沒有GPS以前,洲際導彈是怎麼保證精度的?

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洲際彈道導彈作為大國核威懾力量,其制導模式從誕生以來基本構架方面變化並不大,這不是因為技術沒有進步,而是為了確保可靠性。因此洲際導彈的制導方式採用複合式制導模式,主要依賴於不同制導方式來共同提供航向制導,從而達到既能互相糾正偏差,確保CEP值處在設計範圍以內,又能確保當某一種制導模式失效時,其他制導系統也能為導彈提供製導(CEP值的意思是“圓概率誤差值”)。

洲際導彈的制導主要採用兩種方式,即慣性制導和星光制導,另外還有地形匹配製導、衛星定位制導、光電電視制導、雷達制導等等多種輔助制導方式,其中衛星定位制導就是題目中所提到的“GPS”,對於射程達到5000公里~200000公里的洲際導彈而言,“GPS”衛星定位制導永遠都只是輔助制導方式之一,因此不論是有“GPS”之前還是“GPS”問世之後,它對洲際導彈的精度的影響並不大,甚至可以說是可有可無。

比如說世界上第一種洲際導彈——蘇聯P-7洲際導彈(蘇聯編號為8k71),該導彈誕生於1957年8月,全長約29米,最大寬度約10.3米,267噸,起飛重量最大起飛推力486噸,有效載荷3噸,可搭載一枚當量約為200萬噸的核彈頭,制導方式為慣性制導+雷達制導。

慣性制導是該型導彈的主要制導方式,是通過慣性制導系統中的陀螺儀以陀螺效應原理實施控制;而雷達制導則屬於輔助制導方式,是通過一部橫偏雷達制導系統中的橫偏雷達測量儀來校正導彈的橫向偏差和速度,從而達到降低CEP值、提高命中精度的目的。

當導彈以慣性制導+雷達制導“雙模製導”的形式實施打擊時,P-7洲際導彈的CEP值≤750米;當雷達制導系統因故障或受干擾無法提供彈道橫偏校正時,導彈的CEP值為約1750米。雖說命中精度誤差因此而增加了整整1000米,但是對於爆炸當量為200萬噸的原子彈來說,這點誤差對毀傷效果基本沒有影響。

而GPS於1964年才開始問世,到1994年才基本實現全球覆蓋(覆蓋率98%),這時候洲際導彈早已發展到了第三代,命中精度更是提高到百米級,比如美國的LGM-30G“民兵3”洲際彈道導彈,它採用NS-20型制導控制系統,系統由慣性制導+星光制導組成,俗稱“捷聯慣導系統”,由計算機系統進行控制,CEP值≤200米(1993年升級為NS-50後降低到了120米),可見洲際導彈命中精度的提高跟GPS並無半毛錢關係。

▼下圖為美國“民兵-2”型洲際導彈制導部分的陀螺儀制導系統陀螺儀,它是能確保洲際導彈圓概率誤差值≤200米的關鍵所在,沒有它,導彈就只能像火箭彈那樣盲目的飛行,精度也就無從談起。

陀螺儀慣性制導和星光制導是遠距離航行、飛行最可靠的制導方式

相信有許多讀者至今在心裡仍然存在一個疑問,那就是二戰結束之前人類為何沒有洲際飛行能力的飛機?其實答案非常簡單——導航技術制約了飛機洲際飛行的技術發展。以當時飛的最遠的大飛機——B-29“超級空中堡壘”轟炸機為例,空載狀態下最大航程為5000公里,滿載狀態下(9噸)最大航程為3360公里,它的導航方式仍然為傳統的無線電導航。

無線電導航的問題在於電磁波是以直線形式傳播的,受地球曲面影響,每40公里就要設置一個導航中繼中心,否則飛機在進行遠距離飛行時必然會迷航。

以B-29首次轟炸日本本土的戰例來說明這個問題:1944年4月,美軍68架B-29轟炸機從重慶周邊機場起飛,準備對日本九州的八幡市實施轟炸,單程距離約為2400公里,途中除了在我國大陸各地區設置導航重型以外,在飛越大洋時還有飛機在空中提供製導信號中繼。

即便如此,真正飛臨日本九州八幡市上空的B-29轟炸只有8架,其中只有3架投彈命中目標——九州鋼鐵廠。究其原因就是轟炸機進入日本空制空域後再無導航服務,很多轟炸機都迷航了。所以二戰結束之前人類即便是擁有洲際飛行性能的飛機,卻無跨洲際飛行的能力。

直到德國人開始在V-1彈道導彈上應用陀螺儀慣性制導技術以後,人類才開始掌握在飛行器上使用慣性制導技術,以達到遠距離飛行的目的,人類這才得以在真正意義上實現乘坐大型客機實現跨洲際旅行的夢想。

比如波音707大型客機,它於1954年7月15日首飛,1958年開始商業運營,是世界上第一種能跨越大西洋或者太平洋,在東西半球之間執飛的大型客機,而這個時期GPS理念才剛剛提出,因此波音707大型客機採用為洲際導彈制導的陀螺儀慣性導航系統。

慣性到導航系統的導航原理是利用陀螺儀始終指向一個方向的原理來實現制導,玩過陀螺的讀者朋友都知道,陀螺在高速旋轉時,底部始終指著地面,永遠不會發生改變,所以利用它的特性來做為導航,精度是十分可靠的。

在陀螺儀制導技術尚未成熟之前,人類跨洲際旅行主要依靠船舶,船舶在大洋上遠距離航行時同樣存在導航問題,由於茫茫大海上很難找到參照物來進行方向辨識和定位,因此人們想到星星。

星光導航的原理是利用慣性空間裡從地球到恆星的方位基本保持不變的原理進行定位,從而實現導航的,可以通過儀器(六分儀)測量恆星與海平線或地平線的夾角,以便迅速得知海船或飛機所在位置的經緯度進行定位,然後進行海圖作業,制定航行計劃。

現代星光導航系統的導航原理與早期的六分儀星光定位原理是一樣的,區別在於現代星光導航系統結構相對複雜,由星光跟蹤器、陀螺平臺、計算機(信息處理電子設備)和姿態控制系統(自動駕駛儀)等電子設備組成,定位精度更高(星光跟蹤器本質上仍然是一部六分儀)。

不管是陀螺儀慣性制導還是星光制導,它們都是利用自身特性和自然條件來實現定位和導航的,而且工作不受外界條件影響,只要人類世界的物理定義以及宇宙結構不發生變化,這兩種在制導方式永遠不會發生指向錯誤的發生,因此它們是最可靠的制導方式。

▼下圖為大型客機上所使用的陀螺儀慣性導航系統中的陀螺儀,不管是已經退役近半個世紀的波音707客機還是現代A380大型寬體客機,它們都使用可靠的陀螺儀慣性導航系統,而不是像GPS那樣的衛星定位導航系統。

陀螺儀慣性制導永遠都是遠距離飛行、航行的主要制導方式

從上述中我們得知陀螺儀制導和星光制導都是最可靠的制導方式,那麼為何只有陀螺儀慣性才是飛機遠距離飛行和船舶遠距離航行的主要制導方式呢(而且還永遠)?

其實答案非常簡單,由於星光制導需要諸如太陽、北極星等天體參照物常常受到地球天氣變化的影響而無法進行觀測,在這種情況下就無法實施定位和導航了。

陀螺儀慣性導航就不一樣了,陀螺儀始終在導航系統中高速旋轉,它的指向在理論上並不受任何外界因素的影響,因此不管是打雷下雨,還是白天黑夜;不管是在地球上,還是在浩如煙海的宇宙,陀螺儀慣性導航系統中的陀螺儀永遠不會指錯方向,這就是它永遠都是飛行器、船舶遠距離飛行、航行的主要制導方式的原因,洲際導彈也不例外,甚至將來實施星際飛行也不會例外。

那麼在科技發達的今天,陀螺儀慣性導航有沒有可能會被包括GPS在內的衛星定位導航系統所取代呢?

答案是否定的,衛星定位導航系統固然是比陀螺儀慣性導航精確得多,比如說我國的“北斗”衛星定位系統,當使用軍碼進行定位時,精度達到了≤1米!使用“北斗”衛星定位系統制導的制導炮彈、巡航導彈等彈藥命中精度目前都達到了≤10米的CEP值,東風-21D反艦彈道導彈在利用“北斗”衛星定位系統進行輔助制導時已經實現遠距離命中運動目標的驚人精度。

但是這些所謂高精度依舊無法成就其取代陀螺儀慣性導航,因為衛星定位系統的“高精度”是完全依賴人造衛星在太空上的密集組網,通過三角定位技術取得的,也就是說它的“高精度”特性是人為製造出來的,並不是與生俱來的,一旦衛星網被摧毀,它就失去的定位和導航的功能。

而洲際導彈是國家的核威懾和核反擊的重要手段,是一種必須達到萬無一失、100%可靠的飛行器,所以不管包括GPS在內的衛星定位導航系統精度再高,它都無法做到萬無一失和100%可靠,因此它們也就永遠無法取代陀螺儀慣性導航了。

▼下圖為使用GPS做為導航的直升機,衛星定位導航的特點是精度高,但是一旦衛星被幹擾或者擊毀,那麼導航和定位功能就失效了,直升機做為戰術裝備,哪怕因此失去導航功能也不會造成嚴重的後果,而洲際導彈屬於戰略核威懾裝備,它的可靠程度甚至能決定一個民族的未來,因此洲際導彈永遠不會使用包括GPS在內的衛星定位導航做為主要制導方式。

提高洲際導彈命中精度的方法永遠是研究陀螺儀慣性導航的精度和導彈的控制技術,而不是GPS

對於洲際導彈而言,有沒有GPS,或者GPS技術發展到怎樣的水平,它都與洲際導彈的命中精度無關,那麼如何利用陀螺儀慣性導航來提高洲際導彈的命中精度呢?

其實制導系統並不是提高洲際導彈命中精度的唯一辦法,甚至可以這麼說:制導系統本身的制導精度是非常高的,而造成包括洲際導彈在內的飛行器出現飛行誤差的主要原因是飛行器本身的控制技術。

比如說那些開著導航都能迷路的2B伺機,難道說2B伺機的迷路是因為導航不準確造成的?很顯然並不是這樣的,洲際導彈也是同樣的道理,陀螺儀慣性導航系統對目標的指向是準確的,而造成CEP值的原因主要還是導彈本身的控制技術。

因此為了提高洲際導彈的命中精度,我們既要研究陀螺儀慣性導航精度,更要研究導彈的控制技術,而體現這兩者所取得進步的標誌就是電子陀螺儀和微型計算機技術的應用,其中微型計算機技術的應用大大地提高了導彈的命中精度。

俄羅斯的P-7洲際導彈屬於第一代洲際導彈,那個時候的計算機體積就跟一輛卡車差不多大,很顯然人類不可能使用計算機來提高導彈的控制水平,因此不管是蘇聯還是美國的第一代洲際導彈的精度都非常差,CEP值達到上千米。

而到了上世界90年代時,計算機技術已經取得了飛躍式的發展,微型計算機更是逐漸成為老白姓家中常見的“家用電器”,而做為國之重器的洲際導彈自然也就不會例外了。

導彈的控制已經從原來傻大粗的電路板更換為先進的電子計算機,導彈的命中精度因此得到了劃時代的提高,比如上述中提到的美國“民兵-3”洲際導彈,它的CEP值已經達到了≤120的水平,這就意味著導彈可以搭載許多的分彈頭,發射一枚導彈就能攻擊多個目標。

電子陀螺儀的發明其實對提高導彈命中精度的幫助程度是有限的,因為電子陀螺儀的本身也是計算機技術發展的產物,比如說現代洲際導彈所使用的激光陀螺、光纖陀螺、微機械陀螺和壓電陀螺,如果沒有計算機的運算能力進行解算和控制,電子陀螺儀就沒有任何意義。

▼下圖為上世紀80年代的我國導彈科學家正在研究激光陀螺儀,得益於國家堅定不移的科學強國、科學強軍發展方針以及老一輩科學家的努力奠基,我國在東風-31A和東風-41兩種洲際導彈上應用上了先進的激光陀螺儀慣性導航系統,命中精度達到了美國“民兵-3”洲際導彈≤120米的CEP值水平。

綜上所述我們可以得出這樣的結論:第一、無論是沒有GPS的以前還是GPS技術已經普及的今天,甚至是GPS技術得到跨越式發展的未來,它都與保證洲際導彈的精度沒有絲毫關係,洲際導彈是一種國之重器,必須保證萬無一失以及100%可靠,而那些包括GPS在內的衛星定位制導系統會受到干擾或攻擊的影響,並不能確保萬無一失以及100%可靠。

第二、洲際導彈主要是通過陀螺儀慣性制導來保證精度的,同時為了進一步提高命中精度和可靠性,在使用陀螺儀慣性制導做為基本制導方式以外,還添加了星光制導、雷達制導、地形匹配製導、光電電視制導等輔助制導方式,如果在攻擊過程中輔助制導方式沒有受到干擾,那麼它們將起到輔助減小CEP值的作用;如果受到干擾而無法正常工作時,導彈還是依靠陀螺儀慣性制導來實施攻擊,在微型計算機技術十分成熟的現代,僅憑陀螺儀慣性制導,導彈也能取得較高的命中精度。


兵器知識譜


如果說洲際導彈用GPS那麼本身就是一個錯誤的說法。可以這樣告訴大家,有了GPS以後彈道導彈也不是用GPS制導的。

不僅僅彈道導彈不能用GPS導航,而且就連大部分超音速飛機在高速飛行的時候也是脫離GPS導航的。

其實原因特別簡單,GPS系統是有限速條件的。GPS系統智能為速度1000節以內的設備導航。1000節是什麼概念呢?就是一小時行駛1000海里,大約是1852公里/小時。如果換做米/秒計算的話大約是554米/秒。也就是1.5馬赫速度多一點。

所以大家可以看到,大部分軍用戰鬥機其實都會飛到這個速率之外,更別提末端速度達到20多馬赫的洲際導彈了。GPS不靠譜吧?

對於為什麼GPS不能達到給高速戰鬥機或者彈道導彈提供導航的能力,這主要還得從GPS衛星的發射機頻率說起了。

我們都知道GPS是一組在地球軌道上運行的衛星系統。

這些衛星會定期的將帶有時間碼的無線電信號發送出來。當接收機接到一組時間信號後就可以通過三角定位法來計算出自己的位置。

但前面說了GPS衛星會定期的發送時間碼信號,這個定期是多久?——0.2秒。也就是GPS發送定位信號的頻率是5Hz(不是無線電波頻率)。如果是通過三角定位法去定位,那麼一個定位點上至少要收到3個GPS衛星所發出的信號。我們可以做假設接受到1號衛星的時候是0.00秒,接受到2號衛星的信號的時候是0.05秒,接受到3號衛星的信號的時候是0.08秒。那麼在0.00秒至0.08秒之間,1000節速度的物體移動了多少米呢?大約是大約41米吧。利用這個方式去定位,那麼就會產生大約160米以上的誤差,GPS就已經失去了它的作用。現在來看導彈誤差超過了100米基本上就是沒打中。那麼導彈也就根本不會利用GPS作為導航設備了。

其實美國當年設計GPS系統的時候也沒有指望這個東西能夠給彈道導彈進行導航。

彈道導彈的導航其實還是靠慣性制導系統來做的。簡單的說就是陀螺儀。也就是這個東西:

這是民兵導彈系統的慣性陀螺儀。在導彈發射前就開始高速旋轉,並且根據當地地點信息進行校準。當導彈發射後,只要導彈受到了加速度影響這個陀螺儀上就會有相應的電壓信號進行輸出。這時導彈的控制機構就對這個加速度進行補償。

單一的看一個時間點上導彈飛行的共識其實很簡單,只需要計算XY兩個座標的加速度就可以了。看下面的公示

這組公示的解就是:X和Y軸上需要的加速度。

如果知道了需要的加速度,那麼就依靠控制裝置來實現這個加速度就可以了,因此,在導彈上往往會利用以下裝置:

上面的東西叫做“燃氣舵”,燃氣舵使用耐高溫的材料在火箭噴口位置工作,通過燃氣舵的偏轉火箭尾焰就可以讓火箭在某一方向上獲得額外的加速度。

另外,還可以使用安裝在火箭箭體周圍的小型火箭發動機——“姿態發動機”。依靠不同角位置的姿態發動機的打開和關閉,也可以修正X、Y軸上的加速度,靠這些手段導彈就會在某一時間片上使火箭獲得正確的加速度。

從理論上來講,只要修正一次就可以準確的命中既定目標。但從實踐上來說其實要一秒之內修正很多次。這主要來自於未知的大氣、空間、引力擾動,甚至火箭發動機自身的震動都會使火箭偏離方向。因此在火箭飛行的過程中要實時的計算加速度修正量。


而導彈射擊的精度其實就是由每秒修正的次數來確定的,二戰期間德國的V-2導彈在飛行過程中每秒大約會修正60次這只是機械設備的修正頻率,整體上和一臺鐘錶沒有太大區別。而現代的彈道導彈由於電子技術的大幅度發展,已經可以通過石英震盪晶體取得更小的時間片,基本上每秒可以作出高達10萬次的修正指令。這可比GPS每秒5次的頻率要高得多也準確的多了。


當然了,現在我們在看某些型號的彈道導彈的時候,會發現這些彈道導彈也帶有GPS裝置。這些導彈的GPS裝置其實並不是在飛行的時候導航的,而是在發射前對導彈進行位置確認和矯正的。在戰時如果GPS衛星全被摧毀,那麼導彈起始位置的測算就不能用GPS了,那麼就得手工使用六分儀來測定導彈所在的位置了。

但六分儀側位置,其實還真不是多困難的事情。

讀過這篇文章,W君期望:

1.大家知道GPS不是給彈道導彈和超音速飛機導航的

2.大家要了解彈道導彈導航的手段

3.多多關注W君,這些事其實早就說過了。


軍武數據庫


彈道導彈的基本制導方式是慣性制導(Inertial Guidance)以及與慣性制導聯合使用的星光制導(Stellar Guidance)。慣性制導的是利用彈上慣性元件測量導彈相對於慣性空間的運動參數,在給定的運動初始條件下,由制導計算機計算出導彈的速度、位置和姿態等參數,形成控制指令,調整導彈推力大小和方向,引導導彈飛向目標。

第一種實用彈道導彈V-2的雙陀螺儀慣性制導組件

慣性制導系統由慣性測量裝置、控制顯示裝置、狀態選擇裝置、導航計算機和電源等組成。其中,慣性測量裝置由三個加速度計和三個陀螺儀組成。前者用於測量導彈質心在三維座標系中各方向上的加速度,後者用於測量導彈質心在三維座標系中相對於三個座標軸的角速度。

地心慣性座標系

彈道導彈一般使用地心慣性系。該慣性系以地形為原點,一根座標軸沿地球自轉軸,另外兩個座標軸在地球赤道平面內,三個座標軸相互正交。測量運動物體在慣性座標系中的加速度進行一次積分可得到速度,兩次積分可算出運動體在所選擇的導航參考座標系中的位置;對角速度進行積分則可以算出物體運動的姿態角,即:

慣性測量裝置按照儀表的組合方式,分為平臺式和捷聯式。

平臺式慣性測量裝置利用陀螺儀將平臺穩定於慣性空間,加速度表組合固結在平臺上。由於加速度表於慣性參考系之間的角度不變,因而導航計算簡單。平臺隔離彈體震動和角運動,加速度表組合的工作環境良好,具有初始對準較易實現的有點。這種慣性制導裝置是目前在戰術和戰略彈道導彈上應用最為廣泛的。

捷聯式慣性制導裝置額加速度表組合固結在彈體上(加速度表組合與慣性參考系間的角度隨彈體姿態變化而變化),採用陀螺儀作為角位移或角速度傳感器,測算出加速度表組合相對慣性參考系的角度,再用計算機將加速度表組合的測量值轉換到慣性參考系。捷聯式導航計算較複雜,儀表受彈體振動影響較大,但具有設備簡單、可靠性高、採用冗餘技術容易等優點。

慣性制導是以自主方式工作的,不與外界發生聯繫,所以抗干擾性強和隱蔽性好。地對地戰術導彈、洲際戰略導彈和運載火箭都裝備了慣性制導系統。

但是慣性制導由於存在初始測量誤差和儀器誤差,其精度不高。

星光制導(天文導航)是根據導彈、地球、星體三者之間的運動關係,來確定導彈的運動參量,將導彈引導向目標的一種制導技術。

星光制導的主要設備是六分儀。六分儀是一種天文導航觀測裝置,其藉助觀測天空中星體的位置來確定導彈的地理位置。

導彈星光制導系統主要有兩種工作方式。一種是由光電六分儀或者無線電六分儀跟蹤某一星體,引導導彈飛向目標。另一種是由兩部光電六分儀或者無線電六分儀分別觀測兩個星體,根據兩個星體等高圈的交點確定導彈的位置,引導導彈飛向目標。

星光制導(天文導航)原理

其原理如下:天體相對地球的運動規律是已知的。選擇一顆較亮的恆星,該星體在地球表面的投影為星下點。在地球表面某位置觀測星體可得到星體的高度角,高度角相同的位置以星下點為中心構成的圓弧為等高線。使用六分儀測得某星體高度角後,根據天文年曆與時刻可推算出星下點的位置,即可在地圖上作出一個等高圓,此時再觀測另一顆星體並重覆上述步驟,可得第二個等高圓,兩個等高圓有兩個交點分別對應虛位和實位,此時通過之前的航跡或者在觀測第三個星體作出第三個等高圓,就可確定當前所在位置。


戰鬥機解說家


其實,這問題也可以轉變成:

核潛艇在幾百米深的海下潛行十幾天,沒有GPS,他們是怎麼導航的?


顯然,依靠的是慣性導航。

同理,洲際導彈也是。

陀螺儀有一個非常重要的特性,這就是定軸性。

上圖,外面兩個框架在動。

而它們所代表的軸也在不斷改變方向。

但最裡面的框架,雖然也動,但它的軸始終不變,這就是陀螺儀的定軸性。

就像指南針一樣,永遠指著一方向,但比指南針精度高得多。

之所以叫陀螺儀,這是因為現實中的陀螺也具有粗陋的定軸性。


有了類似“指南針”的陀螺儀還遠遠不夠。

因為導彈,或者核潛艇一段時間內行駛了多少里程,你得精確計算出來。

比如說:

你往北走1公里

再往東走1公里

再往南走1公里

再往西走1公里。

請問,你現在在哪裡?

答案是:

你已經回到了原點。

為什麼你能知道?很簡單:

因為你精確地掌握了方向,比如上面的例子“往北”、“往東”……

就是方向。

同時,你還知道,在哪個方向上走了多少里程。

比如上面的“1公里”就是里程。

現在,陀螺儀能告訴我們方向,但是里程怎麼弄?

洲際導彈的速度不是均勻的,所以很好計算,它的速度一直在變化,怎麼辦?

這就得依靠加速度計了。

(我之前做的動圖)

上面動圖表示了加速度計的大概原理。

陀螺儀+加速度計=慣性導航

慣導不但用在核潛艇上,它還用在導彈上。

在一篇論文上,我甚至看到有研究人員說:

彈道導彈打得準不準,70%依靠慣導的精度。

慣性導航有兩大優勢

一是,慣導無須接收外部任何信息。天不靠地不靠,只靠牛頓的慣性定律。

二是,慣導不會向外輻射能量,從而也不會暴露自己。

因此,又有人說:

核動力、導彈和慣性導航被稱為戰略武器的三大關鍵技術。


寒木釣萌


洲際導彈通常採用慣性導航系統,裡面的慣性測量單元就是陀螺儀。洲際導彈的導航和GPS沒啥關係。導航精度直接決定著洲際導彈威力,例如將洲際導彈的打擊精度提升1倍,彈頭的當量就能降至原來的25%,這是非常驚人的提升。而打擊精度和制導系統密切相關,因此這就對陀螺儀提出非常高的要求。國慶閱兵式上亮相的東風-41慣性導航系統就採用了我國最先進的四頻差動激光陀螺+星光制導系統,其精度能達到150米,在搭載核彈頭的加持下,其誤差基本可以忽略。

目前制導系統的發展越來越向高精度、小型化發展。尤其是高精度機電陀螺將佔據重要位置,外國將通過改進現在的陀螺和配套元器件等提升可靠性和精度。同時還開展新型陀螺的研究,例如原子干涉/自旋陀螺、光子晶體光纖陀螺等。其中前者已經在實驗中取得初步成功,而靈敏度更是比現有的陀螺儀精度提升10個數量級。光子晶體光纖陀螺也能顯著提升陀螺精度。

此外製導系統的誤差補償技術也能提升制導精度,當儀器本身的精度收到制約時,誤差補償技術能將精度提升1~3個量級。此外陸基無線電定位、慣性器件技術、末助推技術、星光定位技術、地形定位匹配技術、景象匹配定位技術等,和慣性導航技術相結合,同樣對洲際導彈的慣性導航系統提升很大。隨著原子、光子等敏感器件的應用,系統複雜程度降低,慣性導航系統的可靠性會進一步提升。新的器件、材料和技術都是提升慣性導航精度的重要方向。

美軍還委託霍尼韋爾國際公司研發出激光陀螺儀用在小型導彈中,它在加速度計的協同下能夠幫助物體感知任意時刻的空間位置,而被譽為陀螺儀的“明珠”。霍尼韋爾研發的GG1308激光陀螺儀,採用一體成型工藝,總體積小於2立方英寸,重量只有60克,精度能達到1°/h!


航空之家



洲際彈道導彈的射程超過5500公里。洲際彈道導彈製造了一個問題,因為它們使一個國家能夠打破區域環境,走向潛在的全球影響。不管衝突的起因是什麼,一個國家只要威脅用洲際彈道導彈來擴大戰爭,就可能把整個世界都捲入其中。



戰略導彈由推進劑填充級、制導系統和有效載荷組成。一旦發射,導彈將經歷三個飛行階段:助推、彈道和再入。如果一枚導彈有一個以上的階段,可能會有一個以上的助推階段,其間散佈著幾個彈道(滑行)階段,導彈沿著它的彈道前進。GPS導航技術出現之前洲際導彈只能在慣性或天文(恆星)或兩者兼有的助推階段引導。慣性制導使用機載計算機驅動陀螺儀來確定導彈的位置,並將其與發射前輸入計算機的目標信息進行比較。天文(恆星)制導使用光學跟蹤系統對恆星位置進行三角測量,並在它離開地球大氣層時更新目標信息。發射後目標不能改變,戰略導彈也不能在飛行中召回或銷燬。這些制導系統在10000公里的範圍內產生數百米的精度。戰略導彈的有效載荷由核彈頭組成,在彈載計算機確認所有三個飛行階段都已完成之前,核彈頭不能自行釋放和引爆。



目前美國洲際彈道導彈使用固體推進劑。民兵2和民兵3以及和平衛士前三級的固體推進劑使用丙烯酸/鋁粉作為燃料,高氯酸銨作為氧化劑,聚丁二烯作為粘合劑。一旦點燃,固體推進劑就不能熄滅,它一直燃燒到燃料耗盡。由此燃燒產生的廢氣主要由氧化鋁粉塵和氯化氫氣體組成。發生事故時,附近的人員可能會吸入少量鹽酸,但不太可能會出現眼睛和上呼吸道以外的刺激。



民兵3和和平衛士都有液體燃料,可重啟的第四級,稱有效載荷段。燃料是一甲基肼,氧化劑是四氧化二氮。它們儲存在一個密封的系統中,在野外永遠不會打開。這兩種化學物質在低濃度下都具有很高的毒性,任何接觸都需要立即用大量的水淨化,然後住院觀察一段最短的時間。眼睛和呼吸道刺激的症狀必須立即治療。














軍機處留級大學士


洲際導彈不需要什麼精度。首先,它打擊的是戰略目標,像什麼大城市,工業中心、政治中心、經濟中心,這些都是大城市,而且還不會跑。其次,它裝的是核彈頭。大家可以參考一下,廣島原子彈的爆炸當量是15000噸TNT,可洲際導彈裝的核彈頭無論是單彈頭還是分導式多彈頭,它的爆炸當量都達到10萬噸TNT以上啊。你想想,能被稱為某某中心的大城市,最小方圓也應該有十幾二十公里吧?這導彈只要打在這城市的任何一個地方,都可以將它摧毀殆盡,那時候還講究什麼鬼精度啊!打比方說,我在廣州市越秀區中華廣場附近工作,人家用洲際導彈打我那單位,即便那彈頭落點偏離了六七公里,憑它的爆炸當量依然可以摧毀我工作的地方。

洲際導彈的制導方式有以下幾種:一是慣性陀螺儀制導。你計算好目標的距離,輸入目標的經緯度,設置好飛行彈道,就OK了。另外一個就是星光制導。就是利用太陽、月亮和星星作為參照物,制導導彈進行攻擊。因為日月星辰的運行是有規律的,根據它們的運行規律,你就可以知道自己在什麼位置了。現在航海中還有利用六分儀、羅盤進行導航定位的,星光制導的原理就和它們的原理差不多。如今又加上了GPS制導方式,只是讓它的打擊精度更高了。但對於裝備核彈頭的洲際導彈來說,真的是多餘的。


血染戰旗紅


時至今日,洲際導彈也沒有使用GPS作為導航方式的。

主要是洲際導彈是國家最重要的戰略威懾武器,對於中俄來講,絕不可能把自己的生死命脈放到美國手中。而GPS本身對於攻擊末段速度極高的洲際彈道導彈(通常可達20馬赫以上),其導引信號也難以很好的傳輸,這還不算戰時GPS衛星可能會被幹擾甚至被擊毀。

大國重器,豈能握於敵手

洲際彈道導彈的指導方式通常為捷聯式慣性制導,外加星光輔助指導。

慣性制導是目前抗干擾性能最好的指導方式,簡單來講是利用導彈本身攜帶的陀螺儀和加速度測量計測出導彈運動參數,然後計算機算出導彈的位置並傳送給飛行控制系統來校正,以實現導彈按預訂飛行路線飛行。


陀螺儀真身

星光輔助制導是導彈在飛行中,通過星光跟蹤器測量提前選定的恆星位置,獲得導彈的實際相對位置,再由飛行控制系統來校證飛行路線。

哪顆才是我的命星?

這兩種制導方式也在不斷改進,目前主要洲際彈道導彈的圓周命中精度已達100-200米,作為核彈頭的載體,已經足夠。


輕柔吹過的風


導航是一個古老的問題,核心三要素是方向,時間和距離。

最原始的導航就是參照物導航,太陽在東邊,朝著太陽走,按照上北下南,左西右東的方向就沒錯,時間用日晷,一步就是一個計量單位,一袋煙一柱香的功夫走了多少步就有多遠。

後來人們發現了磁性材料,發現了指南針,就粗略解決了指向問題,鐘錶,日晷,沙漏,燃香解決了計時問題,距離直接參考標準尺就好了。

電子時代來臨後,機械陀螺進動,激光偏振,光纖相移的發現促進了機械陀螺,激光陀螺和光纖陀螺等慣性器件的發展,晶振計時解決了快速精準計時問題,數字信息處理技術解決了積分問題,目前的主流導航技術已經進入到高精度慣導時代。

然而慣導存在漂移問題,於是全球定位系統GPS應運而生,但GPS的問題是幀頻太低,IMU+GPS就成為當下的主流。

對於長距離的洲際彈道導彈而言,其導航技術也和上述技術發展脈絡一樣,當下當然也是IMU+GPS主流。

然而GPS受制與人,抗干擾能力太差,於是古老的參照物導航模式也同樣得到應用,當然,對於國之重器而言,參照物就是天上的星星了。

導航是一門古老而永恆的技術,人類還很渺小,自然界諸多生物的導航技術人類目前還無法知曉。

繼續努力吧,人類。


艾克思武備


導彈的制導方式多種多樣,像是小型空空導彈,反艦導彈和反坦克導彈等等,大多使用激光制導,電視制導和紅外製導等方式。而像洲際導彈這樣龐大的導彈,一般使用的是慣性制導。事實上,最早的彈道導彈,德國的V-2導彈使用的是無線電制導,而彈道導彈之所以被叫做彈道導彈,就是因為其在末端發動機關閉後,完全依靠慣性做自由落體飛行,也就是按照彈道自由落體,這就是洲際導彈最常使用的慣性制導。

慣性制導一般由導彈搭載的彈道計算機和陀螺儀完成,所以是不需要依靠衛星的,具體的制導方式是,先由導彈上搭載的計算機對風速,導彈自身速度等等做一系列複雜的運算,然後輸出數據到姿態控制儀器,直接對導彈的姿態做出改變,有人就要問了,那彈道計算機是如何感知到彈體的方向的呢,這就要用到導彈上搭載的高精度陀螺儀了,陀螺儀的原理類似於我們平時的自行車,在告訴運動下,自行車是很難跌倒的,陀螺也是筆直不容易傾斜的,所以陀螺儀就能夠感知到彈體的突然轉向等等,然後將這些數據輸入到計算機內,就能夠實現對導彈的控制了。

彈道導彈一般是攻擊固定目標,例如敵方的大型城市,兵工廠等設施的,所以洲際導彈不需要對方目標反饋的信息,一般情況下將對方的精確座標輸入給導彈,依靠導彈內的計算機和陀螺儀,在不同的天氣情況下對導彈的彈道做出相應的改變,就能夠攻擊到目標。而洲際導彈由於射程很長,還需要考慮到地球自轉和重力加速度等一系列外部因素,所以彈道導彈的彈道計算機更加複雜,而且重量也更大,但是萬變不離其宗,主要是依靠慣性制導的。

再來說說其他幾種制導方式,最開始的就是德國的V2彈道導彈使用的那種無線電制導,這種制導方式比較落後,精度也非常差,只能做到攻擊大概範圍內的目標,二戰後的一些早期的彈道導彈就是使用這種方式制導的,這種彈道導彈其實更像是制導火箭。

再來說說衛星制導,確實洲際導彈是可以通過衛星制導的,但是許多國家仍然使用慣性制導,因為這種制導方式是最可靠的,也是最不容易受到干擾的,如果一味依賴衛星嚮導彈實時傳輸目標的信息,這種制導方式雖然更精確,但是一旦遭受對方的強電磁干擾,這枚導彈就很容易失靈,所以目前各國的彈道導彈仍然使用主流的慣性制導。

所以在GPS定位系統發明之前,導彈都是採用這種方式制導的,至於精度,洲際導彈一般都是靠殺傷範圍來對敵方目標造成打擊的,在這種情況下,幾百米甚至幾公里的誤差都不礙事,所以不需要衛星制導,而GPS定位系統服務於導彈的,大概就是能夠更直觀的測量目標更精確的座標方位。或者是在洲際導彈打擊後,更方便測量對目標的毀傷效果,所以沒有GPS導航衛星,洲際導彈也是完全不受影響的。


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