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洲際彈道是五常重要的國防力量,此前美國、俄羅斯、法國、英國以及我國,均先后試射過一輪洲際彈道。
民兵于 1962 年推出,是美國核威懾力量的重要組成部分。民兵 III 是目前美國的陸基洲際彈道 (ICBM),共有 400 枚隨時(shí)準(zhǔn)備發(fā)射,分布在五個(gè)中部州。該包含一個(gè)精確制導(dǎo)系統(tǒng),能夠?qū)楊^發(fā)射到 13000 公里(8000 英里)外的目標(biāo), 精度為 200 米(660英尺)。
下圖顯示了民兵 III (1970 年)的制導(dǎo)系統(tǒng)。該制導(dǎo)系統(tǒng)包含 17000 多個(gè)電子和機(jī)械部件,價(jià)值510000 美元(按當(dāng)前美元計(jì)算約為450萬美元)。制導(dǎo)系統(tǒng)的核心是陀螺穩(wěn)定平臺,它使用陀螺儀傳感器和加速度計(jì)傳感器來測量的方向和加速度。計(jì)算機(jī)使用平臺的測量值來確定的位置并引導(dǎo)沿其軌跡飛向目標(biāo)。其他關(guān)鍵組件是制導(dǎo)裝置控制器,其中包含用于支持陀螺穩(wěn)定平臺的電子設(shè)備,以及將計(jì)算機(jī)與其余部分連接的放大器。本文中,仔細(xì)研究了2000年代初之前使用的制導(dǎo)系統(tǒng)的組件。
從根本上講,制導(dǎo)計(jì)算機(jī)會不斷將位置與預(yù)期軌跡進(jìn)行比較,并生成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向命令以使保持在軌道上。下圖顯示了如何引導(dǎo)發(fā)動機(jī)噴嘴使圍繞其三個(gè)軸旋轉(zhuǎn):滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航。在發(fā)射井中,滾轉(zhuǎn)角(方位角)與目標(biāo)方向一致。垂直起飛,然后逐漸沿俯仰軸旋轉(zhuǎn)以向目標(biāo)傾斜。在飛行過程中,沿所有三個(gè)軸的調(diào)整可使保持在目標(biāo)上。民兵 III 有四個(gè)火箭級,因此制導(dǎo)計(jì)算機(jī)會拋棄每個(gè)火箭級并按順序點(diǎn)燃下一個(gè)火箭級。
穩(wěn)定平臺
慣性導(dǎo)航的原理是通過不斷測量的加速度來跟蹤的位置。通過對加速度進(jìn)行積分,可以得到速度。通過對速度進(jìn)行積分,可以得到位置。慣性導(dǎo)航是獨(dú)立的,這對來說是一個(gè)很大的優(yōu)勢,因?yàn)閿橙藷o法干擾你的導(dǎo)航。困難的部分是極其精確地測量加速度和角度,因?yàn)榧词故俏⑿〉恼`差也會在飛行過程中成倍增加。更詳細(xì)地說,民兵的慣性制導(dǎo)是圍繞陀螺穩(wěn)定平臺構(gòu)建的,該平臺保持固定方向,平臺安裝在兩個(gè)萬向節(jié)上。陀螺儀的反饋來驅(qū)動三個(gè)力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)萬向節(jié),無論如何旋轉(zhuǎn),都能使穩(wěn)定平臺保持相同的方向。
下圖顯示了穩(wěn)定平臺的組件,其方向與上圖大致相同。穩(wěn)定平臺上安裝了三個(gè)加速度計(jì)來測量加速度。加速度計(jì)沿三個(gè)垂直軸定向,因此每個(gè)加速度計(jì)沿一個(gè)軸測量加速度。(加速度計(jì)軸與平臺軸不對齊;這會將加速度(大部分“向上")分布在加速度計(jì)上,從而提高準(zhǔn)確性。)兩個(gè)對準(zhǔn)鏡使穩(wěn)定平臺能夠與稱為自準(zhǔn)直儀的精密設(shè)備對準(zhǔn),如下所述。陀螺羅盤利用地球自轉(zhuǎn)精確確定北方,提供備用對準(zhǔn)技術(shù)。對準(zhǔn)鏡和陀螺羅盤都可以旋轉(zhuǎn)到精確的角度,最后由解析器解碼報(bào)告。
發(fā)射時(shí)必須在發(fā)射井內(nèi)旋轉(zhuǎn),使其與目標(biāo)對齊,這個(gè)角度稱為發(fā)射方位角。這個(gè)角度必須非常精確,因?yàn)榧词故俏⑿〉慕嵌日`差也會在的飛行過程中被大大放大。對準(zhǔn)是一個(gè)繁瑣的過程,需要使用北極星來確定北方。由于在發(fā)射井內(nèi)看不到北極星,因此采用了一種復(fù)雜的測量技術(shù),使用測量員的經(jīng)緯儀測量北極星與發(fā)射井外三個(gè)混凝土之間的角度。在發(fā)射井內(nèi),可以通過瞄準(zhǔn)管看到最近的,從而可以將精確的角度測量結(jié)果傳輸?shù)桨l(fā)射井。在發(fā)射井內(nèi)進(jìn)行多次測量后,將一種稱為自準(zhǔn)直儀的特殊裝置精確地定位在所需發(fā)射方位角的 90° 處。自準(zhǔn)直儀通過側(cè)面的窗口發(fā)射一束光,光束從穩(wěn)定平臺上的鏡子上反射回來,然后返回自準(zhǔn)直儀。如果返回的光束不平行,自準(zhǔn)直儀就會向發(fā)送信號,使穩(wěn)定平臺根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)。這個(gè)過程的結(jié)果是穩(wěn)定平臺與目標(biāo)的角度對齊。
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