[科普中國]-慣性制導導彈陀螺儀如何控制姿態(tài)？

在很多具有制導功能的武器彈藥的介紹中，經(jīng)常能夠聽到“慣性制導”這一功能。所謂慣性制導，就是通過物體在改變運動速度時，通過識別物體運動加速度，從而計算物體的方位、速度、角度等運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖注：飛行器在飛行過程中，會經(jīng)過多次變軌。軸向加速器能夠在不依賴外界的情況下測定飛行器變軌產(chǎn)生的過載，并以此為依據(jù)自動修正飛行路線，特別適合容易產(chǎn)生電磁屏蔽的超高聲速飛行器。

“慣性”是物體的一種基本屬性,導彈的制導系統(tǒng)是怎樣利用“慣性”來控制射程的呢?為了控制導彈的射程,制導系統(tǒng)必須確定當前時刻導彈的飛行速度、空間位置及姿態(tài)。姿態(tài)可以通過姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的陀螺儀獲取,現(xiàn)在需要得到的就是速度和位置。

圖注：慣性導航模塊越來越小型化

根據(jù)牛頓定律，物體獲得加速度與所受外力合力成正比，同時該物體對施力物件產(chǎn)生一個反作用力，受到的外力合理與反作用力的大小相等而方向相反。這個反作用力就是讓檢測質(zhì)量塊在參照物當中產(chǎn)生位移的根源，被稱為“慣性力”。如果不考慮引力的作用和地球自轉(zhuǎn)的影響，導彈在推力的作用下作加速運動時，就會受到“慣性力”作用，根據(jù)這個原理：

第一步，如果能夠測量出導彈的“慣性力”，就可以獲得導彈的加速度。而只要設法通過對加速度的測量和進行積分運算,就可以得出導彈的飛行速度；

第二步，通過固定公式對加速度的變化進行運算，就可以得出導彈的射程，飛控計算機在得到這些計算數(shù)據(jù)后，根據(jù)預設程序控制發(fā)動機和控制面工作，便可以實現(xiàn)對導彈飛行速度、姿態(tài)和射程的控制。

圖注：我們俗稱的“陀螺儀”其實并沒有陀螺，而是一個X、Y、Z三軸穩(wěn)定器。

所以，在導彈上安裝軸向加速器原理的陀螺儀，用于測量飛行加速度，并與其它儀器相配合，這就是“慣性制導”方式的基本原理。

在實際的工程運用中，我們可以把導彈中的慣性導航模塊通俗的理解成幾個“軸向加速度計”組成的集成設備。每個軸向加速器分別負責測定幾個運動數(shù)據(jù)中的一個，當幾個軸向加速器的數(shù)據(jù)通過匯總，便可計算出導彈飛行狀態(tài)的變化。

軸向加速器的組成和工作原理也很簡單，典型的線性位移式加速度表,主要由檢測質(zhì)量塊m、支承彈簧、阻尼器、電位計式傳感器、儀表殼體等部分構(gòu)成。它的結(jié)構(gòu)特征是慣性檢測質(zhì)量塊在儀表殼體內(nèi)能夠沿著敏感軸方向作直線移動。這種加速度表往往被用來測量導彈質(zhì)心的橫向加速度。

線性位移式加速度表一般安裝在彈體內(nèi)的慣性穩(wěn)定平臺上，并處于水平狀態(tài)。如果這種儀表在彈上被安裝傾斜了，那么，它的測量將會造成較大的誤差。另外，支承彈簧的遲滯和機構(gòu)疲勞所形成的殘余變形，電位計式傳感器的誤差及其激勵電源的變化，表內(nèi)支承活動部分摩擦力的存在等因素,會使其工作精度受到影響。因此，對于制造由彈簧和檢測質(zhì)量塊組成的軸向加速器，對于工藝有十分嚴格的要求。隨著磁懸浮技術(shù)的成熟，這種機械連接的方式也隨之被淘汰。取而代之的是懸浮式檢測模塊，通過在電磁場中位移變化來感知加速度大小。

劉曉峰：裝備專家，長期從事武器裝備論證、預研制工作，主持軍工企業(yè)省部級重點項目1項，為國防裝備建設提供決策性重要參考1項，參與新一代裝備關(guān)重件試制工作2項，為裝備研制和使用部門提供重要建設性改進意見并得到采納2項，擁有行業(yè)內(nèi)著作1部，在《坦克裝甲車輛理事會論文集》發(fā)表裝備發(fā)展規(guī)劃論文1篇。

出品：科普中國

作者：劉曉峰

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