作(zuò)者：劉年凱（清華大(dà)學科學史系博士後，清華大(dà)學科學博物館（籌）收藏研究部成員）
歡迎轉載，須注明(míng)作(zuò)者與來(lái)源（《自然科學博物館研究》2019年第3期）
原文标題：器(qì)象｜中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的“誕生(shēng)”與“重生(shēng)”

【摘要】清華大(dà)學科學博物館（籌）館藏有(yǒu)一台1959年研制(zhì)成功的三自由度飛行(xíng)模拟實驗台，這是中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台。本文主要介紹這台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的“誕生(shēng)”——它的研制(zhì)背景和(hé)研制(zhì)經過，以及“重生(shēng)”——它作(zuò)為(wèi)藏品的重新發現。清華大(dà)學自動控制(zhì)系創系主任鍾士模教授主持了這台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的研制(zhì)。作(zuò)為(wèi)清華大(dà)學重要的科學遺産，這台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的重新發現得(de)益于清華大(dà)學科學史系的建立及科學博物館籌備工作(zuò)的開(kāi)展。

【關鍵詞】科學博物館；科技(jì)藏品；三自由度飛行(xíng)模拟實驗台；科學史

2019年4月24日至5月3日，清華大(dà)學科學博物館（籌）舉辦了“百年器(qì)象——清華大(dà)學科學博物館籌備展”，這是清華大(dà)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(xíng)模拟實驗台（見圖1）吸引了衆多(duō)參觀者的目光。

圖1 中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台

這台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台可(kě)簡稱為(wèi)“飛行(xíng)模拟轉台”或“飛行(xíng)模拟台”。飛行(xíng)器(qì)（如飛機、導彈）和(hé)魚雷的運動具有(yǒu)六個(gè)自由度，包括三個(gè)線運動（質心沿坐(zuò)标系三個(gè)軸向的位移）和(hé)三個(gè)角運動（質心繞坐(zuò)标系三個(gè)軸的轉動）。該模拟實驗台用來(lái)模拟飛行(xíng)器(qì)的角運動，這種模拟對于飛機的穩定飛行(xíng)、導彈和(hé)魚雷的精準射擊都有(yǒu)重要的意義。

一、組成和(hé)參數(shù)

這台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台為(wèi)鋁合金材質，主體(tǐ)為(wèi)一個(gè)長方體(tǐ)框架，總高(gāo) 137cm，上(shàng)側總寬116cm，下側總寬128cm。實驗台由三個(gè)可(kě)以翻轉的長方形金屬框架組成，大(dà)框長94cm，寬61cm；中框長65cm，寬48cm；小(xiǎo)框長48cm，寬33cm。小(xiǎo)框內(nèi)有(yǒu)镂空(kōng)圓孔，直徑為(wèi)23cm，上(shàng)下兩側的長方形均寬9cm，陀螺儀即置于該镂空(kōng)處。框架依靠多(duō)個(gè)大(dà)小(xiǎo)不一的齒輪調節轉動，其中最大(dà)的齒輪直徑為(wèi)26cm，數(shù)量為(wèi)4個(gè)。直徑20cm、17cm和(hé)12cm的齒輪分别有(yǒu)2個(gè)、16個(gè)和(hé)8個(gè)。

模拟實驗台裝有(yǒu)12個(gè)МУ-100АП 直流電(diàn)機，可(kě)以帶動內(nèi)側的齒輪轉動，從而轉動框架。每4個(gè)電(diàn)機驅動1個(gè)框架運轉：主體(tǐ)上(shàng)下橫梁的4個(gè)電(diàn)機轉動大(dà)框架，大(dà)框架左右兩側的4個(gè)電(diàn)機轉動中框架，中框架上(shàng)下兩側的4個(gè)電(diàn)機轉動小(xiǎo)框架，這樣實現三個(gè)自由度上(shàng)的飛行(xíng)模拟控制(zhì)。

МУ-100АП 電(diàn)機直徑為(wèi)7cm，長10cm，功率是177W，額定電(diàn)壓為(wèi)27V。МУ系列電(diàn)機是蘇聯廣泛應用的航空(kōng)直流電(diàn)機，這種電(diàn)機結構種類很(hěn)多(duō)，功率範圍從5到1500W。它的工作(zuò)特點是：可(kě)正反運轉，額定電(diàn)壓較低(dī)（20~27V），有(yǒu)利于滑動接觸處（電(diàn)刷—換向器(qì)）和(hé)接觸聯結處的電(diàn)壓降。轉向的變換隻需一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關就可(kě)實現。電(diàn)機正轉和(hé)反轉的激磁繞組放置在不同的磁極上(shàng)，體(tǐ)積增大(dà)使得(de)電(diàn)動機的利用系數(shù)較低(dī)，但(dàn)轉向變換的線路得(de)到簡化。

二、誕生(shēng)

（一）曆史背景

中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的誕生(shēng)，有(yǒu)特殊的曆史時(shí)代背景，一是當代中國自主研發航空(kōng)飛行(xíng)器(qì)的需要；二是全國高(gāo)校(xiào)院系調整及清華大(dà)學之後的新專業增設；三是全國開(kāi)展教學改革，學習蘇聯教育經驗；與此同時(shí)，蘇聯專家(jiā)援華，清華師(shī)生(shēng)留蘇或訪蘇。

1952年6月，全國高(gāo)等院校(xiào)進行(xíng)大(dà)規模院系調整。清華大(dà)學取消學院建制(zhì)，轉變成一所多(duō)科性工業大(dà)學。為(wèi)了适應20世紀50年代世界科技(jì)突破性的發展和(hé)國家(jiā)建設需要，清華大(dà)學從1955年陸續建立新技(jì)術(shù)專業，其中包括設立在電(diàn)機系的“自動學與遠動學專業”。

1958年7月3日，清華大(dà)學成立自動控制(zhì)系，鍾士模（見圖2）教授被任命為(wèi)系主任，淩瑞骥為(wèi)系黨總支書(shū)記。自動控制(zhì)系包含三個(gè)專業，分别是自動控制(zhì)（即原自動學與遠動學專業）、計(jì)算(suàn)機以及運籌學（後很(hěn)快取消）。其中，自動控制(zhì)很(hěn)快發展為(wèi)三個(gè)學科方向：自動控制(zhì)系統、自動控制(zhì)理(lǐ)論和(hé)自動控制(zhì)元件。自動控制(zhì)系統又分為(wèi)“飛行(xíng)器(qì)自動控制(zhì)”和(hé)“核能生(shēng)産自動控制(zhì)”兩個(gè)專門(mén)化。通(tōng)過中、蘇兩國之間(jiān)的保密渠道(dào)，清華大(dà)學得(de)到一份列甯格勒多(duō)科性技(jì)術(shù)學院的自動學與遠動學專業教學計(jì)劃，其中主要專業課程有(yǒu)：陀螺儀與穩定裝置、飛行(xíng)力學與自動駕駛儀、飛行(xíng)控制(zhì)系統模拟技(jì)術(shù)。這份教學計(jì)劃是籌建飛行(xíng)器(qì)控制(zhì)專門(mén)化的依據。當時(shí)，章燕申老師(shī)任“飛行(xíng)器(qì)自動控制(zhì)”教研室的主任。

圖2  清華大(dà)學自動控制(zhì)系鍾士模教授

在實驗室內(nèi)指導學生(shēng)（清華大(dà)學檔案館提供）

1952年，院系調整的同時(shí)，全國高(gāo)等院校(xiào)開(kāi)始教育改革，學習蘇聯教育經驗。1952—1960年，清華大(dà)學先後聘請(qǐng)60餘位蘇聯專家(jiā)，其中，自動控制(zhì)系于1956年和(hé)1957年先後聘請(qǐng)蘇啓林和(hé)克羅利兩位蘇聯專家(jiā)。自動控制(zhì)系師(shī)生(shēng)也積極與蘇聯開(kāi)展交流，如吳麒1955年赴蘇聯列甯格勒加裏甯工學院讀研究生(shēng)；金蘭赴蘇聯莫洛托夫動力學院讀研究生(shēng)；鍾士模教授1957年赴列甯格勒訪問；章燕申老師(shī)1958年參加“全蘇第二屆高(gāo)校(xiào)陀螺儀學術(shù)會(huì)議”，訪問了莫斯科包曼技(jì)術(shù)大(dà)學等，了解“自動學與遠動學”“陀螺與導航系統”專業教學科研情況。

（二）“小(xiǎo)11号”和(hé)“大(dà)11号”

中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台被參與研制(zhì)的師(shī)生(shēng)親切地稱為(wèi)“大(dà)11号”。稱為(wèi)“11号”，是因為(wèi)這是當時(shí)510教研組第一号科研任務；稱為(wèi)“大(dà)”，則是因為(wèi)自動控制(zhì)系在1958年首先研制(zhì)過一台一自由度飛行(xíng)模拟實驗台——該實驗台被稱為(wèi)“小(xiǎo)11号”（見封二下圖）。本節主要根據口述史訪談和(hé)郵件咨詢叙述“小(xiǎo)11号”和(hé)“大(dà)11号”的研制(zhì)過程。

封二

1957年，鍾士模教授訪問蘇聯，參觀列甯格勒多(duō)科性技(jì)術(shù)學院的“飛行(xíng)器(qì)控制(zhì)系統模拟技(jì)術(shù)”實驗室，列甯格勒加裏甯工學院在讀研究生(shēng)吳麒陪同，他們看到實驗室有(yǒu)多(duō)台飛行(xíng)模拟台。鍾士模希望蘇聯方面提供飛行(xíng)模拟台的圖紙，但(dàn)被對方婉拒。

鍾士模回國後決定自行(xíng)研制(zhì)飛行(xíng)模拟實驗台，他安排章燕申老師(shī)和(hé)林堯瑞老師(shī)分别負責機械部分和(hé)轉台控制(zhì)系統部分。模拟實驗台研制(zhì)地點是清華大(dà)學西主樓4樓。

研制(zhì)人(rén)員到漢口買了蘇聯制(zhì)的模拟計(jì)算(suàn)機，計(jì)劃把飛行(xíng)控制(zhì)的陀螺儀放在飛行(xíng)模拟轉台上(shàng)，将飛行(xíng)控制(zhì)的運動方程輸入模拟器(qì)，陀螺儀能把飛行(xíng)器(qì)的姿态角信息轉換成電(diàn)信号，這樣做(zuò)閉環回路就能考驗控制(zhì)系統的性能。當時(shí)章燕申還(hái)不太熟悉陀螺儀。蘇聯專家(jiā)蘇啓林雖然來(lái)自列甯格勒多(duō)科性技(jì)術(shù)學院的“自動學與遠動學”教研室，但(dàn)他的專長是交磁放大(dà)機控制(zhì)的火(huǒ)炮随動系統，而非飛行(xíng)器(qì)控制(zhì)，所以研制(zhì)人(rén)員也無法得(de)到蘇聯專家(jiā)的幫助。

同年，金蘭和(hé)章燕申在國防部第五研究院擔任技(jì)術(shù)顧問，每周工作(zuò)一天，參加仿制(zhì)從蘇聯引進的“地對地彈道(dào)導彈”工作(zuò)。該導彈是蘇聯在德國“V-2”型導彈的基礎上(shàng)研制(zhì)的，它的水(shuǐ)平陀螺、方位陀螺以及陀螺積分加速度計(jì)均采用滾珠軸承結構。這是他們第一次見到彈道(dào)導彈的飛行(xíng)姿态和(hé)射程控制(zhì)系統。不過，同年秋，大(dà)批蘇聯專家(jiā)到五院工作(zuò)，為(wèi)了執行(xíng)五院的保密規定，金蘭和(hé)章燕申隻能退出。通(tōng)過在五院短(duǎn)暫的工作(zuò)經曆，章燕申明(míng)白了陀螺儀的工作(zuò)原理(lǐ)，為(wèi)研制(zhì)飛行(xíng)模拟實驗台打下了基礎。

1958 年，清華大(dà)學獨立成功研制(zhì)出一自由度飛行(xíng)模拟實驗台，并于當年夏天在北京鋼鐵(tiě)學院（現北京科技(jì)大(dà)學）舉辦的“高(gāo)校(xiào)國防科研成果展覽會(huì)”展出。據張钹教授回憶，這次展覽為(wèi)內(nèi)部展覽，僅供領導參觀，主要展示各高(gāo)校(xiào)的軍事科研成果。多(duō)位中央領導如劉少(shǎo)奇、周恩來(lái)、鄧小(xiǎo)平、陳雲、彭真、胡耀邦及各部部長前來(lái)參觀。中央領導參觀由淩瑞骥講解，其他人(rén)員參觀由張钹負責講解，講解內(nèi)容主要是宣傳師(shī)生(shēng)的革命熱情、理(lǐ)論聯系實際的實幹精神，以及趕超世界水(shuǐ)平的決心。一自由度飛行(xíng)模拟實驗台在北京鋼鐵(tiě)學院展出後，受到中央領導的高(gāo)度重視(shì)，清華大(dà)學研究飛行(xíng)器(qì)自動控制(zhì)的消息也廣為(wèi)人(rén)知。

章燕申等為(wèi)了收集伺服電(diàn)機、廢舊(jiù)陀螺等器(qì)材，從1957年開(kāi)始訪問第二機械工業部四局（航空(kōng)工業部的前身）。蘇聯專家(jiā)克羅利的專長為(wèi)指揮火(huǒ)炮射擊的解算(suàn)裝置，他當時(shí)為(wèi)了教學實驗的開(kāi)展，也曾和(hé)章燕申去空(kōng)軍後勤倉庫尋找陀螺儀。在這個(gè)過程中，章燕申認識了四局航空(kōng)儀表設計(jì)室主任兼總設計(jì)師(shī)昝淩。昝淩明(míng)白三自由度飛行(xíng)模拟實驗台是研究飛行(xíng)器(qì)控制(zhì)系統的關鍵設備，于是和(hé)清華大(dà)學開(kāi)展合作(zuò)，并按照飛機自動駕駛儀中水(shuǐ)平和(hé)方位兩種陀螺儀的體(tǐ)積大(dà)小(xiǎo)确定了三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的尺寸。航空(kōng)儀表設計(jì)室向清華大(dà)學提供了航空(kōng)電(diàn)機、滾珠軸承、高(gāo)強度鋁合金鑄件等關鍵器(qì)材，還(hái)安排了技(jì)術(shù)員和(hé)高(gāo)級技(jì)工參加，清華大(dà)學主要負責儀器(qì)設計(jì)以及控制(zhì)系統調試。在鍾士模教授的主持和(hé)雙方合作(zuò)下，飛行(xíng)器(qì)自動控制(zhì)教研組解決了許多(duō)控制(zhì)理(lǐ)論和(hé)技(jì)術(shù)問題，在1959年成功研制(zhì)出三自由度飛行(xíng)模拟實驗台。之後推出了改進型的由16階模拟計(jì)算(suàn)機控制(zhì)的電(diàn)動實驗平台。

值得(de)一提的是，清華大(dà)學計(jì)算(suàn)機系的網頁及系史第一冊中，介紹“我系研制(zhì)成功我國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台”時(shí)配有(yǒu)一張彩色圖片，其中的三自由度飛行(xíng)模拟實驗台主體(tǐ)為(wèi)藍(lán)色，齒輪為(wèi)黑(hēi)色，經考證，這台實驗台并非中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台，而應該為(wèi)後來(lái)的改進型。

1959年研制(zhì)成功的三自由度飛行(xíng)模拟實驗台及其改進型對中國飛行(xíng)模拟技(jì)術(shù)的發展起到了重要的作(zuò)用。30所（後改為(wèi)618所）和(hé)705所之後均仿制(zhì)了同樣的模拟實驗台，分别開(kāi)展飛機駕駛儀研制(zhì)和(hé)魚雷仿真實驗等。

以705所為(wèi)例。1978年，中國海南島漁民在海上(shàng)作(zuò)業時(shí)撈到一條美制(zhì)MK46-1型魚雷。後在中央安排下，705所與有(yǒu)關工廠和(hé)學校(xiào)對魚雷分解和(hé)研究仿制(zhì)，其中魚雷的導航研究就需要使用三自由度飛行(xíng)模拟實驗台。高(gāo)鍾毓教授等在1988年對705所的三自由度飛行(xíng)模拟實驗台進行(xíng)了控制(zhì)系統改造，把交磁機控制(zhì)改造成集成電(diàn)路控制(zhì)，通(tōng)頻帶由原來(lái)的3Hz變成10Hz以上(shàng)，主要技(jì)術(shù)指标為(wèi)正弦搖擺頻率為(wèi)2Hz，輸入輸出相位誤差在10°以內(nèi)，滿足了電(diàn)動魚雷仿真的技(jì)術(shù)要求。這是對三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的後期改進。

 三、重生(shēng)

20世紀70年代，清華大(dà)學的兩台飛行(xíng)模拟實驗台逐漸退出“現役”，從東主樓搬至9003大(dà)樓。2019年，中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台誕生(shēng)整整60年後，它從布滿灰塵的倉庫來(lái)到明(míng)亮整潔的展廳，讓參觀者親身感受到清華大(dà)學師(shī)生(shēng)自力更生(shēng)的奮鬥精神。中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的“重生(shēng)”，與清華大(dà)學科學史學科的建制(zhì)化和(hé)科學博物館的籌備密不可(kě)分。

2017年5月16日，清華大(dà)學科學史系成立，啓動籌備建立清華大(dà)學科學博物館。2018年12月20日，筆者來(lái)到清華大(dà)學9003大(dà)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(xíng)模拟實驗台的實物。當天，筆者将兩台儀器(qì)運回科學博物館（籌）地下倉庫。由于不确定儀器(qì)的準确名稱，筆者按“陀螺儀轉台”登記了該儀器(qì)。12月24日，高(gāo)鍾毓和(hé)王永梁老師(shī)來(lái)到科學博物館（籌）地下倉庫，在大(dà)小(xiǎo)“11号”面前，高(gāo)老師(shī)回憶了當年參與研制(zhì)模拟實驗台的經曆，并願意接受進一步的采訪。

2019年3月14日，筆者和(hé)科學博物館（籌）沈萌老師(shī)赴清華大(dà)學導航技(jì)術(shù)工程中心，拜訪了高(gāo)鍾毓教授和(hé)王永梁老師(shī)。高(gāo)老師(shī)還(hái)請(qǐng)來(lái)章燕申教授，向筆者詳細講述了當年參與研制(zhì)的過程。值得(de)一提的是，4月24日“百年器(qì)象”開(kāi)展當日，高(gāo)鍾毓教授和(hé)王永梁老師(shī)親臨現場(chǎng)參加了開(kāi)幕式；4月26日，章燕申教授也來(lái)到展覽現場(chǎng)，觀看了這台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台，以及他在20世紀70年代主持研制(zhì)的靜電(diàn)陀螺三軸穩定平台。可(kě)以說，中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台的“重生(shēng)”，與清華大(dà)學科學史系的成立和(hé)科學博物館的籌備密不可(kě)分，儀器(qì)史研究和(hé)口述史訪談的開(kāi)展是其必要補充。

尋找、收集、保存和(hé)研究科學儀器(qì)是科學博物館的應盡之責。清華大(dà)學科學博物館從2017年科學史系成立初期，便以多(duō)種方式聯系和(hé)調研清華大(dà)學各理(lǐ)工科教學和(hé)科研實驗室，收集有(yǒu)曆史意義的科學儀器(qì)設備。目前，科學博物館已有(yǒu)三千餘件科技(jì)藏品。但(dàn)令人(rén)遺憾的是，早年曆經戰亂，儀器(qì)多(duō)有(yǒu)遺失，後因科技(jì)發展迅速，科研場(chǎng)所空(kōng)間(jiān)局促，儀器(qì)設備更新頻繁，也少(shǎo)有(yǒu)人(rén)有(yǒu)意識地保存不再使用的科學儀器(qì)。如今，收集清華古舊(jiù)科學儀器(qì)，完整呈現清華科學儀器(qì)購買、研制(zhì)和(hé)使用的演變曆史并非易事。本台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台由中國自動控制(zhì)學科和(hé)教育的開(kāi)拓者之一、清華大(dà)學自動控制(zhì)系創系系主任鍾士模教授主持，且其研制(zhì)過程涉及多(duō)家(jiā)科研單位，具有(yǒu)重要的科學史價值。而這台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台研制(zhì)成于1959年，屬于科學博物館目前藏品中少(shǎo)有(yǒu)的早期儀器(qì)，是中華人(rén)民共和(hé)國成立初期科學研究的重要曆史見證和(hé)珍貴科學遺産。

四、結語

清華大(dà)學自動控制(zhì)系分别在1958年和(hé)1959年研制(zhì)成功一自由度飛行(xíng)模拟實驗台（“小(xiǎo)11号”）和(hé)三自由度飛行(xíng)模拟實驗台（“大(dà)11号”）。作(zuò)為(wèi)中國第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台，“大(dà)11号”的誕生(shēng)為(wèi)我國飛行(xíng)模拟技(jì)術(shù)的發展起到了至關重要的作(zuò)用。清華大(dà)學科學史學科的建制(zhì)化和(hé)科學博物館籌備工作(zuò)的開(kāi)展，使得(de)諸如第一台三自由度飛行(xíng)模拟實驗台這樣的珍貴科學遺産在科學博物館展覽中得(de)以重生(shēng)。

緻謝 感謝章燕申教授、張钹院士、高(gāo)鍾毓教授和(hé)王永梁老師(shī)提供了珍貴史料。感謝章燕申教授和(hé)高(gāo)鍾毓教授審閱本文原稿并提出修改建議。感謝蔣澈博士協助查找俄文資料。

（本文原載于《自然科學博物館研究》2019年第3期，第65-70頁）