「戰斧」巡航飛彈研製極簡史(完)大腦和心臟

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戰斧的大腦：地形匹配系統（TERCOM）

地形匹配系統是戰斧巡航飛彈能夠實現遠程高精度打擊的核心技術之一。而這門技術山姆大叔已經修煉了將近20年了，「天獅星」那些第一代巡航飛彈還沒服役就開始了。

且說，錢斯.沃特公司（沒錯就是LTV的前身之一）在1958年就提出了供核動力超音速飛彈(SLAM)用的TERCOM概念,當時稱之為「指紋」。SLAM計劃在1959年初取消,但錢斯·沃特用公司資金繼續研究。1960年4月,空軍航空系統處與錢斯·沃特籤定合同,繼續探索和發展這一概念在遠程巡航飛彈上的應用。合同持續到1961年7月,當時的重點是利用政府提供的雷達高度表進行飛行試驗演示,並在飛行後進行相關處理。合同的主要目標是以實驗證明TERCOM利用地形剖面的特徵實現位置定位，然後修正慣導系統的可能性。後來錢斯·沃特成為LTV-E公司的一部分。航空系統處與LTV-E在1963年籤定了合同繼續研究TERCOM概念, 探索在低空飛機上的可行性, 該合同持續到1965年。當時這項計劃叫做低空等高線匹配( LACOM ) , 要求設計製造一部完整的定位/修正分系統, 同時研究產生存儲在飛行計算機中的TERCOM地圖的半自動方法。在1963到1965年期間LTV-E根據與空軍航空電子設備實驗室籤訂的合同,用小型雷射測距裝置取代雷達高度表進行了若干次飛行試驗,看看能否提高位置精度。在 LTV-E解體後分家單過的E系統公司則在1972到1975年期間在航空系統處的贊助下繼續TERCOM的發展。目標是把TERCOM用於無人偵察機。在一稱之為設計更新的計劃下研製。合同包括任務規劃步驟、源數據的要求和源數據的更換要求。空間和飛彈系統組織SAMSO在1963到1973年間也贊助過幾項研究 TERCOM在彈道飛彈上可能應用的計劃,如末段位置定位系統( TPLs),末段遙感實驗( TERSE ),末段定位( TERF ) 和末段傳感器過載飛行試驗 ( TSOFT ) 。

1971年, 海軍航空系統司令部贊助了約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的一項研究,該研究建議戰略巡航飛彈制導採用輔助慣導系統。根據這一研究,海軍航空系統司令部在1972年中與E系統公司籤了項合同,進行TERCOM輔助慣導系統 ( TAINS)的飛行試驗。飛行試驗證明 ,該方案對巡航飛彈來說是可行的。該試驗還證實了地形選擇的重要性。在霍普金斯大學研究TERCOM地點選擇技術的同時，麥道也獨立地對此課題進行了研究,搜集飛行數據驗證霍普金斯大學的研究結果。海軍航空系統司令部在輔助慣導系統試驗成功的基礎上於1974年初就巡航飛彈制導向工業界徵求投標，有四家公司響應, 麥道、通用動力、E系統和LTV的沃特系統分公司。前兩家公司動手早, 在1973年就自掏腰包搞飛行試驗。到了是麥道和E系統勝出,被選定競爭發展地面發射巡航飛彈的原型制導裝置。每家各造一套裝置。E系統在海軍的A7E攻擊機上對TERCOM進行載飛試驗,。麥道財大氣粗，用自己的飛機試驗。競爭於1975年以空軍C141運輸機上的飛行試驗告終, 試驗證明麥道系統（AN/DPW-23）的精度和可靠性更好, 這就是後來通用動力和LTV都把巡航飛彈制導裝置的合同給麥道的主要原因。

戰斧式「火蜂」

1976年2月初, 美國海軍在新墨西哥州白沙飛彈靶場用改裝的瑞安公司的BQM-34A「火蜂」無人機成功地作了巡航飛彈地形匹配製導系統的飛行試驗。海軍用了4架火蜂來作巡航飛彈制導系統試驗, 改裝了3架,第4架作為備份。在不同風速下作一系列試驗,據說風速影響對低空飛行的制導是極為重要的問題。另外還在高低變化的不同地形下驗證制導系統精度。試驗時, 「火蜂」由地面起飛,用降落傘回收。初次飛了30多分鐘,以後作了幾十次試驗。為躲避雷達探測, 須超低空飛行,海射巡航飛彈要求在100英尺(30.5米)以下的高度飛行。試驗證 明圓公算偏差在600英尺( 138米)以下。在「火蜂」上試驗的制導系統採用了很多標準件。飛彈以雷達高度表保障貼地飛行, 在航線上以地形匹配系統於特定點上精確地校正飛彈的位置。以實時測得的數據與存貯在計算機中的數據進行比較匹配的。制導系統所用慣性平臺是諾斯羅普公司F5E戰鬥機上的利頓LN-30系列。計算機為F5E和 DDG963驅逐艦使用的利頓LC4516通用計算機。雷達高度表是「魚叉」飛彈所用的AN/ APN194高度表。飛彈的核心部件是麥道為制導裝置研製的軟體, 是該公司專利。空軍也用海軍的制導系統的硬體。現有的軍用地圖足以精確提供制導系統所需的地形數據。

簡單來說 , TERCOM系統就是將所測得的地形剖面與存在系統計算機中的地形剖面進行比較,用最佳匹配法確定所測得的剖面的地理位置。TERCOM利用如下前提條件:即地球表面任何一個地方的地理位置都可以用周圍地形的垂直等高線來唯一地確定。下圖示出了TERCOM的工作過程。實現TERCOM所要求的硬體都是些標準的航空電子設備。

TERCOM原理

下圖描述了雷達高度表、氣壓高度表、慣性測量裝置和數字計算機等主要部件間的功能關係。

TERCOM系統的框架

雷達高度表提供飛彈的離地高度。氣壓高度表測量飛彈相對於平均海平面 的高度,其信號在數字計算機的「氣壓一慣性系統」中與慣性測量裝置垂直加速度表的輸出相加,產生更高質量的絕對高度信號。

氣壓一慣性系統提供的絕對高度與雷達高度表提供的離地高度之差就是相對於平均海平面的地形標高。所測得的地形標高剖面(減去平均值)就是用來與存賒在飛彈計算機中的基準地形剖面進行匹配的信號。

雷達高度表和氣壓表的配合

慣性測量裝置由加速度表和陀螺組成,它為慣導提供主要測量數據。慣導計算在數字計算機中完成。總體而言，慣導系統是引導戰斧的基本裝置，TERCOM系統只是用來定期地修正慣導。因此,慣導在到達了第一個地圖航線檢查點以前,在TERCOM航線檢查點之間和從最後一個檢查點到目標之間導引飛彈。這一次次的修正就提高了慣導系統的精度。另外,它能使飛彈平行於TERCOM地圖的行列飛行。數字計算機執行全部TERCOM和慣導計算。它根據慣導系統估計的飛彈位置氣動和結束TERCOM操作。具體講,數字計算機完成「平均絕對差」計算並確定TERCOM匹配點。飛彈估計位置用多態卡爾曼濾波器計算。在確定TERCOM坐標以後,將相應的變化加於卡爾曼濾波方程的狀態矢量中,完成修正。所有這些計算都是在飛彈沿其飛行路線飛行過程中實時地進行的。業已證明,平均絕對差算法對於巡航飛彈是一種很有效的相關方案,能滿足飛彈的精度和實時計算要求。相關算法比較測得的標高和一給定地圖的地圖標高的平均絕對差。「匹配」用測得的剖面的一子集和基準剖面之間的高度差之和的最小值表示。給出最小平均絕對差的基準剖面規定了飛彈橫向航跡位置,測得的剖面的子集確定了縱向航跡位置。巡航飛彈的TERCOM軟體就是電腦程式,它在適當時刻將測 得的地形標高剖面與存在計算機存貯器中的TERCOM基準地圖進行匹配。基準地圖由修正時刻飛彈最可能飛越其上空的那些地形剖面 的數字式表示形式組成。巡航飛彈制導裝置安排得在飛行中測量基準地圖正中的地形剖面;但由於導航位置誤差,飛彈一般來說在偏離中心的剖面上飛過，當計算機將所測得的剖面與基準地圖中的各剖面進行比較時,匹配最佳的基準剖面就代表飛彈飛越其上空的地形剖面。因此,可以利用TERCOM來確定飛彈的位置誤差,修正慣導並改正飛彈的航線

地形匹配的結果

海射戰略巡航飛彈的地形匹配系統至少裝有12張地圖,在這些地圖上,以小於10米的間隔用數字表示出地形,並以小於3米的誤差記錄其標高。由於飛彈最初在不可能對位置進行修正的水面上空飛行,為了使飛彈不離開預定的登陸點,第一個初見陸地的地圖要做得足夠寬(可寬達10公裡)。在飛彈將要飛入一給定地圖區域時,雷達高度表開始記錄讀數,在飛彈離開那個區域一個相等間隔後,停止記錄讀數。計算機採用簡單的絕對偏差算法,使高度表上的讀數同地圖點上的相匹配。高度表的讀數重複率極高,以致連同步誤差或地面對高度表的幹擾都不能降低系統的性能。飛彈被導引到目標的精度至多等於地圖網格的大小,實際上達到它的一半就算不錯了。地圖網格可以做得很小,比如說每邊10米,所以原則上飛彈可有相當高的精度。然而,還有許多因素影響這個精度，所以預期海射戰略巡航飛彈有100米左右的精度是比較穩妥的。最大誤差在於繪製地圖時人為的誤差、選擇繪製地圖用的地形判斷不當和接近目標時缺乏地形匹配製導用的合適地形。

地形匹配的側視圖
戰斧的心臟：渦扇發動機

1972年5月31日美國軍方與威廉士籤訂了F107-WR-100的研製合同。1975年11月，發動機通過了飛行前性能試驗(PFRT)。空射巡航飛彈(ALCM )飛行試驗於1976年3月開始，第一枚飛彈在高度4572米，M數0.6情況下發射，並於5月和6月取得推力數據。裝F107-WR-400的海射巡航飛彈於1976年6月開始飛行試驗並成功。

F107系列小型雙軸渦扇發動機由 WR19系列發動機發展而來。WR19是雙軸混合排氣渦扇發動機,其海平面靜態 空氣流量為6.13kg/s,總增壓比為7.6, 涵道比為1，低壓壓氣機為無級間放氣的4級軸流壓氣機, 由兩級低壓渦輪驅動, 前兩級是風扇, 後兩級是中間級。高壓壓氣機為離心壓氣機, 由一級高壓渦輪驅動。燃料由安裝在軸上的甩油盤輸送到環形燃燒室。發動機附件安裝在齒輪箱上,由高壓軸傳動。WR19於1967年8月進行首次試車,耗油率67.4kg/hkN, 額定推力1.9kN。試驗表明這種發動機的循環系統和各部件安排是合理的。

1969年空軍指示威廉士為亞音速巡航武裝誘餌彈( SCAD )研製發動機。這種 發動機以WR19為基礎,稱為WR19-A2,其設計推力為2.12kN。1971年初,空軍在為SCAD準備請求建議( RFP)的過程中,為滿足對飛彈提出的最大射程、最小體積的要求,對動力裝置提出了如下要求:現有技術;限制長度、直徑和體積,長度 為762mm,直徑為305mm;設計簡單,低成本，高空起動:部分推力時耗油率較低 ; 滿足高空推力要求:提取功率14.7kw;貯存期限10年;工作時間50h. 通過分析研 究,確定了氣動熱力循環, 建立計算機模型以評估設計性能。然後根據評估結果 , 確定RFP所提出的性能指標，並解決發動機設計遇到的主要問題。不過SCAD的射程只1200km,不滿足空軍要求, 故該計劃於1973年終止。

F107外形，離心式壓氣機就是粗

為了攻擊蘇聯縱深目標, 波音根據空軍的要求,於1974年2月在SCAD基礎上 , 開始了空射巡航飛彈（ALCM）系統的研製。對發動機的要求沒有變化, 由威廉士研製F107-WR-100渦扇發動機作為ALCM的動力。

為了達到設計推力和耗油率, F107-WR-100的增壓比和渦輪進口溫度都比WR19有所提高。涵道比接近1:1 ,總增壓比由7.6增至14.5;渦輪進口溫度由905℃增至1010℃,提高了性能。推力增加到2.67KN，依WR-100/400/402型號不同重量在59-65公斤之間不等。

F107-WR-100的流路、部件設計和主要結構保持了WR19的特點，但由於B-52旋轉發射架要求飛彈能以任何滾轉姿態攜帶, 因此發動機還要解決漏油問題。採取的措施是將油箱置於發動機垂直中心線下方,並從體積形心處開排氣孔。

F107剖視圖倒還苗條點

低壓轉子風扇及盤用17-4PH鋼整體鑄造,能防冰、防來物損傷。低壓壓氣機中間級是鈦合金機加工件,生產成本較低。低壓軸轉速達35500rpm,其轉向與高壓軸相反。低壓渦輪盤和葉片是用IN713LC整體鑄造的,用銷釘連接並夾緊在軸上。

高壓轉子為離心壓氣機，葉輪用17-4PH鋼鑄造。不用冷卻的IN100高壓渦輪鑄件採用電子束焊接在高鎳合金鋼軸上。

燃燒室是一種離心甩油式環形燃燒室。帶整體外環、採用MAR-M-509材料鑄成的高壓渦輪導向器是燃燒室的焊接構件。為控制渦輪葉尖間隙,高壓渦輪外環用壓氣機出口空氣冷卻。

試驗中的戰斧