2、法国
法国的激光陀螺仪和系统技术具有很强的实力。法国SWXTANT公司和SAGEM公司均从70年代开始研究激光陀螺技术,到目前已经形成不同尺寸和精度的激光陀螺仪。(1).SEXTANT公司
:SEXTANT公司1972年开始研究激光陀螺仪,1979年SEXTANT型激光陀螺仪首先用于"美洲虎"直升机飞行。1981年33cm型激光陀螺仪在ANS超音速导弹项目中标,1987年首次把激光陀螺仪用在"阿里安"4火箭的飞行,1990年SEXTANT公司在法国未来战略导弹项目上中标。(2).SAGEM公司
:SAGEM公司从1977年开始研究环型激光陀螺仪。1987年组装了第一个样机GLS32型。在工艺成熟后,主要生产用于航空及潜艇的捷联惯导系统。1987年组装了GLC16型样机,主要用于直升机和小型运载火箭的捷联惯导系统。
3、中国
随着中国航天事业的发展,航天仪器仪表技术发展得到国家有关部门和单位的大力支持,为导弹、火箭、卫星、飞船及地面试验等配套了大量的仪器仪表,形成了相对完整的研究、开发、应用体系。如导弹、运载火箭测控系统,经历了手动、顶序程控、计算机控制、CAMAC总线、VXI总线、1553B总线为特色的发展过程,形成了目前单板机、单片机、DSP芯片为核心的模块化仪器的开发与应用,以CAMAC、VXI测试总线为标准,采用FPGA技术,设计开发了CAMAC、VXI通用、专用系列模件,P泪、PCI总线的系列模件也在开发中。
航天惯性仪表:导弹、火箭、卫星、飞船等用的惯性制导、导航、姿态测量、稳定用的陀螺仪、加速度计及由它们构成的仪器仪表;地面定位、定向及寻北、对准用的惯性仪表等。国内现已建立多条激光导航陀螺生产线,如重庆航天新世纪卫星应用技术有限责任公司、中国航天科技集团公司、重庆巴山仪器厂(航天总公司遥测设备专业生产厂)、湖南华天光电惯导技术有限公司、武汉中国光谷、洛阳光电等。
二、微晶玻璃在激光导航陀螺仪中的应用
所有玻璃都是介稳的,玻璃在常温下的永久性稳定是由于结构中的离子相对静止,从而防止了离子团的同时位移使之难以调整成晶体结构。离子在高温中发生较大的迁移,而对于以SiO2为基础的玻璃,在大约800-1000℃时,其中的晶体将随时间而生长,这时候玻璃将失透。其结构与传统陶瓷类似,即无规则排列的晶体颗粒与玻璃基质结合在一起,但是这些结晶体都非常小,直径长度约为10-6m。生产这种材料所选用的玻璃,要求其在适当温度范围内具有高的晶核成长速度。而且采用特殊的工艺手段来保证在玻璃失透时晶核能从许许多多的点上开始生长,从而获得一个结晶尺寸非常细小的多晶聚合体。这种将加有成核剂(个别可不加)的特定组成的基础玻璃,在一定温度下热处理后,就变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的新型复合材料,称之为微晶玻璃。微晶玻璃的结构、性能及生产方法和陶瓷都有不同。其性能集中了后两者的特点,成为一类独特的材料,所以它也称为玻璃陶瓷或结晶化玻璃。
微晶玻璃是50年代末发展起来的新型材料,它是由基础玻璃经控制晶化而制得的多晶固体。晶化就是通过把适当的玻璃经受仔细制定的热处理制度使玻璃成核以及晶核生长。在许多情况下,晶化过程几乎可以全部完成,通常只存在小部分的剩余玻璃相。在微晶玻璃中,晶相是全部从一个均匀的玻璃相中通过晶体生长而产生,这和传统陶瓷材料不同。在陶瓷材料中,虽然由于固相反应可能出现某些重结晶或新的晶体,但大部分结晶物质是在制备陶瓷组分时引入的。微晶玻璃和玻璃的不同处是在于微晶玻璃中存在一定量质点排列有序的微小区域(及微晶体),而玻璃则是无定形的非晶态。
微晶玻璃的结构和性能与陶瓷和玻璃均不相同,其性质由晶相的矿物组成与玻璃相的化学组成以及他们的数量来决定,因而它集中了两者的特点,具有较低的膨胀系数,较高的机械强度,显著的耐腐蚀、抗风化能力,良好的抗热震性能。与传统玻璃相比,其软化温度、热稳定性、化学稳定性、机械强度、硬度比较高,并且具有低电阻、低热膨胀等一些特殊的性能;与陶瓷相比,它的显微结构均匀致密、无气孔、表面光洁、制品尺寸准确并能生产特大尺寸的制品,它不仅可以替代工业及建筑业的传统材料,而且开辟了全新的应用领域。
微晶玻璃的制造首先是采用与普通玻璃工业熔制相同的熔体冷却法获得基础玻璃,成型退火后再经过两个阶段的热处理,在有利于成核的温度下,产生大量晶核(成核阶段),再缓慢加热到有利于晶体成长的温度下保温,使晶核适当长大,最后冷却。即在成型过程中保证玻璃稳定不析晶,而在热处理中获得整体析晶,获得在基质玻璃中最大可能数目的微小晶体,以赋予微晶玻璃所需的种种特性。随着工业的进化及研究的发展,微晶玻璃的制造工艺及生产流程大体上分为以下三种:(1).将配合料熔化后,使用普通玻璃成型的压制成型机或辊压成型机等使其成型为所需要的形状,再经热处理而制得微晶玻璃。(2).将熔化好的玻璃浇铸成所需的形状,再经热处理制得的微晶玻璃。(3).将熔化好的玻璃液经水淬,然后筛分成具有一定粒级的碎粒,干燥后堆积在棚板匣钵内进行热处理,晶化成大块微晶玻璃,称为烧结法。这三种方法的区别在于其成型方法不同。在微晶玻璃的生产过程中,可见一般除增加热处理工艺外,与普通玻璃的生产过程相同;所用原料与普通玻璃相比也不特殊,而产品却有着优异的性能。因此微晶玻璃问世以后相继开展的一系研究工作的成果,使玻璃科学和生产获得了重大进展。
低热膨胀微晶玻璃最早用于航天器火箭发动机燃料仓的防护,使火箭在冲出和返回大气层时,免遭高温对燃料仓的破坏,一旦火箭冲出大气层,它便自行剥落。将该技术引入民用产品的是美国康宁公司,他们率先制造出微波炉器皿和电磁灶面板。目前,世界上正式制造电磁灶面板的企业只有3~4家,我国生产高档电磁灶的厂家均从日本或德国进口电磁灶面板。
低热膨胀微晶玻璃也可用作防火材料,由于其对人体无辐射、无危害、硬度高、耐腐蚀,不论是做装饰或是作为特殊环境和场合的保护材料,都是不可多得的好材料。通过引入不同的着色剂和设计不同的热处理工艺,还可以得到各类不同颜色的微晶玻璃。由于其比重轻、超薄、施工方便,容易被市场接受,特别是酒店、宾馆及公共娱乐场所的安全通道,采用低膨胀防火微晶玻璃做防火墙装饰,不但美观还能挽救很多身处火险中人的生命,并减少由于大火所带来的损失。
目前市场上出现的低膨胀微晶玻璃产品,大都属于铝硅酸盐类微晶玻璃。这类微晶玻璃主要析出碱金属或碱土金属铝硅酸盐晶体。它具有优良的化学稳定性和抗热冲击性。采用Li2O-Al2O3-SiO2系统的材料制作的微晶玻璃,其特点是热膨胀系数在很大范围内可调,甚至可以调节到零膨胀。在工业生产过程中,为了能适应压延、压制等成型方法,采用β-石英固溶体为介稳晶体,就能使其具有较高的可操作性和容易成型的工艺特性,当把TiO2、ZrO2、P2O5综合引入作晶核剂时,这种材料经热处理后,可析出晶体尺寸小于可见光(λ<100纳米)的极微小晶粒,形成膨胀系数小、强度高的透明体微晶玻璃,用它可以制作望远镜镜片、环形激光陀螺、高级器皿等。
在激光导航系统中,低热膨胀微晶玻璃是制造精确导航用激光陀螺仪的关键材料,一个激光导航陀螺就需要装配一块微晶玻璃,市场前景极为广阔。此外,这种微晶玻璃也是制造大型天文望远镜镜片、高温电光源玻璃壳、雷达天线罩等的理想材料。目前国内所用的激光导航微晶玻璃材料全部依赖于从德国和俄罗斯进口。
三、发展趋势与市场预测
1、从国外情况来看,一些国家准备在最近几年改进其全部军用飞机,其中包括改装激光陀螺惯导系统的内容。在空射武器方面,新一代精确制导武器,如"联合直接攻击弹"(JDAM)在科索沃战场首次应用中就获得了预期的效果,其中一个很重要的原因是采用了惯导(INS)/GPS制导系统,而惯导部分中采用的是一种小型激光陀螺仪。另外,装备各种作战飞机的"先进中距空空弹"(AMRAAM)则采用了由光纤陀螺和硅加速度计构成的惯性制导装置。
光学陀螺捷联惯性系统正在成为军用飞机和空射导弹的主要导航/制导系统,这是从20世纪90年代开始出现的航空惯导的一个主要发展趋势。
2、从国内情况来看,国内航天仪器仪表经过四十年发展,形成比较完整的研究开发和应用系统,具备了相当规模的生产能力,基本满足航天产品的需要。同时还用于海、陆、空等军用或民用领域,其整体技术水平在国内处于先进地位。
为使航天仪器仪表技术能够充分发挥技术优势,更好地为国民经济建设服务,航天科技集团公司近年来在立足航天应用的同时,开始注重在其他领域的应用,并逐步开始开展产业化工作。由航天科技集团公司自主开发完成的磁致伸缩液位及位移测量系统和溅射薄膜压力测控仪表,不但用于二十多个航天型号,而且可广泛应用于石油、化工、纺织、机械制造、环保等行业,在国内处于领先地位。2002年国家提供了产业化贴息贷款。其产业化的目标就是要全面替代进口产品,实现国内市场60%的占有率,同时打入国际市场,树立民族优质品牌的形象。
航天仪器仪表的发展战略是:以航天型号需求为牵引,以产业化应用为目标,大力发展航天仪器仪表技术,为国民经济建设和装备制造业现代化服务。其中,高精度、高可靠陀螺仪、加速度计及惯性平台被确定为重点发展对象之一。
下面是激光导航陀螺在民用领域中的应用和生产实例:
1)北京看上重庆激光陀螺 欲作奥运会礼花定位(http://www.xinhua023.com/ 2003年11月17日 08:40)
新华网重庆频道11月17日电 在昨天"军转民"论坛中,北京市副市长范伯元一眼就看中了刚刚在重庆建成投产的首条激光陀螺生产线。他说,在2008年奥运会开幕仪式时,如果能够利用激光陀螺精确的定位功能来帮助开幕仪式上的礼花定位,就更完美了。重庆航天新世纪卫星应用技术有限责任公司的总负责人夏国洪当即表示:"北京要多少,我们就提供多少。"据了解,激光陀螺主要是用于各种运动载体的定位和定向,在国外已广泛用于航天、航空、导弹、火箭、大地导航、舰船及民用的各个领域。而重庆的首条激光陀螺生产线是国内目前投资最少、建线时间最短、精度最高的,高交会开幕的前一天刚刚在北部新区建成投产的,预计在两到三年内,实现产值3到5亿元。(甘
辉 实习生 肖梅梅)
2)激光陀螺捷联惯性导航系统首飞成功
前不久,CZ-3A运载火箭成功发射北斗1号卫星,此次发射的一项重大试验任务,搭载激光陀螺捷联惯性导航系统也取得了圆满成功。经专家鉴定,在火箭飞行的全过程,系统工作正常、可靠,试验结果满足火箭入轨要求。这是国内首次在运载火箭上搭载激光陀螺。
2002年6月至今年8月,作为一项重大试验的关键设备,激光陀螺捷联惯性导航系统在国内首次成功进行了歼8-II飞机上的挂飞试验,并连续取得30多架次飞行试验的成功。
激光陀螺具有高精度高可靠的优异性能,在国外已广泛应用于飞机、舰船、卫星、导弹和火箭的导航和制导领域。在国内激光陀螺历经20多年的研制,有了突破性进展。以激光陀螺为核心部件构成的惯性导航系统用作飞机、导弹和运载火箭的导航设备,可大幅度提高精度和可靠性。飞行试验的成功,展示了激光陀螺具有光明的应用前景。
试验用的激光陀螺捷联惯性导航系统,是中国航天科技集团公司一院12所研制的。该所利用20多年研制激光陀螺的人才和技术优势,历经3年的艰苦攻关,突破了整机结构、电气设计和标定测试的多项关键技术,完成了两个回合的研制,拿出用于搭载试验的工程样机。为考核产品的性能,他们进行了大量的地面测试和试验。完成了高低温、振动、冲击、低气压等环境试验以及电磁兼容试验,完成了地面跑车试验,参加了运载火箭出厂测试;在卫星发射基地,完成了单元测试,参加了发射测试,最终取得了飞行试验的圆满成功。
产品研制严格按照航天上箭产品的质量管理要求进行,元器件质量、设计过程、生产过程质量受控。研制人员按照"严细慎实"的工作要求,兢兢业业,扎实工作,不放过一个问题及疑点,保证了产品不带隐患上天,是搭载试验取得成功的重要保障。
飞行试验的成功是激光陀螺走向应用的第一步,在广泛的应用领域,其优异的性能,必将发挥巨大的效益,为提高我国的导航和制导技术水平做出贡献。
3)重庆巴山仪器厂
重庆巴山仪器厂是航天总公司遥测设备专业生产厂,多年来为航天事业和国防现代化建设做出过很大贡献。但由于种种原因,该厂至1995年底累计亏损数千万元,负债8000多万元。工厂到了举步维艰的地步。
1995年12月,062基地调整了该厂的领导班子。新班子坚决贯彻党中央和国务院的方针政策,坚定不移地实施"两个根本性转变",狠抓"两个文明"建设,从严治厂,集中工厂的人力和非常有限的财力,开发正三轮摩托车、激光陀螺和机床数控系统。用一年的时间完成了任务。1997年销售正三轮摩托车5000多辆,实现销售收入2500多万元,市场开拓取得突破性进展。1998年1~4月已销售
2300多辆,是去年同期的54倍,产品供不应求。军民两用项目激光陀螺进展顺利,今年第一季度研制生产的三轴激光陀螺系统和激光陀螺寻北仪已供给急需的用户,机床数控系统攻关也取得突破性进展。1996、1997两年,该厂的销售收入为"八五"期间的12倍,结束了多年亏损的历史。1996
年人均增加收入2004元,人均升工资55元。职工的生产积极性空前高涨、凝聚力大大增强。1996年该厂成为重庆十二家重点国防企业之一,还是重庆市57家重点企业之一,并进入了重庆市100强,多次受到062基地、中共重庆市委、市人民政府和市国防科工办的赞扬和好评。其中一条措施是:实行军民品分线管理,确保军品,大上民品。
军品是单件小批的生产模式,而民品是上规模的批量生产模式,一个质保体系,两种生产模式同时在一厂运行,只有进行分线管理,使军民品生产都按照各自的规律和模式运行,才能有利于提高质量,降低成本,增加效益,形成适应社会主义市场经济体制的经营机制。
4)华天酒店:高科技带来什么?(新华网 ,2002-09-24 10:10:17 ,稿件来源:上海证券报)
华天酒店(000428)董事会日前决定与湖南新兴公司共同组建湖南华天光电惯导技术有限公司,合作生产光学陀螺及惯导系统产品。光学陀螺及惯导系统产品究竟是什么神奇的东西?它能给华天酒店带来哪些实质的影响呢? 据专家介绍,激光惯导是惯性导航发展的必然结果。在世界上,从20世纪90年代开始,主要军事发达国家包括美国、法国、英国、俄罗斯等已经将激光陀螺惯导系统全面应用于导弹、飞机、舰船和其它定向武器上。那么,我国在激光惯导方面处于怎样的地位呢?据了解,我国在光导航领域的研究投入了大量的人力和财力,其中激光陀螺的研究和应用方面以中国国防科技大学处于领先水平。中国国防科技大学是一所综合性大学,其银河计算机、激光陀螺技术研究和应用、磁悬浮技术、步行机器人以及碳化硅纤维等科研成果奠定了其在我国科技领域的独特地位。在国防科技大学的重要研究成果中,激光陀螺的研究和在实践中的应用已经取得重大突破,通过市场化的开发应用,具有巨大的经济意义。华天酒店拥有湖南省首家五星级涉外酒店,在产业规模上,公司成功托管了常德华天、益阳华天、株洲华天大酒店,连锁经营使公司上半年度的主营业务收入分别比去年同期增长了三成以上,托管酒店为公司带来实际利润。但由于公司从2002年1月起不再享受税收优惠政策以及宾馆行业竞争加剧导致公司利润空间减少,尽管总收入增加幅度较大,但今年上半年净利润同比仍有所下降。因此,适时寻找新的利润增长点,为公司可持续发展打下良好基础,是公司的迫切需要。市场人士认为,该项目首期投资为2000万元,按照光学惯导系统的研究和生产规律而言,该投资是不能满足市场的需求的,若要达到发达国家的生产和使用规模,势必要加大投入。因此,投资者应当继续关注华天酒店对激光惯导项目的后续支持。(许少业)
从以上分析可以看出:激光导航陀螺仪在军民用方面的应用都是非常广泛的,市场需求量大,市场前景看好。而作为激光陀螺仪关键材料的微晶玻璃市场需求比激光陀螺仪的市场需求量还要大,据生产激光陀螺仪的企业介绍,生产一个激光陀螺仪要准备三块微晶玻璃。
四、拟建"新型玻璃材料股份有限公司"的设想
(一)、项目总投资:该项目首期投资为人民币800万元。
1.甲方出资人民币600万元,其中设备投资450万元,基础设施投资100万元,技术补偿50万元,占总投资额的75%。
2.乙方以自己拥有的激光导航陀螺用微晶玻璃生产技术作价人民币200万元,占总投资额的25%。
3.项目后续投资由合资公司负责融资,并按各方投资比例分担。
(二) 、生产规模
1.生产规模
本项目生产规模为年产激光导航用微晶玻璃18吨,并考虑在三年内达到50吨的生产能力。
2.土建设施
本项目需钢混结构厂房面积约500平方米.包括:原料配制车间50平方米;熔制和退火车间100平方米;晶化车间50平方米;玻璃加工车间50平方米;实验用房100平方米;成品车间50平方米;办公用房100平方米。
3.水电供应
本项目所需用电量为960KW/天,日用水量5吨。
4.劳动定员
本项目总定员15人,其中技术人员3人(工艺2人,机电1人),生产工人9人(原料2人,熔化4人,晶化2人,玻璃加工1人),销售人员1人,管理人员2人。
5.主要生产设备
A.原料称量台称1台; F.玻璃切割机1台;
B.原料混合机1台; G.微晶玻璃磨光机1台;
C.原料运输推车1部; H.微晶玻璃抛光机1台;
D.熔化炉1台(1600℃,50kg/天);I.晶化炉1台;
E.退火炉2台; J.实验用高温电炉1台(1600℃)。
6.主要原材料
所有原料全部从国内市场购买。
(三) 、投资及效益分析
1、总投资估算
按年产微晶玻璃18吨计算,总投资为人民币800万元。
2、经济效益分析
(1).单位成本计算
计算依据:以1块玻璃或1kg玻璃为核算单位,年产微晶玻璃18000kg,综合成品率为60%,即全年可生产成品微晶玻璃10800kg或100×100×40mm微晶玻璃10800块.
原料费用 58.26元
电耗费用 15.36元(50kg/960度电,0.8元/度电)
工资福利 25.00元(15×1500×12/10800)
固定资产折旧 37.04元(按5年折旧)
管理费用 9元(按产值的1%计算)
销售费用 18元(按销售额的2%)
包装运输费 2元
贷款利息 2.87元
税费 117元(按销售额的确良3%计算)
合计 284.53元
(全部原料都是按分析纯原料计算的,生产时可用工业原料替代)。
(2).效益分析
年产微晶玻璃10800公斤,折合为10800块,每块销售价为900元(目前的进口价为1200-1500元)。
销售收入10800×900=9720000元=972万元
总成本 10800×284.53=3072924= 307.29万元
税费 10800×117=1263600元=126.36万元(可考虑申报湖南省高新技术产品和高新技术企业)
税后利润972-307.29-126.36=538.35万元
投资利润率 538.35/800=67.29%
投资回收期 800/538.35×12≈18(月)(保守一点,可按二年为投资回收期)。