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作者：劉年凱（清華大學(xué)科學(xué)史系博士后，清華大學(xué)科學(xué)博物館（籌）收藏研究部成員）
歡迎轉(zhuǎn)載，須注明作者與來源（《自然科學(xué)博物館研究》2019年第3期）
原文標(biāo)題：器象｜中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“誕生”與“重生”

【摘要】清華大學(xué)科學(xué)博物館（籌）館藏有一臺(tái)1959年研制成功的三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，這是中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。本文主要介紹這臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“誕生”——它的研制背景和研制經(jīng)過，以及“重生”——它作為藏品的重新發(fā)現(xiàn)。清華大學(xué)自動(dòng)控制系創(chuàng)系主任鐘士模教授主持了這臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制。作為清華大學(xué)重要的科學(xué)遺產(chǎn)，這臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的重新發(fā)現(xiàn)得益于清華大學(xué)科學(xué)史系的建立及科學(xué)博物館籌備工作的開展。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)博物館；科技藏品；三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)；科學(xué)史

2019年4月24日至5月3日，清華大學(xué)科學(xué)博物館（籌）舉辦了“百年器象——清華大學(xué)科學(xué)博物館籌備展”，這是清華大學(xué)科學(xué)博物館（籌）藏品的首次亮相。在本次展覽中，中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)（見圖1）吸引了眾多參觀者的目光。

圖1 中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

這臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)可簡(jiǎn)稱為“飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)”或“飛行模擬臺(tái)”。飛行器（如飛機(jī)、導(dǎo)彈）和魚雷的運(yùn)動(dòng)具有六個(gè)自由度，包括三個(gè)線運(yùn)動(dòng)（質(zhì)心沿坐標(biāo)系三個(gè)軸向的位移）和三個(gè)角運(yùn)動(dòng)（質(zhì)心繞坐標(biāo)系三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)）。該模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)用來模擬飛行器的角運(yùn)動(dòng)，這種模擬對(duì)于飛機(jī)的穩(wěn)定飛行、導(dǎo)彈和魚雷的精準(zhǔn)射擊都有重要的意義。

一、組成和參數(shù)

這臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)為鋁合金材質(zhì)，主體為一個(gè)長(zhǎng)方體框架，總高 137cm，上側(cè)總寬116cm，下側(cè)總寬128cm。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由三個(gè)可以翻轉(zhuǎn)的長(zhǎng)方形金屬框架組成，大框長(zhǎng)94cm，寬61cm；中框長(zhǎng)65cm，寬48cm；小框長(zhǎng)48cm，寬33cm。小框內(nèi)有鏤空?qǐng)A孔，直徑為23cm，上下兩側(cè)的長(zhǎng)方形均寬9cm，陀螺儀即置于該鏤空處?？蚣芤揽慷鄠€(gè)大小不一的齒輪調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中最大的齒輪直徑為26cm，數(shù)量為4個(gè)。直徑20cm、17cm和12cm的齒輪分別有2個(gè)、16個(gè)和8個(gè)。

模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝有12個(gè)МУ-100АП 直流電機(jī)，可以帶動(dòng)內(nèi)側(cè)的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)動(dòng)框架。每4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)1個(gè)框架運(yùn)轉(zhuǎn)：主體上下橫梁的4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)大框架，大框架左右兩側(cè)的4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中框架，中框架上下兩側(cè)的4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)小框架，這樣實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度上的飛行模擬控制。

МУ-100АП 電機(jī)直徑為7cm，長(zhǎng)10cm，功率是177W，額定電壓為27V。МУ系列電機(jī)是蘇聯(lián)廣泛應(yīng)用的航空直流電機(jī)，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)種類很多，功率范圍從5到1500W。它的工作特點(diǎn)是：可正反運(yùn)轉(zhuǎn)，額定電壓較低（20~27V），有利于滑動(dòng)接觸處（電刷—換向器）和接觸聯(lián)結(jié)處的電壓降。轉(zhuǎn)向的變換只需一個(gè)單刀雙擲開關(guān)就可實(shí)現(xiàn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的激磁繞組放置在不同的磁極上，體積增大使得電動(dòng)機(jī)的利用系數(shù)較低，但轉(zhuǎn)向變換的線路得到簡(jiǎn)化。

二、誕生

（一）歷史背景

中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的誕生，有特殊的歷史時(shí)代背景，一是當(dāng)代中國(guó)自主研發(fā)航空飛行器的需要；二是全國(guó)高校院系調(diào)整及清華大學(xué)之后的新專業(yè)增設(shè)；三是全國(guó)開展教學(xué)改革，學(xué)習(xí)蘇聯(lián)教育經(jīng)驗(yàn)；與此同時(shí)，蘇聯(lián)專家援華，清華師生留蘇或訪蘇。

1952年6月，全國(guó)高等院校進(jìn)行大規(guī)模院系調(diào)整。清華大學(xué)取消學(xué)院建制，轉(zhuǎn)變成一所多科性工業(yè)大學(xué)。為了適應(yīng)20世紀(jì)50年代世界科技突破性的發(fā)展和國(guó)家建設(shè)需要，清華大學(xué)從1955年陸續(xù)建立新技術(shù)專業(yè)，其中包括設(shè)立在電機(jī)系的“自動(dòng)學(xué)與遠(yuǎn)動(dòng)學(xué)專業(yè)”。

1958年7月3日，清華大學(xué)成立自動(dòng)控制系，鐘士模（見圖2）教授被任命為系主任，凌瑞驥為系黨總支書記。自動(dòng)控制系包含三個(gè)專業(yè)，分別是自動(dòng)控制（即原自動(dòng)學(xué)與遠(yuǎn)動(dòng)學(xué)專業(yè)）、計(jì)算機(jī)以及運(yùn)籌學(xué)（后很快取消）。其中，自動(dòng)控制很快發(fā)展為三個(gè)學(xué)科方向：自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論和自動(dòng)控制元件。自動(dòng)控制系統(tǒng)又分為“飛行器自動(dòng)控制”和“核能生產(chǎn)自動(dòng)控制”兩個(gè)專門化。通過中、蘇兩國(guó)之間的保密渠道，清華大學(xué)得到一份列寧格勒多科性技術(shù)學(xué)院的自動(dòng)學(xué)與遠(yuǎn)動(dòng)學(xué)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃，其中主要專業(yè)課程有：陀螺儀與穩(wěn)定裝置、飛行力學(xué)與自動(dòng)駕駛儀、飛行控制系統(tǒng)模擬技術(shù)。這份教學(xué)計(jì)劃是籌建飛行器控制專門化的依據(jù)。當(dāng)時(shí)，章燕申老師任“飛行器自動(dòng)控制”教研室的主任。

圖2  清華大學(xué)自動(dòng)控制系鐘士模教授

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)指導(dǎo)學(xué)生（清華大學(xué)檔案館提供）

1952年，院系調(diào)整的同時(shí)，全國(guó)高等院校開始教育改革，學(xué)習(xí)蘇聯(lián)教育經(jīng)驗(yàn)。1952—1960年，清華大學(xué)先后聘請(qǐng)60余位蘇聯(lián)專家，其中，自動(dòng)控制系于1956年和1957年先后聘請(qǐng)?zhí)K啟林和克羅利兩位蘇聯(lián)專家。自動(dòng)控制系師生也積極與蘇聯(lián)開展交流，如吳麒1955年赴蘇聯(lián)列寧格勒加里寧工學(xué)院讀研究生；金蘭赴蘇聯(lián)莫洛托夫動(dòng)力學(xué)院讀研究生；鐘士模教授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(xué)術(shù)會(huì)議”，訪問了莫斯科包曼技術(shù)大學(xué)等，了解“自動(dòng)學(xué)與遠(yuǎn)動(dòng)學(xué)”“陀螺與導(dǎo)航系統(tǒng)”專業(yè)教學(xué)科研情況。

（二）“小11號(hào)”和“大11號(hào)”

中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)被參與研制的師生親切地稱為“大11號(hào)”。稱為“11號(hào)”，是因?yàn)檫@是當(dāng)時(shí)510教研組第一號(hào)科研任務(wù)；稱為“大”，則是因?yàn)樽詣?dòng)控制系在1958年首先研制過一臺(tái)一自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)——該實(shí)驗(yàn)臺(tái)被稱為“小11號(hào)”（見封二下圖）。本節(jié)主要根據(jù)口述史訪談和郵件咨詢敘述“小11號(hào)”和“大11號(hào)”的研制過程。

封二

1957年，鐘士模教授訪問蘇聯(lián)，參觀列寧格勒多科性技術(shù)學(xué)院的“飛行器控制系統(tǒng)模擬技術(shù)”實(shí)驗(yàn)室，列寧格勒加里寧工學(xué)院在讀研究生吳麒陪同，他們看到實(shí)驗(yàn)室有多臺(tái)飛行模擬臺(tái)。鐘士模希望蘇聯(lián)方面提供飛行模擬臺(tái)的圖紙，但被對(duì)方婉拒。

鐘士?；貒?guó)后決定自行研制飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，他安排章燕申老師和林堯瑞老師分別負(fù)責(zé)機(jī)械部分和轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)部分。模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制地點(diǎn)是清華大學(xué)西主樓4樓。

研制人員到漢口買了蘇聯(lián)制的模擬計(jì)算機(jī)，計(jì)劃把飛行控制的陀螺儀放在飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)上，將飛行控制的運(yùn)動(dòng)方程輸入模擬器，陀螺儀能把飛行器的姿態(tài)角信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這樣做閉環(huán)回路就能考驗(yàn)控制系統(tǒng)的性能。當(dāng)時(shí)章燕申還不太熟悉陀螺儀。蘇聯(lián)專家蘇啟林雖然來自列寧格勒多科性技術(shù)學(xué)院的“自動(dòng)學(xué)與遠(yuǎn)動(dòng)學(xué)”教研室，但他的專長(zhǎng)是交磁放大機(jī)控制的火炮隨動(dòng)系統(tǒng)，而非飛行器控制，所以研制人員也無法得到蘇聯(lián)專家的幫助。

同年，金蘭和章燕申在國(guó)防部第五研究院擔(dān)任技術(shù)顧問，每周工作一天，參加仿制從蘇聯(lián)引進(jìn)的“地對(duì)地彈道導(dǎo)彈”工作。該導(dǎo)彈是蘇聯(lián)在德國(guó)“V-2”型導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上研制的，它的水平陀螺、方位陀螺以及陀螺積分加速度計(jì)均采用滾珠軸承結(jié)構(gòu)。這是他們第一次見到彈道導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和射程控制系統(tǒng)。不過，同年秋，大批蘇聯(lián)專家到五院工作，為了執(zhí)行五院的保密規(guī)定，金蘭和章燕申只能退出。通過在五院短暫的工作經(jīng)歷，章燕申明白了陀螺儀的工作原理，為研制飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)打下了基礎(chǔ)。

1958 年，清華大學(xué)獨(dú)立成功研制出一自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并于當(dāng)年夏天在北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)北京科技大學(xué)）舉辦的“高校國(guó)防科研成果展覽會(huì)”展出。據(jù)張鈸教授回憶，這次展覽為內(nèi)部展覽，僅供領(lǐng)導(dǎo)參觀，主要展示各高校的軍事科研成果。多位中央領(lǐng)導(dǎo)如劉少奇、周恩來、鄧小平、陳云、彭真、胡耀邦及各部部長(zhǎng)前來參觀。中央領(lǐng)導(dǎo)參觀由凌瑞驥講解，其他人員參觀由張鈸負(fù)責(zé)講解，講解內(nèi)容主要是宣傳師生的革命熱情、理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)干精神，以及趕超世界水平的決心。一自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)在北京鋼鐵學(xué)院展出后，受到中央領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，清華大學(xué)研究飛行器自動(dòng)控制的消息也廣為人知。

章燕申等為了收集伺服電機(jī)、廢舊陀螺等器材，從1957年開始訪問第二機(jī)械工業(yè)部四局（航空工業(yè)部的前身）。蘇聯(lián)專家克羅利的專長(zhǎng)為指揮火炮射擊的解算裝置，他當(dāng)時(shí)為了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展，也曾和章燕申去空軍后勤倉(cāng)庫(kù)尋找陀螺儀。在這個(gè)過程中，章燕申認(rèn)識(shí)了四局航空儀表設(shè)計(jì)室主任兼總設(shè)計(jì)師昝凌。昝凌明白三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)是研究飛行器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，于是和清華大學(xué)開展合作，并按照飛機(jī)自動(dòng)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(shí)驗(yàn)臺(tái)的尺寸。航空儀表設(shè)計(jì)室向清華大學(xué)提供了航空電機(jī)、滾珠軸承、高強(qiáng)度鋁合金鑄件等關(guān)鍵器材，還安排了技術(shù)員和高級(jí)技工參加，清華大學(xué)主要負(fù)責(zé)儀器設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)調(diào)試。在鐘士模教授的主持和雙方合作下，飛行器自動(dòng)控制教研組解決了許多控制理論和技術(shù)問題，在1959年成功研制出三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。之后推出了改進(jìn)型的由16階模擬計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

值得一提的是，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系的網(wǎng)頁(yè)及系史第一冊(cè)中，介紹“我系研制成功我國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)”時(shí)配有一張彩色圖片，其中的三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體為藍(lán)色，齒輪為黑色，經(jīng)考證，這臺(tái)實(shí)驗(yàn)臺(tái)并非中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，而應(yīng)該為后來的改進(jìn)型。

1959年研制成功的三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)及其改進(jìn)型對(duì)中國(guó)飛行模擬技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。30所（后改為618所）和705所之后均仿制了同樣的模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別開展飛機(jī)駕駛儀研制和魚雷仿真實(shí)驗(yàn)等。

以705所為例。1978年，中國(guó)海南島漁民在海上作業(yè)時(shí)撈到一條美制MK46-1型魚雷。后在中央安排下，705所與有關(guān)工廠和學(xué)校對(duì)魚雷分解和研究仿制，其中魚雷的導(dǎo)航研究就需要使用三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。高鐘毓教授等在1988年對(duì)705所的三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了控制系統(tǒng)改造，把交磁機(jī)控制改造成集成電路控制，通頻帶由原來的3Hz變成10Hz以上，主要技術(shù)指標(biāo)為正弦搖擺頻率為2Hz，輸入輸出相位誤差在10°以內(nèi)，滿足了電動(dòng)魚雷仿真的技術(shù)要求。這是對(duì)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的后期改進(jìn)。

 三、重生

20世紀(jì)70年代，清華大學(xué)的兩臺(tái)飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)逐漸退出“現(xiàn)役”，從東主樓搬至9003大樓。2019年，中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)誕生整整60年后，它從布滿灰塵的倉(cāng)庫(kù)來到明亮整潔的展廳，讓參觀者親身感受到清華大學(xué)師生自力更生的奮斗精神。中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“重生”，與清華大學(xué)科學(xué)史學(xué)科的建制化和科學(xué)博物館的籌備密不可分。

2017年5月16日，清華大學(xué)科學(xué)史系成立，啟動(dòng)籌備建立清華大學(xué)科學(xué)博物館。2018年12月20日，筆者來到清華大學(xué)9003大樓西側(cè)一樓倉(cāng)庫(kù)的一角，第一次親眼看到中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物。當(dāng)天，筆者將兩臺(tái)儀器運(yùn)回科學(xué)博物館（籌）地下倉(cāng)庫(kù)。由于不確定儀器的準(zhǔn)確名稱，筆者按“陀螺儀轉(zhuǎn)臺(tái)”登記了該儀器。12月24日，高鐘毓和王永梁老師來到科學(xué)博物館（籌）地下倉(cāng)庫(kù)，在大小“11號(hào)”面前，高老師回憶了當(dāng)年參與研制模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的經(jīng)歷，并愿意接受進(jìn)一步的采訪。

2019年3月14日，筆者和科學(xué)博物館（籌）沈萌老師赴清華大學(xué)導(dǎo)航技術(shù)工程中心，拜訪了高鐘毓教授和王永梁老師。高老師還請(qǐng)來章燕申教授，向筆者詳細(xì)講述了當(dāng)年參與研制的過程。值得一提的是，4月24日“百年器象”開展當(dāng)日，高鐘毓教授和王永梁老師親臨現(xiàn)場(chǎng)參加了開幕式；4月26日，章燕申教授也來到展覽現(xiàn)場(chǎng)，觀看了這臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以及他在20世紀(jì)70年代主持研制的靜電陀螺三軸穩(wěn)定平臺(tái)?？梢哉f，中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“重生”，與清華大學(xué)科學(xué)史系的成立和科學(xué)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(bǔ)充。

尋找、收集、保存和研究科學(xué)儀器是科學(xué)博物館的應(yīng)盡之責(zé)。清華大學(xué)科學(xué)博物館從2017年科學(xué)史系成立初期，便以多種方式聯(lián)系和調(diào)研清華大學(xué)各理工科教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)室，收集有歷史意義的科學(xué)儀器設(shè)備。目前，科學(xué)博物館已有三千余件科技藏品。但令人遺憾的是，早年歷經(jīng)戰(zhàn)亂，儀器多有遺失，后因科技發(fā)展迅速，科研場(chǎng)所空間局促，儀器設(shè)備更新頻繁，也少有人有意識(shí)地保存不再使用的科學(xué)儀器。如今，收集清華古舊科學(xué)儀器，完整呈現(xiàn)清華科學(xué)儀器購(gòu)買、研制和使用的演變歷史并非易事。本臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)由中國(guó)自動(dòng)控制學(xué)科和教育的開拓者之一、清華大學(xué)自動(dòng)控制系創(chuàng)系系主任鐘士模教授主持，且其研制過程涉及多家科研單位，具有重要的科學(xué)史價(jià)值。而這臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制成于1959年，屬于科學(xué)博物館目前藏品中少有的早期儀器，是中華人民共和國(guó)成立初期科學(xué)研究的重要?dú)v史見證和珍貴科學(xué)遺產(chǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

清華大學(xué)自動(dòng)控制系分別在1958年和1959年研制成功一自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)（“小11號(hào)”）和三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)（“大11號(hào)”）。作為中國(guó)第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，“大11號(hào)”的誕生為我國(guó)飛行模擬技術(shù)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。清華大學(xué)科學(xué)史學(xué)科的建制化和科學(xué)博物館籌備工作的開展，使得諸如第一臺(tái)三自由度飛行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)這樣的珍貴科學(xué)遺產(chǎn)在科學(xué)博物館展覽中得以重生。

致謝 感謝章燕申教授、張鈸院士、高鐘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鐘毓教授審閱本文原稿并提出修改建議。感謝蔣澈博士協(xié)助查找俄文資料。

（本文原載于《自然科學(xué)博物館研究》2019年第3期，第65-70頁(yè)）