基于Meissner效应的超导磁悬浮陀螺仪研究

韩玉龙　向楠

摘要：陀螺仪被广泛应用于海、陆、空等多个国防领域，经常被使用于惯性导航系统，可以说陀螺仪是惯性导航系统的核心敏感器。目前我国研究生产的陀螺仪的精度和稳定性还不够高，所以想要提高我国国防领域的导航等方面的能力，提高陀螺仪的精度是非常有必要的。

关键词：陀螺仪；Meissner效应；超导磁悬浮陀螺仪；惯性导航系统；核心敏感器 文献标识码：A

中图分类号：TH702 文章编号：1009-2374（2017）05-0016-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.008

人们利用角动量不灭的理论设计了一种可以用来维持方向并且感测方向的装置，这就是陀螺仪。陀螺仪的主要构成部分是一个可以旋转的轮子并且位于轴心。因为轮子的角动量，所以当陀螺仪开始旋转的时候，它会有抵抗方向改变的趋向。因此，陀螺仪一般使用在定位和导航等系统。陀螺仪分为微机械陀螺仪、三浮陀螺仪、光纤陀螺仪、压电陀螺仪、激光陀螺仪、粒子陀螺仪、静电陀螺仪、超导陀螺仪等，其中基于Meissner效应的超导陀螺仪是一种新型的陀螺仪。

1 研究基于Meissner效应的超导陀螺仪的目的和意义

从陀螺仪的工作原理不难看出，陀螺仪其实是一种较为常见的惯性元件，并且属于综合性的高技术。陀螺仪被广泛应用于海、陆、空等多个国防领域，经常被使用于惯性导航系统，可以说陀螺仪是惯性导航系统的核心敏感器。例如，当核潜艇长期在水下进行隐蔽航行的时候，如果想要顺利航行就离不开惯性导航系统的精确导航，所以航行的顺利程度与陀螺仪的精度密切相关。目前我国研究生产的陀螺仪的精度对于核潜艇的导航定位来说是完全不够的，所以想要提高我国国防领域的导航等方面的能力、提高陀螺仪的精度是非常有必要的。基于Meissner效应的超导磁悬浮陀螺仪可以广泛应用于海、陆、空各个国防领域的导航定位等方面的科学研究，可见其具有非常重要的科学研究和军事价值。

相较于常规的陀螺仪，高精度的基于Meissner效应的超导悬浮陀螺系统具有很大的优势。基于Meissner效应的超导悬浮陀螺系统不仅精度高，同时可以承受较大的加速度的冲击，所以在技术可行性方面也具有非常突出的优势。高精度的超导悬浮陀螺系统不仅可以用在潜艇上，使海军作战能力大大提高，而且可以在水面舰艇、航天技术、陆基运载武器等领域得到广泛应用。

2 超导体的Meissner效应

Meissner在1933年发现超导体的完全抗磁性，也被称作为Meissner效应。Meissner效应是超导体一旦进入到超导态时，超导体内的磁通量会被全部排出，磁感应强度则恒为零。自超导电现象被发现至1933年Meissner效应被发现，超导体一直被人们看作单纯的理想导体，而从1933年Meissner效应发现之后我们才认识到超导体具有独特的磁性质，它并不只是单纯的理想导体。图1是超导体的Meissner效应实验图：

图1中“N”表示正常态、“S”表示超导态。从超导体的Meissner效应实验图可以看出，无论初始条件是怎样的，也不论过程如何，只要超导体进入到超导态，超导体就会把体内的全部磁通排出，可见超导体的Meissner效应与过程和初始条件都无关。

3 London理论对超导体的Meissner效应的解释

H.London和F.London在1935年在二流体模型的基础上提出了两个描述电磁场和超导体流关系的方程，它们与Maxwell方程一起构成了超导体电动力学的基础，即为London理论。

以下是利用London理论对超导体的Meissner效应进行解释。

以上是London方程对超导体的Meissner效应的解释。

4 基于Meissner效应的超导磁悬浮陀螺仪

利用超导体的Meissner效应可实现超导体的超导磁悬浮。图2和图3是超导悬浮实例，分别是平面超导体和旋转超导体。

利用低温超导体绕制超导线圈以产生强大的磁场是超导体的零电阻特性的最为成功的应用方面。

5 基于Meissner效应的超导磁悬浮陀螺仪的特点

基于Meissner效应的超导磁悬浮陀螺仪具有以下主要特点：（1）基于Meissner效应的超导陀螺仪相较于常规陀螺仪在精度和稳定性方面有很大优势，并且比常规的陀螺仪可以说高出了一个数量级；（2）在较为恶劣的环境条件下，基于Meissner效应的超导陀螺仪的支承刚度则可以随着工作环境所施加的加速度的改变而改变；（3）基于Meissner效应的超导陀螺仪在使用过程中当转子开始正常旋转后，即可去除电源，从而在很大程度上节省了能量，所以基于Meissner效应的超导陀螺仪可以节省大量的能源，在深海环境和深空环境下的应用有着非常重要的意义；（4）基于Meissner效应的超导陀螺仪一般使用于低温环境中，所以材料处于化学惰性状态，膨胀系数几乎为零及材料蠕变趋势也有所降低，因此基于Meissner效应的超导陀螺仪具有非常良好的稳定性。

6 结语

基于Meissner效应的超导陀螺仪具有高精度、低能耗、高稳定性等优势，是非常有潜力及非常重要的惯性元件。基于Meissner效应的超导陀螺仪在地质、潜艇、石油勘探、宇宙飞船卫星、舰船及航天等方面将会得到广泛应用。

参考文献

[1] 朱炼.超导陀螺仪转子转动系统研究[D].哈尔滨工程大学，2006.

[2] 汤继强.超导陀螺仪转子支承系统研究[D].哈尔滨工程大学，2005.

[3] 李晓川.锂硼化合物的结构预测与超导性能分析[D].燕山大学，2013.

基金项目：2016安徽高校自然科學研究重点项目《陀螺仪悬浮系统设计及优化研究》（KJ2016A118）研究成果。

作者简介：韩玉龙（1988-），男，安徽六安人，供职于安徽国防科技职业学院，研究方向：车辆工程、电子信息；向楠（1983-），女，安徽国防科技职业学院副教授，研究方向：汽车电子技术、电子信息。

（责任编辑：黄银芳）