情系航海石英鐘

文 圖/輕工業(yè)鐘表研究所時(shí)控技術(shù)事業(yè)部 閔祖棠

情系航海石英鐘

文 圖/輕工業(yè)鐘表研究所時(shí)控技術(shù)事業(yè)部 閔祖棠

航海石英鐘，是輕工業(yè)鐘表研究所建所史上第一項(xiàng)軍品配套項(xiàng)目！是獨(dú)立研制成功的第一臺產(chǎn)品！又是貫穿建所近半個(gè)世紀(jì)不棄不離的產(chǎn)品（圖1）。

圖1：2012年11月DSZ高頻石英航海天文鐘正在成品檢驗(yàn)

擦、擦、擦……在輕工業(yè)鐘表研究所數(shù)百臺DSZ高頻石英航海天文鐘發(fā)出整齊劃一的走秒聲。聽著熟悉鏗鏘的音符，鐘表人抑制不住心潮起伏，感慨萬千。因?yàn)楹胶Ｊ㈢姵休d的歷史太多、太多……

航海鐘造就“大英帝國”

古今中外艦船在水天一色的茫茫大海中，必須依靠經(jīng)緯度天文測定獲知精確的坐標(biāo)位置，不致迷航遇險(xiǎn)。十八世紀(jì)初，英軍一支艦隊(duì)在英國西南海域遇到大霧，由于無法確定準(zhǔn)確位置，導(dǎo)致在錫利群島遇難，兩千士兵葬身海底。因此英王懸榜征賞《經(jīng)度測量法案》，規(guī)定任何人只要能找出在海上測量經(jīng)度的方法，便可以拿到2萬英鎊的獎(jiǎng)金，折合現(xiàn)在600萬英鎊。從科學(xué)的角度講，經(jīng)度問題可以換算成時(shí)間。因?yàn)榈厍蛎刻燹D(zhuǎn)動(dòng)一周，每小時(shí)的時(shí)差就相當(dāng)于經(jīng)度15度。因此，只要知道當(dāng)?shù)貢r(shí)間，就能知道所在地的經(jīng)度。問題是當(dāng)時(shí)的鐘表都是依靠鐘擺計(jì)時(shí)，禁不起晃動(dòng)，一出海就不準(zhǔn)了。因此科學(xué)界都認(rèn)為只能依靠天文學(xué)家，通過觀測星相的辦法測量時(shí)間。但結(jié)果由一個(gè)鐘表匠約翰·哈里森解決了，他花了四十多年時(shí)間，不斷改進(jìn)先后造就了五種計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的航海鐘H1~H5（圖2），成全了英國的航海霸業(yè)。

圖2：H1航海鐘，1730年制造，重35公斤，靠發(fā)條驅(qū)動(dòng)

圖2：H5航海鐘，1763年制造，重1.45公斤，似大型懷表

300年的發(fā)展史，航海鐘經(jīng)歷了從擺鐘-機(jī)械鐘-石英鐘演變，直到如今GPS、北斗星的全球定位系統(tǒng)。盡管現(xiàn)代艦艇和海輪已具有先進(jìn)的導(dǎo)航手段，但這些曾創(chuàng)造輝煌歷史的航海鐘還珍藏在格林尼治皇家天文博物館內(nèi)，哈里森也成為大英帝國最有突出貢獻(xiàn)的人物之一。而航海天文鐘與六分儀（通過測定太陽的傾角，計(jì)算出緯度的儀器）配合進(jìn)行測天定位的傳統(tǒng)方法，仍然在航海事業(yè)中起著重要的作用。

石英航海鐘在中國

誕生初樣

上世紀(jì)六十年代初，毛澤東主席提出“中國要建強(qiáng)大的海軍”，1964年又開始“三線建設(shè)”。由于當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)中斷了機(jī)械式航海天文鐘的合作協(xié)議，國內(nèi)多次研制失敗，為了國防建設(shè)需要，當(dāng)時(shí)第一輕工業(yè)部下達(dá)了研制石英航海天文鐘的任務(wù)。1965年10月由上海鐘表公司主持，組織了鐘表所、上海手表廠608車間、上海表帶一廠、上海輕工業(yè)研究所技術(shù)人員組成100A石英航海天文鐘研制隊(duì)伍。當(dāng)年鐘表所正處于籌建初期，大部分人員分散在滬、渝、寧、京各地，為組織研制抽調(diào)了鐘表所劉永和任組長、潘求明、劉應(yīng)文、陳春峰、及表帶一廠貝振孝等參與。通過對瑞士愛博斯、菲利浦進(jìn)口的樣機(jī)進(jìn)行分析測試、走訪海軍用戶，在確定初步技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，分成機(jī)械、振蕩器、分頻器、信號放大四個(gè)專業(yè)組設(shè)計(jì)試制，于1966年在上海誕生了我國首次三臺石英航海鐘原理初樣。同年在上海組織13個(gè)單位召開了結(jié)構(gòu)審查會(huì)議，肯定了研制方向。

1967年由第一輕工業(yè)部鐘表處主持，邀請了海軍司令部航保部、中科院時(shí)間頻率研究所、地球物理研究所、國家測繪總局等八個(gè)單位，在北京召開石英航海天文鐘技術(shù)要求座談會(huì)。

西安投入試制和生產(chǎn)

隨著三線內(nèi)遷以及席卷全國的文化大革命運(yùn)動(dòng)，鐘表所沒有忘卻責(zé)任和使命，建所定居西安秦嶺北麓后，1968年成立革命委員會(huì)，正式啟動(dòng)100A石英航海鐘的試制。由當(dāng)時(shí)革委會(huì)委員趙惠林負(fù)責(zé)試制加工、梁秋祥負(fù)責(zé)電氣，組成謝玨、楊玉明，余家富為機(jī)械設(shè)計(jì)組，集中了羅振明、李奎元、陳成造、張慶辰、周春榮、張作武、李景玲、郁明訓(xùn)、陳劍秋、陳莉芝、朱寶根、馬連榮、克效英、趙忠科、徐樹茂和計(jì)量室沈孝生等二十余人組成試制加工小組，其后從風(fēng)雷儀表廠增援張善德、李躍良、龔定福、張銘鎮(zhèn)等工人老師傅。這批大學(xué)生和中專生就是鐘表所最早的“試制車間”班底，而石英航海鐘就是領(lǐng)航的第一項(xiàng)軍品配套產(chǎn)品。

100A采用的是10KC低頻石英晶振和熱敏電阻溫度補(bǔ)償（圖3），采用半導(dǎo)體三極管（3DG6）、阻容元件、印刷線路板構(gòu)成震蕩、分頻電路，機(jī)電換能器采用繼電器磁鋼實(shí)現(xiàn)（圖4），在4～36℃范圍內(nèi)日差0.5s/d。

圖3：100A石英航海鐘原理方框圖

第一年的試制并不順利，樣機(jī)質(zhì)量不盡人意，拿出了九臺樣機(jī)進(jìn)行考核和走訪。1969年初首次滬大連試航因電機(jī)和電源故障試驗(yàn)失敗。隨后再次組織了張世祥、謝鈺、陳滿沾、何永林、洪張棟為主的產(chǎn)品整改小組，1969年8月完成第二批十臺樣機(jī)（圖5）。同年在文化大革命批改階段實(shí)現(xiàn)廠（風(fēng)雷儀表廠）所（鐘表所）合并，鐘表所成為廠屬下的科研組，試制也遇到困難。

圖4：100A石英航海鐘傳動(dòng)輪系

圖5：100A石英航海鐘

產(chǎn)品出廠

經(jīng)歷兩年的試制，100A一度成為“老大難”，1970年加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，增加蔡竹青、王成錄負(fù)責(zé)項(xiàng)目試制生產(chǎn)。針對當(dāng)時(shí)存在的幾個(gè)突出問題如：第一級單穩(wěn)分頻不穩(wěn)定、低溫和振動(dòng)不可靠、溫度補(bǔ)償難調(diào)試、內(nèi)電源不穩(wěn)定、功耗大、元器件不穩(wěn)定等一系列問題進(jìn)行分析改進(jìn)。1970年完成第一次小批量生產(chǎn)190臺，經(jīng)考核，一次生產(chǎn)合格率80%，初步達(dá)到石英航海鐘技術(shù)要求，日差±0.5s/d。其中116臺100A出廠交使用單位試用。1971年3月于西安風(fēng)雷儀表廠組織廠內(nèi)鑒定，分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和質(zhì)量考核三組審查，第一次通過100A石英航海天文鐘產(chǎn)品鑒定，6年研制宣告成功。隨后經(jīng)1971年86臺，1972年175臺發(fā)往海軍司令部航保部、廣州、大連、上海、連云港、六機(jī)部、地震辦等用戶，產(chǎn)品首次實(shí)現(xiàn)了為國防配套服務(wù)、為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)的目標(biāo)。為了它，多少年輕人曾在文革年代初出茅廬，傾注了心血、付出了努力！

1972年按當(dāng)時(shí)計(jì)劃經(jīng)濟(jì)管理模式，完成向西安風(fēng)雷儀表廠二連的移交轉(zhuǎn)產(chǎn)。1974年西安風(fēng)雷儀表廠在100A石英航海鐘基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)，首次采用了CMOS集成電路和三極單相永磁步進(jìn)電機(jī)，1976年研制成功100B石英航海天文鐘，繼續(xù)生產(chǎn)。

DSZ 高頻石英航海天文鐘升級換代

圖6：我國第一塊指針式石英電子日歷手表(上)和CMOS集成電路（下）

繼1969年日本精工（SEIKO）研制出世界上第一塊石英電子表以后，上世紀(jì)七十年代我國進(jìn)入了鐘表石英化的起步階段，1975年鐘表所研制成功我國第一塊指針式石英電子日歷手表，并于1978年獲全國科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)（圖6），填補(bǔ)了空白，其中標(biāo)志性的技術(shù)是串聯(lián)機(jī)電換能的步進(jìn)馬達(dá)和硅柵CMOS十六級二分頻集成電路。

在這兩項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，1981年輕工業(yè)部科技局軍工辦公室下達(dá)了高頻石英航海天文鐘的研制任務(wù)，作為升級換代產(chǎn)品列入輕工業(yè)部“六五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)由吳秒勝、黃美婷、楊曉明組成項(xiàng)目組，采用4.19M高頻晶振，單極步進(jìn)電機(jī)，22級分頻CMOS電路，當(dāng)年完成產(chǎn)品圖。1982年首批試制樣機(jī)10臺送東海、南海、北海艦隊(duì)和上海海運(yùn)局使用，經(jīng)考核產(chǎn)品性能實(shí)現(xiàn)日差0.2s/d，達(dá)到同期瑞士歐米茄公司裝備法國海軍的1525型高頻石英航海天文鐘水平（《鐘表》1981年第5期）。1983年10月由輕工業(yè)部軍工辦公室組織產(chǎn)品鑒定，定型為DSZ型高頻石英航海天文鐘。隨后小批量生產(chǎn)，年產(chǎn)100～300臺，年年供海軍司令部航保部，滿足海軍部隊(duì)需要。產(chǎn)品1986年獲輕工業(yè)部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，1988年獲國防科技二等獎(jiǎng)。1990年由鐘表所起草，國防科工委頒發(fā)國軍標(biāo)GJB994-1990《石英航海天文鐘規(guī)范》。

同期，鐘表行業(yè)內(nèi)煙臺鐘表研究所、聊城手表廠研制成功SY5C石英船鐘、104SY長三針日歷石英電子船鐘，達(dá)到國際同類船鐘發(fā)展水平。

DSZ型高頻石英航海天文鐘能一直延續(xù)到今天，產(chǎn)品和時(shí)間的延續(xù)見證了鐘表所技術(shù)的成熟，如果說上世紀(jì)六十年代的100A石英航海鐘是鐘表所初期產(chǎn)品，是大學(xué)生練兵階段，那么上世紀(jì)八十年代的DSZ高頻石英航海天文鐘標(biāo)志著一個(gè)研究所的發(fā)展、產(chǎn)品的成熟和人才的成長，也敘述著在鐘表所歷史上始終瞄準(zhǔn)世界鐘表發(fā)展前沿，掌握產(chǎn)品研制方向、為實(shí)現(xiàn)自身使命所作的不懈努力。

高頻石英航海天文鐘技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

隨著我國國防重點(diǎn)型號任務(wù)需求的增長，鐘表所繼續(xù)研制成功GSSM-IB石英航海母子鐘，從上世紀(jì)九十年代開始發(fā)展裝備了一批052C型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（圖7），2009年后又首次裝備我國第一艘航母16號遼寧艦。

圖7：GSSM-IB石英航海母子鐘和052C型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦