精导”科普万花筒 （84）陀螺与鱼雷的导航控制

说起陀螺，大家都会想到小时候的陀螺玩具，陀螺转得越快，摆动角越小，稳定性也就越好。它的力学特性也被应用到武器装备上。这里说说陀螺原理在鱼雷导航与控制方面的应用。

第一枚鱼雷于1866年研制成功，该鱼雷只有深度控制系统，利用压缩空气驱动活塞发动机带动一个螺旋桨推进，通过液压阀操纵水平舵控制鱼雷的深度，但不能控制鱼雷方向。1881年，制成双螺旋桨推进装置，消除了鱼雷因单螺旋桨产生的横滚。19世纪末，陀螺仪的诞生，促使鱼雷产生了方向控制系统及横滚控制系统，鱼雷航行趋于稳定，航行偏差大为减小。经过不断改进，鱼雷控制系统由全机械式逐步发展为机械——气动式，鱼雷也成为真正意义的自控鱼雷（直航雷）。

1960年代以后，鱼雷控制系统发展为功能更加完善的电气式自动驾驶仪，鱼雷的俯仰、偏航和横滚控制更加稳定。

1970年代末，控制系统由分立元件、集成电路，发展到采用计算器控制，鱼雷控制系统的性能大大提高。

近十多年来，随着嵌入式计算机和工业总线技术的日益成熟，鱼雷嵌入计算机控制、分布式控制等得到逐步应用。同时，鱼雷弹道对控制精度要求的提高，与促使了系统辨识、自适应控制、变结构控制等现代控制理论在鱼雷上的应用研究。

图｜现代的MK54鱼雷用光纤陀螺

导航系统是现代鱼雷不可或缺的重要组成部分。随着远航程、精确制导鱼雷对定位和控制精度的需求，捷联式惯性导航、组合式导航等技术在鱼雷上获得应用，并出现了以激光、光纤等新型陀螺为惯性敏感器的捷联式惯导。捷联式惯性导航是将惯性器件直接固定在雷体上的惯性导航系统，通常由惯性测量装置和导航计算机组成，其中惯性测量装置包括陀螺仪与加速度计等。它可以为控制系统提供全面、准确的鱼雷位置、姿态、航向等导航参数，实现鱼雷的精确定位和精确控制功能。美国MK50、法意MU90、美国MK48、意大利“黑鲨”、英国“旗鱼”、德国DM2A4等鱼雷都已采用了捷联式惯导系统，意大利“黑鲨”鱼雷还使用光纤陀螺作为捷联测量单元。采用激光、光纤等新型陀螺的捷联惯性导航系统是鱼雷导航与控制系统的重要发展方向。

值得一提的是，中国工程院院士、国防科技大学前沿交叉学科学院教授高伯龙，被誉为“中国激光陀螺奠基人”。他带领团队从零开始经过40多年艰苦攻关，攻克一系列世界技术难题，研制的多种型号激光陀螺，为我军大国重器安上了自主导航的“中国芯”。（来源：国防科技大学“科普中国”共建基地）