"大道至简"的制导系统

最近，B站著名科普UP萌萌战队发布了一篇解读PGK简易卫星制导引信的视频，引来很多军事爱好者关注。在这篇视频里，UP为观众们揭秘了这款看似十分简单的控制系统内在的奥妙：外观只有一个可以旋转的小风车，但却蕴含着四个独立的GPS天线、引信发电系统和弹体耦合升力控制系统，使得发射后，制导系统只需要根据输出信号调整转子的摩擦阻力，即可实现炮弹在四个自由度内的控制。看到这里，很多人纷纷都惊讶地说：没想到制导弹药居然这么简单！

其实，所有的制导武器在设计时，都考虑的元器件在恶劣的发射过程和长期的储存过程中受到损害的可能性，因此想要尽可能提升可靠性就一个方法——减少元器件个数，并使其更加紧凑。当零件总量，占用体积压缩之后，可靠性自然就提高了，而且还有利于压低成本。那么，我们就看看那些听完后会让我们眼前一亮的控制系统吧。

前言：到底是旋转的弹药好做制导，还是不旋转的弹药好做制导？

很多人看到上个视频提到的PGK工作原理时，都会觉得“炮弹不是高速旋转吗？为啥高速旋转的弹药还能精确控制落点呢”？其实，我们在理解“旋转”和“平飞”之前，先要弄明白“直线飞行”这个道理。

很多人会以为，直线飞行（或直线航行）不是最简单的吗？把物体发射出去，它不就是进入到直线前进的轨迹了吗？但是实际上，空气的气流冲击，和海水的海流浪涛冲击，对发射体的直线前进是有很大的阻碍的。因此，聪明的古代人就发现了一件事，如果单纯对敌人投出石头和标枪，那么距离越远，越容易歪掉；但是如果把标枪一边旋转，一边投出，就能让标枪飞的又稳又远，因此，古罗马的一部分精锐战士，就把引导绳绑在重标枪上，投出的一瞬间拉动绳索，让标枪旋转飞行，就能很精准刺中对方。而另一种很古老的武器——弓箭，则使用了另一个很有效的办法——加装尾翼来引导气流。通过以轴对称的方式安装3-4片箭羽，就能让弓箭射出后沿着稳定的轨迹飞行，直到命中，更有的箭羽采用螺旋形设计，射出的箭也是以旋转飞行命中目标。

多年之后，随着力学理论不断成熟，人们才认识到旋转和尾翼分别利用了两个重要理论来使得投射物稳定飞行：

旋转是利用物体的惯性力来实现定轴性的，陀螺仪也是依照此原理制造的。旋转速度越快，弹体重量越大，初速度越大，越容易保持较高的惯性飞得更远。但是，需要注意的是，转速越大，弹体和内部零件受到的离心力也越大，使得结构有受损风险。

尾翼则是利用空气动力学的原理来实现平飞的，通常分为垂直安定面和水平安定面。当有侧向力作用使飞机航向偏离时,垂直安定面上与偏航方向相反一侧的阻力增大,产生一个使飞机回到..原始航向的力量，使得它自动完成轨迹修正，返回原先的航迹，但是缺点是随着流体密度越低而控制性能越差，也就不适合高空和太空飞行使用。同时，如果没有制导系统随时调整安定面角度，随着时间累积的误差会越来越大，最终失去精度。

所以，在人们搞清楚旋转和安定面稳定平飞的理论后，制导系统也随之而然产生出来。但通常来说，武器要首先满足平飞稳定性，其次才是满足它改变姿态的能力，所以在过去武器制导系统控制能力不高的情况下，各国其实都比较偏爱能够靠自身旋转稳定飞行的武器来改装制导武器，这样就不需要考虑到维持平飞需要的调整力度，只需要专心做好对准目标的姿态控制即可。所以，我们会发现，很多本文里提及到的制导系统，以及上文的PGK制导组件，其实都是依托于“旋转稳定”平台控制的。

9M14婴儿/HJ-73：一维控制舵面的典范

9M14的外观有前方的4片小翼面和后方的4个大翼面，这会让很多人以为他是拥有多个可动翼面的。但是事实上，这些你看到的都不是它的控制面，真正的控制面隐藏在2个尾部喷口中，而且每个喷口仅有1个燃气舵。

根据资料，9M14的制导系统如此运作：

该弹采用无尾翼、后置弹翼气动外形布局和推力矢量控制方案。4片双后掠弹翼分布在弹体后部，呈X形配置，并有3.25°的安装角，产生导弹右旋的滚动力矩，获得8.5r/s的巡航转速。每片弹翼由上下两部分铰接而成，前缘后掠角分别为45°和15°，上部翼面可向下拆叠，便于装箱运输。为增大导弹的自旋速度(达到8.5r/s)，喷管轴线与弹体母线呈50夹角。环形助推药柱外径112mm，长度90mm，重量0.68kg，工作时间约0.65s，推力210.9dN。主发动机的两个喷管与弹体轴线呈7°夹角，尾喷口各有1个摆舵，用于推力矢量控制，其极限偏转位置为±14°。圆柱形主药柱直径65mm，沟槽宽度9mm，重量1.525kg，推力7.26dN，由延时器保证在导弹发射后0.45～0.90s点火燃烧，以防止导弹制导控制系统开始工作之前，发动机燃气进入舵机使摆帽偏至极限位置。

弹上制导控制系统位于后舱主发动机喷管与壳体空间，包括线管、配电器、三自由度基准陀螺和脉冲调宽电磁式舵机。线管内的电缆和弹上三芯导线，使车载/机载制导控制系统与弹上制导控制系统相连，供射手对导弹实施跟踪控制。该陀螺采用拉索获得旋转动力，1根钢索通过圆柱形转子中间的开槽，缠绕在转子轴颈上，钢索一端通过两个销钉固定在转子上，另一端通过拉杆固定在发射架上，发射时导弹飞离发射导轨，使缠绕着的钢索拉开，从而使陀螺转子旋转，转速达到2700r/min。电磁式舵机根据射手按照弹上陀螺仪发回的滚转基准信号，通过指令传输导线经由配电器分配的控制信号，带动位于发动机尾喷口燃气流中的摆舵偏转，从而改变导弹的推力矢量方向，获得改变导弹飞行方向的控制力。

原来，9M14是利用发射时钢索拉动解决了陀螺仪动力，同时利用陀螺仪发出的导弹喷口实时相对弹体的相关角度位置参数，实现对控制指令的响应。得益于它倾斜的舵面和倾斜的喷口，它飞行时自身就能利用旋转稳定效应保持平飞，阻止侧风对其的影响；当控制台发出“左转偏航”指令时，它只会在喷口正好处于垂直面时发出燃气左偏的指令，实现左转，向右和俯仰同理。这样一来，它就无须设置二维控制面，只需要利用导弹自身旋转和一维控制面就能让导弹实现上下左右调整。正因为结构如此简单，9M14及其各国仿制型的价格一如诞生时的廉价，才历经50年的岁月洗礼而仍然大量生产，活跃在各地的战场上。

飞毛腿：发动机时序和燃气舵控制

飞毛腿导弹在之前专栏就提及过它简单而实用的制导系统。

飞毛腿的外观很有欺骗性，很多人都以为它尾部硕大的尾翼是控制面，但实际上只是4个固定安定面，真正的控制面是发动机喷口处的燃气舵。整个导弹的飞控只依赖发动机的关机时序和发动机工作时的燃气舵偏转。

飞毛腿导弹飞控系统则采用一台二自由度机械陀螺仪和定时控制系统，没有飞控计算机。导弹所有的控制系统仅局限在导弹的发动机控制系统和燃气舵（后期朝鲜版本有安装类似于现代导弹的弹头舵片），在发射前，操作人员需要根据射表设定导弹的发动机工作时间、燃气舵偏转角度，在导弹起飞后根据预设指令进行程序转弯和最后的发动机关机，并按照弹道飞向最终目标。

AIM-9L格斗导弹：陀螺舵+鸭翼

在红外制导导弹出现后，战斗机空战迎来了新的飞跃。不过，由于战机进入格斗后都在疯狂的机动，使得导弹必须有着很高的敏捷性才能追上飞机。同时，早期的红外感应器精度不高，需要有良好的手段才能让其保持视野对准目标。在这样的情况下，1980年代，各国的红外导弹普遍安装了一样装备：陀螺舵。

我们知道，响尾蛇导弹在AIM-9X前，一直是鸭翼控制+尾部X型安定面的布局，不过作为格斗导弹，由于导弹姿态需要不断改变，安定面如果性能太强，就会阻挠导弹的机动性；但如果安定面性能不足，又会导致导弹进入不可控的滚转，使得红外探测器无法准确对准目标。所以，AIM-9L在尾部安定面安装了陀螺舵，它可以有效的阻止导弹沿着弹体的滚转，同时不增加额外的对导弹上下左右偏转的阻力，资料如下：

导弹发射后，陀螺舵的转子在高速气流的作用下高速转动。按照观察者从导弹后部观察的参考系，如果导弹发射后出向逆时针方向滚转的现象，那么弹体的运动将赋予陀螺舵转子绕导弹纵轴逆时针方向的转动角速度，根据陀螺的进动性原理，高速旋转的转子将会产生一个与此角速度呈90度的进动角速度，在这个角速度的作用下，陀螺舵就会在转子的进动作用下，沿舵轴发生偏转。而这种偏转又会在高速气流的作用下产生气动效应，推动导弹产生绕弹体纵轴呈顺时针的运动趋势，从而纠正导弹的滚转运动。

因此，安装了陀螺舵的AIM-9L，在追击敌方目标时可以飞出更大的过载，实现更好的打击效果，它也是第一款实现了迎头拦截敌机的响尾蛇系列导弹。由于陀螺舵结构简单，止悬能力强大，使得它被用于大量的红外制导导弹之上。

末敏弹：旋转搜索系统

如果说响尾蛇导弹是利用陀螺舵阻止自身旋转，以获得清晰的导弹导引头成像的话，那么末敏弹就恰好反转，使用弹体下落的自旋来增加自己探测的面积和刷新率，以及末端打击的覆盖面积。

末敏弹通过各种手段投送到敌方头顶后，就会打开降落伞进入一个旋转下落的阶段。由于降落伞/弹翼的设置，弹药的头锥在地面上进行一个阿基米德螺线式的搜索，随着距离地面高度而减少。当末敏弹末端搜索到射程内（通常在10米左右）目标特征信号后，就会在下一个周期对准目标时引爆自锻战斗部，对目标发射弹丸将其顶甲击穿。

这样一来，末敏弹就可以实现1发对较大的面积（假如引爆斜距在10米，扫描线和垂直下落线夹角30度时，就可以实现对半径5米的内的装甲车辆实施打击）的覆盖效果，其效率远远大于只能“砸“到敌人头顶才能起爆的传统集束炸弹，大大提升了打击效率。

结语：精简高效的制导系统是构筑低成本制导武器的基石

正如PPSH41的设计师斯帕金所说：把武器设计得非常复杂是很容易的，但是把武器设计的简单却很困难。制导武器也是一样，过于繁杂的设计看似精巧，但是在战时品控下降，保存环境恶化的情况下，可靠性会严重损失。而且，过于繁杂的设计，也使得生产成本增加，维护难度加大，不利于战时扩大生产装备。但简化制导和控制单元，又并非是很容易的事情，简单的控制系统意味着对于理论更深层次的领悟，以及对生产技师更好的统筹协调。因此，只有将制导系统设计的精简高效，才能构筑战时可快速生产的制导武器的基石。