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由“潘兴Ⅱ”到反舰弹道导弹(八)

时间:2020-08-12 13:43:14

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由“潘兴Ⅱ”到反舰弹道导弹(八)

8,挠性陀螺与快速反应

在“潘兴2”组合制导方案中,惯导平台也与潘兴1A的ST-120有所不同:采用挠性陀螺KT-70取代静压气浮陀螺AB-5。美国阿波罗飞船制导和导航计划主任D.G.霍格在一份叙述导弹制导精度的文章中说:“如果希望射程为一万公里的导弹在距离目标1公里范围内触地,陀螺的容许漂移率应小于0.03度/小时”。

在当时,“民兵2”导弹已经开发出来,使用漂移率为0.03度/小时的陀螺,在1万公里的射程上能够以0.6公里的圆概率误差击中目标。对比而言,“潘兴2”如果使用性能稍逊一点的AB-5陀螺(漂移率0.03度/小时),在不到民兵2五分之一的射程上,将弹头送入半径5公里的圆形区域内不成问题。在当时AB-5陀螺仪是明星陀螺仪,经过了前后三代导弹的实际使用,几度改进,可靠性相当高。因此马丁公司本没必要舍近求远另求其他陀螺。

对比两种陀螺的参数,“潘兴2”安装两个KT-70陀螺仪仅比安装三部AB-5陀螺仪的AB-5贵出四千美元,相比六十年代到八十年代的通货膨胀,这中增幅完全可以接受。我们很容易误认为马丁公司采用KT-70的主要原因在于降低系统复杂度,降低随机漂移率(一个数量级)。

然而这并非采用KT-70的最主要原因。

参加潘兴2制导方案决策的人员对此问题给出了解释:“选用KT-70挠性陀螺,第一位的考虑是使其兼起陀螺罗盘的作用,第二位的考虑是在导弹到达再入点,雷达开启扫描状态时,陀螺能够将弹体送入底面半径为5公里的圆锥形篮子中”。

得益于第二点,战时“潘兴2”能够快速自动对准,大大提高了其快速反应能力。

“潘兴1”的外部初始对准附属设备和操作程序被取消了,发射营变得“轻量化”,机动能力、隐蔽能力大大提高。发射前只用30秒就完成对准,快速反应能力也大大增强

作为一款战术导弹,“潘兴2”牵引车只需将发射车和导弹“丢”在一边,即完成部署,导弹发射后发射架基本不具备打击价值。相比而言,SS-20发射后发射车还要拖着巨大的发射筒东躲西藏在开启下一节内容之前,我们还要再补上一课:挠性陀螺。

显而易见,提高陀螺仪稳定性对于保证导航精度具有决定性的意义。随机误差本质上来自干扰力矩中的不确定性成分(因而随机误差又被称为“不确定误差”),而机械(干)摩擦是最大的不确定性误差源。

为了最大限度减小干摩擦,转子被“浮”了起来,利用流动摩擦取代干摩擦,出现了转子式陀螺仪的“三浮技术”:液浮、气浮、磁悬浮。但是这种陀螺的结构越来越复杂,材料与制造要求越来越高,成本也随之水涨船高,陀螺越发笨重。早在50年代末,人们即已开始开发结构简单、成本低廉的挠性陀螺。到了60年代,挠性陀螺投入应用,崭露头角。实践中其精度一度达到0.01度/小时,属于公认的中等精度陀螺。

挠性陀螺采用柔软的弹性支撑取代传统的铰链支撑,弹性支撑就是所谓的挠性支撑,它能通过自身的变形来给陀螺转子提供所需的转动自由度,这样,就不再需要铰链支撑,也就避免了干摩擦。

不过,出来混总要还的,挠性支撑中的弹性恢复力同样有害,干摩擦的角色由弹性恢复力取代,弹性恢复力矩在一定范围内服从胡克定律,与干摩擦力矩相比,弹性恢复力基本上没有不确定成分,因而对其进行精确补偿就成为可能。

早期用磁力对挠性陀螺进行力矩补偿,不过磁性补偿漂移误差较大,后来发展起来的动力调谐挠性陀螺成为主流。在上世纪80年代到本世纪头十年,世界上许多火箭都采用动力调谐陀螺。

动力调谐陀螺“小平台”

其中最为典型的就是我国的长征二号系列火箭。长征一号火箭采用气浮陀螺(也就是常说的“大平台”),然而大平台体积大,质量重,在一定程度上制约了运载火箭有效载荷的增加。上海航天控制技术研究所研制了动力调谐陀螺“小平台”代替以往的气浮大平台。“小平台”于底正式退役,新的八表光纤惯组将卫星入轨精度提高了3倍。

9,机会留给有准备的人

“潘兴2”选用的KT-70挠性陀螺仪早在研制合同之前就已经开始研制。

1973年马丁公司接下了“潘兴2”这块承包地,项目核心就是开发制导系统。地是承包下来了,可马丁一家种显然忙不过来。像建筑工程分包一样,马丁公司将挠性陀螺和雷达区域相关制导分别转包给卡尔福特和古德意(Goodyear)公司,自己则只承担惯导平台系统除陀螺仪表以外的任务。

这种转包在工程建筑和军工领域非常常见,常常是数家公司共同承担一个项目,发包方将项目承包给主承包商,由主承包商承担大部分项目的研究工作,项目的一部分由主承包商转包给专长某一领域的分包商。就酱紫,“潘兴2”最为要命的陀螺仪系统和雷达区域相关制导系统转包给了卡尔福特和古德意两家公司。

马丁公司在“潘兴1A”原有的ST-120惯导平台系统基础上进行升级,改进的ST-120仍沿用本迪克斯生产的AB-3加速度表。

参加“潘兴2”制导方案技术决策的工程技术人员,有很多曾先后参与过红石、丘辟特、潘兴1,潘兴2惯导平台设计工作。同样一支设计团队,在红石导弹惯性平台研制成功以后的十五年中,他们对惯导技术研发锲而不舍,先后研制成功了四代平台,逐代相袭,逐代革新。产品性能稳步提高,在这些铺垫下,各型火箭的研制周期也进一步缩短技术上的继承性,是美国惯导系统发展中的一大特色,这种思路不仅有利于系统质量的稳步提高,更是缩短了研制周期:始于1973年的“潘兴2”研制计划,仅用五年,也就是在1978年就成功进行了靶场试飞。没有办法,铁幕对面就是咄咄逼人的“少先队员”SS-20呐。

图为AB-5-K8陀螺仪。红石、丘辟特、潘兴1三代导弹全部采用静压气浮陀螺,这些陀螺的代号分别为AB-9、AB-7、AB-5,随机漂移率分别为0.1度/小时,0.08度/小时,0.05度/小时,性能逐代提高在承担该项合同之前,卡尔福特公司做了多年的技术储备:1971年(即承揽这项合同的两年前)卡尔福特公司就已经生产出漂移指标与KT-70陀螺相近的挠性陀螺,该公司曾在试验台上对一个编号为3441的挠性陀螺作测试,测试随机漂移率为0.01度/小时,逐日漂移率为0.02度/小时,不等弹性漂移率为0.015度/小时,这个精度已经相当不错了。尽管这是在实验室条件下静态测试台上测得的漂移率,在实际使用中,陀螺还要经受发动机的巨大推力加速度和强力振动的交叉耦合作用。卡尔福特公司早在1971年就已经达到这种研制水平,令人惊诧,不难看出预研工作在型号研制任务中所起的巨大作用。使得在此基础上“潘兴2”导弹惯性平台提前两年完成。

卡尔福特公司对挠性陀螺的研制最早可以追溯到五十年代末期,1958年卡尔福特公司开始研制挠性陀螺,1966年他们随即完成了世界上第一个低成本的挠性陀螺惯性系统,并应用在美国地空近距攻击导弹——AGM-69A

AGM-69A广泛装备于B-52战略轰炸机、B-1远程轰炸机。照片中B-52H轰炸机地勤人员正在准备挂载AGM-69A。鉴于挠性陀螺的支撑原理与传统液浮陀螺完全不同,它没有浮液,构造简单,零部件少,加工起来也宽松。挠性陀螺对温度依赖不大,以至于在较宽的温度变化范围内即可保证其工作精度,特别是体积可以做的非常小(可以做到仪表直径相当于一枚五分硬币大小,重量仅有40克),因而迅速用在地空导弹甚至空空导弹上。

英国的“先进近程空空导弹”采用捷联式惯性导航加末段红外成像制导。由一个捷联式挠性陀螺系统执行导弹的初始段导航,当导弹在飞到距目标的距离为红外成像导引头的探测距离时,捷联式挠性陀螺系统所执行的任务就完成,由导引头接替工作。陀螺系统或导引头发出的指令传输给燃气舵偏转执行机构,执行机构根据该指令去偏转燃气舵,实现推力矢量控制、纠正导弹飞行航线,直至击中目标。这些特点保证了制导系统小型化,且能够快速启动。正是得益于预见到挠性陀螺的广阔应用前景,所以自1958年以来,卡尔福特公司的研究一直未曾中断。最终结出KT-70这一成果,得益于卡尔福特长期坚持不懈的努力。

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