所谓制导,就是如何将一个导弹从一个地方引导至另一个地方。制导有很多方法,如雷达制导、天文制导和惯性制导。目前大部分导弹是采用惯性制导,或GPS+惯性制导。惯性制导与其他制导方法的基本区别在于:惯性制导是完全自主的。这就是说,导弹可以在一个完全与外界条件以及电磁波隔绝的假想“封闭”空间内实现精确导航。
惯性制导的实现:通过精密陀螺仪和加速度计测出运载器的旋转运动和直线运动信号,然后输送到飞行器上的模拟计算机或数字计算机中,再由计算机综合这些信号并对它们进行运算。计算机指令导弹的姿态控制系统和推进系统,以实现运载器的惯性制导,这种制导系统组成如图1所示。
图1 导弹制导系统组成
导弹的动力飞行时间是以分钟为单位计算。比如,对于“北极星”型弹道导弹(美国的一种潜对地导弹),在12分钟内飞行约1609千米的距离,而其燃料的正常燃烧时间大约是100秒。导航、制导与控制等任务都必须在发动机关机之前完成,因为再入飞行器在过了这一点之后就处于非制导状态。自这个时刻以后,飞行器的飞行呈弹道形式,与子弹离开枪管以后的情况相类似。
导弹制导系统必须控制或引导导弹上升通过大气层,并使发动机准确地按时关车,进而使再入导弹无需进一步控制即可击中目标。落地点完全由发动机最后关车时的一些因素决定,这些因素包括速度、位置和关机时间。图2表示导弹弹道通过大气层的各个重要阶段。
图2 弹道导弹的弹道
对于远程导弹,其制导阶段必须继续到通过地球大气层以后而终止于外层空间的极高真空区。如果制导停止于离开大气层之前,那么,由于在离开大气层之前作用在弹头上的不确定的阻力会使得制导精确度急剧地降低。在飞行中,初期产生的误差对导弹的打击精度影响很大。
控制制导
所谓控制制导,是一种控制导弹飞行的技术。从其操纵指令的信息源方面来看,控制制导技术与惯性制导技术差别很大。控制制导,也称为指令制导,取决于导弹外部设备,如雷达跟踪站所作的测量。在这种场合,导弹名义上受自动驾驶仪控制,而控制指令,即“形成”弹道的操纵指令,是由地面通过无线电波发送的。操纵指令所执行的功能与汽车驾驶员操纵汽车时所执行的功能相同,只不过导弹必须沿空中的一条路径进行制导。
依靠外部敏感器或测量传感器确定导弹的速度和位置,地面计算机将这些信息与导弹应该具有的弹道参数进行比较,其差值则是导弹的操纵指令。当达到适当的熄火条件时,就由外部指令来终止导弹的推力,典型工作原理如图3所示(图中给出的是火箭,因为导弹和火箭雷同)。
图3 控制制导
惯性制导
惯性制导系统首先应用在德国的V-2导弹上,导弹角方位由直接安装在弹体上的陀螺测量,达到预定速度后控制器便终止发动机推力,速度测量是通过从起飞开始将与导弹中心线平行安装的摆式积分陀螺加速度计的输出脉冲数相加而得到的。这种加速度计做得非常精确。
现代惯性制导系统仍然采用陀螺和加速度计作为测量元件,但其结构更加完善。加速度计的主要功能是测量自起飞至熄火这段时间内导弹的所有运动分量。陀螺的主要功能是敏感导弹的旋转运动并将加速度计同任何旋转运动隔离开来。通过这些功能的实施,导弹中的飞行计算机(连同一个时钟或时间基准)就有了充足计算信息,于是就可以在没有外部基准的情况下导引导弹。像无线电制导那样,惯性制导也是用计算机来产生指令。惯性制导计算机是弹载的,而指令制导计算机始终在地面上。
惯性制导还涉及到一个稳定轴系的概念。图4为陀螺和加速度计的轴系,一个轴系包括相互垂直的三个轴。加速度计的敏感轴被安装在平行于轴系的每个轴上。在这种独特的布局下,不论导弹的方向如何,至少有一个加速度计可感测到导弹的运动。三个以上的加速度计是多余的,而少于三个加速度计则意味着会损失信息。同样,三个陀螺的安装方式的特点是,它们的输入轴与轴系的轴相互平行。因此导弹绕轴的旋转可由一个或一个以上的陀螺检测。如图4所示,不管导弹的推力,俯仰、横滚或偏航姿态如何,轴系始终保持起飞时的方位。陀螺使轴系与旋转隔离,加速度计则测量参考系中的推力与阻力。
图4 稳定轴系的概念