洲際里的慣性傳感器長(zhǎng)什么樣？美國(guó)民兵III型核制導(dǎo)系統(tǒng)及內(nèi)部拆解！

洲際彈道是五常重要的國(guó)防力量，此前美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、英國(guó)以及我國(guó)，均先后試射過(guò)一輪洲際彈道。

民兵于 1962 年推出，是美國(guó)核威懾力量的重要組成部分。民兵 III 是目前美國(guó)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(wàn)美元）。制導(dǎo)系統(tǒng)的核心是陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，它使用陀螺儀傳感器和加速度計(jì)傳感器來(lái)測(cè)量的方向和加速度。計(jì)算機(jī)使用平臺(tái)的測(cè)量值來(lái)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(tái)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(huì)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(dòng)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(guò)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(jí)，因此制導(dǎo)計(jì)算機(jī)會(huì)拋棄每個(gè)火箭級(jí)并按順序點(diǎn)燃下一個(gè)火箭級(jí)。

穩(wěn)定平臺(tái)

慣性導(dǎo)航的原理是通過(guò)不斷測(cè)量的加速度來(lái)跟蹤的位置。通過(guò)對(duì)加速度進(jìn)行積分，可以得到速度。通過(guò)對(duì)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(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閿橙藷o(wú)法干擾你的導(dǎo)航。困難的部分是極其精確地測(cè)量加速度和角度，因?yàn)榧词故俏⑿〉恼`差也會(huì)在飛行過(guò)程中成倍增加。更詳細(xì)地說(shuō)，民兵的慣性制導(dǎo)是圍繞陀螺穩(wěn)定平臺(tái)構(gòu)建的，該平臺(tái)保持固定方向，平臺(tái)安裝在兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)上。陀螺儀的反饋來(lái)驅(qū)動(dòng)三個(gè)力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向節(jié)，無(wú)論如何旋轉(zhuǎn)，都能使穩(wěn)定平臺(tái)保持相同的方向。

下圖顯示了穩(wěn)定平臺(tái)的組件，其方向與上圖大致相同。穩(wěn)定平臺(tái)上安裝了三個(gè)加速度計(jì)來(lái)測(cè)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(cè)量加速度。（加速度計(jì)軸與平臺(tái)軸不對(duì)齊；這會(huì)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(duì)準(zhǔn)鏡使穩(wěn)定平臺(tái)能夠與稱為自準(zhǔn)直儀的精密設(shè)備對(duì)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(duì)準(zhǔn)技術(shù)。對(duì)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(duì)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(huì)在的飛行過(guò)程中被大大放大。對(duì)準(zhǔn)是一個(gè)繁瑣的過(guò)程，需要使用北極星來(lái)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(cè)量技術(shù)，使用測(cè)量員的經(jīng)緯儀測(cè)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(guò)瞄準(zhǔn)管看到最近的，從而可以將精確的角度測(cè)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(cè)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(guò)側(cè)面的窗口發(fā)射一束光，光束從穩(wěn)定平臺(tái)上的鏡子上反射回來(lái)，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(huì)向發(fā)送信號(hào)，使穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)。這個(gè)過(guò)程的結(jié)果是穩(wěn)定平臺(tái)與目標(biāo)的角度對(duì)齊。

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