導(dǎo)彈引論-第四章4.1～4.2

西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院飛行器概論學(xué)習(xí)目的：1）了解制導(dǎo)系統(tǒng)的基本工作原理；2）介紹幾種常見的制導(dǎo)系統(tǒng)；3）介紹幾種常用的敏感裝置；4）介紹執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理。第四章制導(dǎo)系統(tǒng)第四章制導(dǎo)系統(tǒng)§4.1概述

§4.2自主制導(dǎo)系統(tǒng)§4.3遙控制導(dǎo)系統(tǒng)§4.4自動尋的制導(dǎo)系統(tǒng)§4.5單通道控制原理§4.6舵機(jī)1.制導(dǎo)系統(tǒng)的任務(wù)

制導(dǎo)系統(tǒng)是以導(dǎo)彈為控制對象的一種自動控制系統(tǒng)，它是導(dǎo)彈的核心部分。制導(dǎo)系統(tǒng)的任務(wù)：根據(jù)導(dǎo)彈預(yù)先規(guī)定的彈道或根據(jù)目標(biāo)的運動情況，隨時修正導(dǎo)彈的彈道，以便使導(dǎo)彈最終擊中目標(biāo)。

§4.1

概述2.制導(dǎo)系統(tǒng)的組成

§4.1

概述導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)是導(dǎo)引系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的總稱。導(dǎo)引系統(tǒng)的任務(wù)是確定目標(biāo)和導(dǎo)彈的相對位置并進(jìn)一步確定導(dǎo)彈的飛行規(guī)律；控制系統(tǒng)的任務(wù)是迅速而準(zhǔn)確地執(zhí)行導(dǎo)引系統(tǒng)發(fā)出的導(dǎo)引指令，控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的另一項重要任務(wù)是保證導(dǎo)彈沿理想的軌跡穩(wěn)定地飛行。所以控制系統(tǒng)也常稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。2.制導(dǎo)系統(tǒng)的組成

§4.1

概述組成：導(dǎo)引控制通過觀測裝置測量導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的相互關(guān)系形成相應(yīng)指令穩(wěn)定導(dǎo)彈運動姿態(tài)角，使導(dǎo)彈保持所需姿態(tài)角§4.1

概述自主制導(dǎo)遙控制導(dǎo)自動尋的制導(dǎo)復(fù)合制導(dǎo)制導(dǎo)系統(tǒng)§4.1

概述3.制導(dǎo)系統(tǒng)的分類

慣性制導(dǎo)天文制導(dǎo)方案制導(dǎo)地圖匹配制導(dǎo)自主制導(dǎo)系統(tǒng)§4.1

概述3.制導(dǎo)系統(tǒng)的分類

指令制導(dǎo)雷達(dá)、激光波束制導(dǎo)無線電制導(dǎo)全球衛(wèi)星制導(dǎo)遙控制導(dǎo)系統(tǒng)§4.1

概述3.制導(dǎo)系統(tǒng)的分類

主動式－雷達(dá)、聲學(xué)半主動式－雷達(dá)、激光被動式－雷達(dá)、紅外自尋的制導(dǎo)系統(tǒng)§4.1

概述3.制導(dǎo)系統(tǒng)的分類

自主＋自動尋的系統(tǒng)自主＋遙控制導(dǎo)系統(tǒng)遙控＋自動尋的系統(tǒng)自主＋遙控＋自尋的系統(tǒng)復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)§4.1

概述3.制導(dǎo)系統(tǒng)的分類

原理：按照發(fā)射前預(yù)先規(guī)定的彈道程序或外界固定的參考點作為基準(zhǔn)將導(dǎo)彈自動地導(dǎo)向目標(biāo)。這個程序是由導(dǎo)彈的運動學(xué)參數(shù)（速度、射程、高度）與時間參數(shù)的一組固定關(guān)系組成，如方案制導(dǎo)。外界固定參考點可以利用衛(wèi)星、星球、地理條件等，如天文導(dǎo)航系統(tǒng)。優(yōu)缺點：隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)。導(dǎo)彈一旦發(fā)射后，就不能再改變其預(yù)定的航跡，命中目標(biāo)的精度完全取決于彈內(nèi)設(shè)備。應(yīng)用：只能用于對付固定目標(biāo)或已知其飛行軌跡的目標(biāo)。如彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈和某些戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的初始飛行段?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)1.測量、敏感裝置（1）陀螺儀陀螺儀是敏感角運動的一種裝置，它的基本原理是剛體轉(zhuǎn)動的力學(xué)原理。一般來說質(zhì)量軸對稱分布的剛體當(dāng)它繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)時，都可以稱為陀螺。陀螺自轉(zhuǎn)的軸叫陀螺的主軸或轉(zhuǎn)子軸?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)1.測量、敏感裝置（1）陀螺儀把陀螺轉(zhuǎn)子裝在一組框架上，使其有兩個或三個自由度，這種裝置就稱為陀螺儀?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)1.測量、敏感裝置陀螺儀的基本特性：定軸性定軸性：指高速旋轉(zhuǎn)的陀螺能使轉(zhuǎn)軸在慣性空間保持恒定的方向。利用這一特性可以在導(dǎo)彈上建立一個慣性坐標(biāo)系。定軸性的條件：沒有外力矩。陀螺的漂移：由于不可能完全沒有外力矩或由于加工的不對稱性，故存在緩慢進(jìn)動，因此形成陀螺儀的漂移。減小漂移可采用增大轉(zhuǎn)動慣量和減小阻尼的方法。

§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)1.測量、敏感裝置§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)陀螺儀的基本特性：進(jìn)動性當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子繞主軸高速旋轉(zhuǎn)時，若其受到與轉(zhuǎn)子軸垂直的外力矩作用，則轉(zhuǎn)子軸并不按外力矩的方向轉(zhuǎn)動，而是繞垂直于外力矩的第三個正交軸轉(zhuǎn)動，陀螺儀的動量矩相對于慣性空間轉(zhuǎn)動的特性稱為陀螺儀的進(jìn)動性。

1.測量、敏感裝置（1）陀螺儀我們把陀螺儀繞著與外力矩矢量垂直方向的轉(zhuǎn)動叫作進(jìn)動，其轉(zhuǎn)動角速度叫作進(jìn)動角速度。進(jìn)動角速度的大小為式中：M－加到陀螺上的外力矩；H—陀螺儀的動量矩。式中：I—陀螺轉(zhuǎn)子繞其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；—陀螺轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)角速度?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)1.測量、敏感裝置（1）陀螺儀陀螺儀的進(jìn)動，其根本原因是轉(zhuǎn)子受外力矩的作用，外力矩作用于陀螺儀的瞬間，它就出現(xiàn)進(jìn)動，外力矩除去的瞬間，它就立即停止進(jìn)動；外力矩的大小、方向改變，進(jìn)動角速度的大小、方向也立即發(fā)生相應(yīng)的改變，也就是說，陀螺儀的進(jìn)動是沒有慣性的。

§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)1.測量、敏感裝置陀螺反力矩。當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子以的角速度旋轉(zhuǎn)時，如果陀螺儀的主軸以某個角速度偏移原來位置(見圖4.2)，就產(chǎn)生一個陀螺力矩，其向量關(guān)系為式中：H—轉(zhuǎn)子的動量矩；

I—轉(zhuǎn)子繞其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；

—轉(zhuǎn)子的角速度；

—與H向量的夾角。

§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)1.測量、敏感裝置陀螺儀種類：液浮陀螺；氣浮陀螺；撓性陀螺；靜電陀螺；激光陀螺；半球式固體波陀螺等?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)(2)測量敏感裝置之一（定位陀螺儀）定位陀螺儀有三個自由度，其基本功能是敏感角位移。根據(jù)定位陀螺儀在導(dǎo)彈上安裝方式的不同，可分為垂直陀螺儀和方向陀螺儀。垂直陀螺儀：功能是測量彈體的俯仰角和滾動角；方向陀螺儀：功能是測量彈體的俯仰角和偏航角；如果要同時測量俯仰角、滾轉(zhuǎn)角與偏航角，則必須有兩個主軸相互垂直的定位陀螺儀。

§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)(2)測量敏感裝置之一（定位陀螺儀）

定位陀螺儀：測量俯仰角和滾動角。安裝方向：飛行方向。滾轉(zhuǎn)電位計：測量彈體的滾動角，底座固定在陀螺儀的外環(huán)3上，指針連接在內(nèi)環(huán)4上；俯仰電位計：測量彈體的俯仰角，底座固定在導(dǎo)彈彈體上，指針連接在外環(huán)軸上。(3)測量敏感裝置之二（速率陀螺儀）

速率陀螺有兩個自由度，用來測量導(dǎo)彈繞某一坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動角速度。如圖：x軸—導(dǎo)彈飛行方向

§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)原理：強(qiáng)迫繞y軸進(jìn)動

形成陀螺反力矩Mg§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)動角速度an與導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)動角速度成正比，結(jié)果電位計的輸出端出現(xiàn)與角速度成比例的電壓。(3)測量敏感裝置之二（速率陀螺儀）(4)測量敏感裝置之三（積分陀螺儀）

在速率陀螺儀中去掉恢復(fù)彈簧，增設(shè)阻尼器和角度傳感器而構(gòu)成。與速率陀螺儀相比，它只缺少彈性元件，而阻尼器起了主要作用。實際中應(yīng)用的測速積分陀螺儀都是液浮式結(jié)構(gòu)。陀螺轉(zhuǎn)子裝在浮筒內(nèi)，浮筒被殼體支承，浮筒與殼體間充有浮液，浮筒受的浮力與其重量相等?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)陀螺反力矩懸浮液的粘性對浮筒產(chǎn)生的阻尼力矩—浮筒的進(jìn)動角速度Kz—阻尼系數(shù)當(dāng)，陀螺處于平衡狀態(tài)，故有積分得由上式可以看出，陀螺儀的轉(zhuǎn)動角速度an與轉(zhuǎn)動角速度的積分成比例，故稱為積分陀螺儀?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)(4)測量敏感裝置之三（積分陀螺儀）(5)測量敏感裝置之四（加速度計）加速度計是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中的重要慣性敏感元件之一，它輸出與運動載體的運動加速度成比例的信號。在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，它可測得導(dǎo)彈的切向加速度，經(jīng)過兩次積分，便可確定導(dǎo)彈的飛行路程。

§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)原理：彈簧恢復(fù)力與慣性力平衡。彈簧恢復(fù)力K——彈簧的剛度系數(shù)慣性力式中的K和m是已知的，因而只要測出△S，就可以測出導(dǎo)彈的加速度。§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)(5)測量敏感裝置之四（加速度計）(6)測量敏感裝置之五（飛行高度表）

氣壓式高度表：利用真空式氣壓盒體積隨外壓變化的特性。因此，氣壓式高度表測量的是絕對高度，也就是距離海平面的高度。脈沖式無線電高度表：§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)2.慣性制導(dǎo)系統(tǒng)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)利用安裝在慣性平臺上的3個加速度計測出導(dǎo)彈運動的加速度，由計算機(jī)對時間進(jìn)行一次和二次積分，得到導(dǎo)彈沿三個方向的速度和距離，從而能連續(xù)地給出導(dǎo)彈的空間位置。加速度計測出在3個軸向的加速度，積分得出速度和坐標(biāo)。加速度計裝在陀螺穩(wěn)定平臺上，以保證其指向?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)2.慣性制導(dǎo)系統(tǒng)§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)陀螺穩(wěn)定平臺工作原理圖

2.慣性制導(dǎo)系統(tǒng)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)依照系統(tǒng)中有無陀螺穩(wěn)定平臺可分為平臺式和捷聯(lián)式兩大類。陀螺穩(wěn)定平臺提供一個在空間穩(wěn)定不變的測量基準(zhǔn)。捷聯(lián)式系統(tǒng)中的加速度計和陀螺直接和飛行器的殼體相連接，它測量彈體軸方向的加速度和彈體轉(zhuǎn)動的角速度及角度，通過計算機(jī)的計算，可換算成導(dǎo)航坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)2.慣性制導(dǎo)系統(tǒng)§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)工作過程方框圖3.方案制導(dǎo)系統(tǒng)原理：控制導(dǎo)彈的某一個或幾個飛行參數(shù)在飛行中按預(yù)定的方案實現(xiàn)。應(yīng)用：巡航導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈的主動段、防空導(dǎo)彈的初始飛行段。彈道導(dǎo)彈的主動段常采用彈體俯仰角的方案控制。如右圖示。§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)3.方案制導(dǎo)系統(tǒng)

巡航導(dǎo)彈的方案飛行彈道基本上由兩段組成：爬升段和平飛段。方案飛行彈道如下圖所示?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)3.方案制導(dǎo)系統(tǒng)§4.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)俯仰通道的制導(dǎo)系統(tǒng)方塊圖4.地圖匹配制導(dǎo)系統(tǒng)

地圖匹配制導(dǎo)系統(tǒng)是近年來由計算機(jī)技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種自主式制導(dǎo)系統(tǒng)。它是利用圖形識別技術(shù)來導(dǎo)引導(dǎo)彈的。原理：利用某一已知地區(qū)的地形特征作為標(biāo)志，根據(jù)導(dǎo)彈當(dāng)時彈道下的實測地形特征和預(yù)定彈道下的地形特征相比較，來校正導(dǎo)彈的彈道，使導(dǎo)彈準(zhǔn)確地按預(yù)定路線導(dǎo)向目標(biāo)?！?.2

自主制導(dǎo)系統(tǒng)4.地圖匹配制導(dǎo)系統(tǒng)

需要有一幅數(shù)字地圖，如右圖示。不能用于沒有地形差別的海平面和平原地區(qū)。