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自美国火箭先驱罗伯特·戈达尔试验了早期的陀螺系统，二战期间经德国人冯·布劳恩改进，应用于V-2火箭制导后，美国麻省理工学院德雷珀实验室等科研机构及其研究人员于二战后对惯性制导进行了深入研究，使得惯性系统发展成为广泛应用于飞机、火箭、航天飞机、潜艇的现代导航系统。多年来，惯性系统的飞速发展离不开无数科研人员的辛苦钻研，清华大学的高钟毓教授便是其中一位。
空心球形转子新结构：航海陀螺仪变革之路
惯性导航系统是以陀螺仪和加速度计为敏感器件的航位推算系统，该系统由陀螺仪建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。作为惯性导航系统中不可缺少的核心测量器件之一——高精度陀螺仪提出了非常高的要求。
航海陀螺仪是一种战略级精度陀螺仪，它从研制成功到应用，经历了数十年漫长而艰难的过程，然而高钟毓及其科研团队却始终没有放弃。经过多年的努力，高钟毓及其科研团队终于突破了铍材真空焊接、超精密研磨、球形转子平衡等技术瓶颈，在材料、工艺、技术等方面取得了创新成果，发明了空心球转子新结构、超精密制造方法及工艺装备。
国外的空心球形转子结构为赤道环加厚的等壁厚圆球，该结构的球转子的缺点是：在高速旋转时存在四次谐波变形；章动阻尼慢，导致启动时间长。然而作为航海陀螺仪的核心部件，空心球形转子非常重要，为此高钟毓教授通过研究提出一种空心球形转子的新结构，其壁厚连续变化，理论上不存在四次谐波变形，且二次谐波变形最小，使陀螺仪启动时间缩短60%以上。
构成空心球形转子的两个半球需要在高真空环境下实现活性金属铍材的精密扩散连接，而国内外均无满足要求的无油超高真空焊接设备可供选择。高钟毓教授领导的科研组成功研制了高真空扩散焊接机，发明了空心铍转子精密扩散焊接方法及其卡具，通过精确控制加热加压工艺参数，经固相扩散焊接使两个半球成为一个整球。该工艺的技术优势是：焊缝处的材料性能与母材相同；焊接变形和错位小；解决了空心薄壁转子的尺寸难保证、导电性能不均匀、转子高速旋转时焊缝处动态变形大的问题。同时，采用加压四轴研磨、化学腐蚀去重等现代制造工艺，实现了动态条件下接近理想圆球的转子。
高钟毓及其科研组研制的陀螺仪经过严格的试验和考核，性能指标均达到国际先进水平，如今，该陀螺仪已经在大型船舶和水下运载体上得到成功应用，而且与俄罗斯同类产品相比，具有使用精度更高、功耗更小、寿命更长等优点，满足了国家急需，使我国成为继美国、俄罗斯、法国之后拥有此项技术自主知识产权的第四个国家。
空间稳定惯性导航系统：我国高精度惯性导航系统的先河
以高钟毓教授为首的科研组接着通过调研、消化非常有限的公开资料，根据自己已有的系统理论知识和科研实践经验，无数次的探索、研制了以航海陀螺仪为核心的空间稳定惯性导航系统。这是一项全新的长航时高精度导航设备，目前世界上只有个别国家拥有此技术。该技术突破的关键是：解决系统设计的平台运动学建模、标称轨迹解算、系统初始对准与标定、阻尼与重调等系统理论与方法及相关软件设计；克服合金材料、精密机械工艺及机电元器件的困难，解决四环空间稳定平台结构、电控系统、温控系统及其缓冲器的基础技术；通过多项部件级与系统级的误差控制技术，消除系统中存在的90多项误差对导航精度的影响。并且，建立了相应的制造和试验基地，培养了一支与学科相配的高水平科研队伍。
为了保证陀螺仪和加速度计的精度，稳定平台必须提供安静的工作环境条件——温度场、电磁场及隔离运载体的运动等。由于运载体航向变化会引起平台各个框架之间几何关系的改变，进而改变台体内部的温度分布及其对外散热的条件，因此解决温度航向效应是研制过程中的一个复杂课题。高钟毓及其科研组经过反复试验和观测，设计了一种双层球罩结构的稳定平台。该平台每层球罩形成一个封闭的等温面，内球罩包围台体使台体内的温度不受球罩外温度场的不平衡影响；且外球罩与内球罩之间采用风扇搅拌气流，加速了内球罩与外球罩之间的热交换，以增加散热系数。该平台的研制成功既解决了台体的恒温，又加快了对外散热，从而实现了惯性仪表优良的恒温工作环境。
目前, 高钟毓及其科研组已经完成了空间稳定惯性导航系统样机的主要研制环节，各项试验结果表明，样机的性能指标达到国际先进水平。它的研制成功不仅将带来巨大的经济效益和社会效益，而且开辟了我国高精度惯性导航系统的先河。
动基座矢量重力仪：惯性技术应用的拓展
由于具有自主、实时、连续、隐蔽、不受外部干扰等优点，惯性技术被广泛应用于海、陆、空、天等领域的运动体导航及控制。近年来，更是被推广应用于大地测量和重力探测，已经成功的航空标量重力仪便是其中一例。
高钟毓及其科研组根据已有的惯性技术基础，正在开发动基座矢量重力仪。与现有的航空标量重力仪相比较，矢量重力仪具有以下优点：确定垂线偏差；依靠沿路径积分水平重力分量直接确定（相对）大地水准面，其估计的大地水准面边界误差小、精度高；广泛应用于陆地和海洋的资源勘探及开发、地震预报、重力导航等重要领域。因此，动基座矢量重力仪在地球物理领域中具有非常重要的实际应用价值，受到科学家和工程界的广泛重视，但其硬件和软件都存在巨大的技术挑战。
高钟毓教授始终紧紧追随着时间的步伐，迈向科学的高峰。他先后获省部级科技进步奖三等奖、北京市科技进步奖一等奖、教育系统科技进步奖一等奖、国家技术发明奖二等奖；出版《机电控制工程》、《静电陀螺仪技术》、《惯性导航系统技术》等多部著作，发表论文140多篇。此外，他曾获国防军工协作配套先进工作者、北京市授予的优秀教师。
专家简介
高钟毓，男，清华大学导航技术工程中心主任，教授，博士生导师。1955～1959年于清华大学自动控制系学习，1959年留校任教至今，1984～1985年赴加拿大渥太华大学和1988年赴德国斯图加特大学进修（访问学者）。曾任中国惯性技术学会常务理事、惯性技术专业组专家、《中国惯性技术学报》副主编及《中国机械工程学报》编委。主要研究方向：机电控制工程、惯性仪表与系统。
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