【科普】最強陀螺儀

2020-12-13 騰訊網

一般來說,飛彈打得越遠,精度越低。洲際飛彈都是射程大於8000公裡的超遠程彈道飛彈,主要是用來攻擊大城市等大目標的,誤差在1公裡以內基本上都可以忽略不計。然而,美國卻有款洲際飛彈,精度卻達到了40米,而且還是在冷戰時期,在沒有GPS等外部定位參照的輔助下。它是怎麼做到如此極端精度的呢?

這款LGM-118A「和平衛士」洲際彈道飛彈(ICBM),也稱為MX「和平衛士」彈道飛彈。制導系統非常先進,即使是世界上威力最大的飛彈之一、美國現役唯一的陸基戰略打擊力量 「民兵」Ⅲ與之相比,也相形見絀。

「和平衛士」極度的高精準世所罕見,其圓概率誤差(CEP)降低到40米,一度高居冷戰時期美國洲際彈道飛彈技術的頂峰。而「民兵」Ⅲ的圓概率誤差(CEP)大約是「和平衛士」的六倍。其中,一個堪稱技術奇蹟的陀螺儀發揮了至關重要的作用。

這個陀螺狀的設備叫高級慣性參考球 (AIRS)制導系統,是「和平衛士」洲際彈道飛彈導航系統的核心。馬丁·米勒在《大規模殺傷性武器:核時代的幽靈》一書中這樣評價:AIRS重新定義了洲際彈道飛彈的精度概念。

AIRS沒用常規的萬向節裝配,而是漂浮在裝滿氟碳流體的球體內。球體內還有陀螺儀和加速度計,通過三個液壓衝擊器和渦輪泵來保持球體方向穩定。整個AIRS由19000個獨立部件組成,研製工程非常之難。

雖然很難,但成功的使AIRS的誤差率小於每小時1.5 x 10^-5度,讓「和平衛士」的誤差低到1%,精度低至40米。火箭制導權威專家查爾斯·斯塔克·德雷珀博士,將AIRS定義為「第三代」,稱AIRS是迄今為止最精確的慣性導航(INS)系統,達到了超精確慣性制導發展史上的最強水平。

近乎完美AIRS可以算是冷戰時期最不可思議的技術之一。即使在幾十年後的今天,AIRS的精密程度也是最高的。一枚洲際彈道飛彈的精度能低於100米,這讓「和平衛士」在冷戰時期成為最精準的飛彈,也成為美國最先進的戰略飛彈之一。

其實,飛彈在飛行中幾乎很少會用到慣性導航系統的精度,該精度主要發揮作用是在飛彈還在地面警戒時用於校準制導系統,而不需要通過精確的陀螺測量來獲取外界參照。大多數洲際彈道飛彈在發射前都需要一個外部校準系統,以讓慣性導航系統與外界同步。精度高卻不依靠外界參照的慣性導航系統非常少,目前只有「和平衛士」的AIRS能做到。

但是研製AIRS的代價是巨大的,不僅成本高昂,工藝也非常繁雜。AIRS的獨立部件多達19000個。成本方面,僅以一個零件為例,AIRS有3個加速度計,在1989年時,1個加速度計的造價就達到30萬美元,耗時6個月才製造完成,整個AIRS的研製費用可想而知。

需要高度精準導航的宇宙飛船,也需要外部參照校準。即使是新的核武器制導項目,考慮到成本和重量,也放棄全自導的念頭。基於B-61核航空炸彈改造為滑翔炸彈的BIOS,已經提議使用GPS而不是INS作為制導。

在GPS用於修正誤差之前,工程師們除了不惜一切代價製造出AIRS這樣近乎完美的機械陀螺儀外,還研製了其他形式的導航用來升級精準度較差的INS系統。「和平衛士」僅僅依靠AIRS就能將12枚核彈頭髮射到14000千米遠的地方,和那些基於外部參照來提高精準度的系統相比,AIRS已經達到了精準度的極限。

由於裝配了AIRS,「和平衛士」威力巨大。但是,事實上,「和平衛士」卻難以大規模部署,原因就在於AIRS裝配極度複雜。「和平衛士」是從1986年開始部署的,卻直到1988年才開始置入AIRS這個關鍵系統。AIRS一共也只部署進了50枚「和平衛士」。雖然花費了巨資來研發,但「和平衛士」卻生不逢時。隨著美俄籤訂《第二階段削減戰略武器條約》,這些最精準的洲際飛彈在2005年被完全撤除。

研製「和平衛士」的目的是為了準確擊中蘇聯還在發射井裡已裝好彈頭的洲際飛彈,而「民兵」系列飛彈並不具備足夠的精度。由於時勢的變化,「和平衛士」沒有按最初設想一樣實現部署,也導致其雖然強大而影響甚微。但是「和平衛士」研製中技術的複雜度、先進性、高精度卻堪稱人類科技史上的一大奇蹟。

來源:網絡

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