陀螺发展简史

刘智平，吴丽丽

（西安工业大学 计算机学院，陕西 西安 710032）

陀螺首先是作为一种玩具出现的，它的有趣性引起了力学爱好者的研究兴趣，于是发现了陀螺的定轴性和进动性。在后来的航海时代，人们认识到陀螺不仅具有记忆空间方位的能力，而且利用其陀螺力矩还可以稳定载体。于是陀螺作为一种惯性传感器和执行元件开始被研究和生产，随着生产工艺和设计水平的提高，多种原理的陀螺已被研制出来。现在几乎所有的飞行器、车辆、制导弹药、机器人上的制导、导航和控制系统中都少不了陀螺，甚至在卫星上依然使用控制力矩陀螺调节姿态。

人类探索自然的征途还非常遥远，我们可以从陀螺的发展简史中重新认识某些规律，这将有利于人类对自然的理解，也更有利于开发出新型的陀螺。

1 陀螺的发展历程

现在街上、公园里经常看到有人在玩空竹，其实空竹就是一种陀螺。根据考古研究的结果，在大约公元前5000年的新石器时代，中国就出现了陀螺[1]，当时的陀螺有陶质的陀螺和木质的陀螺，主要用于运动和娱乐。由于中国关于陀螺方面的记载很少引起国外的注意，加上中国在封建社会时期不重视科学和技术的发展，陀螺所隐含的物理意义并没有引起国人的重视和研究。

国外关于陀螺的考古发现表明，历史最久远的是距今约3 500年的陶土陀螺，发现地是现在的伊拉克。

欧洲的科学家对陀螺的物理研究是在牛顿去世之后，1765年，俄罗斯科学家欧拉出版了 《刚体绕定点运动的理论》，创立了转子陀螺仪的力学基本理论。1778年，法国科学家拉格朗日在《分析力学》一书中建立了在重力力矩的作用下定点转动刚体的运动微分方程组。1852年，法国科学家傅科制造出了用于验证地球自转的测量装置，并将该装置命名为Gyroscope，虽然没有测出地球的自转角速度，但开创了对工程实用陀螺的研究和开发的先例[2-5]。

下面简要地叙述陀螺的发展历史。根据陀螺的工作原理，可将陀螺分基于经典力学原理的陀螺和基于近代物理学原理的陀螺。在工程实践中，根据敏感载体相对惯性空间的角速度的介质的不同，将陀螺分为转子陀螺、光学陀螺、磁流体陀螺、原子陀螺等。最为常见的转子陀螺包括液浮陀螺、动力调谐陀螺、静电陀螺、振动陀螺，光学陀螺包括激光陀螺、光纤陀螺，微机械陀螺包括已经应用于工程实际中的MEMS（Micro-Electron-Mechanical-System，简称 MEMS）陀螺和正处于研发阶段的 NEMS（Nano-Electro-Mechnical-System，NEMS）陀螺。

1.1 机械转子陀螺

它的工作原理就是刚体动力学中的动量矩守恒定律：

其中，H是自由转子在转子坐标系中的角动量，ω是转子相对惯性空间的角速度在转子坐标系上的投影。由于测量转子相对惯性空间的角速度必须在地球上进行，因此，陀螺首先应该能够测量地球相对惯性空间的角速度，主要是地球的自传角速度。所以研制能够敏感地球的自传角速度的陀螺的关键就是如何保证转动的摩擦阻力矩足够地小，基于当时机械加工技术水平，在1950年前后，美国的麻省理工学院的仪表实验室和前苏联的莫斯科动力学院率先提出了单自由度液浮积分陀螺仪的概念，该型陀螺因最先实现了几乎接近零摩擦力矩而应用在了最早的惯性导航系统中。液浮陀螺的关键技术包括减小摩擦阻力矩、保持浮油的温度稳定，为此采用了宝石轴承和温控技术[2-7]。

液浮速率积分陀螺包括马达、壳体、浮子、浮液、宝石轴承、游丝、力矩器、传感器、温控电路、气体动压轴承等部分，具体的结构剖面如图1所示。该型陀螺的优点是精度高，但结构复杂，成本高，只能用于军用导航领域，在民用导航领域难以拓展市场。

图1 液浮速率积分陀螺的结构图Fig.1 Structure of floating rate-integrating gyro

基于上述缺点和机械加工技术的改进，动力调谐陀螺（Dynamically Tuned Gyro，简称 DTG）出现了。DTG的思路最早由英国皇家航空研究院在1946年提出，工程化产品最早在美国诞生。这是一种干式陀螺，不需要氟油液体，它的主要结构部件包括壳体、马达、力矩器、传感器、滚珠轴承、平衡环、绝缘子、限动器等，其力学原理就是利用转子的惯性力矩来平衡掉挠性轴的弹性产生的弹性力矩，这就是调谐二字的来历。

图2 DTG的结构图Fig.2 Structure of DTG

它的优点包括：

1）结构简单、成本较低；

2）体积小、重量轻；

3）可靠性高、使用寿命长；

4）启动快、功耗低；

目前的DTG的随机漂移已接近0.0001度/小时，在2000年前，该型陀螺曾是各种战机、舰船、导弹上列装数量最多的陀螺。

缺点包括：精度进一步提高的空间很小，对挠性头的加工工艺的要求极高，对线加速度敏感、对材料的性能稳定性要求很高。

正是由于机械转子陀螺的精度已接近极限，所以，光学陀螺应运而生了。

1.2 光学陀螺

光学陀螺的诞生来自利用光学效应测量地球转速的思想，因为最初测量地球转速的陀螺利用了转子的定轴性和进动性，光学陀螺主要利用sagnec效应，即光也有惯性，两束传播方向相反的光相对于惯性空间的运动能导致光程差。正是基于这样的思路，1913年法国物理学家提出利用环形光路干涉仪来测量角速度的思路，1962年出现气体激光器，1963年美国的斯佩里公司最先研制成功了激光陀螺。

光学陀螺的优点如下：

1）结构简单、部件数量少；

2）性能稳定、动态范围宽；

3）启动快；

4）对加速度和振动不敏感；

5）直接数字输出；

光学陀螺包括激光陀螺和光纤陀螺两种，以美国Honeywell公司、Northrop Grumman公司和法国SAGEM公司的产品性能最好。

图3 RLG的外观Fig.3 Photograph of ring laser gyro

图3是霍尼韦尔公司的环形激光陀螺，采用抖动偏频技术减小锁区，图中的抖动轮清晰可见。

激光陀螺中的关键技术包括：

1）光学玻璃及其深孔加工技术；

2）密封技术；

3）镀膜技术；

4）偏频技术；

5）光源的同步技术；

第一块光纤陀螺诞生于1976年，光纤陀螺的测量原理和激光陀螺是一样的，不同之处在于激光的传输介质不同，激光陀螺采用的氦氖气体，而光纤陀螺利用的是玻璃光纤。

图4是诺斯鲁普-格鲁曼公司的光纤陀螺的外形图[11]。

图4 光纤陀螺外观Fig.4 Photograph of fiber optic gyro

1.3 静电陀螺

静电陀螺的思路最早是由美国伊利诺伊大学的诺特西科教授在1952年提出的，在1970年，霍尼韦尔公司研制出了第一台静电陀螺，同时推出了静电惯性导航系统，列装于核潜艇和战略核导弹，随机漂移在0.000 001度/小时到0.000 1度/小时。

静电陀螺包括3个核心部件：1）球形转子；2）支承电极组合件；3）真空泵。

静电陀螺的最大优点是精度高，缺点是成品率低，成本很高，基于静电陀螺的惯性导航系统装备于战略核潜艇和战略核导弹。图5是静电陀螺的结构示意图[8]。

图5 静电陀螺的结构图Fig.5 Photograph of static gyro

图6 霍尼韦尔的GG5300Fig.6 Photograph of MEMS gyro

1.4MEMS陀螺

自从人类将微电子技术、光学刻蚀技术、真空包装技术结合在一起，MEMS陀螺就诞生了。最早的MEMS陀螺诞生于1991年的MIT的仪表实验室，其显著的特点是体积小、重量轻、抗冲击能力强、成本低。

MEMS陀螺的测量原理就是克里奥里定理，亦即利用对科氏加速度的测量来测量旋转角速度。

图6所示为霍尼韦尔公司的GG5300三轴MEMS速率陀螺，3个陀螺组合体的重量只有136 g，带宽100 Hz，已经开始大批量应用制导弹药、微型飞行器的导航、制导与控制系统中[12]。

这种陀螺的误差模型较为复杂，就目前的MEMS陀螺而言，需要标定和补偿的误差就有50多项，而且此类陀螺的输出信号的噪声强度大、零漂不稳定，对温度变化、磁场变化和振动非常敏感。

现在MEMS惯性传感器研制水平最高的机构是美国的Draper实验室，即以前MIT的仪表实验室，据2010年其年度报告可知，目前其研制的MEMS陀螺的随机漂移已经和中高精度的动力调谐陀螺的水平相当[7]。

现在生产MEMS陀螺的主要厂商有霍尼韦尔、Crossbow、Systron Donner、德国的iMAR公司。

1.5 新原理陀螺

这里所谓的新原理陀螺是指工作原理和以前的陀螺完全不一样的陀螺，比如近几年才兴起的原子陀螺、磁流体陀螺等。

原子陀螺的物理基础是德布罗伊波干涉，美国的斯坦福大学的导航、定位和定时研究中心和耶鲁大学在2001年就已开始了此项研究，目的是开发出新兴的低成本的高精度的惯性导航系统[7]。

图7是展示了铯原子陀螺的原理图，因为原子陀螺的实现不仅需要选择合适的原子，而且还要给所选原子冷却，利用激光对铯原子冷却是实现原子陀螺的一项关键技术。

图7 冷原子陀螺的原理图Fig.7 Theoretical appearance of cold atom gyro

除了原子陀螺，还有原子梯度计，其原理图如图8所示。

图8 冷原子重力梯度计Fig.8 Photograph of cold atomic gravity gradiometer

梯度计的标定以测量所用激光的波长为基准，因此，测量精度和稳定性非常高，是目前常规的重力梯度仪所无法企及的，因为这些原子惯性器件的灵敏度可达10-9rad/s。

限于篇幅，半球谐振陀螺、振动陀螺、超导陀螺、磁流体陀螺的介绍在此略去。

2 技术展望

在技术展望里，主要探讨未来的陀螺的发展趋势和现有的陀螺正在解决的关键技术瓶颈。

未来的发展趋势有：

1）超流体量子陀螺仪 当氦的温度达到1K时就会变为液体，而且此时该液体的环流呈现量子化的特点。此类陀螺已被美国国防部在2007年定为优先发展的高技术之一，预计10年之内可研制出列装部队的产品。

2）原子干涉陀螺仪 利用不断发展的量子光学技术，实现真正的高精度惯性导航，导航的位置精度在100 m/h，导航系统的体积在2020年时要减至[7]1 m3。

需要说明的是，这个研究和发展的方向不仅是美国在惯性技术领域的未来方向，而且也是欧洲未来的惯性技术的发展方向。除此而外，MEMS技术在世纪之交已经朝着NEMS发展了，并且依托该技术的惯性传感器的研制已被美国国防部在2007年列入优先发展的惯性技术清单中。

现有的MEMS陀螺需要解决的技术瓶颈问题有：1）噪声水平的降低；2）零漂稳定性的增强；

现有的光学陀螺需要解决的技术瓶颈问题有：1）减小锁区；2）降低噪声水平；3）提高寿命。

从工程技术的角度看，这些问题似乎只是工艺问题，但实际上它后面喊隐藏着非常深奥的物理、化学、力学方面的基础问题。

3 结束语

文中主要就陀螺的发展历程进行了综述，不仅简述了以前的陀螺的特点、历史背景，还总结了新型陀螺的技术特点以及发展趋势。

已知旋转的物体具有定轴性，大到地球，小到肉眼看不见的原子亦可作为陀螺。师法自然，理论和工艺的结合会为人类制造出更为神奇的传感器。

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ZHU Chang-xing，FENG Yan-ying.Applications of atom inertial technology in aerospace engineering[J].Journal of Astronautics，2009，30（1）:18-24.

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[10]Draper Laboratory，The Draper Technology Digest.[EB/OL].（2006）.http://wenku.baidu.com/view/78acbbldc5da50e 2524d 7ff8.html.