精導(dǎo)”科普萬花筒 （84）陀螺與魚雷的導(dǎo)航控制

說起陀螺，大家都會想到小時候的陀螺玩具，陀螺轉(zhuǎn)得越快，擺動角越小，穩(wěn)定性也就越好。它的力學(xué)特性也被應(yīng)用到武器裝備上。這里說說陀螺原理在魚雷導(dǎo)航與控制方面的應(yīng)用。

第一枚魚雷于1866年研制成功，該魚雷只有深度控制系統(tǒng)，利用壓縮空氣驅(qū)動活塞發(fā)動機(jī)帶動一個螺旋槳推進(jìn)，通過液壓閥操縱水平舵控制魚雷的深度，但不能控制魚雷方向。1881年，制成雙螺旋槳推進(jìn)裝置，消除了魚雷因單螺旋槳產(chǎn)生的橫滾。19世紀(jì)末，陀螺儀的誕生，促使魚雷產(chǎn)生了方向控制系統(tǒng)及橫滾控制系統(tǒng)，魚雷航行趨于穩(wěn)定，航行偏差大為減小。經(jīng)過不斷改進(jìn)，魚雷控制系統(tǒng)由全機(jī)械式逐步發(fā)展為機(jī)械——?dú)鈩邮?，魚雷也成為真正意義的自控魚雷（直航雷）。

1960年代以后，魚雷控制系統(tǒng)發(fā)展為功能更加完善的電氣式自動駕駛儀，魚雷的俯仰、偏航和橫滾控制更加穩(wěn)定。

1970年代末，控制系統(tǒng)由分立元件、集成電路，發(fā)展到采用計(jì)算器控制，魚雷控制系統(tǒng)的性能大大提高。

近十多年來，隨著嵌入式計(jì)算機(jī)和工業(yè)總線技術(shù)的日益成熟，魚雷嵌入計(jì)算機(jī)控制、分布式控制等得到逐步應(yīng)用。同時，魚雷彈道對控制精度要求的提高，與促使了系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制等現(xiàn)代控制理論在魚雷上的應(yīng)用研究。

圖｜現(xiàn)代的MK54魚雷用光纖陀螺

導(dǎo)航系統(tǒng)是現(xiàn)代魚雷不可或缺的重要組成部分。隨著遠(yuǎn)航程、精確制導(dǎo)魚雷對定位和控制精度的需求，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航、組合式導(dǎo)航等技術(shù)在魚雷上獲得應(yīng)用，并出現(xiàn)了以激光、光纖等新型陀螺為慣性敏感器的捷聯(lián)式慣導(dǎo)。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航是將慣性器件直接固定在雷體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，通常由慣性測量裝置和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成，其中慣性測量裝置包括陀螺儀與加速度計(jì)等。它可以為控制系統(tǒng)提供全面、準(zhǔn)確的魚雷位置、姿態(tài)、航向等導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn)魚雷的精確定位和精確控制功能。美國MK50、法意MU90、美國MK48、意大利“黑鯊”、英國“旗魚”、德國DM2A4等魚雷都已采用了捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，意大利“黑鯊”魚雷還使用光纖陀螺作為捷聯(lián)測量單元。采用激光、光纖等新型陀螺的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是魚雷導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

值得一提的是，中國工程院院士、國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院教授高伯龍，被譽(yù)為“中國激光陀螺奠基人”。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從零開始經(jīng)過40多年艱苦攻關(guān)，攻克一系列世界技術(shù)難題，研制的多種型號激光陀螺，為我軍大國重器安上了自主導(dǎo)航的“中國芯”。（來源：國防科技大學(xué)“科普中國”共建基地）