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由“潘兴Ⅱ”到反舰弹道导弹(六)

时间:2024-05-31 11:23:42

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由“潘兴Ⅱ”到反舰弹道导弹(六)

聊完惯性制导,我们差不多清楚地了解了惯性导航的基本原理:

通过惯性器件测量导弹的加速度,经两次积分(一次积分得到速度,二次积分得到位置数据),并据此进行计算形成导引指令和关机指令。正因此,加速度的测量误差对制导精度有相当大的影响。产生加速度测量误差的主要因素是加速度计的测量误差和陀螺仪漂移引起的测量基准偏差。

七八十年代,核战争越来越为人们不能接受,因此打击港口、机场、桥梁、交通枢纽和发射阵地等地面目标只能采用常规弹头加精密末制导。当时计算机和敏感器飞速发展。尤其是出现了可见光、红外、辐射计和主动微波雷达传感器,为相应的、更为精密的地图匹配制导技术奠定基础。纵观美苏洲际导弹,如果用命中精度作为标准,按照数量级可以分为三种:公里级,百米级,十米级。三个级别之间刚好相差一个数量级。在同级别导弹之间,美苏导弹的制导和控制系统组成和体制基本都是一样的。

公里级的导弹比如宇宙神D,E,F,大力神I,II,民兵I,II,北极星A1,A2,A3;苏联的SS-6,SS-7,SS-9。以美国第一枚洲际导弹宇宙神为例,原来的设计精度指标是圆概率误差5海里(也即9.2公里),后来服役产品实际达到了1.85-2.77公里。其他几种导弹的精度,虽然都比第一枚洲际导弹高,但仍在公里级之内。这是因为它们都采用了平台+计算机控制的制导方式。

美苏主力导弹射程和精度

第二类是百米级精度,属于这一类的有民兵III,海神,三叉戟I,三叉戟II,苏联的SS-17,SS-18,SS-19,SS-N-8,SS-N-17,SS-N-18。这类导弹除了改进原来的惯性器件和计算机外,还加装了末助推控制系统,所以能把精度从几公里提高到几百米。

关于末助推系统和苏联SS-17,SS-18,SS-19导弹,我们在往期系列文章<浅谈陆基洲际导弹和多弹头技术发展(上),浅谈陆基洲际导弹和多弹头技术发展(下),苏联陆基洲际弹道导弹(中)之——SS-17(疾行者),苏联陆基洲际弹道导弹(中)之——SS-18(撒旦),苏联陆基洲际弹道导弹(中)之——SS-19(三棱匕首)>进行了简要介绍。不过更为典型的要数MX“和平卫士”洲际导弹和“白杨-M导弹”。

在没有退役之前,“MX和平卫士”是比肩SS-18的超级大杀器

和平卫士导弹的末助推控制发动机有9台:一台轴向主发动机可以沿着任意方向摆动15度,(相比民兵3的最大5度的摆动角度,这是一个飞跃),剩余8台小型姿控发动机当中,2台控制再入舱的俯仰,2台控制偏航,剩余4台控制滚动。这9台发动机都采用一甲基肼和四氧化二氮为推进剂

后期,MX不仅继承了民兵3的一些改进,还采用了更为稳定的高级惯性参考球,采用第三代陀螺,加装了每秒进行20万次的计算机……等等,经过一通折腾和烧钱,误差终于降到了90-130米

然而上面这些方式都没能把导弹提高到百米以内,改进型的试射最好的成绩刚刚擦100米的边。要达到几十米级的精度,就要进行质的革新。除了末助推控制系统外,还必须加末制导。于是,时间进行到了20世纪80年代后期,导弹发展进入了第三个阶段,这个阶段的导弹,这个阶段的典型特征除了主动段采用平台制导系统外,还加入了末制导,将导弹精度提高到十米量级,于是复合制导模式正式登上历史舞台。

虽然惯性制导具有“自主性强、隐蔽性好、机动、连续实时和不受气候条件限制”的优点,但是惯性制导的误差是随时间和距离积累的:射程越远,飞行时间越长,误差增加也越大。

因而对工作时间较长的惯性制导系统,常使用其它辅助制导方式来修正惯性测量装置的累积误差,从而很自然地出现了复合制导复合制导的出现也比较早,最早服役的复合末制导系统应该是星光+惯性制导,它用在潜射导弹上。当然了,老毛子的"萨姆-5"远程防空导弹也采用了复合制导(无线电指令+雷达主动寻的)。

潜地战略弹道导弹因水下机动发射时,受作战条件的限制,所以误差主要出现在建立的参考基准上(包括发射点定位误差和初始瞄准误差等),所以为了修偏,多采用惯性—星光制导

星光惯导最早出现在美国第二代“海神”潜射弹道导弹上,此后又被广泛用于第三代潜射导弹“三叉戟”。苏联从第三代潜射弹道导弹SS-N-18开始也采用星光+惯性制导

在导弹飞出稠密大气层后,靠星光跟踪器进行定位、瞄准和对惯性制导积累误差进行修正,从而提高导弹命中精度

瑞典隆德大学的研究人员发现,无论在月明星稀或是星月无光、只能在远处看到银河的夜晚,蜣螂都能以直线方式运送收集回来的粪球,但它们在阴天时就失去了这样的能力。研究人员表示,这是首个表明昆虫具有依靠太空导航能力的有力证据。这也是已知的首个动物依靠银河而不是星星辨识方向的例子

7,地形匹配末制导

现在,地形匹配技术目前已经相当成熟。在其产生的年代,地形匹配制导绝对是个创举,它是计算机和敏感器、算法的结合。缺一不可。而其诞生的所有准备工作都在70年代完成。我们这一节只浅尝辄止地聊聊它的原理。

我们知道,地球表面山川纵横,越是复杂的地形就越是特征鲜明。而所谓地形匹配制导,就是将导弹飞行过程中实时测得的地形数据与控制系统中事先准备地形数据进行比对,然后采用最佳匹配法确定自身地理位置,并将导弹引导到预定区域或目标。

地形匹配制导的原理也十分朴素,比如我们要打击图上最右边的低谷处,第一步先将这个区域的地形高度保存成数据矩阵,在一些离散点上进行采样,画成网格。上面是我在计算机上生成的一个网格,调用库函数能够确定极值点的位置,计算机输出的矩阵中极值点坐标处的矩阵值为1,其他地方为0,求极值点只需要确定哪个点的矩阵值为1就可以了

某地域地形、地图和700×1000平方米方格内平均高度,实际中,导弹存储的是地形高度差数据,将地形高度离散采样得到矩阵(网格)

计算机存贮该地域数字地形图,要打击哪个点只要匹配其附近的高度数据即可,所以计算机“看”到的是下面这样子的

这个时候你就要考虑了,我如何进到右边这个谷低而不是左边的呢?如果进到山谷中,如何找到极值点呢?——加密网格能够解决这个问题采用地形匹配的导弹命中精度取决于方格的尺寸(导弹的精度不高于方格的大小)。一般地形高程误差要求小于三米(这依赖于传感器的性能)。定位系统一般有两套区域,道理有点像两层加密网格,第一个定位区域一般选得比较宽,通常为10公里左右,这个区域的大小选择与惯性导航误差有关;第二个定位区域大小与前后两侧匹配期间累积误差有关,这个误差既包括横向误差,也包括纵向误差。如果在两次匹配定位前,横向纵向累积误差较小,那么第二个定位区域也可以选得小一些。当然了,如果有第三个定位区域,继续追加定位,技术原理与上面的一样,不过当时的弹载计算机内存小的可怜,只有几十K,可能还没有一篇文章的字数内存多,所以用的是磁带。

两个定位区间的距离有的选160公里,有的选240公里。采用高密度数据存储技术,一盘宽0.63厘米,直径7.59厘米的磁带能够存储102400平方公里陆地的地形图。美国先后在飞机和RVTO-2B弹头上进行两次试验,试验成功后他们曾想过采用全程地形匹配制导,不过有两个关键问题:第一个问题就是如何获取通到目标区的洲际导弹走廊的地形,现在我们知道,要获得这种地形必须要有安装高精密雷达高度表的低空侦查卫星。

第二个问题是全程匹配地形要存储大量的数据,而且数据相关处理的工作量也很大,即便是现在的弹载计算机也难以满足要求。所以,可行的办法是把地形匹配制导与惯性制导配合使用:飞行全程都使用惯性制导,同时预定几个地点进行地形匹配,来修正惯性制导所产生的误差。

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