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由“潘兴Ⅱ”到反舰弹道导弹(四)

时间:2018-11-20 12:55:46

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由“潘兴Ⅱ”到反舰弹道导弹(四)

所谓液浮支承是指转子和内环组成的浮筒组件(二自由度陀螺)泡在浮液里,浮液的比重选的足够大,使得浮力刚好和浮筒组件的重力相平衡,这样在内环轴上负荷几乎等于零,因而摩擦力矩很小。

气浮支承分为静压气浮和动压气浮两种。静压气浮支承用两至三个大气压的气体送入浮筒和壳体的间隔中,使陀螺浮起来。动压气浮支承则是利用转子高速旋转所产生的气膜使转子转起来。第二次世界大战之后,液浮陀螺和气浮陀螺几乎在同一时间开始研制,此后其进展情况也大致相同。这些技术随着弹道导弹和运载火箭的迅速发展而得到广泛的应用。

美国首次发射的“红石”弹道导弹就安装了静压气浮陀螺;将美国第一颗人造地球卫星“探险者”1号送入轨道的运载火箭“丘比特C”采用的也是静压气浮陀螺

但是第一枚潜地导弹“北极星”A-1采用的是单自由度液浮陀螺,第一枚洲际导弹“宇宙神”采用的也是液浮陀螺。发展早期,两种陀螺技术性能相差不大,不过之后液浮发展更快气浮与液浮之争:在陀螺的最初发展的过程中,围绕着主要是发展气浮陀螺还是发展液浮陀螺这一问题,争论十分激烈。二次世界大战以后,美国陆军弹道局继承了德国已有的结果,在F.Muuer指导下开展了气浮陀螺的研究,研究之后认为发展气浮陀螺是获得高精度导航的捷径。然而,海军与空军却另起炉灶,支持麻省理工学院仪表实验室(也就是现在的德雷伯实验室)开发液浮陀螺。气浮与液浮之争:在陀螺的最初发展的过程中,围绕着主要是发展气浮陀螺还是发展液浮陀螺这一问题,争论十分激烈。主张气浮的是美国陆军,二次世界大战以后,陆军弹道局继承了德国已有的结果,在F.Muuer指导下开展了气浮陀螺的研究,研究之后认为发展气浮陀螺是获得高精度导航的捷径。然而,海军与空军却跟陆军唱起了对台戏,他们另起炉灶,支持麻省理工学院仪表实验室(也就是现在的德雷伯实验室)开发液浮陀螺。

作为一家非营利研发实验室,德雷伯实验室为安保、空间探索、卫生保健和能源领域颇具难度的重要挑战提供设计、发展、先进技术的解决方案。比如1978年它为JPL空间应用研制光纤陀螺有关液浮和气浮的争论并没有影响F.Muuer和麻省理工继续开展气浮陀螺和液浮陀螺的研制,而这些一方面是技术之争,同时也是美国陆军和海军的斗争。

两家的争吵由来已久,海军新建的航母,在航行测试成功后有个仪式:把一个假人穿上陆军军装,挂在飞机弹射器上弹到海里去,同时舰员们站在甲板上齐声高喊“打倒陆军!”。呵呵~够狠吧?不过人家四大军种不管如何内斗,真打仗时决不会互相倾轧,都是全力配合并肩作战。这个很值得学习。静压气浮陀螺主要用于“红石”、“丘辟特”、“潘兴”等导弹以及“土星”系列运载火箭。动压气浮陀螺主要应用于“民兵1”,“民兵2”,“民兵3”导弹。液浮陀螺仪则应用于“雷神”、“北极星”、“宇宙神E”、“宇宙神F”、“大力神2”以及“MX”导弹。到了八十年代,形成了气浮和液浮两大系统,而且陆军海军围绕两大系统的争论仍未停止,都认为自己的系统是最佳的。

比如在进行“民兵”制导系统方案论证时,一开始就引发了剧烈的争论。海军支持的德雷伯实验室主张采用液浮陀螺仪的惯性平台系统,而奥托纳提克分公司则主张采用本公司制造的动压气浮陀螺惯性制导系统。最终陆军决定使用动压气浮自由转子陀螺的NS-10惯性制导系统

不论是液浮还是气浮,摩擦都还是存在的,只要有摩擦就有误差。尤其是浮力陀螺(包括后来出现的磁悬浮陀螺)精度虽高,但结构复杂,制造困难、成本很高。随着惯性导航系统的推广,寻求一种中高精度、但结构简单、成本低廉、可靠性高的陀螺成为当时迫切需要解决的问题。

在这种需求下,挠性陀螺,静电陀螺,光学陀螺相继问世。

激光陀螺中,光回路绕垂直于自身的轴旋转,两束光之间会产生相位差,利用光的干涉性能测出相位差,进而得出光回路旋转的角速度

尽管陀螺已经发展到了第四代激光陀螺,然而其仍然具有一定误差聊到这里,陀螺的原理和用途已经很清晰了,有关陀螺的介绍暂时告一段落,下面我们将聊聊加速度计。

2,加速度计

导弹在飞行中,测量它的位置、速度或者加速度都可以得到导弹的运动轨迹。但是,在导弹内部能够独立测量的量,只有力,用牛老爵爷的话来说,知道了力就知道了加速度。

知道了加速度,速度和位置的参数也就不难算出来。导弹发射时,在发动机或助推器的巨大推力下,弹体以一定的加速度由静止开始运动,随着时间推移,导弹的飞行速度就等于对加速度的积分,再用速度对时间积分,就得到导弹相对发射点的位移。由于导弹做变加速运动,这不是简单求和能做的事,需要用到积分

因而对导弹或其他运载器力(加速度)的测量和计算就成了惯性导航的基础。

当壳体(安装在载体上)沿仪器敏感轴有加速度时,即有惯性力作用在惯性质量上,使其移动,直至与弹簧恢复力平衡,电位计测量出弹簧伸长量即得到加速度a

上述惯性系统所根据的力学原理,早在三百年前的牛顿时代人们就已经知道。但是,几乎经过了三个世纪、直到第二次世界大战末期,德国的科学家裴纳蒙德才初次使用初始型惯性基准,较为成功地发射了V-2火箭。

在V-2火箭中,沿着火箭的纵轴方向,德国人安装了一个积分加速度计,它的输出与火箭发动机的熄火装置相连。在发射过程中,可以根据加速度计控制发动机熄火,以实现弹道控制。加速度计就是用来感测导弹相对惯性空间的加速度,由陀螺仪构成的惯性平台用来提供加速度计的基准面。H·海尔曼在美国“导航”杂志上曾指出:“惯性导航系统的心脏是加速度计。”“在惯性导航系统中,陀螺仪的重要性仅次于加速度计”。可见加速度计在惯性导航系统中占有重要地位。上面提到,加速度计的物理原理早在牛顿时代就为人熟知,按理说这里面没有什么门槛。可为什么偏偏到了两百多年后才有了加速度计呢?

这就不得不说加速度计与生俱来的Bug。加速度计测量力,能测惯性力也能测重力。实际上当载体静止,而加速度计相对水平面有一安装倾斜角 时,作用在惯性质量上的重力分量将引起加速度计的输出,就好象载体有了加速度一样。

这个时候加速度计可不会告诉你输出的是重力分量。这个虚假信号如果不剔除,由此产生的定位误差会随着时间不断积累。这也是惯性导航系统误差的主要来源之一。

所以加速度计一般不直接安装在载体上,而要安装在一个高精度的水平平台上。当然也有例外,我们下面将讲到的捷联式惯导航系统中,加速度计直接装在载体上,但要经过复杂的计算将引力分量补偿掉。

通过测量由于重力引起的加速度,你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度,你可以分析出设备移动的方式

后来人们索性利用重力加速度分量检测设备倾斜角度。这个就是角加速度计,它是由陀螺仪改进而来的,因为陀螺仪本身就是个角速度传感器嘛。而加速度计的另一种,就是线加速度计。

苏联导弹上的加速度计-陀螺仪平台加速度传感器利用重力加速度检测设备的倾斜角度,但是它也会受到运动加速度的影响,使倾角测量不够准确,这个就需要由陀螺仪和磁传感器进行补偿。同时磁传感器测量方位角时,也是利用地磁场,当系统中电流变化或周围有导磁材料时,以及当设备倾斜时,测量出的方位角也不准确,这时需要用加速度传感器(倾角传感器)和陀螺仪进行补偿。

一种基于mahony的姿态估计算法设计及实现,我展示在这里只是为了向大家说明加速度计这块内容也是门大学问,而且,发展到今天,已经远远不是弹簧振子力学问题了,集成电路-单晶硅加工-算法等等一系列的学问都牵涉其中

所以陀螺仪,加速度计,磁传感器三者是互相补偿的。要让误差在补偿之中抵消掉,逐渐弱化,就需要进行算法设计。如果你搜有关加速度计的文章,补偿两个字绝对是高频词汇,甚至有些文章根本不提加速度计本身,直接分析补偿算法。

现实当中,加速度计离我们并不遥远,现在的手机和手环中,都有一个叫做三轴加速度传感器的小芯片,这个加速度传感器,能够测量手机或者是手环在三个不同方向上的加速度。然后通过对这个加速度的值进行计算,就可以大概测出走路的步数。

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