制导炮弹是如何修正弹道的?
说的没错,由于火炮膛线的存在,制导炮弹在炮膛内被击发以后,就同非制导炮弹那样在膛线的作用下高速旋转。
假如制导炮弹从飞离炮口到命中目标时一直保持着像非制导炮弹那样高速旋转的飞行姿态,那么制导就无从谈起!
这是因为不管是第一代激光制导炮弹还是第二代半主动雷达制导炮弹,甚至是第三代卫星定位制导炮弹,它们实现弹道修正的因素都是舵机控制的弹翼,如果弹体一直保持高速旋转,弹翼将无法发挥空气动力学控制作用。
以美制AIM-9型“响尾蛇”空对空导弹为例:该型导弹采用红外制导,当引导头内的红外传感器通过滤镜捕捉到目标热源时,引导头就会锁定目标,通过舵机控制舵面,使导弹朝目标飞去。
问题在于导弹发射后在飞行过程中会一直以导弹长轴为轴心进行自旋,当旋转速率过高时,滤镜所捕捉到的目标红外特征就会扭曲,造成导弹无法锁定目标,导致脱靶。
为了解决这个问题,该型导弹在四面尾翼上采用了陀螺舵设计,它的作用就是在导弹达到一定飞行速度、自旋达到设定速率时,利用高速气流驱动陀螺舵产生扭转力矩,迫使导弹降低或者停止自旋。
下图为静态展示中的美制AIM-9型“响尾蛇”空对空导弹,红色圆圈指示的是安装在尾翼上的陀螺仪滚转安定翼,它的作用就是抑制导弹发射高速旋转。
所以不管是制导炮弹还是炮射导弹,在飞行过程中制导系统启动以后必须降低或者停止旋转,否则制导系统就起不到修正弹道、精确命中目标的作用。
那么问题就来了:如何才能让高速旋转的制导炮弹在飞行过程中降低或者停止旋转,从而进行弹道修正呢?
答案就是——陀螺仪,相信很多读者对“陀螺仪”这个概念是非常陌生的,事实上我们几乎每天都接触得到它,比如说当我们用手机看电影时,不管我们如何旋转手机方向,屏幕始终保持着视频正对着我们,这就是手机里电子陀螺仪的作用。
制导炮弹里的陀螺仪同样如此,当炮弹在飞行过程中陀螺仪被激活以后,它就会根据设定值通过控制弹翼舵面来抑制弹体旋转,在弹体飞行姿态稳定后,制导系统才开始捕捉目标、锁定目标、扑向目标。
制导炮弹的工作原理是这样的:当制导炮弹在炮膛内被击发的同时,炮弹底排火箭发动机同时启动,炮弹被加速至970米/秒的速度飞离炮口,以24000转/秒的速率高速旋转飞行,炮弹引信保险解除,这个过程称之为无控阶段。
当炮弹飞行至弹道顶点,开始向下俯冲时,制导系统电源被激活,姿态飞行控制器得电以后(陀螺仪)就会将炮弹的弹翼从弹体内向外展开,并控制舵机朝弹体旋转反方向旋转舵面至一定角度,抑制弹体旋转。
下图为美制M982型155mm卫星定位制导炮弹的舵面特写,它们是全动型舵面,可以根据制导指令调整舵面角度来改变弹体飞行姿态,从而实现弹道修正,其中就包括抑制弹体自旋。
当弹体旋转速率从24000转/秒下降到600转/秒以后,制导系统引导头开始捕捉目标,锁定以后超目标飞去,这个过程称之为滑翔阶段。
这就是制导炮弹在高速旋转的飞行姿态下能够实现修正弹道的原理——舵面抑制弹体旋转,因此制导炮弹的命中精度与舵面抑制弹体旋转速率的能力是有很大关系的,控制弹体旋转的能力越强,命中精度越高。
如何更客观地理解舵面抑制弹体旋转的原理呢?其实它与直升机尾翼作用是一样的,即以一个相反的力矩来抵消主旋翼的偏转力矩。
就像我们小时候玩的纸风车,当气流吹动纸风车时,它就会朝叶片的反方向旋转,而这股旋转力矩就是可以理解为抑制弹体旋转的扭矩。
火炮的膛线一般为右旋,这就意味着炮弹发射后将以顺时针放向高速旋转,这时候炮弹上的四个舵面只需要全部向左转动形成一个相同的角度,那么舵面就会像纸风车那样产生旋转力矩来抵消炮弹的顺时针自旋了。
下图为一个纸风车玩具,它的叶片方向朝右,有风吹过来时就会朝左旋转,如果把它的叶片方向改变成朝左,那么旋转方向就会朝右,这就是制导炮弹利用舵面抑制弹体自旋的基本原理。