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一枚导弹的各个分系统是如何运作的(五)“大海航行靠舵手”——导弹控制执行装置

2020-07-31    来源:科普中国-军事科技前沿

  出品:科普中国

  作者:鸿爪雪梨

  策划:武玥彤

  监制:光明网科普事业部

  一枚导弹的各个分系统是如何运作的(五)“大海航行靠舵手”——导弹控制执行装置

  在大气层中飞行的导弹,可通过改变空气动力的方向来控制导弹,而在大气层外飞行的导弹,则需要改变推力的大小和方向以获得控制力。导弹的执行机构就是实现上述动作的装置。

  一、改变导弹气动力的舵机

  广义的通过改变气动力实现导弹机动的执行机构由舵机、信号处理及反馈部分组成。舵机则是执行的一线装置,“舵”这个名字形象的体现了该装置的作用,如果将导弹飞行在空中比作船行驶在水中,那么舵的作用就比较容易理解了。通过操纵舵片偏转或转动,使作用在弹体上的升力或侧向力发生变化,进而带动导弹偏移或翻转。

  

  图1 俄罗斯S-400防空导弹舵机舱的内部结构(共有四组舵机,分别控制四个舵片)(图片来自网络)

  导弹的引导系统将测量到的导弹实时坐标、角度和弹目相对位置转换为控制指令(一般为电信号),指令通过弹上的电缆或无线模块传递给执行机构的信号接收元件,并被转化为舵机可识别的信号。

  设计舵机时一般要考虑以下多个因素。首先是舵机要有足够的能力对抗作用在弹体翼片和舵片上的空气阻力,好比掌舵人要使船转向,则必须克服水的阻力一样。其次是舵机要能产生足够的偏转角和角速度,同时要有足够的快速性,能够快速满足弹体姿态变化所需的控制力,简单来说,就是要尽可能的“一盘子打到位”,否则就会出现导弹姿态一直滞后的现象,影响精度。此外,还要求尺寸小、质量轻等。

  舵机设计的好坏将直接影响整个导弹制导系统的性能。不管哪种类型的舵机,都必须有能源和动作装备。以电动舵机为例,电动舵机以电池电源为能源,调节电压以带动电动机旋转,从而带动舵片转动;以高压气源作为动力的舵机为气压式舵机,这种舵机利用高压气瓶中储存的高压气体(氦气或空气)为动力源,或者以固体燃料燃烧产生的气体为动力源,通过调节气体喷嘴的开合大小和角度来调整舵片。另外还有液压式舵机,类似于工程机械中的液压杆,通过液体压力推动活塞,带动舵片偏转。

  电动舵机外形尺寸小,结构简单,但功率小且快速性较差。一般运用在小型导弹上。气压式舵机功率大,动作迅速,但受气源储量和燃气利用率的影响,一般用在飞行速度较快但时间较短的导弹上。液压舵体积小、质量轻、功率大,但液体性能受环境影响较大,且成本较高,一般用在中远程高价值导弹上。

  二、改变导弹方向的推力控制装置

  除了通过舵机调整导弹姿态之外,推力控制装置也是常见的一种控制导弹飞行的装置。推力控制是指改变发动机排除的气流方向来控制导弹方向。有过摩托艇驾驶经验的读者会有这样的体会,高速行驶的摩托艇要转弯时,必须辅以足够的动力,否则不仅转弯半径增加,摩托艇自身也会更容易失稳甚至“翻船”。导弹飞行也是一样的道理,在导弹推进阶段,通过调节燃气方向,可以使导弹获得很高的机动性能。

  

  图2 一种发动机推力矢量控制装置的结构示意图(图片来自网络)

  在洲际导弹的垂直发射阶段,由于此时速度较低,空气动力控制的作用微乎其微,而一旦某一台主发动机推力偏心,在巨大的重量的放大下,导弹就会翻滚甚至失稳,这个时候就需要通过发动机的动力微调来保证弹体垂直且逐渐加速。

  而某些垂直发射的战术导弹,为了尽快的进入可控状态,也要求导弹在起飞后迅速转弯,以便扩大最小射程和最大射程的区间,全方位的打击目标。

  除调整主推力的气流方向来控制导弹姿态之外,某些导弹上还装置了调姿发动机,顾名思义,就是用以调整导弹姿态的发动机,如俄罗斯某款反舰导弹,在头部设置了两对调姿发动机,在垂直发射后的短时间内,导弹的控制系统根据预估的弹道核对导弹的实时姿态,并发出调整指令,调姿发动机接到指令后,根据情况个别或同步工作,使导弹迅速从垂直姿态变为近似水平姿态,进入空气动力机动区间,导弹迅速进入射程区间,对抵近防御和近海防御来说,这种强大的机动性无疑是强大的战斗力。

  图3 俄罗斯某型反舰导弹通过调姿发动机快速完成姿态控制(图片来自网络)

  军事小百科:导弹的执行装置是根据导弹控制系统发来的指令操纵导弹的舵面或者翼片偏转,或改变发动机的推力方向,以控制和稳定导弹飞行的装置。好的执行装置能够在收到控制系统信号的极短时间内,精确、快速的完成导弹姿态调整,使导弹能够迅速瞄准目标或进入射程区间。