精確制導(dǎo)武器穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)

崔大朋，蘇建平

(1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109;

2.中國航天科技集團(tuán)公司紅外探測技術(shù)研發(fā)中心，上海 201109)

研究表明:導(dǎo)彈武器的作戰(zhàn)效能取決于命中精度與戰(zhàn)斗部裝藥量，導(dǎo)彈命中精度提高一倍的殺傷效果相當(dāng)于戰(zhàn)斗部提高8倍的效果。影響導(dǎo)彈命中精度的因素除了導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)因素之外，導(dǎo)引頭采用何種穩(wěn)定平臺(tái)是影響導(dǎo)彈命中精度的重要因素之一。以美國、俄羅斯以及歐洲部分國家為代表的軍事強(qiáng)國紛紛加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)的研制，從而推動(dòng)了導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)的迅速發(fā)展。

1 導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)

導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)是由光、機(jī)、電、磁等多元組件結(jié)合而成的集成化產(chǎn)品，是導(dǎo)引頭的重要的組成部分。導(dǎo)彈在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自主搜索、跟蹤的飛行過程中，受到發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、高速氣流的沖擊以及氣動(dòng)力的擾動(dòng)，使得彈體在飛行過程中總是處于復(fù)雜的振動(dòng)和擺動(dòng)狀態(tài)，這種復(fù)雜的彈體運(yùn)動(dòng)引起的干擾通過與彈體連接的零部件耦合到導(dǎo)引頭的探測跟蹤系統(tǒng)，引起導(dǎo)引頭探測跟蹤裝置的抖動(dòng)，嚴(yán)重影響導(dǎo)引頭視線的穩(wěn)定和對(duì)目標(biāo)的跟蹤，也影響了導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度。為了消除和隔離彈體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)引頭探測跟蹤系統(tǒng)的耦合影響，通常采用穩(wěn)定平臺(tái)的方式來實(shí)現(xiàn)。從穩(wěn)定方式來說，穩(wěn)定平臺(tái)通常分為被動(dòng)隔離、主動(dòng)穩(wěn)定以及兩者的組合［1］。而用于導(dǎo)引頭上的穩(wěn)定平臺(tái)主要是主動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)。下面對(duì)目前導(dǎo)引頭采用的幾種穩(wěn)定平臺(tái)方式進(jìn)行分析和比較。

2 穩(wěn)定平臺(tái)分類

2.1 動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)

動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)是最早，最傳統(tǒng)，也是最成熟的穩(wěn)定平臺(tái)。該穩(wěn)定平臺(tái)是將陀螺轉(zhuǎn)子支撐在萬向支架上，依靠高速旋轉(zhuǎn)的陀螺所具有的定軸性自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在慣性空間的穩(wěn)定，以此來隔離彈體擾動(dòng)對(duì)穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的耦合干擾，同時(shí)利用動(dòng)力陀螺的進(jìn)動(dòng)性實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的隨動(dòng)跟蹤。陀螺轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量越大，對(duì)彈體擾動(dòng)的隔離度越強(qiáng)，受到的干擾也就越小，跟蹤越穩(wěn)定。對(duì)于一般的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈來說，由于受到體積的限制以及定軸性與進(jìn)動(dòng)性的相互制約，使得動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定性受到一定影響。在彈體具有較大的擾動(dòng)速率和較大的軸向加速度的情況下，動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)要保證足夠高的穩(wěn)定精度還是比較難實(shí)現(xiàn)的［2］，但是在滿足制導(dǎo)精度的條件下，這種穩(wěn)定平臺(tái)方式還是得到了廣泛應(yīng)用。在早期研制的點(diǎn)源紅外制導(dǎo)和線掃紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈以及目前在研的部分紅外導(dǎo)彈中，使用的都是動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。圖1是美國AIM－9L導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭，另外法國的“西北風(fēng)”，俄羅斯的“薩姆－7”使用的都是動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。該穩(wěn)定平臺(tái)最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要額外的傳感器和反饋控制就能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定，但是動(dòng)力陀螺定軸性與進(jìn)動(dòng)性之間相互制約的矛盾，使得應(yīng)用該穩(wěn)定平臺(tái)的導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)難以同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和較高的跟蹤速度，這也限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用范圍。

圖1 動(dòng)力陀螺穩(wěn)定平臺(tái)

2.2 速率陀螺穩(wěn)定平臺(tái)

由于動(dòng)力陀螺本身快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾限制了其進(jìn)一步的發(fā)展，對(duì)于要求大跟蹤角速度的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈來說，一般采用穩(wěn)定平臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)視軸的穩(wěn)定。速率陀螺穩(wěn)定平臺(tái)是隨著角速率傳感器的快速發(fā)展而不斷發(fā)展的一種導(dǎo)引頭視線穩(wěn)定方式。對(duì)于一般的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈來說，速率陀螺穩(wěn)定方式可以獲得較好的穩(wěn)定精度和穩(wěn)定帶寬，因此，大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈采用的是速率陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。該穩(wěn)定方式將速率陀螺放置于穩(wěn)定平臺(tái)的內(nèi)框，通過速率陀螺來測量穩(wěn)定平臺(tái)在俯仰和偏航方向的擾動(dòng)，并將測速信息送給控制系統(tǒng)，通過反饋信息控制框架電機(jī)使得框架平臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)視軸在慣性空間中保持穩(wěn)定。

根據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)方式和傳動(dòng)方式的不同，導(dǎo)引頭用的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)有框架穩(wěn)定平臺(tái)，滾仰式穩(wěn)定平臺(tái)、齒弧式穩(wěn)定平臺(tái)、連桿式穩(wěn)定平臺(tái)和鋼絲繩傳動(dòng)的穩(wěn)定平臺(tái)。

1)框架穩(wěn)定平臺(tái)

根據(jù)框架軸數(shù)目的不同，框架穩(wěn)定平臺(tái)有兩軸、三軸和多軸框架穩(wěn)定平臺(tái)等方式，各個(gè)框架軸相互垂直并相交于一點(diǎn)，穩(wěn)定跟蹤裝置放置于內(nèi)框平臺(tái)上。兩軸穩(wěn)定平臺(tái)包括兩軸兩環(huán)框架和兩軸四環(huán)框架平臺(tái)。圖2所示是兩軸兩環(huán)框架穩(wěn)定平臺(tái)，內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸分別有角位置傳感器和力矩電機(jī)，用以測量內(nèi)、外環(huán)框架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并根據(jù)角度相關(guān)反饋信息控制框架的運(yùn)動(dòng)。兩軸兩框架穩(wěn)定平臺(tái)是目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)方式，具有結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊、簡單，通道相互獨(dú)立、耦合較少，控制與跟蹤算法比較成熟等優(yōu)點(diǎn)。但是該穩(wěn)定平臺(tái)方式不能隔離載體在橫滾方向上的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致視軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)［1］，對(duì)元器件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配的要求也非?？量蹋瑫r(shí)受導(dǎo)引頭空間的限制，這種陀螺穩(wěn)定平臺(tái)離軸角很難突破士60°，無法達(dá)到全向大離軸角跟蹤的要求。兩軸兩框架穩(wěn)定平臺(tái)的導(dǎo)引頭典型代表有烏克蘭的MM－2000，俄羅斯的R－73，其中烏克蘭設(shè)計(jì)制造的MM－2000導(dǎo)引頭幾乎達(dá)到了該穩(wěn)定平臺(tái)方式的極限，離軸發(fā)射角達(dá)到士60°，最大跟蹤角速度達(dá)到600°。

兩軸兩環(huán)框架穩(wěn)定平臺(tái)不能完全隔離彈體對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的影響，要完全隔離彈體的影響并解決大離軸角跟蹤問題需采用如圖3所示的三軸或兩軸四環(huán)的框架陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。但是上述2種穩(wěn)定平臺(tái)在大跟蹤角的情況下，內(nèi)框和外框可能發(fā)生重合，出現(xiàn)框架自鎖的現(xiàn)象，使得框架穩(wěn)定平臺(tái)不能正常工作。另外，上述2種多框架穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、質(zhì)量又重等缺點(diǎn)，使得導(dǎo)引頭直徑偏大，影響了導(dǎo)彈的氣動(dòng)性能和飛行性能，因此在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈里很少采用這2種方式的穩(wěn)定平臺(tái)。在能查到的資料中，美國的“潘興II”導(dǎo)彈采用的就是四框架穩(wěn)定平臺(tái)，如圖4所示，資料顯示在該框架穩(wěn)定平臺(tái)中由于增加了一個(gè)隨動(dòng)框架，從而解決了框架自鎖的問題［3］。

圖2 兩軸兩框架穩(wěn)定平臺(tái)

圖3 兩軸四環(huán)框架平臺(tái)

圖4 四框架穩(wěn)定平臺(tái)

2)滾仰式穩(wěn)定平臺(tái)

滾仰式穩(wěn)定平臺(tái)包括滾轉(zhuǎn)軸和俯仰軸2個(gè)軸，以滾轉(zhuǎn)框?yàn)橥饪?，俯仰框?yàn)閮?nèi)框，可以實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)2個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。外框滾轉(zhuǎn)軸與彈體縱軸一致，內(nèi)框俯仰軸與滾轉(zhuǎn)軸正交。該穩(wěn)定平臺(tái)比通常的三軸框架少了一個(gè)軸，體積和質(zhì)量更小，結(jié)構(gòu)更簡單，并且在俯仰方向可以達(dá)到±90°，滾轉(zhuǎn)方向可以在0～360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)前半球空間范圍的探測跟蹤，具有大離軸角探測與跟蹤的能力，滿足近距離格斗空空彈對(duì)導(dǎo)引頭體積小、大離軸角、質(zhì)量輕、高機(jī)動(dòng)性的多項(xiàng)需求，是目前最先進(jìn)的導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)形式。但是該導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)方式的固有缺陷是存在過頂跟蹤的奇異問題，即當(dāng)目標(biāo)在小離軸角附近機(jī)動(dòng)時(shí)，要求滾轉(zhuǎn)軸框架具有無窮大的角速度，但這在工程上是難以實(shí)現(xiàn)的，因此在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)無法正常跟蹤目標(biāo)的現(xiàn)象。但是美國研制的AIM－9X導(dǎo)彈和以德國為首的歐洲多國聯(lián)合研制的IRIS－T導(dǎo)彈都采用了滾仰式穩(wěn)定平臺(tái)，且都已服役，其過頂跟蹤問題應(yīng)該得到了較好的解決，由于保密原因，相關(guān)控制方法和研究成果并沒有對(duì)外公布。根據(jù)相關(guān)資料表明AIM－9X導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)角速度高達(dá)1600°/s，德國為首研制的IRIS－T導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)角速度高達(dá)1 800°/s。

圖5 滾仰式穩(wěn)定平臺(tái)

3)齒弧式穩(wěn)定平臺(tái)

齒弧式穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)在雷達(dá)導(dǎo)引頭中應(yīng)用的相對(duì)較多，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。齒弧式穩(wěn)定平臺(tái)的外框架是帶有外齒弧的圓弧形框架，外框架通過多級(jí)減速齒輪驅(qū)動(dòng)，內(nèi)框架放置于圓弧形框架。該種結(jié)構(gòu)形式的穩(wěn)定平臺(tái)擁有較大的空間，不像框架穩(wěn)定平臺(tái)一樣受軸端遮擋，具有較大的離軸角和力矩輸出，低速平穩(wěn)性也較好，但是齒輪傳動(dòng)不可避免的存在間間隙、空回、摩擦、彈性等非線性因素，造成穩(wěn)定平臺(tái)的可控性和控制帶寬不理想［4］。限制了采用該種結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)性能的進(jìn)一步提高。

圖6 齒弧式穩(wěn)定平臺(tái)

4)連桿傳動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)

連桿式穩(wěn)定平臺(tái)如圖7所示，是由一組連桿組成平行四邊形機(jī)構(gòu)并與探測跟蹤裝置相連接，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)探測跟蹤裝置的方位、俯仰運(yùn)動(dòng)。該形式穩(wěn)定平臺(tái)一般將探測器放置前端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)放置后端，從而可以節(jié)省較大的空間，縮小導(dǎo)引頭前端徑向尺寸，提高導(dǎo)彈的氣動(dòng)性能，尤其是導(dǎo)引頭向著小型化趨勢的發(fā)展過程中，該種形式的穩(wěn)定平臺(tái)更能凸顯出其優(yōu)勢。圖7(a)中所示，整個(gè)平臺(tái)是連桿機(jī)構(gòu)與框架機(jī)構(gòu)的組合，外框通過與電機(jī)軸相連的連桿驅(qū)動(dòng)，內(nèi)框通過電機(jī)直驅(qū)，相對(duì)與兩軸框架穩(wěn)定平臺(tái)省去了外框電機(jī)占用的空間，可以將平臺(tái)做的更小，圖7(b)完全由四連桿驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。連桿驅(qū)動(dòng)式穩(wěn)定平臺(tái)由于連桿結(jié)構(gòu)的限制，使得穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)角范圍較小，不能滿足大跟蹤視場的要求，傳動(dòng)效率較低，對(duì)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的加工、裝配和調(diào)試精度要求較高，這些缺陷也限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。

圖7 連桿式穩(wěn)定平臺(tái)

5)鋼絲繩傳動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)

繩傳動(dòng)雖然是一種古老的傳動(dòng)方式，但是它具有簡單、輕便、靈活、振動(dòng)小、負(fù)載能力大等優(yōu)點(diǎn)，在某些高精度場合完全超越齒輪傳動(dòng)，成為一種新型的精密傳動(dòng)裝置，資料顯示精密繩傳動(dòng)具有99%的傳動(dòng)效率，傳動(dòng)精度達(dá)到1微弧度。國外早已開始研究將鋼絲繩傳動(dòng)應(yīng)用于導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也已從事相應(yīng)的研究。圖8所示是2種鋼絲繩傳動(dòng)的導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖［4－5］，鋼絲繩一端連接在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，另一端連接在電機(jī)力矩輸出端，通過預(yù)緊裝置保證鋼絲繩有一定的預(yù)緊力，確保鋼絲繩與槽輪間具有足夠大的摩擦力而消除傳動(dòng)件之間的相對(duì)滑動(dòng)。鋼絲繩傳動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)可以通過鋼絲繩的靈活性節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)后置，從而可以達(dá)到與齒弧式或拉桿式穩(wěn)定平臺(tái)相同的效果，將導(dǎo)引頭小型化，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭的輕質(zhì)化，并且具有較大的容納空間和離軸角。但是鋼絲繩傳動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)也有其自身的不足，由于鋼絲繩傳動(dòng)固有的橫向振動(dòng)特性，在短距離傳動(dòng)中表現(xiàn)不明顯，但是在長距離傳動(dòng)中，必須考慮鋼絲繩的橫向振動(dòng)和傳動(dòng)的平穩(wěn)性。鋼絲繩的這些特性也使得導(dǎo)引頭成為一個(gè)多耦合運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，使控制對(duì)象復(fù)雜化，增加了控制難度，影響了導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)的系統(tǒng)性能。

圖8 鋼絲繩傳動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)

2.3 捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)

捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)是隨著慣性技術(shù)、高速信息處理技術(shù)以及高精度控制技術(shù)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)導(dǎo)引頭朝著小型化、輕質(zhì)化和智能化的方向發(fā)展而興起的一種導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)方式。采用捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)方式，其慣性測量元件與彈體捷聯(lián)，并提供彈體的角速度信息，高速信息處理器通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)解算過程將垂直于視線和對(duì)準(zhǔn)于框架軸的那部分彈體運(yùn)動(dòng)分離出來，并將相關(guān)信息反饋入框架控制環(huán)，控制導(dǎo)引頭視線軸向擾動(dòng)的反向運(yùn)動(dòng)，從而抵消或減小彈體運(yùn)動(dòng)耦合到框架上的運(yùn)動(dòng)［6］。捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)可有效減小導(dǎo)引頭體積，簡化結(jié)構(gòu)，降低研制成本，用同一個(gè)慣性器件既可以用于平臺(tái)的穩(wěn)定，又可為飛行控制系統(tǒng)提供彈體角速度信息，從而可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)與駕駛儀平臺(tái)的一體化設(shè)計(jì)。但是捷聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)對(duì)高速信息處理技術(shù)，高精度角位置傳感器和先進(jìn)控制技術(shù)提出了更高的要求。

3 結(jié)束語

對(duì)于導(dǎo)彈系統(tǒng)來說，采用哪種穩(wěn)定平臺(tái)方式是由多種因素決定的，包括期望的總體性能指標(biāo)、載體的質(zhì)量、外形限制等，不同的穩(wěn)定方案和結(jié)構(gòu)方式得到的穩(wěn)定精度也有明顯的差異。未來導(dǎo)引頭朝著多模復(fù)合制導(dǎo)和模塊化多功能制導(dǎo)的趨勢發(fā)展，這對(duì)導(dǎo)引頭的材料、傳感器、傳動(dòng)系統(tǒng)以及穩(wěn)定平臺(tái)都提出了較高的要求。特別是導(dǎo)引頭的穩(wěn)定平臺(tái)，其占據(jù)了導(dǎo)引頭40%～70%的質(zhì)量和30%～50%的空間。隨著導(dǎo)引頭小型化、輕質(zhì)化和智能化的發(fā)展需要，導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)也朝著小型化、輕質(zhì)化和集成化的方向發(fā)展，這需要相關(guān)研究人員探索新型的穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式，合理地分配導(dǎo)引頭內(nèi)的有限空間。

［1］ 張文博.導(dǎo)引頭伺服機(jī)構(gòu)工作特性與先進(jìn)測控方法研究［D］.長沙:國防科技大學(xué)，2009.

［2］ 皮存宇.捷聯(lián)式天線平臺(tái)的穩(wěn)定性研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

［3］ 韓祖南.國外著名導(dǎo)彈解析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2013.

［4］ 羅護(hù).基于精密繩傳動(dòng)的導(dǎo)引頭機(jī)構(gòu)若干問題研究［D］.長沙:國防科技大學(xué)，2008.

［5］ Thomas W.Bastian.Fullerton Dual cable drive rolling arc gimbal［P］.United State Patent:4392140，1983 －06 －12.

［6］ 周瑞青.捷聯(lián)導(dǎo)引頭穩(wěn)定與跟蹤技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

(責(zé)任編輯楊繼森)