人类科技史奇迹之一:最强陀螺仪精度高达四十米,有一万多个零件

一般来说,导弹打得越远,精度越低。洲际导弹都是射程大于8000公里的超远程弹道导弹,主要是用来攻击大城市等大目标的,误差在1公里以内基本上都可以忽略不计。然而,美国却有款洲际导弹,精度却达到了40米,而且还是在冷战时期,在没有GPS等外部定位参照的辅助下。它是怎么做到如此极端精度的呢?

人类科技史奇迹之一:最强陀螺仪精度高达四十米,有一万多个零件

这款LGM-118A“和平卫士”洲际弹道导弹(ICBM),也称为MX“和平卫士”弹道导弹。制导系统非常先进,即使是世界上威力最大的导弹之一、美国现役唯一的陆基战略打击力量 “民兵”Ⅲ与之相比,也相形见绌。

“和平卫士”极度的高精准世所罕见,其圆概率误差(CEP)降低到40米,一度高居冷战时期美国洲际弹道导弹技术的顶峰。而“民兵”Ⅲ的圆概率误差(CEP)大约是“和平卫士”的六倍。其中,一个堪称技术奇迹的陀螺仪发挥了至关重要的作用。

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这个陀螺状的设备叫高级惯性参考球 (AIRS)制导系统,是“和平卫士”洲际弹道导弹导航系统的核心。马丁·米勒在《大规模杀伤性武器:核时代的幽灵》一书中这样评价:AIRS重新定义了洲际弹道导弹的精度概念。

AIRS没用常规的万向节装配,而是漂浮在装满氟碳流体的球体内。球体内还有陀螺仪和加速度计,通过三个液压冲击器和涡轮泵来保持球体方向稳定。整个AIRS由19000个独立部件组成,研制工程非常之难。

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虽然很难,但成功的使AIRS的误差率小于每小时1.5 x 10^-5度,让“和平卫士”的误差低到1%,精度低至40米。 火箭制导权威专家查尔斯·斯塔克·德雷珀博士,将AIRS定义为“第三代”,称AIRS是迄今为止最精确的惯性导航(INS)系统,达到了超精确惯性制导发展史上的最强水平。

近乎完美AIRS可以算是冷战时期最不可思议的技术之一。即使在几十年后的今天,AIRS的精密程度也是最高的。一枚洲际弹道导弹的精度能低于100米,这让“和平卫士”在冷战时期成为最精准的导弹,也成为美国最先进的战略导弹之一。

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其实,导弹在飞行中几乎很少会用到惯性导航系统的精度,该精度主要发挥作用是在导弹还在地面警戒时用于校准制导系统,而不需要通过精确的陀螺测量来获取外界参照。大多数洲际弹道导弹在发射前都需要一个外部校准系统,以让惯性导航系统与外界同步。精度高却不依靠外界参照的惯性导航系统非常少,目前只有“和平卫士”的AIRS能做到。

但是研制AIRS的代价是巨大的,不仅成本高昂,工艺也非常繁杂。AIRS的独立部件多达19000个。成本方面,仅以一个零件为例,AIRS有3个加速度计,在1989年时,1个加速度计的造价就达到30万美元,耗时6个月才制造完成,整个AIRS的研制费用可想而知。

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如果不需要全自导的话,其实少得多的成本和部件也能达到如此精度。比如,GPS(全球定位系统)和GLONASS(全球卫星导航系统)这样的卫星定位系统出现后,只需要一个轻便又便宜的接收器,就能长时间保持厘米级的精确度。而今,内置GPS的环形激光陀螺仪可以被封装在很小的容器里,可以承受巨大的重力,可以运用在从导弹到炮弹的任何武器里。

需要高度精准导航的宇宙飞船,也需要外部参照校准。即使是新的核武器制导项目,考虑到成本和重量,也放弃全自导的念头。基于B-61核航空炸弹改造为滑翔炸弹的BIOS,已经提议使用GPS而不是INS作为制导。

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在GPS用于修正误差之前,工程师们除了不惜一切代价制造出AIRS这样近乎完美的机械陀螺仪外,还研制了其他形式的导航用来升级精准度较差的INS系统。“和平卫士”仅仅依靠AIRS就能将12枚核弹头发射到14000千米远的地方,和那些基于外部参照来提高精准度的系统相比,AIRS已经达到了精准度的极限。

由于装配了AIRS,“和平卫士”威力巨大。但是,事实上,“和平卫士”却难以大规模部署,原因就在于AIRS装配极度复杂。“和平卫士”是从1986年开始部署的,却直到1988年才开始置入AIRS这个关键系统。AIRS一共也只部署进了50枚“和平卫士”。虽然花费了巨资来研发,但“和平卫士”却生不逢时。随着美俄签订《第二阶段削减战略武器条约》,这些最精准的洲际导弹在2005年被完全撤除。

研制“和平卫士”的目的是为了准确击中苏联还在发射井里已装好弹头的洲际导弹,而“民兵”系列导弹并不具备足够的精度。由于时势的变化,“和平卫士”没有按最初设想一样实现部署,也导致其虽然强大而影响甚微。但是“和平卫士”研制中技术的复杂度、先进性、高精度却堪称人类科技史上的一大奇迹。

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全文完。


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