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  • 1 # 兵器知識譜

    說的沒錯,由於火炮膛線的存在,制導炮彈在炮膛內被擊發以後,就同非制導炮彈那樣在膛線的作用下高速旋轉。

    假如制導炮彈從飛離炮口到命中目標時一直保持著像非制導炮彈那樣高速旋轉的飛行姿態,那麼制導就無從談起!

    這是因為不管是第一代鐳射制導炮彈還是第二代半主動雷達制導炮彈,甚至是第三代衛星定位制導炮彈,它們實現彈道修正的因素都是舵機控制的彈翼,如果彈體一直保持高速旋轉,彈翼將無法發揮空氣動力學控制作用。

    以美製AIM-9型“響尾蛇”空對空導彈為例:該型導彈採用紅外製導,當引導頭內的紅外感測器透過濾鏡捕捉到目標熱源時,引導頭就會鎖定目標,透過舵機控制舵面,使導彈朝目標飛去。

    問題在於導彈發射後在飛行過程中會一直以導彈長軸為軸心進行自旋,當旋轉速率過高時,濾鏡所捕捉到的目標紅外特徵就會扭曲,造成導彈無法鎖定目標,導致脫靶。

    為了解決這個問題,該型導彈在四面尾翼上採用了陀螺舵設計,它的作用就是在導彈達到一定飛行速度、自旋達到設定速率時,利用高速氣流驅動陀螺舵產生扭轉力矩,迫使導彈降低或者停止自旋。

    下圖為靜態展示中的美製AIM-9型“響尾蛇”空對空導彈,紅色圓圈指示的是安裝在尾翼上的陀螺儀滾轉安定翼,它的作用就是抑制導彈發射高速旋轉。

    所以不管是制導炮彈還是炮射導彈,在飛行過程中制導系統啟動以後必須降低或者停止旋轉,否則制導系統就起不到修正彈道、精確命中目標的作用。

    那麼問題就來了:如何才能讓高速旋轉的制導炮彈在飛行過程中降低或者停止旋轉,從而進行彈道修正呢?

    答案就是——陀螺儀,相信很多讀者對“陀螺儀”這個概念是非常陌生的,事實上我們幾乎每天都接觸得到它,比如說當我們用手機看電影時,不管我們如何旋轉手機方向,螢幕始終保持著影片正對著我們,這就是手機裡電子陀螺儀的作用。

    制導炮彈裡的陀螺儀同樣如此,當炮彈在飛行過程中陀螺儀被啟用以後,它就會根據設定值透過控制彈翼舵面來抑制彈體旋轉,在彈體飛行姿態穩定後,制導系統才開始捕捉目標、鎖定目標、撲向目標。

    制導炮彈的工作原理是這樣的:當制導炮彈在炮膛內被擊發的同時,炮彈底排火箭發動機同時啟動,炮彈被加速至970米/秒的速度飛離炮口,以24000轉/秒的速率高速旋轉飛行,炮彈引信保險解除,這個過程稱之為無控階段。

    當炮彈飛行至彈道頂點,開始向下俯衝時,制導系統電源被啟用,姿態飛行控制器得電以後(陀螺儀)就會將炮彈的彈翼從彈體內向外展開,並控制舵機朝彈體旋轉反方向旋轉舵面至一定角度,抑制彈體旋轉。

    下圖為美製M982型155mm衛星定位制導炮彈的舵面特寫,它們是全動型舵面,可以根據制導指令調整舵面角度來改變彈體飛行姿態,從而實現彈道修正,其中就包括抑制彈體自旋。

    當彈體旋轉速率從24000轉/秒下降到600轉/秒以後,制導系統引導頭開始捕捉目標,鎖定以後超目標飛去,這個過程稱之為滑翔階段。

    這就是制導炮彈在高速旋轉的飛行姿態下能夠實現修正彈道的原理——舵面抑制彈體旋轉,因此制導炮彈的命中精度與舵面抑制彈體旋轉速率的能力是有很大關係的,控制彈體旋轉的能力越強,命中精度越高。

    如何更客觀地理解舵面抑制彈體旋轉的原理呢?其實它與直升機尾翼作用是一樣的,即以一個相反的力矩來抵消主旋翼的偏轉力矩。

    就像我們小時候玩的紙風車,當氣流吹動紙風車時,它就會朝葉片的反方向旋轉,而這股旋轉力矩就是可以理解為抑制彈體旋轉的扭矩。

    火炮的膛線一般為右旋,這就意味著炮彈發射後將以順時針放向高速旋轉,這時候炮彈上的四個舵面只需要全部向左轉動形成一個相同的角度,那麼舵面就會像紙風車那樣產生旋轉力矩來抵消炮彈的順時針自旋了。

    下圖為一個紙風車玩具,它的葉片方向朝右,有風吹過來時就會朝左旋轉,如果把它的葉片方向改變成朝左,那麼旋轉方向就會朝右,這就是制導炮彈利用舵面抑制彈體自旋的基本原理。

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