谈谈那些惯性导航历史上的牛人

傅科

傅科

地球在不停地自转，这已是尽人皆知的常识。然而19世纪以前，不少学者曾为此学说的成立呕心沥血，甚至付出了生命的代价。1851年，法国力学家傅科（1819.9.18—1868.2.11）在巴黎做了一次实验，即利用“单摆的振动在惯性空间保持不变”的原理，来证实地球的自转现象，这就是著名的傅科摆实验。他最终用科学实验的方法，证明了这个已经争论了两个多世纪的难题。

　傅科摆实验

在北京的天文馆里，一进门就可以看到，从高高的屋顶上垂下一根绳子，它的下面挂着一个很重的铁球，一直伸入圆池中，而且不停地做着微幅摆动，这就是有名的“傅科摆”。

1852年，傅科利用高速旋转刚体的空间稳定性，设计了一个仪表装置，并按“转动”和“观察”的希腊文给它取名为Gyroscope，这就是实用陀螺仪的“鼻祖”，而且“陀螺仪”这个术语也一直沿用至今。傅科用这个装置做了三个实验：证明地球在昼夜旋转，确定当地的地理纬度，找出地球上的南北方向。

傅科陀螺仪

傅科的陀螺仪实验在理论上是正确的，他将陀螺用于实践的思想对后来陀螺仪的发展影响很大。可以说，傅科陀螺仪使惯性导航事业的发展跨出了第一步。

安休茨

安休茨

1901年，29岁的德国青年探险家海尔曼·安休茨（1872—1931，图4）在维也纳皇家地质协会报告了自己想乘潜水艇去北极冰层下探险的考察方案，遭到了权威们的一致反对，当场有物理学家质疑：“您究竟怎么驾驶自己的潜艇？要知道，任何磁罗经在北极都将失灵！”“在潜艇里地球磁场会被钢铁的船体完全屏蔽，磁罗盘将完全失去作用。”这些提问提醒了安休茨，他想到了只有利用陀螺来作航向仪器才能解决这个问题。

安休茨放弃了考察计划，立即以充沛的精力去埋头研究对自己来说完全陌生的一门科学技术——惯性导航技术。1905年，他制作出世界上第一台陀螺罗经样机，但试航时的结果却令人失望。原因是当舰船加速时，装在船上的陀螺罗经所产生的误差大到令仪器不能使用的程度。后来经过3年的努力，借用了当时刚刚出现的异步电动机和滚珠轴承技术，安休茨终于在1908年制造出了世界上第一台能自动找北并稳定指示船舶航向的陀螺罗经，开创了陀螺仪在航海史上应用的新纪元。这种不依靠任何外界信息，自动建立子午线方向的精密航海仪器，是陀螺技术应用中最精巧也是最重大的成就之一。

陀螺罗经

新发明的陀螺罗经存在不少缺陷，如在某些航向上舰船的摇摆会使仪器误差大增。又经过3年的钻研，在他的表兄、科学家舒勒的帮助下，安休茨发明了采用液体悬浮技术的多陀螺仪器结构，实现了罗经振动的水平阻尼，从而克服了摇摆误差并进一步提高了仪器精度。从1912年开始，安休茨罗经逐步占领了世界航海罗经大半个市场，时间长达半个多世纪，直至电控罗经的出现。

遗憾的是，安休茨过早地离开了人世，他的冰下北极探险的夙愿直到1958年才由美国的“鹦鹉螺号”核潜艇实现，当时潜艇上安装有一台N6-A型惯性导航系统和一套MK-19型平台罗经。

舒勒

舒勒

德国科学家舒勒（生卒不详，）在陀螺罗经、陀螺稳定平台、惯性导航、惯性制导等系统设计方面，做出了卓有成效的贡献。他著名的84.4分钟无干扰条件的理论，已成为惯性导航系统设计的经典。同时，在如何克服由载体机动运动而产生的机动误差方面，提供了解决问题的关键技术。

年轻的科学家舒勒参加了其表弟安休茨博士的陀螺罗经设计工作，与安休茨合作设计了巧妙的带有液体阻尼器的液浮摆式罗经。1910年，舒勒发现，当振动周期等于84.4分钟时，陀螺罗经不会产生机动误差。进一步的研究又发现，这一结论具有更广泛的概括性，即任何摆和机械仪器，只要具有84.4分钟的振动周期，就可避免由于载体加速度对陀螺仪、摆和机械仪器的影响。舒勒发明不受环境影响的陀螺罗经，使得定向技术获得重大发展。

1923年，舒勒发表了题为《运输工具的加速度对于摆和陀螺仪的干扰》的重要论文。他从最简单的单摆运动的基本概念入手，阐述了该论文的重要发现。如图4所示，位置Ⅰ为存在加速度时单摆平衡的示意图，当小车以加速度a做直线运动时，摆锤质量为m的单摆不再指示垂线，而是沿与加速度相反的方向偏转一个角度α，α的大小取决于加速度a的大小；只有当小车的加速度为零时，α才为零，这就是单摆受加速度干扰的情况。但当小车沿地球表面从A到B运动时（位置Ⅱ），单摆由于加速度a而向后摆动，垂线gA将变为gB。如果初始条件和单摆周期选择适当，则摆锤向后摆动的虚线位置可能刚好与B点的垂线gB重合。这就是说，虽然载体有加速度a，但单摆却没有加速度误差α角。

舒勒推导出了公式T=2π*Sqrt(L/g)，式中L为摆长。如果L等于地球半径R，即摆锤将始终处于地心，那么无论载体在地球表面做任何加速运动，摆线一直指向当地垂线，也即不存在误差角。经计算，周期T=2π*Sqrt(R/g)=84.4（分钟）时，无加速度误差。这就是著名的舒勒原理，这种摆被称为舒勒摆，满足84.4分钟振荡的系统被称为舒勒调谐系统。

* 上文式子中Sqrt 代表开根号

这种单摆是理想的数学摆，因为实现长度为地球半径的摆长是不现实的，但可将其变成物理摆，一种实用的方案就是使用陀螺摆。借助高速自转的陀螺在进动运动中的巨大惯性，可以实现长周期的进动运动。如果将这个振荡周期调整到84.4分钟，就实现了舒勒调谐周期。舒勒调谐周期的实现，为制造高精度、实用的惯性导航系统提供了充分的理论。舒勒调谐原理被称为无干扰条件，它是惯性仪表设计中必须遵循的重要准则。

冯·布劳恩

徳裔火箭专家冯·布劳恩（1912.3.23—1977.6.16）是20世纪航天事业的先驱之一，被誉为20世纪最伟大的火箭专家。他是著名的V-1和V-2火箭总设计师。纳粹德国战败后，美国将他和他的设计小组带到美国。移居美国后，布劳恩任陆军导弹局发展处处长和NASA副局长，先后研制成功“红石”、“丘比特”和“潘兴”式导弹。其中，“丘比特”C型火箭是美国第一颗人造卫星发射成功的关键保障。

冯·布劳恩

早期的V-2火箭

1961年5月，美国宣布实施“阿波罗”载人登月计划，冯·布劳恩在美国国家航空航天局（NASA）内任总统空间事务科学顾问，并直接主持设计“阿波罗11号”登月宇宙飞船的运载火箭“土星5号”——人类有史以来推力最大的火箭。1969年7月20日，“阿波罗11号”登月成功，他的事业也达到了巅峰。

德雷珀

德雷珀博士（1901.10.2—1987.7.15）是第二次世界大战以来最有声望的航空与航天专家之一，他在惯性技术领域的深厚造诣和突出贡献赢得了世界的赞誉，被称为“20世纪的哥伦布”，并早在20世纪50年代就被尊以“陀螺先生”的称号，被公认为是“惯导界的一颗巨星”。

德雷珀博士是美国麻省理工学院（MIT）精密仪器实验室的创始人，该实验室后来发展为德雷珀实验室。经过半个多世纪的努力，到1973年，该实验室已从最早的十多个人发展成为一个拥有1 800多名员工的德雷珀实验室公司，这个公司在惯性导航界名声显赫。如1953年，由德雷珀实验室研制成功的世界上第一套机械陀螺惯性装置，命名为空间惯性基准设备（SPIRE），其直径为1.5米，质量约1 300千克，成为后来飞机、舰艇、导弹和宇宙飞行器及各种运载器用惯性系统的基础。

德雷珀与他的“阿波罗”制导/控制系统实体模型

德雷珀实验室最负盛名的成就是于20世纪50年代研制成功了单自由度液浮陀螺仪，这种新陀螺比传统的机械式框架陀螺仪在精度上提高了2~3个数量级，并以优异的性能占领飞机、船舶、导弹、宇宙飞船等运载器的大部分应用市场长达40年之久。在液浮陀螺技术基础上，德雷珀和他的同事们在20世纪70年代为MX战略导弹研制成功了世界上精度最高的第三代陀螺仪，这种陀螺集液浮、气浮和磁悬浮三种支撑技术于一体，故被称为“三浮”陀螺。同时，他还推出了具有最高制导精度的浮球平台系统，使MX导弹成为世界上命中精度最高的战略武器系统之一。1963年9月，德雷珀还带领他的实验室成功地完成了为“阿波罗”飞船提供导航系统的任务。

依照德雷珀博士观点，20世纪的国际惯性技术水平可以分为四代：20世纪50年代以前没有惯性系统，只有采用框架陀螺的地平仪、方位仪等定向装置，这是惯性技术的第一代；从V-2火箭制导中应用加速度计作为测量元件来确定位置开始，直至进入20世纪70年代，大多数的惯性系统和元件均属于第二代；第三代惯性技术于20世纪70年代初开始研制，这种采用液浮陀螺的平台系统使得定位精度提高了2个数量级；20世纪70年代末开始设计第四代惯性系统，通过应用现代科学技术，系统定位精度小于0.3米，速度误差小于0.3米/秒。

惯性技术的发展速度是惊人的。今天的陀螺技术已进入固态陀螺的时代，但德雷珀博士在惯性技术发展史上的杰出贡献将永垂史册。德雷珀的名字已被载入全美国家发明家名人纪念馆及世界航空名人纪念馆的荣誉册。1984年，美国国家工程师协会授予他“工程技术金奖”，称他在惯性导航领域的业绩为“50年来工程界七大标志成就之一”。

来源：哲别信息

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