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中國第一台三自由度飛行模擬實驗台的“誕生”與“重生”

發稿時間:2020-01-19 來源:自然科學博物館研究

作者:劉年凱(清華大學科學史係博士後,清華大學科學博物館(籌)收藏研究部成員)
歡迎轉載,須注明作者與來源(《自然科學博物館研究》2019年第3期)
原文標題:器象|中國第一台三自由度飛行模擬實驗台的“誕生”與“重生”

【摘要】清華大學科學博物館(籌)館藏有一台1959年研製成功的三自由度飛行模擬實驗台,這是中國第一台三自由度飛行模擬實驗台。本文主要介紹這台三自由度飛行模擬實驗台的“誕生”——它的研製背景和研製經過,以及“重生”——它作為藏品的重新發現。清華大學自動控製係創係主任鍾士模教授主持了這台三自由度飛行模擬實驗台的研製。作為清華大學重要的科學遺產,這台三自由度飛行模擬實驗台的重新發現得益於清華大學科學史係的建立及科學博物館籌備工作的開展。

【關鍵詞】科學博物館;科技藏品;三自由度飛行模擬實驗台;科學史

2019年4月24日至5月3日,清華大學科學博物館(籌)舉辦了“百年器象——清華大學科學博物館籌備展”,這是清華大學科學博物館(籌)藏品的首次亮相。在本次展覽中,中國第一台三自由度飛行模擬實驗台(見圖1)吸引了眾多參觀者的目光。

圖1 中國第一台三自由度飛行模擬實驗台

這台三自由度飛行模擬實驗台可簡稱為“飛行模擬轉台”或“飛行模擬台”。飛行器(如飛機、導彈)和魚雷的運動具有六個自由度,包括三個線運動(質心沿坐標係三個軸向的位移)和三個角運動(質心繞坐標係三個軸的轉動)。該模擬實驗台用來模擬飛行器的角運動,這種模擬對於飛機的穩定飛行、導彈和魚雷的精準射擊都有重要的意義。

一、組成和參數

這台三自由度飛行模擬實驗台為鋁合金材質,主體為一個長方體框架,總高 137cm,上側總寬116cm,下側總寬128cm。實驗台由三個可以翻轉的長方形金屬框架組成,大框長94cm,寬61cm;中框長65cm,寬48cm;小框長48cm,寬33cm。小框內有鏤空圓孔,直徑為23cm,上下兩側的長方形均寬9cm,陀螺儀即置於該鏤空處。框架依靠多個大小不一的齒輪調節轉動,其中最大的齒輪直徑為26cm,數量為4個。直徑20cm、17cm和12cm的齒輪分別有2個、16個和8個。

模擬實驗台裝有12個МУ-100АП 直流電機,可以帶動內側的齒輪轉動,從而轉動框架。每4個電機驅動1個框架運轉:主體上下橫梁的4個電機轉動大框架,大框架左右兩側的4個電機轉動中框架,中框架上下兩側的4個電機轉動小框架,這樣實現三個自由度上的飛行模擬控製。

МУ-100АП 電機直徑為7cm,長10cm,功率是177W,額定電壓為27V。МУ係列電機是蘇聯廣泛應用的航空直流電機,這種電機結構種類很多,功率範圍從5到1500W。它的工作特點是:可正反運轉,額定電壓較低(20~27V),有利於滑動接觸處(電刷—換向器)和接觸聯結處的電壓降。轉向的變換隻需一個單刀雙擲開關就可實現。電機正轉和反轉的激磁繞組放置在不同的磁極上,體積增大使得電動機的利用係數較低,但轉向變換的線路得到簡化。

二、誕生

(一)曆史背景

中國第一台三自由度飛行模擬實驗台的誕生,有特殊的曆史時代背景,一是當代中國自主研發航空飛行器的需要;二是全國高校院係調整及清華大學之後的新專業增設;三是全國開展教學改革,學習蘇聯教育經驗;與此同時,蘇聯專家援華,清華師生留蘇或訪蘇。

1952年6月,全國高等院校進行大規模院係調整。清華大學取消學院建製,轉變成一所多科性工業大學。為了適應20世紀50年代世界科技突破性的發展和國家建設需要,清華大學從1955年陸續建立新技術專業,其中包括設立在電機係的“自動學與遠動學專業”。

1958年7月3日,清華大學成立自動控製係,鍾士模(見圖2)教授被任命為係主任,淩瑞驥為係黨總支書記。自動控製係包含三個專業,分別是自動控製(即原自動學與遠動學專業)、計算機以及運籌學(後很快取消)。其中,自動控製很快發展為三個學科方向:自動控製係統、自動控製理論和自動控製元件。自動控製係統又分為“飛行器自動控製”和“核能生產自動控製”兩個專門化。通過中、蘇兩國之間的保密渠道,清華大學得到一份列寧格勒多科性技術學院的自動學與遠動學專業教學計劃,其中主要專業課程有:陀螺儀與穩定裝置、飛行力學與自動駕駛儀、飛行控製係統模擬技術。這份教學計劃是籌建飛行器控製專門化的依據。當時,章燕申老師任“飛行器自動控製”教研室的主任。

圖2  清華大學自動控製係鍾士模教授

在實驗室內指導學生(清華大學檔案館提供)

1952年,院係調整的同時,全國高等院校開始教育改革,學習蘇聯教育經驗。1952—1960年,清華大學先後聘請60餘位蘇聯專家,其中,自動控製係於1956年和1957年先後聘請蘇啟林和克羅利兩位蘇聯專家。自動控製係師生也積極與蘇聯開展交流,如吳麒1955年赴蘇聯列寧格勒加裏寧工學院讀研究生;金蘭赴蘇聯莫洛托夫動力學院讀研究生;鍾士模教授1957年赴列寧格勒訪問;章燕申老師1958年參加“全蘇第二屆高校陀螺儀學術會議”,訪問了莫斯科包曼技術大學等,了解“自動學與遠動學”“陀螺與導航係統”專業教學科研情況。

(二)“小11號”和“大11號”

中國第一台三自由度飛行模擬實驗台被參與研製的師生親切地稱為“大11號”。稱為“11號”,是因為這是當時510教研組第一號科研任務;稱為“大”,則是因為自動控製係在1958年首先研製過一台一自由度飛行模擬實驗台——該實驗台被稱為“小11號”(見封二下圖)。本節主要根據口述史訪談和郵件谘詢敘述“小11號”和“大11號”的研製過程。

封二

1957年,鍾士模教授訪問蘇聯,參觀列寧格勒多科性技術學院的“飛行器控製係統模擬技術”實驗室,列寧格勒加裏寧工學院在讀研究生吳麒陪同,他們看到實驗室有多台飛行模擬台。鍾士模希望蘇聯方麵提供飛行模擬台的圖紙,但被對方婉拒。

鍾士模回國後決定自行研製飛行模擬實驗台,他安排章燕申老師和林堯瑞老師分別負責機械部分和轉台控製係統部分。模擬實驗台研製地點是清華大學西主樓4樓。

研製人員到漢口買了蘇聯製的模擬計算機,計劃把飛行控製的陀螺儀放在飛行模擬轉台上,將飛行控製的運動方程輸入模擬器,陀螺儀能把飛行器的姿態角信息轉換成電信號,這樣做閉環回路就能考驗控製係統的性能。當時章燕申還不太熟悉陀螺儀。蘇聯專家蘇啟林雖然來自列寧格勒多科性技術學院的“自動學與遠動學”教研室,但他的專長是交磁放大機控製的火炮隨動係統,而非飛行器控製,所以研製人員也無法得到蘇聯專家的幫助。

同年,金蘭和章燕申在國防部第五研究院擔任技術顧問,每周工作一天,參加仿製從蘇聯引進的“地對地彈道導彈”工作。該導彈是蘇聯在德國“V-2”型導彈的基礎上研製的,它的水平陀螺、方位陀螺以及陀螺積分加速度計均采用滾珠軸承結構。這是他們第一次見到彈道導彈的飛行姿態和射程控製係統。不過,同年秋,大批蘇聯專家到五院工作,為了執行五院的保密規定,金蘭和章燕申隻能退出。通過在五院短暫的工作經曆,章燕申明白了陀螺儀的工作原理,為研製飛行模擬實驗台打下了基礎。

1958 年,清華大學獨立成功研製出一自由度飛行模擬實驗台,並於當年夏天在北京鋼鐵學院(現北京科技大學)舉辦的“高校國防科研成果展覽會”展出。據張鈸教授回憶,這次展覽為內部展覽,僅供領導參觀,主要展示各高校的軍事科研成果。多位中央領導如劉少奇、周恩來、鄧小平、陳雲、彭真、胡耀邦及各部部長前來參觀。中央領導參觀由淩瑞驥講解,其他人員參觀由張鈸負責講解,講解內容主要是宣傳師生的革命熱情、理論聯係實際的實幹精神,以及趕超世界水平的決心。一自由度飛行模擬實驗台在北京鋼鐵學院展出後,受到中央領導的高度重視,清華大學研究飛行器自動控製的消息也廣為人知。

章燕申等為了收集伺服電機、廢舊陀螺等器材,從1957年開始訪問第二機械工業部四局(航空工業部的前身)。蘇聯專家克羅利的專長為指揮火炮射擊的解算裝置,他當時為了教學實驗的開展,也曾和章燕申去空軍後勤倉庫尋找陀螺儀。在這個過程中,章燕申認識了四局航空儀表設計室主任兼總設計師昝淩。昝淩明白三自由度飛行模擬實驗台是研究飛行器控製係統的關鍵設備,於是和清華大學開展合作,並按照飛機自動駕駛儀中水平和方位兩種陀螺儀的體積大小確定了三自由度飛行模擬實驗台的尺寸。航空儀表設計室向清華大學提供了航空電機、滾珠軸承、高強度鋁合金鑄件等關鍵器材,還安排了技術員和高級技工參加,清華大學主要負責儀器設計以及控製係統調試。在鍾士模教授的主持和雙方合作下,飛行器自動控製教研組解決了許多控製理論和技術問題,在1959年成功研製出三自由度飛行模擬實驗台。之後推出了改進型的由16階模擬計算機控製的電動實驗平台。

值得一提的是,清華大學計算機係的網頁及係史第一冊中,介紹“我係研製成功我國第一台三自由度飛行模擬實驗台”時配有一張彩色圖片,其中的三自由度飛行模擬實驗台主體為藍色,齒輪為黑色,經考證,這台實驗台並非中國第一台三自由度飛行模擬實驗台,而應該為後來的改進型。

1959年研製成功的三自由度飛行模擬實驗台及其改進型對中國飛行模擬技術的發展起到了重要的作用。30所(後改為618所)和705所之後均仿製了同樣的模擬實驗台,分別開展飛機駕駛儀研製和魚雷仿真實驗等。

以705所為例。1978年,中國海南島漁民在海上作業時撈到一條美製MK46-1型魚雷。後在中央安排下,705所與有關工廠和學校對魚雷分解和研究仿製,其中魚雷的導航研究就需要使用三自由度飛行模擬實驗台。高鍾毓教授等在1988年對705所的三自由度飛行模擬實驗台進行了控製係統改造,把交磁機控製改造成集成電路控製,通頻帶由原來的3Hz變成10Hz以上,主要技術指標為正弦搖擺頻率為2Hz,輸入輸出相位誤差在10°以內,滿足了電動魚雷仿真的技術要求。這是對三自由度飛行模擬實驗台的後期改進。

 三、重生

20世紀70年代,清華大學的兩台飛行模擬實驗台逐漸退出“現役”,從東主樓搬至9003大樓。2019年,中國第一台三自由度飛行模擬實驗台誕生整整60年後,它從布滿灰塵的倉庫來到明亮整潔的展廳,讓參觀者親身感受到清華大學師生自力更生的奮鬥精神。中國第一台三自由度飛行模擬實驗台的“重生”,與清華大學科學史學科的建製化和科學博物館的籌備密不可分。

2017年5月16日,清華大學科學史係成立,啟動籌備建立清華大學科學博物館。2018年12月20日,筆者來到清華大學9003大樓西側一樓倉庫的一角,第一次親眼看到中國第一台三自由度飛行模擬實驗台的實物。當天,筆者將兩台儀器運回科學博物館(籌)地下倉庫。由於不確定儀器的準確名稱,筆者按“陀螺儀轉台”登記了該儀器。12月24日,高鍾毓和王永梁老師來到科學博物館(籌)地下倉庫,在大小“11號”麵前,高老師回憶了當年參與研製模擬實驗台的經曆,並願意接受進一步的采訪。

2019年3月14日,筆者和科學博物館(籌)沈萌老師赴清華大學導航技術工程中心,拜訪了高鍾毓教授和王永梁老師。高老師還請來章燕申教授,向筆者詳細講述了當年參與研製的過程。值得一提的是,4月24日“百年器象”開展當日,高鍾毓教授和王永梁老師親臨現場參加了開幕式;4月26日,章燕申教授也來到展覽現場,觀看了這台三自由度飛行模擬實驗台,以及他在20世紀70年代主持研製的靜電陀螺三軸穩定平台。可以說,中國第一台三自由度飛行模擬實驗台的“重生”,與清華大學科學史係的成立和科學博物館的籌備密不可分,儀器史研究和口述史訪談的開展是其必要補充。

尋找、收集、保存和研究科學儀器是科學博物館的應盡之責。清華大學科學博物館從2017年科學史係成立初期,便以多種方式聯係和調研清華大學各理工科教學和科研實驗室,收集有曆史意義的科學儀器設備。目前,科學博物館已有三千餘件科技藏品。但令人遺憾的是,早年曆經戰亂,儀器多有遺失,後因科技發展迅速,科研場所空間局促,儀器設備更新頻繁,也少有人有意識地保存不再使用的科學儀器。如今,收集清華古舊科學儀器,完整呈現清華科學儀器購買、研製和使用的演變曆史並非易事。本台三自由度飛行模擬實驗台由中國自動控製學科和教育的開拓者之一、清華大學自動控製係創係係主任鍾士模教授主持,且其研製過程涉及多家科研單位,具有重要的科學史價值。而這台三自由度飛行模擬實驗台研製成於1959年,屬於科學博物館目前藏品中少有的早期儀器,是中華人民共和國成立初期科學研究的重要曆史見證和珍貴科學遺產。

四、結語

清華大學自動控製係分別在1958年和1959年研製成功一自由度飛行模擬實驗台(“小11號”)和三自由度飛行模擬實驗台(“大11號”)。作為中國第一台三自由度飛行模擬實驗台,“大11號”的誕生為我國飛行模擬技術的發展起到了至關重要的作用。清華大學科學史學科的建製化和科學博物館籌備工作的開展,使得諸如第一台三自由度飛行模擬實驗台這樣的珍貴科學遺產在科學博物館展覽中得以重生。

致謝 感謝章燕申教授、張鈸院士、高鍾毓教授和王永梁老師提供了珍貴史料。感謝章燕申教授和高鍾毓教授審閱本文原稿並提出修改建議。感謝蔣澈博士協助查找俄文資料。

(本文原載於《自然科學博物館研究》2019年第3期,第65-70頁)
(本文來源:自然科學博物館研究;了解相關說明

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