仿制到独创

教育________________

2017年1月15日

仿制到独创

曹盛林

北京师范大学天文系

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Cao Shenglin

> /——尧刖目

1

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在我国古代最著名的四大发明中，指南针可推为首位 了，它是由轩辕黄帝最先发明的。传说蚩尤每打了败仗，就 施放浓烟让黄帝迷失方向，而自己趁机逃跑。于是轩辕黄帝 发明了指南车，用以明辨方向，最后战胜了蚩尤而统一了华 夏。但一直到了宋代才完成了“罗盘”的改进。到了元代由于 成吉思汗的远征，又把这些中国的科技发明传到了欧洲，这 才为麦哲伦和哥伦布的远航提供了必备的导航工具。

中国儿童大多玩过“陀螺”它是一个旋转对称刚体 (我年幼时玩的多为木制品，自己找根圆棒将头上削尖做

成适当的大小让其髙速旋转即展现出很多有趣的现象。） 或用一根小绳鞭不断抽打，使其髙速旋转。牛顿力学通过 对刚体定点运动的研究，发现髙速旋转的对称刚体具有特 殊的定轴性，于是人们利用它制成了陀螺罗盘，广泛地应 用于舰船和飞机的导航。二战期间德国人最先制造了军用 火箭，陀螺仪成了制导系统的最重要器件。

在我国国防现代化的建设中，提出了两弹为主，导 弹第一的方针。60年代初，为了满足形势的需要，必须在较 短时间内拿出满足使用要求的髙精度陀螺仪。

有国外的专家说“陀螺是个倔强的野兽丨”这在一定 意义上反映了研究陀螺仪的困难程度。而当时在我们研究 所内就有一首打油诗说：“陀螺陀螺，尖端科学；既不好懂， 又不好学。”

能否在已成功仿制的陀螺仪的基础上改进而满足新 的需要？当时不少人认为是不可能的。理由是这个陀螺是 由德国人最早研究制造的丨当时盛传一种说法，认为：凡 是美国人搞过的东西，大有“油水”当时大家习惯用是否 有“油水”来表示一个产品或研究方案是否会取得多大的 成果）可挖，因为他们缺乏严谨而有些“大手大脚”而德国 人最为严谨，因此他们搞过的东西“油水”已挖尽，再改进 提髙的可能性几乎没有。比如奈卡和菜斯的镜头，至今无 人能超越。

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然而，我们相信实践出真知。陀螺仪能否得到改进并满 足使用的新要求，只有通过实验，并发现引起陀螺“漂移” 的物理原因，才可能判断现有陀螺是否还有“油水”可挖！ 但在如何发现引起陀螺仪“漂移”各种因素的实验方法上， 分歧就更大了。为了模拟大加速度的“过载”美国人采用 的是“火箭撬”它是在长为一千米到两千米的髙精度的轨 道上，让10g加速度的发动机带着陀螺仪在上面飞快滑行， 以检测它在如此大加速度的作用下陀螺仪的实际精度。当 然这在当时，对我们来说要做出这样的实验设备是十分困 难的。何况即使火箭撬生产出来了，如何利用它来进行试 验特别是对陀螺仪本身精度的检测，也都是十分困难的问 题。事实上，当时很多按国外试验方法设计生产的实验设 备，当生产出来时，是热烈报喜的重大成果，过几天由于该 设备无法使用，于是就沦为废品展出的对象。

要得到大加速度，人们自然想到一个简单的办法就是 用“离心机”但离心机本身的旋转会对陀螺仪的实验带来 极大的干扰，以致根本检测不出陀螺仪自身的漂移。于是 美国人又在离心机上设置一个反转台，并将陀螺仪放在反

转台上。这在很多程度上避免了离心机的旋转对陀螺仪的 影响。但这样一来，陀螺仪所受的加速度实际上是一个交 变加速度。当然，离心机的转臂越长交变频率越低。但无论 如何得到的是一个交变的加速度丨通过我们对大型离心机 研制的失败，使我们想到离心机能实现的陀螺仪试验，能 否用满足适当精度的“振动台”来实现？这在一些人看来更 是“异想天开”？其实他们的理由很简单：这样容易的方法 美国人为什么不用？我的回答也很简单：美国人用什么办 法是他们的事，我们左右不了，但我们应该怎么做却是我 们自己能够选择决定的。能否取得预想的效果，那就看我 们的设想是否符合科学规律了丨 二、利用振动台进行陀螺仪的试验

在原来陀螺仪生产工艺规则中，陀螺仪仅在5g的振动 加速度下，进行三分钟的检测，要求漂移小于某一给定值 即算合格通过。这样的检验仅仅是对仪表“合格”或者“不 合格”的特定的判断，并不可能通过实验得出仪表可能进 行改进的任何线索。为了利用振动台试验找出造成陀螺仪 漂移的物理原因，我们采用了在不同振动加速度下，观测 陀螺仪漂移率随振动加速度的变化。而在生产工艺规程 中，是不容许仪表做过多的振动试验的，因为振动的大加 速度对于仪表有极大的破坏作用。

我们决定通过观察不同加速度作用下，陀螺仪漂移率

的变化来分析引起变化的物理原因。我们分别选取振动加 速度为：2g、4g、6g、8g和10g的不同条件来测量陀螺仪的漂 移率。其结果如图1所示。

图1在不同振动加速度作用下陀螺仪漂移的变化图中BO表示垂直轴，另一为水平轴。图中显示出主要 是垂直轴的漂移，在振动条件下产生了与振动加速度的g 值成正比的漂移率。能否消除这个漂移率成了仪表能否被 采纳并成功应用的关键。

为了进一步寻找引起振动漂移的物理原因，我们既用 不同的仪表进行试验，又用同一仪表在不同装配条件下进 行反复试验。不同仪表的漂移率虽然存在数值上的差别， 但随振动加速度的g值变化的规律是一致的。因此我们认 为，造成这种漂移的物理因素是一致的，故只要通过一个 仪表发现了原因，就具有普遍意义。

一次偶然的装配错误，使我们得到一个意外的结果：垂 直轴的振动漂移率随振动加速度出现完全相反的变化，与 原先的结果几乎成镜像对称。如图2所示。

这一试验结果大大鼓舞了我们。通过观察分析，发现是 在装配时将陀螺马达反转了 180度。于是可以断定，振动条 件下造成陀螺仪过大漂移的因素，出自陀螺马达的结构。三、刚度不对称的“整流”效应

经过反复思考和分析发现，造成上述振动漂移的物理 因素是陀螺仪的基本元件—

陀螺马达转轴方向两端的弹

性刚度不对称。陀螺马达是一个精密的异步电机。它的转 子是一个环状的重刚体，具有较大的转动惯量I。在髙速旋 转条件下形成足够大的动量矩H，并有

H=Iw。

这里w是转子的旋转角速度。利用万向支架（又称卡

丹环）支撑这个马达，转轴就会保持在初始方向而不发生

图2 —个完全对称变化的振动漂移

变化。但如果受到干扰力矩M，陀螺仪就会发生“进动”而 偏离原来的指向。且满足矢量方程：

M=nxH。

这里n是陀螺仪的进动角速度。它是按右手法则与外

加力矩垂直的。记住这一点后，上式也可简单表示为：

上面的试验结果表明，陀螺马达会产生一个与振动加 速度成正比的力矩。这个力矩从何而来？原来陀螺马达是 装在一个杯状的外壳内，它有一个“杯”和一个“盖”为了 不让转子在轴向晃荡，马达的轴承环面是斜的向内半径大 而外小。同时在装配时适当在轴向拧紧，使之产生一个预 紧力。于是我们要找的主角由此诞生了。当仪表在振动条 件下，振动加速度使沉重的转子出现过载，这个力无论从 何方向施于轴承总是使得转子向壳盖两端“顶”丨这个顶力 会使得马达壳盖变形。如果壳和盖的弹性不相同，弹性弱 的一方变形大，于是转子就会向弹性弱的方向移动，造成 转子的质心偏离，不言而喻这个偏离是与振动加速度的大

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小成正比的，而与振动造成的加速度的周期变化无关，它 类似于一种“整流”效应。

为了证实这个分析，我们采用了减弱杯状壳弹性强度 的方法，果然使振动漂移大大减小，并不再随振动强度明 显变化。为了更有效地减小振动漂移，我们将陀螺马达外 壳采取了一个环状结构，环的两端加同样的盖。再通过对 盖和轴承的刚性测量，选择刚度更接近的配对。这种结构 的陀螺马达在振动条件下就不会使转子的质心发生移动。 致使陀螺仪的振动漂移完全不随振动加速度变化了。实际 上，这里减小的漂移，在陀螺仪的实际使用中将产生的是 和系统的推力加速度的平方成正比的漂移。因此我们的研 究结果很好地满足了使用的需要。

为了进一步提髙陀螺仪的精度我们提出提髙马达的转 速，由每分钟30000转升为60000转。也就是使陀螺仪的角 动量H加大一倍。开始也有人反对，认为马达的驱动力不 够，而实际上，马达90%以上的能量消耗在克服空气的阻 力上，因此，只要马达处于真空环境中，更换电源频率就轻 易实现了 6万/分的髙转速。

这个陀螺仪不仅满足了当时的需要，而且被以后的两 个更新的型号采用。

可见陀螺这个倔强的野兽，一旦被驯服它反倒更好驾 驭。所里的打油诗也变成了 ： “陀螺仪器，导航必备；把握原 理，精妙设计。”四、从仿制到独创

给航天事业制定的发展方针是从仿制到独创。我 (上接第35页）

与数据中心平台的接口规范；保证数据的准确一致，建立 可以提供为整个学校综合查询和决策支持所需的数据信 息，为学校的将来决策支持系统积累分析数据；为后续开 发各种应用系统提供数据服务，保证新系统建设数据的鲜 活性和一致性，校园大数据应用任重道远，希望能够得到 更多同行的关注，并推动我国数字化校园的发展。参考文献

[1]

在上面的回忆，仅仅是在仿制的基础上所作的一些局部探 索。为我们进行创新作更深的技术储备。实际上机械 陀螺仪的理论基础是牛顿力学中的刚体定点运动，在牛 顿经典理论中是非常引人人胜的问题。当欧拉动力学方 程建立后，方程的求解问题，曾是法国科学院悬赏的著名 问题，最后得到了三类解：欧拉-班索情况（定向陀螺的 基础）、拉格朗日情况（陀螺积分仪（或称陀螺加速度表） 的基础）、另一类从在数学上是最优美的柯凡列夫斯卡娅 情况。

当然陀螺仪的进一步发展在理论上，并不受经典力学 的，如激光陀螺及粒子陀螺也是基于现代物理（包括 相对论和量子力学）。

在机械陀螺仪的支撑方式上也五花八门，除了滚珠轴 承，还有气浮陀螺（又分静压和动压气浮）、液浮陀螺、静电 支撑陀螺等等。

它们是根据不同的精度要求而选择利用的。当然陀螺 仪的利用也不仅限于导航，也可利用陀螺仪进行基本物理 原理和理论的验证。如美国的斯坦福大学，就利用髙精度 的静电陀螺来验正广义相对论。经过近20年的努力已取得 初步结果。

一种有趣的陀螺仪称为挠性陀螺，它是将陀螺转子通 过一根弹簧片直接与基座连接，使用时直接用手拉使陀螺 旋转。这类陀螺可用于常规武器的稳定或导航，如肩扛的 反坦克炮等。在未来的科技发展和国防建设中，陀螺仪定会发挥新的作用。一

[4] 杨小燕，廖清远.基于数据中心平台的数据整合研

究[J].计算机安全.201(12).

[5]

郭静.对髙校“数字化校园”数据中心建设的研究

和实践[J].中国教育信息化.2007(23).

[6]

许桂芳.髙校数据中心的建设与管理[J].中国教育

W

信息化.2007(11).

常潘.数字化校园数据中心建设的研究[J].中山

作者简介

大学学报（自然科学版）.2009(S1).

[2]

周杰.数字化校园数据中心建设的意义及实现路 舒伟权1970年7月浙江国际海运职业技术学院副教

授，研究方向计算机教学及程序开发。

径思考[J].新校园（上旬）.2015(08).

[3]

李艳丽.关于数字化校园中“后数据中心”的研究 朱俊彦1983年11月10日浙江国际海运职业技术学

院助理实验师，研究方向：计算机教学及软件开发。

[J].知识经济.2012(18).

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