洲际导弹里的惯性传感器长什么样?美国民兵III型核导弹制导系统及内部拆解!

洲际弹道导弹是五常重要的国防力量,此前美国、俄罗斯、法国、英国以及我国,均先后试射过一轮洲际弹道导弹。

民兵导弹于 1962 年推出,是美国核威慑力量的重要组成部分。民兵 III 导弹是目前美国唯一的陆基洲际弹道导弹 (ICBM),共有 400 枚导弹随时准备发射,分布在五个中部州。该导弹包含一个精确制导系统,能够将弹头发射到 13000 公里(8000 英里)外的目标, 精度为 200 米(660英尺)

下图显示了民兵 III 导弹(1970 年)的制导系统。该制导系统包含 17000 多个电子和机械部件,价值510000 美元(按当前美元计算约为450万美元)。制导系统的核心是陀螺稳定平台,它使用陀螺仪传感器和加速度计传感器来测量导弹的方向和加速度计算机使用平台的测量值来确定导弹的位置并引导导弹沿其轨迹飞向目标。其他关键组件是导弹制导装置控制器,其中包含用于支持陀螺稳定平台的电子设备,以及将计算机与导弹其余部分连接的放大器。本文中,仔细研究了2000年代初之前使用的制导系统的组件。

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从根本上讲,制导计算机会不断将导弹位置与预期轨迹进行比较,并生成适当的转向命令以使导弹保持在轨道上。下图显示了如何引导发动机喷嘴使导弹围绕其三个轴旋转:滚转、俯仰和偏航。在发射井中,滚转角(方位角)与目标方向一致。导弹垂直起飞,然后导弹逐渐沿俯仰轴旋转以向目标倾斜。在飞行过程中,沿所有三个轴的调整可使导弹保持在目标上。民兵 III 有四个火箭级,因此制导计算机会抛弃每个火箭级并按顺序点燃下一个火箭级。

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稳定平台

惯性导航的原理是通过不断测量导弹的加速度来跟踪导弹的位置。通过对加速度进行积分,可以得到速度。通过对速度进行积分,可以得到位置。惯性导航是独立的,这对导弹来说是一个很大的优势,因为敌人无法干扰你的导航。困难的部分是极其精确地测量加速度和角度,因为即使是微小的误差也会在导弹飞行过程中成倍增加。更详细地说,民兵导弹的惯性制导是围绕陀螺稳定平台构建的,该平台保持固定方向,平台安装在两个万向节上。陀螺仪的反馈来驱动三个力矩电机旋转万向节,无论导弹如何旋转,都能使稳定平台保持完全相同的方向。

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下图显示了稳定平台的组件,其方向与上图大致相同。稳定平台上安装了三个加速度计来测量加速度。加速度计沿三个垂直轴定向,因此每个加速度计沿一个轴测量加速度。(加速度计轴与平台轴不对齐;这会将加速度(大部分“向上”)分布在加速度计上,从而提高准确性。)两个对准镜使稳定平台能够与称为自准直仪的精密设备对准,如下所述。陀螺罗盘利用地球自转精确确定北方,提供备用对准技术。对准镜和陀螺罗盘都可以旋转到精确的角度,最后由解析器解码报告。

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发射时必须在发射井内旋转导弹,使其与目标对齐,这个角度称为发射方位角。这个角度必须非常精确,因为即使是微小的角度误差也会在导弹的飞行过程中被大大放大。对准导弹是一个繁琐的过程,需要使用北极星来确定北方。由于在发射井内看不到北极星,因此采用了一种复杂的测量技术,使用测量员的经纬仪测量北极星与发射井外三个混凝土纪念碑之间的角度。在发射井内,可以通过瞄准管看到最近的纪念碑,从而可以将精确的角度测量结果传输到发射井。在发射井内进行多次测量后,将一种称为自准直仪的特殊装置精确地定位在所需发射方位角的 90° 处。自准直仪通过导弹侧面的窗口发射一束光,光束从稳定平台上的镜子上反射回来,然后返回自准直仪。如果返回的光束不完全平行,自准直仪就会向导弹发送信号,使稳定平台根据需要旋转。这个过程的结果是稳定平台与目标的角度完全对齐。

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