究有力支撑国家重大需求中“卡脖子”问题的攻关,国家重大需求又牵引基础研究更深入地开展。

我们群体成员中既有从事基础研究的,又有从事国家重大任务攻关的,相辅相成、协同创新。作为群体带头人,我的团队主要研究方向是惯性技术与量子精密测量传感技术。张春熹教授团队主要研究方向是光纤陀螺与惯性导航技术。樊尚春教授主要研究方向是先进传感技术。任章教授、郭雷教授等主要研究方向是导航制导与控制理论与方法。

《中国科学报》:群体对这一领域的未来方向如何把握?

房建成:坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康的“四个面向”既是新时代科技创新的目标方向,也是我们团队肩负的使命责任。我们仍然应当围绕“四个面向”布局未来的工作。

在面向世界科技前沿方面,脑科学研究的瓶颈让超高灵敏神经信号测量和脑磁图研究装置成为迫切需要,超高灵敏极弱磁场测量技术将为此作出贡献,并有望支撑零磁科学从“0”到“1”的原创研究。在面向国家重大需求方面,磁异常探测及深空磁探测对维护国家海洋和太空安全至关重要,需要开展基于新机理的新一代更高精度磁强计研发。同时,研制用于精确惯性制导和定位的芯片化高精度原子陀螺仪,是机遇也是挑战。在面向人民生命健康方面,灵敏度不断提高的原子磁强计将助力帕金森、阿尔茨海默和老年心衰等重大心脑疾病的研究和诊疗,而基于极弱磁测量变革性技术的高端心脑磁成像装置有望助力自闭症、抑郁症、神经功能障碍、心力衰竭等重大疾病的诊断。

 
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