洲际导弹基本都是以惯性制导为基础,无线电指令或天文星光或GPS等进行辅助构成复合制导模式。目前世界上精度最高的洲际弹道导弹仍然是退役的LGM-118A“和平卫士”,圆概率偏差小于100米。再就是UGM-133A“三叉戟II”,圆概率偏差小于150米。
惯性制导所谓惯性制导就是建立一个相对惯性的人工参考坐标系,利用陀螺仪加速度计等测算出导弹目前运行参数(旋转运动、直线运动),得到的信号通过计算机分析后对姿态和控制系统发出修正指令以修正导弹运行轨迹。
当然,大家可以再把这么问题说的简单点。在物理学当中,已知起点、速度和加速度三个量就能推定出终点。既然是这样,导弹发射过程中发射点和导弹落点是大家已知的,也就是说导弹飞行过程中应该存在一条既定的飞行路线,也就是整个飞行过程中存在一套理论的速度和加速度对应数据组。这样大家可以通过陀螺仪、加速度计不断感知各个方向的加速度,加速度进行积分运算就是速度,速度再进行积分运算就是距离,通过这样不断的积分就能判断出现在的位置。然后通过这个解算出的位置与预定位置进行对比,看看偏了多少,给姿态和控制系统发出指令修正姿态回到当前预定的位置。
一般一套惯性制导系统需要3个加速度计和2个三自由度陀螺仪(或3个两自由度陀螺仪)。其中三个加速度计的敏感轴互成90度,与惯性坐标系三个轴保持一致,测量加速度运动的所有分量。而陀螺仪利用其定轴性保持惯性测量平台的运行的稳定性并提供导弹的俯仰、偏航和横滚的数据。惯性制导是弹道导弹制导的基础,因为他是一个完全独立的制导平台,不受任何外界条件的影响,形成完全封闭的制导。
当然,传统的机械陀螺仪因为存在轴承转动带来的摩擦力矩等一些列干扰力矩,所以存在一个“漂移”,使最终结算出现误差,运行时间越长误差越大。为了降低误差带来的影响,陀螺仪也是不断地更新换代的,其根本问题在于如何解决这个摩擦问题。从最开始的机电陀螺仪(误差1-15°/h)到液浮陀螺仪(0.01°/h)、挠性陀螺仪、动力协调陀螺仪、静电陀螺仪(0.001°/h)、激光陀螺仪等等。当然,完全消除误差暂时不太可能,因为只要有相对运动就有相对阻力,只是大小而已。
世界上能生产高精度导弹级陀螺仪的国家基本用手指头就能数过来,主要还是中美俄,其中美国的技术还是处于最高状态的,从导弹的圆概率偏差就能看出这个问题。美国上世纪的LGM-118A“和平卫士”的圆概率偏差达到90米左右。下图是民兵III使用的陀螺仪
上面提到,惯性制导是一定存在误差的,那么如何在陀螺仪精度不够的情况下来弥补导弹精度呢?这就要引入另一个概念:复合制导。所谓复合制导就是不止一种制导模式,利用2种或以上的制导种类提高导弹的精度。在弹道导弹的制导当中,以惯性制导为基础,再用无线电、星光或GPS三种当中的某一种或两种进行辅助,以提高弹道导弹的精度。
无线电指令制导无线电指令制导是最早出现的一种,上世纪40-60年代广泛用于导弹和火箭的辅助制导。他的原理比较简单,根据地面雷达测算出导弹实时运行参数,将这些参数与理论参数相对比,利用地面无线电将正确的修正参数发送给导弹的姿态和推进控制系统进行导弹运行轨迹修正。但是无线电指令制导应用的时间并不是很长,因为无线电存在一个极易干扰的缺点,而且需要大量地面设备配合,所以惯性制导+无线电指令制导这种模式很快被淘汰。下图是一个防空导弹无线电指令制导的图,洲际导弹无线电指令制导原理是一样
天文星光制天文星光制导是继无线电指令制导之后出现的一种稳定的制导模式,他的原理是通过导弹引导部安装的星敏感器感应到的天文图像与预设值相对比,得出误差后给姿态和控制系统发送信号,修正姿态。简单来说,导弹实际看的星星位置和应该看到的星星位置进行对比,看偏了多少就调整多少。
惯性制导+天文星光制导已经是目前洲际导弹制导的主流形式,这两种制导模式都是能够封闭运行的,不受外界干扰。随着陀螺仪和星敏感器精度的不断提高,导弹的圆概率偏差也是逐步缩小的,精度不断提高。
GPS制导GPS制导这个相必大家就更熟悉了,就是不断比对导弹运行实时经纬度数据与预设数据进行对比,当然这个过程需要定位卫星的辅助。而世界上拥有独立的定位体系的国家只有美国、中国、俄罗斯和欧洲,理论上只有这几个国家能将GPS制导融入自己的洲际导弹制导当中。当然,现阶段洲际导弹的制导还是以惯性+天文星光制导为主,GPS基本是“锦上添花”的作用,进一步提高导弹打击精度。
从上面这些大家可以看到一个问题,以前网络上总是说:“美国把GPS关掉,别的国家连导弹都打不出去了。当年就是因为美国关掉GPS卫星,所以大家的弹道导弹全偏了。”这些说法显然都是不对的,因为GPS都只是作为一个辅助而已,况且大部分洲际导弹都没有安装GPS制导系统,只有少部分洲际导弹会因为GPS关闭而略微影响误差,注意偶说的只是误差而已,不会影响导弹的实际攻击。
导弹精度目前世界上圆概率偏差(CEP)最低的导弹(精度高)还是美国的LGM-118A“和平卫士”洲际弹道导弹,他的CEP达到90米级,已经小于100米了。当然,“和平卫士”因为政治原因在21实际初全部退役销毁,这是美国当时除LGM-30G“民兵III”之外的另一种井射洲际弹道导弹,可以携带12枚当量47.5万吨的热核弹头
再就是美国UGM-133A“三叉戟II”型潜射洲际弹道导弹,CEP值大概120米左右,比“和平卫士”略差一些。
当然有朋友说,洲际导弹运载的都是核武器,讲什么精度?这句话对于打击大型城市来说没有毛病,反正偏点不影响打击震慑力。但是对于地下发射井来说,打击精度直接决定能否有效摧毁对方导弹发射井,因为核武器打击核设施是利用冲击波,这里面又涉及一个超压的问题。理论上讲,爆心离目标越近冲击波越大,毁伤效率越高。如果偏差太大,超压急速衰减后对发射井的摧毁效果就要大打折扣,甚至根本无法摧毁。
举个例子,通过下面3张图大家可以得出这么一个结论:对于抗力达到3500公斤/平方厘米的导弹发射井,50万吨级热核弹头在距离370米爆炸时只有3.8%的摧毁可能性。但如果爆炸距离降低到92.5米,那么摧毁概率则上升到46.5%,基本提高10倍。所以不要再说洲际导弹的精度没有用,这是摧毁对方核反击能力的重要参数。
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