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中国第一台三自由度飞行模拟实验台的“诞生”与“重生”

发稿时间:2020-01-19 来源:自然科学博物馆研究

作者:刘年凯(清华大学科学史系博士后,清华大学科学博物馆(筹)收藏研究部成员)
欢迎转载,须注明作者与来源(《自然科学博物馆研究》2019年第3期)
原文标题:器象|中国第一台三自由度飞行模拟实验台的“诞生”与“重生”

【摘要】清华大学科学博物馆(筹)馆藏有一台1959年研制成功的三自由度飞行模拟实验台,这是中国第一台三自由度飞行模拟实验台。本文主要介绍这台三自由度飞行模拟实验台的“诞生”——它的研制背景和研制经过,以及“重生”——它作为藏品的重新发现。清华大学自动控制系创系主任钟士模教授主持了这台三自由度飞行模拟实验台的研制。作为清华大学重要的科学遗产,这台三自由度飞行模拟实验台的重新发现得益于清华大学科学史系的建立及科学博物馆筹备工作的开展。

【关键词】科学博物馆;科技藏品;三自由度飞行模拟实验台;科学史

2019年4月24日至5月3日,清华大学科学博物馆(筹)举办了“百年器象——清华大学科学博物馆筹备展”,这是清华大学科学博物馆(筹)藏品的首次亮相。在本次展览中,中国第一台三自由度飞行模拟实验台(见图1)吸引了众多参观者的目光。

图1 中国第一台三自由度飞行模拟实验台

这台三自由度飞行模拟实验台可简称为“飞行模拟转台”或“飞行模拟台”。飞行器(如飞机、导弹)和鱼雷的运动具有六个自由度,包括三个线运动(质心沿坐标系三个轴向的位移)和三个角运动(质心绕坐标系三个轴的转动)。该模拟实验台用来模拟飞行器的角运动,这种模拟对于飞机的稳定飞行、导弹和鱼雷的精准射击都有重要的意义。

一、组成和参数

这台三自由度飞行模拟实验台为铝合金材质,主体为一个长方体框架,总高 137cm,上侧总宽116cm,下侧总宽128cm。实验台由三个可以翻转的长方形金属框架组成,大框长94cm,宽61cm;中框长65cm,宽48cm;小框长48cm,宽33cm。小框内有镂空圆孔,直径为23cm,上下两侧的长方形均宽9cm,陀螺仪即置于该镂空处。框架依靠多个大小不一的齿轮调节转动,其中最大的齿轮直径为26cm,数量为4个。直径20cm、17cm和12cm的齿轮分别有2个、16个和8个。

模拟实验台装有12个МУ-100АП 直流电机,可以带动内侧的齿轮转动,从而转动框架。每4个电机驱动1个框架运转:主体上下横梁的4个电机转动大框架,大框架左右两侧的4个电机转动中框架,中框架上下两侧的4个电机转动小框架,这样实现三个自由度上的飞行模拟控制。

МУ-100АП 电机直径为7cm,长10cm,功率是177W,额定电压为27V。МУ系列电机是苏联广泛应用的航空直流电机,这种电机结构种类很多,功率范围从5到1500W。它的工作特点是:可正反运转,额定电压较低(20~27V),有利于滑动接触处(电刷—换向器)和接触联结处的电压降。转向的变换只需一个单刀双掷开关就可实现。电机正转和反转的激磁绕组放置在不同的磁极上,体积增大使得电动机的利用系数较低,但转向变换的线路得到简化。

二、诞生

(一)历史背景

中国第一台三自由度飞行模拟实验台的诞生,有特殊的历史时代背景,一是当代中国自主研发航空飞行器的需要;二是全国高校院系调整及清华大学之后的新专业增设;三是全国开展教学改革,学习苏联教育经验;与此同时,苏联专家援华,清华师生留苏或访苏。

1952年6月,全国高等院校进行大规模院系调整。清华大学取消学院建制,转变成一所多科性工业大学。为了适应20世纪50年代世界科技突破性的发展和国家建设需要,清华大学从1955年陆续建立新技术专业,其中包括设立在电机系的“自动学与远动学专业”。

1958年7月3日,清华大学成立自动控制系,钟士模(见图2)教授被任命为系主任,凌瑞骥为系党总支书记。自动控制系包含三个专业,分别是自动控制(即原自动学与远动学专业)、计算机以及运筹学(后很快取消)。其中,自动控制很快发展为三个学科方向:自动控制系统、自动控制理论和自动控制元件。自动控制系统又分为“飞行器自动控制”和“核能生产自动控制”两个专门化。通过中、苏两国之间的保密渠道,清华大学得到一份列宁格勒多科性技术学院的自动学与远动学专业教学计划,其中主要专业课程有:陀螺仪与稳定装置、飞行力学与自动驾驶仪、飞行控制系统模拟技术。这份教学计划是筹建飞行器控制专门化的依据。当时,章燕申老师任“飞行器自动控制”教研室的主任。

图2  清华大学自动控制系钟士模教授

在实验室内指导学生(清华大学档案馆提供)

1952年,院系调整的同时,全国高等院校开始教育改革,学习苏联教育经验。1952—1960年,清华大学先后聘请60余位苏联专家,其中,自动控制系于1956年和1957年先后聘请苏启林和克罗利两位苏联专家。自动控制系师生也积极与苏联开展交流,如吴麒1955年赴苏联列宁格勒加里宁工学院读研究生;金兰赴苏联莫洛托夫动力学院读研究生;钟士模教授1957年赴列宁格勒访问;章燕申老师1958年参加“全苏第二届高校陀螺仪学术会议”,访问了莫斯科包曼技术大学等,了解“自动学与远动学”“陀螺与导航系统”专业教学科研情况。

(二)“小11号”和“大11号”

中国第一台三自由度飞行模拟实验台被参与研制的师生亲切地称为“大11号”。称为“11号”,是因为这是当时510教研组第一号科研任务;称为“大”,则是因为自动控制系在1958年首先研制过一台一自由度飞行模拟实验台——该实验台被称为“小11号”(见封二下图)。本节主要根据口述史访谈和邮件咨询叙述“小11号”和“大11号”的研制过程。

封二

1957年,钟士模教授访问苏联,参观列宁格勒多科性技术学院的“飞行器控制系统模拟技术”实验室,列宁格勒加里宁工学院在读研究生吴麒陪同,他们看到实验室有多台飞行模拟台。钟士模希望苏联方面提供飞行模拟台的图纸,但被对方婉拒。

钟士模回国后决定自行研制飞行模拟实验台,他安排章燕申老师和林尧瑞老师分别负责机械部分和转台控制系统部分。模拟实验台研制地点是清华大学西主楼4楼。

研制人员到汉口买了苏联制的模拟计算机,计划把飞行控制的陀螺仪放在飞行模拟转台上,将飞行控制的运动方程输入模拟器,陀螺仪能把飞行器的姿态角信息转换成电信号,这样做闭环回路就能考验控制系统的性能。当时章燕申还不太熟悉陀螺仪。苏联专家苏启林虽然来自列宁格勒多科性技术学院的“自动学与远动学”教研室,但他的专长是交磁放大机控制的火炮随动系统,而非飞行器控制,所以研制人员也无法得到苏联专家的帮助。

同年,金兰和章燕申在国防部第五研究院担任技术顾问,每周工作一天,参加仿制从苏联引进的“地对地弹道导弹”工作。该导弹是苏联在德国“V-2”型导弹的基础上研制的,它的水平陀螺、方位陀螺以及陀螺积分加速度计均采用滚珠轴承结构。这是他们第一次见到弹道导弹的飞行姿态和射程控制系统。不过,同年秋,大批苏联专家到五院工作,为了执行五院的保密规定,金兰和章燕申只能退出。通过在五院短暂的工作经历,章燕申明白了陀螺仪的工作原理,为研制飞行模拟实验台打下了基础。

1958 年,清华大学独立成功研制出一自由度飞行模拟实验台,并于当年夏天在北京钢铁学院(现北京科技大学)举办的“高校国防科研成果展览会”展出。据张钹教授回忆,这次展览为内部展览,仅供领导参观,主要展示各高校的军事科研成果。多位中央领导如刘少奇、周恩来、邓小平、陈云、彭真、胡耀邦及各部部长前来参观。中央领导参观由凌瑞骥讲解,其他人员参观由张钹负责讲解,讲解内容主要是宣传师生的革命热情、理论联系实际的实干精神,以及赶超世界水平的决心。一自由度飞行模拟实验台在北京钢铁学院展出后,受到中央领导的高度重视,清华大学研究飞行器自动控制的消息也广为人知。

章燕申等为了收集伺服电机、废旧陀螺等器材,从1957年开始访问第二机械工业部四局(航空工业部的前身)。苏联专家克罗利的专长为指挥火炮射击的解算装置,他当时为了教学实验的开展,也曾和章燕申去空军后勤仓库寻找陀螺仪。在这个过程中,章燕申认识了四局航空仪表设计室主任兼总设计师昝凌。昝凌明白三自由度飞行模拟实验台是研究飞行器控制系统的关键设备,于是和清华大学开展合作,并按照飞机自动驾驶仪中水平和方位两种陀螺仪的体积大小确定了三自由度飞行模拟实验台的尺寸。航空仪表设计室向清华大学提供了航空电机、滚珠轴承、高强度铝合金铸件等关键器材,还安排了技术员和高级技工参加,清华大学主要负责仪器设计以及控制系统调试。在钟士模教授的主持和双方合作下,飞行器自动控制教研组解决了许多控制理论和技术问题,在1959年成功研制出三自由度飞行模拟实验台。之后推出了改进型的由16阶模拟计算机控制的电动实验平台。

值得一提的是,清华大学计算机系的网页及系史第一册中,介绍“我系研制成功我国第一台三自由度飞行模拟实验台”时配有一张彩色图片,其中的三自由度飞行模拟实验台主体为蓝色,齿轮为黑色,经考证,这台实验台并非中国第一台三自由度飞行模拟实验台,而应该为后来的改进型。

1959年研制成功的三自由度飞行模拟实验台及其改进型对中国飞行模拟技术的发展起到了重要的作用。30所(后改为618所)和705所之后均仿制了同样的模拟实验台,分别开展飞机驾驶仪研制和鱼雷仿真实验等。

以705所为例。1978年,中国海南岛渔民在海上作业时捞到一条美制MK46-1型鱼雷。后在中央安排下,705所与有关工厂和学校对鱼雷分解和研究仿制,其中鱼雷的导航研究就需要使用三自由度飞行模拟实验台。高钟毓教授等在1988年对705所的三自由度飞行模拟实验台进行了控制系统改造,把交磁机控制改造成集成电路控制,通频带由原来的3Hz变成10Hz以上,主要技术指标为正弦摇摆频率为2Hz,输入输出相位误差在10°以内,满足了电动鱼雷仿真的技术要求。这是对三自由度飞行模拟实验台的后期改进。

 三、重生

20世纪70年代,清华大学的两台飞行模拟实验台逐渐退出“现役”,从东主楼搬至9003大楼。2019年,中国第一台三自由度飞行模拟实验台诞生整整60年后,它从布满灰尘的仓库来到明亮整洁的展厅,让参观者亲身感受到清华大学师生自力更生的奋斗精神。中国第一台三自由度飞行模拟实验台的“重生”,与清华大学科学史学科的建制化和科学博物馆的筹备密不可分。

2017年5月16日,清华大学科学史系成立,启动筹备建立清华大学科学博物馆。2018年12月20日,笔者来到清华大学9003大楼西侧一楼仓库的一角,第一次亲眼看到中国第一台三自由度飞行模拟实验台的实物。当天,笔者将两台仪器运回科学博物馆(筹)地下仓库。由于不确定仪器的准确名称,笔者按“陀螺仪转台”登记了该仪器。12月24日,高钟毓和王永梁老师来到科学博物馆(筹)地下仓库,在大小“11号”面前,高老师回忆了当年参与研制模拟实验台的经历,并愿意接受进一步的采访。

2019年3月14日,笔者和科学博物馆(筹)沈萌老师赴清华大学导航技术工程中心,拜访了高钟毓教授和王永梁老师。高老师还请来章燕申教授,向笔者详细讲述了当年参与研制的过程。值得一提的是,4月24日“百年器象”开展当日,高钟毓教授和王永梁老师亲临现场参加了开幕式;4月26日,章燕申教授也来到展览现场,观看了这台三自由度飞行模拟实验台,以及他在20世纪70年代主持研制的静电陀螺三轴稳定平台。可以说,中国第一台三自由度飞行模拟实验台的“重生”,与清华大学科学史系的成立和科学博物馆的筹备密不可分,仪器史研究和口述史访谈的开展是其必要补充。

寻找、收集、保存和研究科学仪器是科学博物馆的应尽之责。清华大学科学博物馆从2017年科学史系成立初期,便以多种方式联系和调研清华大学各理工科教学和科研实验室,收集有历史意义的科学仪器设备。目前,科学博物馆已有三千余件科技藏品。但令人遗憾的是,早年历经战乱,仪器多有遗失,后因科技发展迅速,科研场所空间局促,仪器设备更新频繁,也少有人有意识地保存不再使用的科学仪器。如今,收集清华古旧科学仪器,完整呈现清华科学仪器购买、研制和使用的演变历史并非易事。本台三自由度飞行模拟实验台由中国自动控制学科和教育的开拓者之一、清华大学自动控制系创系系主任钟士模教授主持,且其研制过程涉及多家科研单位,具有重要的科学史价值。而这台三自由度飞行模拟实验台研制成于1959年,属于科学博物馆目前藏品中少有的早期仪器,是中华人民共和国成立初期科学研究的重要历史见证和珍贵科学遗产。

四、结语

清华大学自动控制系分别在1958年和1959年研制成功一自由度飞行模拟实验台(“小11号”)和三自由度飞行模拟实验台(“大11号”)。作为中国第一台三自由度飞行模拟实验台,“大11号”的诞生为我国飞行模拟技术的发展起到了至关重要的作用。清华大学科学史学科的建制化和科学博物馆筹备工作的开展,使得诸如第一台三自由度飞行模拟实验台这样的珍贵科学遗产在科学博物馆展览中得以重生。

致谢 感谢章燕申教授、张钹院士、高钟毓教授和王永梁老师提供了珍贵史料。感谢章燕申教授和高钟毓教授审阅本文原稿并提出修改建议。感谢蒋澈博士协助查找俄文资料。

(本文原载于《自然科学博物馆研究》2019年第3期,第65-70页)
(本文来源:自然科学博物馆研究;了解相关说明

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