谢邀,您问到W君的专业上了。
W君简单写写,尽量浅显一些,相信您看完这篇文章即使不会成为一个导弹专家,也会成为一个导弹“知道份子”,而对导弹有一定深入的了解。
说东西先得正原,咱们先说说“导弹”这个词。
如果说学术上的话,咱们尽量得说一点英语,理由很简单,现代汉语受到外来语影响过于严重,很难准确的表意了。
导弹这个词——missile,在牛津辞典里面是这样一解释的:“an object which is forcibly propelled at a target, either by hand or from a mechanical weapon”——“一种可以用手或者机械力强行推进到目标的武器。”
在二战战场上有这么一种东西:
士兵们用一个长木杆,前头绑着一枚反坦克手雷,直接举起来跑向坦克,将反坦克手雷的引信杵到坦克上……严格的意义说这就是一枚“missile”。它符合了“missile”的定义:用手强行推进到目标的武器。
其实,现代导弹(missile)这个词汇是一个省略语,全名叫做 “guided missile”,这时又来了一个新词:“guided”,意思是“directed by remote control or by internal equipment”(由遥控器或内部设备指导)。将两个词的意思合起来其实就是我们说的导弹的大体概念了。
那么二战装备就又来了——神风敢死队用的樱花自杀机是不是导弹?
当然是了啊!这是一个由内部人员控制内部设备利用机械力强行推进到目标(军舰)上的武器。这是符合导弹的基本定义一的。
那再告诉大家一件事吧——guided也是一个省略语。懒惰的外国人用了guided替代了原来的 homing guidance(归航引导)词组。当时搞两弹一星的时候,为了让大伙听得懂这是什么玩意,不至于用“有归航引导能力的动力投射物”把大家搞蒙,钱学森就给出了“导弹”的中文简称。要说这词 根 “火车”的来源类似,就是用中文里普遍存在的事物在前面加了一个大致的属性。钱老的中文水准还是很高的,要是W君来命名说不定就真的叫这个东西“归投”了,这多不雅啊!(遥想当年在课堂上老师就是这么说过……这臭不要face的教授老杂毛W君记了他一辈子)
说到“归投”,其实很重要的是“归”,最早的时候并不是想像现在一样让导弹追着目标屁股后面跑的。所以用了一个技术“归航”(homing)——现在开始讲硬核技术了。
在上世纪10-20年代的时候人们就已经掌握了两项很重要的技术,第一个就是无人机技术第二个就是火箭技术。这两项技术都可以用于军事,将武器投射到很遥远的距离上去。
在1916年美国就搞出来了这样的一架飞机:
只有动力装置,和简单的控制装置,可以直线飞行50公里,携带450公斤的炸药坠地炸毁周围的目标。但是在最后真正实验的时候,这种飞行炸弹往往会飞到目标1-2公里以外爆炸,对于一真正的要打击目标来说根本没哟于任何有意义。
于是到最后,这种N9“巡航导弹”一共生产了8架就没什么动静了。但这个方式特别的深入人心,美国搞的最大的一次是在1941年,弄了架B-17轰炸机,装了套遥控驾驶装置,飞到目标附近后,飞行员跳伞,在降落伞上用遥控操纵B-17使之撞向德国人的工厂。但这件事基本上没战果
到这里就产生了一个最早的导弹制导方式——无线电遥控制导。在操作员目视范围之内利用无线电装置控制导弹向一个目标飞行。可是这件事还不是“归航”。
归航是指给定了一个飞行器的目标方位,飞行器可以飞向这个目标方位。看起来是很简单的事情,但如果真正做就很困难了。理由也很简单,飞行器在大气中飞行的时候,大气是流动的,因此受到大气扰动这个飞行器往往会偏离目标。为了克服大气扰动(当然了还包括飞行器本身制造精度和工艺带来的误差)就需要实时的对飞行器的姿态进行测试,当飞行器偏离航线后,依据测试数据将航线修正过来。
在二战中,德国人在V-1和V-2导弹上都装了一个很重要的设备——陀螺仪。
上图是V-1导弹的陀螺仪,这是一个真正意义上的归航引导设备。
利用了陀螺的角动量守恒原理测量V-1导弹在飞行过程中所受到的加速度变化。当有加速度产生的时候驱动V-1导弹上面的翼面向相反的方向转动,这样一导弹就可以维持在预定好的航线内飞行了。
这就是第二种要说到的制导方式了——惯性制导。简单的说,惯性制导就是通过测量陀螺仪角动量变化来修正导弹弹道轨迹的一种制导方式。
但惯性制导有问题!
这是一个陀螺,陀螺在旋转的过程当中的确是会遵守角动量守恒定律的。但一切定律其实都是在理想的物理状态下才有效果的。对于一角动量守恒,最重要的是陀螺和周围的摩擦力可以忽略不计。
问题就来了,陀螺仪的框架和陀螺之间是可以尽量的做到润滑,但无论如何也不可让摩擦力真的等于零。这时,陀螺仪就会拥有积累误差。
减小积累误差的方式有两种:
第一种是提高陀螺仪的转速,将转速提高后陀螺仪每一转的误差就会相对减小。当然了,这种陀螺仪的转速是不能无限提高的。毕竟我们的宇宙里最高的速度是光速,陀螺仪的边缘线速度如果能达到光速,那么这个国家也就不需要制造导弹了。
第二种就是检测的频率,检测频率越高陀螺仪所带来的精度误差就越小,当然了能够趋近于一个普朗克时间的国家也不需要制造导弹。
在二战的技术条件下,陀螺仪的这种误差,在导弹飞行几百公里以后就开始有较大的偏差了。这也就是为什么在二战中德国的V-1和V-2导弹并没有取得太大战果的原因呢。
在二战之后由于电子技术的提升,之前每秒检测几十次陀螺仪状态的方式改成了每秒检测几千次(晶体管石英电路检测)这就使得导弹在飞行1-2000公里以后依旧可以保持较准确的归航精度。
但超过了2000公里以后,陀螺仪的精度就又下来了。这时就不得不借助第三种导弹的制导方式——天文制导,天文制导是给远程导弹所使用的一种制导方式。
我们都知道远程弹道导弹在发射后会很快的飞出大气层。这时候,大气的扰动就不会对导弹造成影响了。导弹可以沿着一个精准的抛物线进行飞行。
但是之前在大气层内大气扰动所产生的误差还是存在并且会被放大的。
现在咱们回到生活中,玩摄影的人都知道,如果在星空下长时间曝光,会得到一个有星迹的照片:
这里面记录了地球的转动,星星的轨迹会形成不同疏密度的条纹。知道这些就够了。
照片中手里拿着的这个就是一个天文制导模块。在导弹进入太空后,这个模块会高速的旋转。这时宇宙中的恒星就会在这个模块的成像系统中形成类似于条码的疏密条纹。这个条纹里面是包含角度、方位信息的。导弹的电子系统只要能确保成像的图形和预先存储在导弹计内的图形相匹配(重合)就能找到自己的方位信息。这个重合度偏差也就是要修正的参数了。
在导弹飞出大气层到再进入大气层的中段飞行时间中有大把的时间进行轨迹修正。在修正自身轨迹的同时,还可以将惯性导航系统的陀螺仪数据不断的归零,这时,陀螺仪的精度也就又提高了。
那么——如果导弹不飞出大气层有没有高精度制导的方式呢?还是有的!
例如战斧导弹吧,飞行距离2400公里,超过了高精度陀螺仪惯性制导的范围了,同时飞行高度一般的情况下是50米,又不能很好的监测恒星轨迹信号。
那这个东西可是贴着地球近啊!
于是可以用遥感技术,对地形进行测试。
卫星现在可以用对地表进行遥感测高,所以每个国家手里其实都有一套地球表面高度的数字指纹,在规划导弹飞行航线的时候,航线距离L和当前点的地面海拔高度就有了一个参照关系。导弹在飞行过程中直接测量地面海拔高度就可以导航了。这种导航方式就是第四种导航方式——地形匹配制导。没有任何国家可以在短短的几个月的时间内宏观的改变地表海拔。因此,这种制导方式的精度极高。通过记录地表高度的数字地形图和导弹的测高数据,甚至可以用让导弹沿着复杂的航迹飞行。
第2、3、4种制导方式是目前用的最多的打定点目标的制导方式。当然了到这里很多人会问又没有导弹运用GPS导航?
还是有的,这第五种制导方式叫做卫星制导,就是利用类似于一GPS、北斗、伽利略等导航卫星进行导航等的方式。但是这种导航的方式和咱们开车打开高德地图不同车子每小时开到180公里就吊销执照了!所以车子开的都不快,GPS可以用得上,但是如果在1500公里的时速下运用GPS那么GPS的频率是不够的,这就会产生巨大的偏差。一般的情况下卫星导航用在导弹发射前的一瞬间,对导弹发射原点进行经纬度测量。这就是有的导弹用卫星导航的原因了——可以快速的知道自己是从哪个经纬度发射的。很多陆基移动发射平台,类似于一我们的DF-41在发射前都会用卫星定位的方式测量自己的发射原点为位置,那如果没有卫星信号或者卫星信号被干扰了怎么办?
即使是GPS被干扰了,导弹发射人员也可以用利用几百年来的传统,利用六分仪快速的测出自己所在位置的经纬度。这件事并没有什么难度。
刚刚说了这么多种导弹的制导方式,其实咱们还没有脱离打定点目标的范畴。既“从地球上的一个点打地球上另外一个点”。
对于很多军事移动目标(例如:坦克、飞机、军舰)来说,它们的移动速度一般相对于导弹来说都是小儿科。这就使“归航(homing)”这件事微妙了。如果能实时的测量目标的当前方位,那么就可以用导弹来“追击”目标。这对导弹的机动能力来说并不是什么难事。
所以就出现了类似于对空导弹、反舰导弹和反坦克导弹这一类可以用对应运动目标的导弹。
其实对于这些导弹来说,打击运动目标也是一个“归航制导”行为。
只不过,这时归航坐标变成了一个“变量”,需要实时的测量和实时的修正。很多人在说的早期的AIM-9响尾蛇导弹只能追尾攻击时在说响尾蛇导弹的红外导引头只可以识别强红外信号。这是其中的一个原因而意义,而类似于一早期的AIM-7麻雀雷达制导导弹其实也只能迎头攻击和追尾攻击。
这里其实就涉及到一个导弹飞行轨迹规划的问题了。
导弹如果不能预测目标飞行方向的情况下就只能追尾攻击,如果导弹可以预测目标运动方向的条件下,导弹的飞行路线就可以优化以提高射程。
这似乎和今天的问题不太相关,就跳过去吧。
导弹对移动目标的攻击需要有有一个目标指示,这个指示器在红外制导导弹面前,目标本身就是指示器。
目标发出红外线,红外线制导导弹寻的目标后修正飞行方向进行攻击。
而在雷达制导导弹面前则是另外有一种方式:包括火控雷达照射的半主动制导导弹。
上图就是半主动雷达制导,飞机需要运用火控雷达一直照射目标,导弹使用雷达接收机接收目标反射的雷达波,直到归航命中目标。
而主动雷达制导就是导弹自己发射雷达波照射目标,自己接受目标雷达波的返回信号。在导弹锁定目标后直至命中目标前,都不需要额外的载机继续火控雷达照射。完全是导弹自己寻找和跟踪目标的行为
其实再古老的雷达(无线电波)制导方式还无线电乘波制导。导弹后面放个接收机,地面雷达照射持续照射目标,导弹在无线电波束内飞行,不过这个制导方式很过时了。基本上现在没有用的了。
再有的一路邪派武功呢,就是利用激光器照射目标,导弹向光点飞过去。
一般用在空地打击和反坦克上。
但无论是红外制导、雷达制导还是激光制导,其实这几种制导方式都是第六种方式——叫做寻的制导。从字面上就很好解释了:自己寻找目的地的制导方式。
其实导弹是一个很大的武器分类,里面的制导方式还有一些,例如反辐射导弹,本身并不发出雷达波,只是依靠接受对方的无线电波辐射信号进行定位和打击的,按理论上说也应该算是寻的制导的一种变体。
再有类似于陶氏反坦克导弹这样的
飞的时候拉光纤的导弹以及一系列的有线的无线的电视制导导弹其实都是和美国那家B-17一样的遥控导弹系统。
大体先就说这么多吧,这些内容一般酒桌上聊天什么的基本上就够了。再往深处说就是各种复杂的公式和推导方程了,能给大家说困了。