最早的导弹没有卫星,靠什么定位?
最早的导弹无非是德国的V-1和V2,以及后来苏联的R-1和美国的红石,除了V-1外,其余的都是弹道导弹,那个年代也没有卫星,它们根本就没有“定位”这个概念,只有“制导”概念。
其中弹道导弹们依靠的是惯性制导的方式,其实这个做法在今天依然被弹道导弹和大型运载火箭采用,卫星定位在其中只是起到辅助。这是一种从冯布劳恩的V-2飞弹上发展过来的技术。
当然了,今天的“惯性制导”与过去的惯性制导也有差别,过去的惯性制导需要大量的弹道测算,真正影响导弹制导的恰恰是这些计算能力。但直到第一台真正的电子管计算机“艾尼阿克”出现之前,人们只能用机械计算机和人工的方式测算弹道。
今天的惯性制导直接采用了电子测量装置、自动驾驶仪、导弹计算机和地面大型计算机控制,卫星定位系统一般只是给出参考数据,比如目标点的空间位置、加速度、大气层外二次点火后坐标参数、轨道再入后的定位信息等等,这些东西被反馈回来,交由大型机快速测算,再通过导弹计算机进行控制修正,最后进入末端攻击阶段。
说直白点,弹道导弹不需要卫星定位也能放,它就是个按照抛物线弹道,用火箭打出去的大炮弹,在发射前准备好参数的复杂计算就够了。卫星定位能增强它的效率和性能,却无法决定它的制导模式。
V-2火箭的末端控制靠的是无线电指令机械掐断燃料供应,使火箭在要求的速度下按要求的高度和实际进行抛物线下落攻击,当年V-2导弹发射一次需要几十人乃至上百人的计算团队忙碌好几天。
不过这个活计德国人并不陌生,二战时古斯塔夫巨炮的发射弹道与V-2火箭的没多大差别,主要区别在于V-2的制导有一套严格的机械操作,需要按照提前量测算,比如发动机停机的时机,失之毫厘谬以千里。对现代的弹道导弹来说都是个决定性的问题,发动机停车的0.1秒误差可能就让导弹跑几百上千米外去了。
现代弹道导弹剥掉高新科技的外皮,内在核心仍然是惯性制导的这一套。所以弹道导弹想要好的命中目标,需要平时很多的积累。比如导弹的点火试车试验和训练、型号平均数据的统计和规整,甚至还涉及到国家气象、地理、天文方面的积累。例如我们通常理解的地球是圆形,但天文绘制的地球形状是个“梨子形”,且因为地面固体潮因素,构成了整体上的不断变化。引力、重力加速度等很多真实条件是高于完美物理模型的,这些调查搜集并计算好,便无法增加弹道导弹的命中率,单纯靠卫星定位可不行。
像二战时V-2飞弹之所以命中率那么低,一方面是当时的机械和设计能力不达标,一方面是计算能力太差。但还有一方面则是受科学条件所限,第三帝国根本无法调查并整合测算太过细腻的相关物理信息。
所以,童鞋们可以看到,世界各个拥有弹道导弹的大国,都会让一堆测算船拖着各种测量仪器满世界的跑,为的就是搜集各种数据。而这些活动小国根本玩不起,他们顶多像两伊战争那样拿500公里的飞毛腿改型乱炸,你就是送枚“民兵3”给他们,他们也没能耐打准,有卫星定位也不行。
V-1这种巡航导弹鼻祖其实走的也是“惯性制导”的方向,同样也是陀螺仪稳定,磁罗盘测定方位。不过它的控制器是个时钟,也就是说,地面人员先测算好它的飞行距离,然后通过气压表让它在路程走完的时候飞到定高,然后关闭发动机做弹道下坠。设计人员专门给V-1的尾翼做了个失速舵,这东西一开,像个小飞机的V-1飞弹就会进入失速尾旋,以最小的角度栽向地面。
不必惊讶,早期飞弹就是如此不靠谱,要不为什么V-1会被V-2替代了呢?直到70年代,巡航导弹使用的仍然是惯性制导技术,不过这时候加入了“地形匹配”进行辅助制导,使得巡航导弹真正产生了革命。
所谓“地形匹配”其实很简单,就是为导弹的制导系统添加一个“地图”,这样巡航导弹便能通过人为编制的坐标点进行飞行和航迹修正,极大的提升了导弹的精度。但这种制导方式有个问题,它的数据量很大,所以距离越远,越挑战导弹的存储能力和计算能力,必须与惯性制导结合。
我们所谓的巡航导弹卫星定位,便产生在这个数字地图和飞行路线的侦察、定位、测算中。但巡航导弹一般只是录入这些卫星信息再进行攻击,不像后世那样可以保持数据连接和不间断全球卫星定位修正。它们采用的也只不过是一段卫星侦察数据罢了,算不得真正的卫星定位。所以这东西有个不认路的大毛病,它只能通过卫星侦察数据来寻找参照物,要是图像变成茫茫大海或者一马平川,这些地形匹配能力立马抓瞎。
所以童鞋么明白了吗?
最早的导弹没有卫星,靠什么定位?
这个问题老梁来回答。
导弹?这鼻祖咱还的追到德国人这里。当年德国瞅着搁着一条英吉利海峡的英国人,特别的来气。
“你过来呀!”这充满了挑衅的话,让德国人知道想要让英国人低头,喊话是不可能了,毕竟英国人还想让德国人过去掰手腕呢?
德国人倒是想把这个号称日不落帝国的家伙,轰到大西洋里头喂鲨鱼,但也仅仅是想想,英吉利海峡隔绝了德国人的想法。
海军?扯淡!德国人向来就不以海军见长。
所以德国人就用他们手里的轰炸机,没事就往英伦三岛丢炸弹。
当然这么丢,丢的有点疲惫了,他们就想有没有一种大炮,一炮打过去就能打到英国地盘,这会省下很多的飞机,去炸别的地方。
于是绑在火箭上的炸弹就出现了,火箭的目的是把炸弹送过去,炸弹的目的是去炸英国人,当然这玩意要是能自动识别目标那是最好不过了。
于是导弹就出现了,这就是德国人著名的V1,V2导弹。
一家伙就把人类武器炸出了个新时代。
于是在二战后期就出现很多德国黑科技,什么地空导弹,反坦克导弹,空空导弹等等,而且这帮狠犊子都是来自于一个叫冯.布劳恩的家伙,后来这人被美国作为战利品给瓜分到了美国,为美国人服务。
那么在这里咱就会出现一个像题主一样的疑问,这V1和V2作为弹道导弹的鼻祖,他们是怎么导航的?这么大距离,您还没有卫星啊,咋整?这家伙不可能里边蹲着一个人,像开飞机那样开过去,这不着调的事除了日本人,这家伙没人会这么干,毕竟死的太没有价值了。
这导航?而且是大距离的导航,那有呢?最好是现成的,您再整一个这太慢了。
他们就想到了陀螺仪,这玩意就是导航用的。它要是转起来,中间的那根轴永远指的是一个方向,有那么个指南针的意思在里边。
导航吗?可不就是指方向的吗?所以德国人就把这陀螺仪移植到了V2的身上,为导弹导航。
当然他不是直接就整上去的,这配合了很多仪器,最终成型的咱就叫他惯性制导,毕竟这陀螺仪转起来是依靠惯性的。
所以这惯性制导的核心部件就是陀螺仪,就这陀螺仪,说明白一点就是一机械陀螺而已,这和卫星不卫星的压根就没有关系,所以能用。
但这惯性导航有一个问题要解决,他必须解决俺在那的问题。因为他知道北在那,他没有智能,不知道自己在那。
所以要完成导航的第一步,你的告诉炸弹自己在那,这很重要,确定了自己的位置,然后告诉目标在那?
听着挺绕口的,没法子只能这么解释,这俩在那的问题解决了,这导航就可以自动工作了。
所以那会的导航比较笨,完全是依靠机械来完成,有那么个上发条的意思在里边,但这机械转一圈哪怕差那么0.0001的东西,时间一长,这么积累下来的误差可就大了。
所以那会的V2导弹,只能做到打过去,至于打到哪个位置,就看老天爷的面子了,精度差的要命。
毕竟,这路上什么风力,什么湿度,什么地球自转啥的,这多少都会影响这惯性制导的发挥。
那么这惯性制导难道就只有差评,被淘汰的命运吗?您想多了,就算是现在的弹道导弹用的依然是陀螺仪,也就是惯性制导,压根就不会用什么GPS的。
为嘛呢?这大多数国家就防着鸡贼一样的美国人背后下绊子,用陀螺仪,这相当于是一个完全封闭信息的小天地,不会遭遇啥干扰,打出去之后就玩命的向着目标狂奔,这要是让GPS制导,这鬼才知道,这家伙搁那飞。
所以伊朗有了自己的弹道导弹,美国表示很生气,因为他们没法控制这恐怖大杀器,您别说美国人无法控制,就是伊朗这位打出去弹道导弹的家伙,都不知道这家伙要往哪里落,因为精度确实是个问题。
但这精度在核弹面前,这就不是任何问题。
当然,惯性制导这都发展了多少年了,肯定要比他们的老祖宗V2里边那个要好很多,至少计算机这东西是有的,稍微的自我控制一下还是能够做到的。
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最早的导弹没有卫星,靠什么定位?
二战期间德国为了跨越英吉利海峡轰炸英国本土城市,集中力量开发了V1飞航式导弹和V2式弹道导弹,这两种导弹也是日后各类型导弹的鼻祖。
在这种导弹的全程飞行中,德国人并不是通过无线电方式进行全程地面指挥引导,而实际上都是导弹自身自主飞行的,只不过发射前提前设定了目标参数,之后就不再管了。导弹这种自我引导能力其实就是当时的导航技术——惯性导航,俗称惯导。
惯导导航的基础就是各类型的陀螺仪(机械式、激光式、光纤式),二战时期的陀螺仪一般都是机械式的,在飞行过程中可以实时测量弹体的飞行方向角度、各个分量上的速度值、加速度值、角速度值等,从而完整的测量弹体空中飞行的运动参数,在此基础上,从发射点开始依靠计时器的作用,就可以进行机械式的积分运算,从而构建出弹体飞行轨迹了,依靠这种轨迹的绘制,就可以实时的控制导弹飞向指定目标。
从这种惯导原理来看就能发现这种导航方式固有的缺点:
1、需要精确测量发射点的坐标位置——这是惯导实时导航的基础,计算的原点位置,所以V1/2两种导弹一般采用发射场定点发射方式,无法装载军舰上或者飞机上进行机动式发射,那样就会影响导航精度。
2、飞行过程中需要不断的进行误差修正——机械式积分运算,随着时间的推移,误差一直在被累积放大,一旦射程过远,就会影响射击精度。
在二战时期,由于没有远程雷达,弹载雷达或者星光制导、卫星制导等技术的介入,德国人的这两款导弹射击到300km之外的目标,一般准头都比较差,实战中打的都是概率,而不是精度。
当然,这款导弹如果配置核弹头,那么精度差点也就无所谓了,可是二战德国并未完全掌握核技术。
这个问题呢就回答到这里吧。
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答案很简单:压根没有定位。
第一代弹道导弹(Ballistic Missile)V2压根不需要借助任何外部信号进行定位,通过实现在导弹内装订好抛物线轨迹,直接靠自身携带的惯性测量单元,即陀螺仪,加速度计等机构,将参数输入到模拟计算机进行误差修正,所有的控制调整都是自封闭的,不需要外界提供任何反馈,所以是完全开环的。加上那时候纯机械式的惯性测量单元和模拟计算机的精度实在感人,导弹只能是打到哪算哪。第一代的巡航导弹(Cruise Missile)V1也差不了多少,只不过它不走抛物线弹道,而是在高空用弹翼产生升力,巡航飞行。这货也仅有机械式的惯性制导系统,跟V2一样,所以除了起飞重量飞行速度和弹道模式不一样,精度和杀伤率都是令人发指的低。这两种导弹只能用来实施战略恐吓,向人口稠密区发射,给盟军平民造成一点恐慌。实际战果寥寥,甚至平均下来一发导弹都炸不死一个平民。
V2火箭
V1火箭
到了冷战时期,弹道导弹有了长足的进步。首先是惯性测量单元的精度大大提升了。这时候机械加工精度又了长足进步,而且在材料上不再选用廉价的钢铁,铝或是钛,而是采用一种比较稀有的金属:铍。由于陀螺仪里高速旋转的转子会产生大量的热,良好的导热性能可使热量在陀螺上均匀分布,从而降低陀螺的内部应力,小的热胀系数则可以进一步减小陀螺的形变。铍的热导率为不锈钢的8.21倍,热胀系数只有镁的44.1%,是所有金属里最适合做陀螺仪的。美国于50年代苦于大力神和民兵导弹的铝陀螺仪型变量较大,导致精度降低的问题,率先研发出了使用铍的“先进惯性参考球”(Advanced Inertial Reference Sphere,AIRS)。这个球体被放置在一个密闭空间中,用氟利昂将其浮起,以隔绝外界冲击力。此外也有气体悬浮和静电悬浮的版本,B-52携带的就是一台静电悬浮的陀螺仪,每小时的漂移仅有70多米,也就是说B-52哪怕飞上1个小时,只要事先规定好航迹严格按照它来飞,不借助任何外部导航设备的情况下,飞到一个点目标头顶上也没有任何问题。
和平卫士洲际导弹的陀螺仪,漂移只有1.5×10−5 °/h
除了陀螺仪之外,战后出现的另一大制导技术星光导航,也极大提高了导弹的精度。星光导航使弹道导弹的制导从开环变成了闭环,可以参考特定星光的位置来确定当前所处的位置,从而使系统获得一个来自外部的参数。这种导航方式源于古老的航海技术。古代人要想确认方向和自己处在的位置,需要使用六分仪来测定特定星体与自己的角度,通过三角函数算出当前船只大致的位置。这个简单的方式被洲际导弹沿用,在没有GPS的年代,洲际导弹使用星光导航和惯性制导,便可以获得很高的精度。该技术由美国于50年代启动研发,在65年11月最先在北极星导弹上进行测试,并获得了成功。古老的航海技术,在最尖端科技上得到了沿用
比如1986年服役的和平卫士洲际导弹,搭载了铍制的液浮陀螺仪,加上星光导航,可以获得仅90米的圆周概率误差(Circle Error Propotion CEP),比50年代服役的第一款“大力神”洲际导弹的1400m圆周概率误差,缩小了快2个数量级。对于一款搭载核弹头的战略导弹而言,这个精度恐怕是点高的过头了。
和平卫士陆基洲际导弹
到了今天,弹道导弹不光有星光、惯性制导,还有卫星制导系统,这还不够,为了保证末端命中精度达到米级,还使用末端光学/雷达修正,洲际导弹打出巡航导弹的精度,不再是梦。
我国的反航母弹道导弹测试
最早的导弹没有卫星,靠什么定位?
导弹本身是不需要定位的,只有核弹头才安装定位芯片,且目的不是用来攻击,而是方便管理。欢迎关注兵器知识谱,关注原创回答,分享原创知识。相信题主所提的问题应该不是想要了解导弹的定位,而是关于弹道导弹的制导问题吧,早期的弹道导弹确实没有可提供导航、定位和制导服务的卫星,但是卫星制导只是弹道导弹制导系统组成部分之一,不论是以前还是现在,卫星制导不会成为弹道导弹唯一的导航手段,即使将来也不会取代其他导航和定位手段。
在卫星发明之前或者说卫星技术被应用于弹道导弹制导之前,导弹和火箭都使用陀螺仪惯性制导。惯性制导的原理是利用惯性测量装置测出导弹的运动参数,形成制导指令,通过控制发动机推力的方向、大小和作用时间,把导弹自动引导到目标区。惯性制导是以自主方式工作的,不与外界发生联系,所以抗干扰性强和隐蔽性好。早期弹道导弹的主要制导手段为机械陀螺仪、压电陀螺仪惯性制导,比如世界上第一种洲际弹道导弹——苏联SS-6弹道导弹就是使用压电陀螺仪惯性制导;现代弹道导弹则采用抗干扰能力更强、制导更准确、价格相对低廉的激光陀螺仪制导,比如我国在过去大阅兵上亮相的东风-41洲际弹道导弹。惯性制导系统同时也应用于大型客机的飞行导航,即使在卫星制导和定位技术十分成熟的今天,惯性制导依旧是大型飞行器的主要制导手段。下图为美国“民兵-III”洲际弹道导弹内惯性制导系统中的核心部件——陀螺仪。
惯性制导系统的核心部件是陀螺仪惯性制导系统通常由惯性测量装置、计算机、自动驾驶仪等组成。惯性测量装置包括测量角运动参数的陀螺仪和测量平移运动加速度的加速度计,其中陀螺仪是惯性制导系统的核心部件。计算机对所测得的数据进行运算,获得运动物体的速度和位置。对于飞机和船舶来说,这些数据送到控制显示器显示,然后由领航员或驾驶员下达控制指令,操纵飞机、船舶航行;或由自动驾驶仪引导到达目标。航天器和导弹的计算机所发出的控制指令,则直接送到执行机构控制其姿态,或者控制发动机推力的方向、大小和作用时间,将航天器引导到规定的轨道上,将导弹引导到目标区内。下图为东风-41洲际弹道导弹惯性制导系统所使用的激光陀螺仪。
我们重点来了解陀螺仪这个核心部件,陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。相信有部分读者小时候都玩过陀螺吧,当我们用鞭子抽在陀螺上时它会以非常高的速度围绕陀心旋转,它的原理就是陀螺的旋进,又称为回转效应,即:在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下,陀螺会在不停自转的同时,环绕着另一个固定的转轴不停地旋转的现象。人们利用陀螺这一力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪,世界上第一枚弹道导弹是纳粹德国发明的V-2导弹,该型导弹的制导原理就是陀螺仪制导,但是当时没有计算机技术,陀螺仪制导精度非常差,导致V-2导弹的圆周概率误差达2000米!下图为V-2导弹使用的机械陀螺仪。
现代导弹和火箭中的惯性制导系统是包括卫星定位制导在内的新型制导手段所不能取代的包括卫星定位制导在内的新型制导技术永远都不会取代惯性制导系统,原因主要有两个:第一、抗干扰性、第二、局限性。下面我们从“抗干扰性”开始进行逐一进行分析:我们平时用手机打开电子地图后就能知道自己和别人的所在位置,这是因为手机通过无线电接收到卫星定位系统的导航和定位信号,卫星导航和定位是非常准确且方便的,因此军事领域上也广泛应用这一技术。但是它的缺点恰恰就表现在它的优点上,那就是非常容易被干扰,比如手机信号不好或者收不到信号时我们就无法在使用电子地图进行导航和定位了;而军事上一旦己方遭到强电磁干扰或者卫星遭到打击后同样无法再使用卫星进行导航和定位。下图为我国“北斗”卫星定位系统示意图,整个系统由40~50颗卫星组成。
局限性则表现在导航和定位的范围上,我们所使用的卫星导航定位系统只覆盖于地球表面,也就是说一旦飞行器离开了地球表面以后卫星就不再具备任何导航和定位功能。使用弹道导弹实施攻击时需要导弹的火箭发动机将导弹运送至太空近地轨道,箭弹分离后导弹将在近地轨道上运行并根据导航参数进行变轨,待导弹姿态调整准确以后开始重返大气层进入末端攻击阶段。在这个过程中导弹始终处于卫星导航定位的覆盖范围之外,因此只能使用惯性制导系统进行指导,而重返大气层之后的导弹由于运行速度高达8~10倍音速,且在与大气摩擦中产生高温引发热障,导弹将无法去外界取得联系,即使导弹返回到被卫星导航定位覆盖的区域时也无法接受到导航信号,因此卫星导航定位系统对弹道导弹的制导意义并不大。另外运载火箭更是无法使用卫星进行制导,因为运载火箭是向外太空投送载荷的,卫星同样无法为其提供导航服务,所以说惯性制导系统是无法被取代的。下图为我国某型弹道导弹的飞行弹道示意图,弹道导弹发射后是无法使用卫星进行制导定位的。
综上所述,不管是最早的老式弹道导弹还是现代先进的弹道导弹所使用的制导手段都是一样的,区别在于制导精度,仅此而已。陀螺最早出现于我国,距今至少有四、五千年的历史(山西夏县新石器时代的遗址中就曾出土过石制的陀螺玩具),而最早的陀螺仪也是出现在我国,比如“竹蜻蜓”就是一种简易的陀螺仪。遗憾的是几千年来这种发现一直被爱好和平的我国人民被当做玩物,而几千年以后却被西方国家应用到飞行器的制导做成先进武器。陀螺仪导航原理最先于1850年被法国物理学家莱昂·傅科发现,当他在研究地球自转时发现高速转动中地的转子具有惯性,它的旋转轴永远指向一个固定的方向,至此陀螺仪开始问世。87年后的1937年,陀螺仪被火箭先驱沃纳·冯·布劳恩运用到V-2弹道导弹的制导上。以陀螺仪为核心的惯性制导技术则一直沿用至今,在可预见的将来也会继续使用,而卫星导航定位系统对于弹道导弹而言就是一个以“打酱油”的尴尬形式存在着,以前是没有它,而现在是不用它,将来也不会得到重用。下图为网上热卖的玩具陀螺仪,有兴趣的读者可以买来把玩研究。
最早的导弹没有卫星,靠什么定位?
德国的V-2导弹就是最早的导弹,是弹道导弹和运载火箭的鼻祖,它是依靠什么来定位的呢?答案就是惯性制导系统,V-2导弹的导航制导设备舱里面装有非常经典的机械式陀螺仪系统。
V-2导弹的惯性制导系统并不复杂,主要由两个机械式陀螺仪,一个摆式加速度计和相关测量装置组成。
两个陀螺仪分别是一个水平陀螺仪和垂直陀螺仪,它们组成一对相互正交的空间坐标轴。两个机械陀螺仪利用一个高速旋转体来检测它自旋轴在惯性空间定向的变化,综合两个机械陀螺仪的变化,即可知道当前V-2导弹的发射方向、飞行姿态等情况。
摆式加速度计则用测算V-2导弹的加速度,可以知道当前V-2导弹的即时速度。整个惯性制导系统利用陀螺仪和加速度得出的数据,可以确定目前导弹的所有运动参数,并根据预先设好的指令对导弹进行控制修正,控制导弹在预定高度、方向、角度上进行转向,等到了预定目标上空,燃料供应器就会切断燃料,让V-2导弹失去动力垂直下落。
V-2导弹的惯性制导系统还是比较粗糙的,毕竟仅仅依靠陀螺仪和加速度计提供的惯导信息比较有限,精确度也比较低,最终把V-2导弹精确导向目标的成功率较低。事实也的确如此,V-2导弹的最大射程达320千米,但是命中精度只有8千米左右。
目前导弹的制导系统已经有很大的发展,使得导弹的打击精度大幅度提高。现代巡航导弹主流的制导方式是:飞行初段为惯性导航,飞行中段为惯性导航+地形匹配+卫星导航,飞行末段改为平台惯导+景象匹配导航。
例如美国的“战斧”对陆攻击巡航导弹最型改型的制导方式为惯性导航系统+地形匹配+数字景像匹配Ⅳ+全球定位系统+精确地形辅助导航(米级),射程达2500公里时,圆概率误差只有10米。
而现代弹道导弹虽然仍以惯性制导为主,但是加入了卫星制导、天文制导/星光制导等,通过这种复合制导方式,使得导弹在超远射程时仍能拥有很高的打击精度。例如美国的“三叉戟”IID5潜射战略导弹采用复合制导方式,在射程达11000公里时,打击误差只有90米。
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