2015年7月30日 星期四

飛彈問路,牧童遙指(1)--感測與導向

              飛彈問路,牧童遙指(1)--感測與導向
說來好笑,小時讀黃帝乘指南車破蚩尤迷砂陣故事的第一個印象是指南車上的指路仙人只指著南邊,那其它的方向黃帝怎麼分得出來?幸好後來看了指南針後才稍稍了解仙人只指南邊的路的意義。長大畢業接觸飛機後更見識到許多人類為了了解自己在哪,要到哪去,所發展出指南車以外的各式導航歸向方式。
導航歸向的手法五花八門,部份應用來幫助機船航行的就叫導航,然而並不是所有的導航方式都適用於不必回收再用的航空器,飛彈就是一例。本文就針對飛彈應用到的導向方式做些普科式的介紹,同時也藉由導向方式的分類入手讓千奇百怪的各型飛彈能各歸其位,讓大家認識各種指南車之餘也對眼花撩亂的各類飛彈的個性/或稱任務有一點洞見透視的能力。最起碼,希望大家看完這篇文章後會對報章雜誌常用到諸如半主動、主動雷達導引、紅外線導引、或是翻譯名詞中最古怪的反輻射飛彈有進一步的認識。
刺激--反應與感測-計算機-指令  其實飛彈的導向控制的基本流程與動物行為的刺激-反應的過程是一樣的,後者拿人來做比喻,我們拿到個燙手包子,然後急呼呼地要放回盤子裡,整個過程就是指尖的熱感測受體透過感覺神經到達反射中樞及大腦,後兩者此時決定要由眼睛看著盤子以運動神經帶動手將燙包子"護送"回盤子去。刺激-反應的動物行為模式以一地對空飛彈來類比,盤子相當於敵機,被火控雷達(眼睛)偵測到位置訊息後(感覺神經)由射控系(神經中樞)決定發射飛彈攔截(手到盤子);飛彈到達目標前行進的修正量藉由目標追蹤雷達(眼睛)持續提供經過射控修正運算的結果持續用無線電指揮(運動神經)彈體控制面直到命中為止,從硬體的觀點整個流程可化約成:感官à計算/決策à運動,請參看圖一,注意此時看圖的的你就是圖裡面的主角,在圖左的時候你化身成為目標追蹤雷達及射控系。飛彈之所以為飛彈,就在於它們具備這種自我不斷重覆的感測-修正的機能,也就是所謂的導向能力。









飛彈系統的感測方法  飛彈的基本要件是要有導向能力,而導向系統中最多采多姿、引人入勝的就是彈體控制器如何感應到目標的位置的部份了;人類為了要將各種不同目的及性能的飛彈成功導引到目的地而想出的各種千奇百怪的感測感應方法來。我們現在就來看看這些文明演進出來的偉大的技藝,至於感測到的訊息如何指揮彈體改變航向,那又是另一大門學問囉,在工程領域屬自動控制的範圍,若再加上穩定飛行的條件便是飛行控制工程了。
為了要使敘述條理分明,感測法少不得又得匡在一些分類當中:我們可以將感測分成三大類,分別為自體感測(self-contained sensing)、自然感測(nature reference sensing)、及電磁感測(electronic-magnetic sensing)三種。說到這裡,我必須在此補綴一點,就是許多飛彈的全程導引機制為求效能最大化而常以全行程分階段應用最適合該階段的方式進行導向,並不自限於單一方式導引,總的成就就反映在Kill rate上也。一般導引階段可分成初始導引、中途導引及終端導引三階段。
言歸正傳,三種感測類型中,自體感測為在已知目的地的前題下運用彈體自攜的儀器擬定由現在位置到終點的"航行計畫",發射後航行中與目標物及發射載具間都不再有任何從屬主客關連,飛彈始終"依計行事",不受載台控制。慣性導航是最典型的自體感測例子,飛彈利用慣性平台上的加速儀測得自體加速度,並積分出速度及位置資料,藉此自行求得自體與目標間的位置關係(更具體地表示,係由發射的位置相對於目標與現在的彈體位置關係);其不假外求的特性固然對敵人的電子反制(ECM)有天生的免疫力,然而沒有缺乏即時客觀外界的比對修正也成為其最大的缺點:時間愈久,累積誤差愈大。早年長程飛彈缺乏精確的導引裝置而較倚重慣性導引,所以常以核子彈頭的威力去涵蓋較大的誤差半徑;例如最早的戰略級空對空飛彈AIM-26"核子鷹(nuclear falcon)"或中長程彈道飛彈等,反正寧可殺錯不可放過,賽局式的互相保證毀滅恐怖平衡就是這麼開始的。另外還有的自體感測例子如巡弋飛彈或雄風2型反艦掠海飛彈的無線電高度計(RA)或測高雷達也可視為自體感測的一種方式,它們可藉以自我修正航高,然而飛彈勢必不能倚賴獨立但不準確的完成全程導向任務,所以它雖自體獨立但卻不夠可靠。
第二種類型為自然感測,利用地球的一些現成的助航資源做為彈體修正航向的基準,這裡將介紹天文及地文導引與地磁導引三種。
天文導航係利用諸如追星儀對天體的觀測做`導航定位,這需要知道(預存)每一瞬間該天體的確切空間位置再配合實際觀測資料以修正彈體航向;當然,這意味著追蹤太陽、月亮或任一亮度夠的星星都是可行的主意,但利用追星儀去追蹤一個無限遠、飛行全程都跡近固定的特定恒星似乎更能簡化追星儀偏移量的計算,我的一個模糊印象沒錯的話,北極星潛射彈道飛彈可能便有利用到北極星做為天文導航的基準。
地文導引則是利用預存於電腦的的電子地圖比對真時觀測的地貌地形資訊進行比對,以修正彈行進航向。這種導向方式當然也高度依賴"已知"部份的精確度及電腦圖形比對的判斷力。
戰斧(Tomahawk)巡弋飛彈就是以之為主要導引機制,它藉由對地成像雷達的成像與導航電腦內的電子地圖比對以獲取既定航跡計畫的偏差修正量,垂直方向、偏低的樹稍飛行則倚賴測高雷達維持地貌追沿,中途導引階段與GPS(全球定位系統)提供的位置資源互為援引,至終端時甚且用數位影像比對目標(見圖),很難反制;然而這類的地文導引即使難以有效反制,仍還有尺短之時;台灣四面環海,天生具抵消利用地形藏跡的預存航線的優勢,它們在海上飛行的階段無地形掩護阻隔,較不易逃離精密搜索雷達的偵測。對於地文感測,各位也不必以為就一定是巡弋飛彈的專利,雷根時代最重要的裁軍談判主角---美國的潘興二世(Pershing II)飛彈,
其終端導引便是利用其彈頭上的甜甜圈雷達(中央是彈頭機構,所以雷達被擠到邊邊環形區域去,故名)感測的影像比對預存的目標影像,導向方式可謂開巡弋飛彈之先河。
地磁感測,講白點,就是將黃帝的指南車用來指引飛彈航向,現代人叫它作磁螺盤,後者受地磁力線的牽引與當地地磁方向平行,由此可指示出大約正確的方向。即使再怎麼現代的飛機也會用磁螺盤作最後的導航備份,然而由於地磁力線方向易受地表金屬礦藏及任何彈系內小磁場的影響而偏轉,磁傾角度又隨緯度加大,要想在高緯度長距離提供飛彈精確目標方向變成了不切實際的想法,現代飛彈已少見利用這種感測的設計。曾有人建議實測全球(或至少是美國到蘇聯)的地磁特性,預存於飛彈後便可讓飛彈隨其飛過路徑測得的地磁特性比對出偏差量以修正飛彈航向,謂之"磁文導引"。最後當然是說說而已,反正冷戰時期任何新點子都意味著有好幾年的研究經費可以花差花差…….
本文原該繼續介紹第三類、現代飛彈應用最廣最多的"電磁感測",限於篇幅,留待下次再po

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