王立旭 常曉華 楊云翔

1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076 2.北京航天長征科技信息研究所，北京100076

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國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)慣性器件發(fā)展趨勢分析

王立旭1常曉華1楊云翔2

1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076 2.北京航天長征科技信息研究所，北京100076

在簡要介紹慣性器件發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，重點研究了美國等國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈不同發(fā)展階段中制導(dǎo)系統(tǒng)慣性器件的技術(shù)水平，分析給出了國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈使用慣性器件技術(shù)的發(fā)展趨勢，對我國慣性器件技術(shù)的發(fā)展具有借鑒意義。 關(guān)鍵詞 戰(zhàn)略導(dǎo)彈； 慣性器件； 發(fā)展趨勢

目前，世界裝備戰(zhàn)略導(dǎo)彈的國家有美國、俄羅斯、中國、英國、法國和印度等，其中美國、俄羅斯具有完備的陸基、潛基與空基“三位一體”戰(zhàn)略核力量體系，兩國從發(fā)展戰(zhàn)略導(dǎo)彈至今，始終將其作為確保國家安全的戰(zhàn)略基礎(chǔ)。

美國、蘇聯(lián)/俄羅斯等國家的戰(zhàn)略導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)先后采用了無線電-慣性、純慣性、星光+慣性和慣性+衛(wèi)星等制導(dǎo)方式。純慣性制導(dǎo)系統(tǒng)具有完全自主、高度隱蔽、信息實時與連續(xù)，且不受時間、地域的限制和人為因素干擾等優(yōu)點，而且精度在不斷提高，在戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器中應(yīng)用廣泛。

純慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中的慣性器件是其核心導(dǎo)航設(shè)備，承擔(dān)著為導(dǎo)彈飛行提供慣性測量基準(zhǔn)、實時測量導(dǎo)彈視加速度和飛行姿態(tài)角等任務(wù)，參與導(dǎo)彈的姿態(tài)控制和制導(dǎo)控制[1]。

本文將簡要介紹慣性器件的發(fā)展歷程，重點研究美國等國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈不同發(fā)展階段中制導(dǎo)系統(tǒng)慣性器件的技術(shù)水平，分析給出國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈應(yīng)用慣性器件技術(shù)的發(fā)展趨勢，以期為我國慣性器件技術(shù)的發(fā)展提供借鑒意義。

1 慣性器件發(fā)展歷程

1942年，德國在V-2導(dǎo)彈上采用的以慣性元件為核心的制導(dǎo)系統(tǒng)可以認為是慣性制導(dǎo)的第一次應(yīng)用。到40年代后期和50年代初期，美國麻省理工學(xué)院儀表實驗室和諾斯羅普飛機公司、奧托納第克斯公司以及英國費倫第公司已致力于研制慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)元件及其系統(tǒng)，此后，慣性元件及其系統(tǒng)迅速地發(fā)展起來。目前，慣性器件及其系統(tǒng)已成為當(dāng)今尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中最突出的成果之一[2]。

1.1 陀螺儀

40-50年代，一般采用滾珠軸承式陀螺儀，從慣性儀表支撐的性質(zhì)、儀表的精度和應(yīng)用情況來看，這是第一代陀螺儀。后來，為減小框架支撐的載荷，消除干摩擦以提高儀表精度，到60-70年代廣泛應(yīng)用液浮和氣浮的浮動式陀螺儀，這是第二代陀螺儀。為了進一步提高儀表的可靠性，提高壽命，降低成本，發(fā)展到80年代已逐漸廣泛采用結(jié)構(gòu)簡單的干式動力調(diào)諧轉(zhuǎn)子的撓性支撐陀螺儀，這是第三代陀螺儀。目前，第四代陀螺儀技術(shù)成果顯著，特別是以環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀為代表的固態(tài)慣性器件技術(shù)發(fā)展迅猛，光學(xué)陀螺儀精度水平得到大幅提升，且由于其沒有高速旋轉(zhuǎn)的部件和懸浮液體，在可靠性、可維護性、體積和重量等方面優(yōu)勢明顯，在當(dāng)前和今后一段時期的航天領(lǐng)域中，將形成與傳統(tǒng)機械陀螺強有力的競爭局面。

隨著現(xiàn)代物理學(xué)研究的推進和技術(shù)手段的發(fā)展，低溫態(tài)物理效應(yīng)在陀螺儀中的應(yīng)用成為可能，主要包括原子陀螺儀和超流體陀螺儀。其中，原子陀螺儀的研究處于試驗和初步應(yīng)用驗證階段，而超流體陀螺儀的研究處于原理驗證和試驗階段。

2014年，美國德雷伯實驗室對當(dāng)今陀螺技術(shù)性能和應(yīng)用的總結(jié)見圖1。

圖1 當(dāng)前陀螺儀性能需求和應(yīng)用[3]

從圖1可以看出，當(dāng)前機械式陀螺儀漂移精度處于[0.000015～0.0015](°)/h的水平，應(yīng)用在戰(zhàn)略導(dǎo)彈的機械式陀螺儀漂移精度約為0.00015(°)/h。而高精度激光和光纖陀螺的技術(shù)水平已經(jīng)達到了機械式陀螺水平，最高漂移精度約為0.00015(°)/h。

1.2 加速度計

目前，國外戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈主要應(yīng)用的加速度計，包括“擺式積分陀螺加速度計”(PIGA)；美國正在研究先進的固態(tài)加速度計，包括“戰(zhàn)略振梁式加速度計”(SRBA)和“硅微諧振加速度計”(MEMS silicon oscillating accelerometer，SOA)。

1)擺式積分陀螺加速度計(PIGA)

PIGA利用陀螺力矩平衡慣性力矩的原理來測量加速度，精度可達10-8g[2]，在現(xiàn)有加速度計中精度最高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大和成本高，主要用于遠程導(dǎo)彈等領(lǐng)域。

2)戰(zhàn)略振梁式加速度計

目前，霍尼韋爾公司正為美國新一代陸基洲際導(dǎo)彈研制“戰(zhàn)略振梁式加速度計”(SRBA)[4]，該加速度計是一種基于石英壓電效應(yīng)的加速度傳感器。

3)硅微諧振加速度計

“硅微諧振加速度計”是一種重要的硅微慣性器件，結(jié)合了MEMS儀表小體積、低功耗和低成本的本質(zhì)特征以及諧振式儀表準(zhǔn)數(shù)字量輸出、抗干擾和高穩(wěn)定性的特點，近年來受到各國的廣泛關(guān)注。

2014年，美國德雷伯實驗室對當(dāng)今加速度計性能和應(yīng)用的總結(jié)見圖2。

圖2 當(dāng)前加速度計性能需求和應(yīng)用[3]

從圖2可以看出，當(dāng)前機械式懸浮式加速度計偏置穩(wěn)定性處于[0.1～5]μg的水平。

1.3 平臺方案與捷聯(lián)方案

在慣性器件及其系統(tǒng)的發(fā)展過程中，平臺方案和捷聯(lián)方案在互相競爭中發(fā)展，且隨著飛行器對導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)精度要求的不斷提高而交替出現(xiàn)。在導(dǎo)彈發(fā)展初期，導(dǎo)航與制導(dǎo)精度要求不高，因此采用捷聯(lián)式陀螺儀和加速度表。隨著制導(dǎo)系統(tǒng)精度要求的提高，由于受飛行姿態(tài)和振動環(huán)境影響，捷聯(lián)方案限制了系統(tǒng)精度的提高，于是提出了平臺方案。可是隨著對飛行器控制系統(tǒng)可靠性和小型化的進一步嚴(yán)格要求，平臺方案又受到其故障多、體積大的缺點限制，且平均無故障時間捷聯(lián)系統(tǒng)要比平臺高10倍以上。隨著計算機技術(shù)水平和儀表精度的提高，捷聯(lián)方案應(yīng)用越來越廣泛。從發(fā)展中看，捷聯(lián)方案有著比平臺方案可靠性高、重量輕、體積小、功率小、成本低和易于維修等優(yōu)點，為捷聯(lián)方案提供了廣闊的應(yīng)用前景。

從整個趨勢來看，隨著激光、光纖等固態(tài)慣性器件技術(shù)的不斷發(fā)展，捷聯(lián)系統(tǒng)將逐步取代一部分中、高精度的平臺系統(tǒng)，但要滿足潛射戰(zhàn)略導(dǎo)彈等武器高精度需求，平臺系統(tǒng)仍是主選方案。

從制導(dǎo)系統(tǒng)慣性器件應(yīng)用的角度看，最大的驅(qū)動因素是進一步降低成本和復(fù)雜性，進而大幅度提高可靠性[5]。

2 國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈慣性器件技術(shù)水平

2.1 美國

2.1.1 戰(zhàn)略導(dǎo)彈用慣性器件發(fā)展歷程

美國第一代戰(zhàn)略導(dǎo)彈(20世紀(jì)40-50年代)，如宇宙神早期型號(D型作戰(zhàn)型導(dǎo)彈)和大力神Ⅰ導(dǎo)彈，由于慣性器件水平較低，為提高命中精度，采用無線電-慣性組合制導(dǎo)。

美國第二代戰(zhàn)略導(dǎo)彈(20世紀(jì)60年代)，如大力神Ⅱ、民兵Ⅰ和民兵Ⅱ等導(dǎo)彈，慣性制導(dǎo)系統(tǒng)選用陀螺穩(wěn)定平臺方案，采用G6B4動壓氣浮自由轉(zhuǎn)子陀螺儀和16PIGA-G型擺式積分陀螺加速度計，陀螺儀漂移率為0.01(°)/h(1σ)。

美國第三代戰(zhàn)略導(dǎo)彈(20世紀(jì)70年代)，如民兵Ⅲ，慣性制導(dǎo)系統(tǒng)選用陀螺穩(wěn)定平臺方案，早期采用G6B4型動壓氣浮自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，后期改用G10B型動壓氣浮自由轉(zhuǎn)子陀螺儀，陀螺漂移率為0.005(°)/h(1σ)，在2005年前后改用MX研制的浮球平臺[6-7]，陀螺漂移率為1.5×10-5(°)/h(1σ)；采用16PIGA-E型擺式積分陀螺加速度計，測量精度為1×10-6g(1σ)。

美國第四代戰(zhàn)略導(dǎo)彈(20世紀(jì)80年代)，如MX、三叉戟Ⅱ和侏儒等。三叉戟Ⅱ?qū)?80年代初)采用MK-6型星光慣性制導(dǎo)系統(tǒng)[8-9]，慣性測量裝置是1個四框架的星光-慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，陀螺漂移率為0.001(°)/h(1σ)，加速度計的測量精度為1×10-6～1×10-7g(1σ)。

侏儒導(dǎo)彈(80年代末)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)采用浮球平臺方案，即“高級慣性參考球”，裝有3個TGG第三代陀螺儀和3個比力積分接收儀(SFIR)，陀螺漂移率為0.000015(°)/h(1σ)，比力積分接收儀由民兵導(dǎo)彈16PIGA擺式積分陀螺加速度計改進而成，測量精度為1×10-7g(1σ)。

2.1.2 戰(zhàn)略導(dǎo)彈用慣性器件性能

美國陸基民兵Ⅲ和潛基三叉戟II D-5戰(zhàn)略導(dǎo)彈精度相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示，其中給出了制導(dǎo)系統(tǒng)慣性器件精度指標(biāo)。

表1 美國戰(zhàn)略導(dǎo)彈精度相關(guān)性能指標(biāo)

2.2 前蘇聯(lián)/俄羅斯

作為當(dāng)今俄羅斯現(xiàn)役最先進的固體洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊”和“白楊-M”，都采用以高精度三浮陀螺儀和高精度三浮陀螺加速度計為核心儀表的三浮慣性平臺作為導(dǎo)航系統(tǒng)[10]，其三浮陀螺儀和三浮加速度計在一次通電條件下的精度分別為0.0001(°)/h和10-7g。平臺系統(tǒng)采用了誤差參數(shù)自標(biāo)定和自瞄準(zhǔn)技術(shù)，可標(biāo)定誤差項為75項，自瞄準(zhǔn)精度為3″～5″。

潛基戰(zhàn)略導(dǎo)彈圓錘(布拉瓦)也采用了三浮慣性平臺方案[11]，并采用了星光修正技術(shù)對慣性平臺工具誤差進行修正。

白楊-M和布拉瓦導(dǎo)彈精度相關(guān)性能指標(biāo)如表2所示，其中給出了制導(dǎo)系統(tǒng)慣性器件精度指標(biāo)。

表2 俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈精度相關(guān)性能指標(biāo)

3 國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈慣性器件技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 戰(zhàn)略導(dǎo)彈用慣性器件方案選擇分析

美國民兵系列、侏儒、MX陸基導(dǎo)彈和三叉戟潛射導(dǎo)彈目前均采用平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)，經(jīng)分析主要有以下3個方面原因：1)采用平臺方案制導(dǎo)系統(tǒng)精度更高，滿足點目標(biāo)打擊要求；2)強大的基礎(chǔ)工業(yè)水平為戰(zhàn)略導(dǎo)彈采用平臺方案提供了有力支撐；3)當(dāng)時的激光捷聯(lián)慣組方案尚不能達到工程化應(yīng)用水平，沒有平臺方案成熟。

3.2 戰(zhàn)略導(dǎo)彈用慣性器件技術(shù)發(fā)展趨勢

從侏儒導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)引入激光捷聯(lián)慣組方案可以看出，美國發(fā)展戰(zhàn)略導(dǎo)彈的指導(dǎo)思想也在發(fā)生變化。以往精度被列為制導(dǎo)系統(tǒng)及慣性器件的首要指標(biāo)，而現(xiàn)代戰(zhàn)略導(dǎo)彈競爭是全面的整體的競爭。從系統(tǒng)思想出發(fā)，不宜追求單項性能的最佳，而應(yīng)講求各單項性能的最佳組合。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，武器系統(tǒng)中某項突出的缺點會使其他超一流的性能化為烏有，反應(yīng)遲鈍的導(dǎo)彈很可能會在冗長的發(fā)射準(zhǔn)備階段就被摧毀在己方陣地上。

美國霍尼韋爾公司從2002年開始研制“先進慣性測量組合(AIMU)”，以更新陸基洲際彈道導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)[12]。該新型慣性測量組合采用“戰(zhàn)略振梁式加速度計”(SRBA)和“戰(zhàn)略光纖陀螺儀”(SFOG)2種固態(tài)慣性器件，該系統(tǒng)降低了維修需求，精度與MX導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)相當(dāng)，其尺寸和質(zhì)量分別為民兵Ⅲ導(dǎo)彈陀螺平臺的1/3，且不需要對液體實施冷卻，可靠性大幅提升，能夠應(yīng)用在空軍和海軍的戰(zhàn)略導(dǎo)彈上，以及陸基“全球精確打擊”任務(wù)中。霍尼韋爾公司對軍隊相關(guān)需求重要性排序為[12]：1)產(chǎn)品采購成本和長壽命；2)系統(tǒng)精度；3)大幅簡化操作和維護工作。

綜合來看，美國未來戰(zhàn)略導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)呈現(xiàn)采用固態(tài)慣性儀表替代機械式慣性儀表的趨勢，以提高慣性器件的可靠性、可維護性和使用性。

4 結(jié)論

首先介紹了慣性器件的發(fā)展歷程,然后重點研究了美國等國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈不同發(fā)展階段慣性器件的技術(shù)水平,最后給出了國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈用慣性器件技術(shù)的發(fā)展趨勢。對于我國慣性器件技術(shù)的未來發(fā)展和采取什么途徑，應(yīng)該注意哪些問題，是值得總結(jié)經(jīng)驗和慎重研究的問題，必須結(jié)合我國國情及現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)能力，著力推進慣性器件技術(shù)發(fā)展，為提升我國武器裝備性能提供有力支撐。

[1] 陳世年，等. 控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：中國宇航出版社，1996.

[2] 王巍. 慣性技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].自動化學(xué)報，2013,39(6):723-729．(Wang Wei. Status and Development Trend of Inertial Technology[J]. Acta Automatica Sinica, 2013,39(6):723-729.)

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[5] 張?zhí)旃?等.譯. 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，2007.

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Development Tendency Analysis of the Inertia Device in Foreign Strategic Missile

Wang Lixu1, Chang Xiaohua1, Yang Yunxiang2

1. Beijing Institute of Space System Engineering, Beijing 100076, China 2. Beijing Institute of Aerospace Long March Scientific and Technical Information, Beijing 100076, China

Firstly,thehistoryoftheinertiadevicedevelopmentisintroduced.Then,thetechnicallevelsoftheinertialdevicesinforeignstrategicmissilesduringdifferentdevelopmentstagesareresearchedinfocus.Finally,thedevelopmenttendencyoftheinertialdeviceisanalyzedandforecasted.

Strategicmissile；Inertiadevice；Developmenttendency

2015-09-15

王立旭(1977-)，男，北京人，碩士，高級工程師，主要從事飛行器總體設(shè)計方面研究；常曉華(1982-)，男，河北定州人，博士，高級工程師，主要從事飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等方面研究；楊云翔(1983-)，男，天津人，碩士，工程師，主要從事國內(nèi)外飛行器發(fā)展趨勢跟蹤研究。

TJ410

A

1006-3242(2016)02-0095-04