機載慣性導航的前世今生_風聞

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引子

轟炸機出擊特別是遠程攻擊，上千公里的距離，這飛偏了可怎麼辦？所以二次大戰的紀錄片裏轟炸機的前面總是有個透明籠子似的的領航艙，坐着一位領航員。這哥們手裏一張地圖，就負責把飛機從基地千里迢迢地“領”到目標區。作戰的時候，領航員一路上不停地對比地圖和實際飛過的地形地貌，也就是航路檢查，不斷髮出調整偏差的指令，駕駛員就根據領航員的指令調整飛行方向。當然，領航員還負責進入目標區後的精確瞄準和投彈，所以有經驗的領航軍官在轟炸機部隊裏就是個寶。

前艙的領航員正在對比地圖和地形

看多了現代戰爭片或者回憶錄的都知道天氣一好就得琢磨趕緊佈置防空，為什麼？因為天氣一好，不光是地面看天空清楚，天上看地面也清楚，特別是地形地貌，人領航員就靠這個吃飯的。其實轟炸也好，偵察也好，遠程飛行對於天氣的要求總是儘可能的高。但是這一路上誰敢擔保就肯定一路陽光燦爛晴空萬里？説不好哪裏來上一大片低雲或是濃霧，那領航員就只能憑經驗去蒙，搞不好就把路帶歪了。而且要是夜間轟炸呢？除了靠星星是不是就沒辦法了?

lorenz着陸系統

二戰的時候，德國人琢磨過這問題：“不列顛之戰”後他們用上了無線電導航以支持夜間空襲英國。這是從洛倫茲（Lorenz）無線電引導着陸系統得到啓發的。該系統做法是安排兩組發射機，分別發射頻率不同的等強度導航信號（摩爾斯電碼的點、劃），着陸時駕駛員可同時接收兩組信號，並加以對比，如果兩組信號的強度相等成為連續的點劃音，則説明方向對頭飛就是了；如果有偏差，一組強度比另一組大（只有成串的點音或劃音）則向強度低的方向修正航向直至兩組信號等強度。這辦法的缺點是信號接收方不能確定自己的位置，但要是兩組這種波束從不同方向發射，在目標上方匯聚就可以提示轟炸機組可以投彈了，這就是彎腿（Knickebein）系統。但很快被英國干擾了，用的辦法是以強功率播放兩個導航信號中的一種來誘偏德國人。

彎腿系統

德軍改進後的系統叫Xgerat，是把兩波束分出主輔，然後採用不同內容的多個輔波束與主波束在航路上形成多個交叉點（即航線檢查點）。這樣轟炸機領航員就能根據聽到的不同摩爾斯電碼確定自己的位置，比如50公里、20公里、5公里。這辦法用上之後確實效果不錯，德軍夜間轟炸的投彈誤差一度控制在1500米以內，比皇家空軍的好多了。德軍400多架轟炸機憑這套系統成功於1940年11月夜襲了工業城市考文垂。但好景不長，回過味的英國人馬上開始干擾德軍導航信號：把主波束信號接收之後放大以稍微偏離一點的角度發出去。這樣德軍的系統就形同虛設了。所以，能信得過的導航系統必須經得起敵方干擾，或者乾脆讓敵方不能干擾。實際上由於地球曲率的影響，無線電導航也就只能在400公里以內範圍比較合適，再遠導航波束就超過飛機的巡航高度了。

xgerat系統

顯然無線電導航不是嚮往中那種靈丹妙藥了，看來人肉導航還不能扔，又得靠好天氣了，還得儘量往高處飛，因為看得遠嘛。可是二戰以後，隨着防空雷達技術的發展，即便是天氣晴好，轟炸機也不敢高飛了，因為飛得高就會被敵方防空雷達早早發現。這樣就只好飛得越來越低，那能看到的地貌也就越來越少，這就意味着航路檢查就越來越頻繁，領航員的工作負擔也越來越重。這還算好的，有些飛機是單座的，比如輕型攻擊機，飛行員又是開飛機又要認路，一路光是飛到目標區就夠忙的，然後再建立攻擊航線啥的，一頭還不夠倆大的。所以，美國之類的空軍強國就一直在琢磨有什麼技術能解決遠程導航問題，可以不分黑經白夜好天壞天都一樣的只管飛？

悄然登場

實際上，遠在二戰爆發前，那種能夠進行自主導航的絕活——慣性技術就已經潛滋暗長了多年，只是時候未到，還不能開花結果罷了。

傅先生和他的陀螺裝置

早在1852年, 那位用擺球的慣性運動展示地球自轉的法國科學家傅科便將高速旋轉剛體稱為陀螺, 試圖利用它對慣性空間的穩定性來設計儀表,並按“轉動”和“觀察”的希臘文給它取名為Gyroscope，這就是實用陀螺儀的“鼻祖”。而“陀螺儀-gyro”這個術語也一直沿用至今。傅科用這個玩意做了三個實驗：證明地球在晝夜旋轉，確定當地的地理緯度，找出地球上的南北方向。限於當時的技術條件，他採用的是人工拉繩驅動陀螺旋轉的辦法，這在轉速和穩速精度方面都無法達到尋北的要求。雖然這項實驗最終並未成功，但揭開了人類利用慣性技術定位的篇章。

左邊為安休茨，右邊那位已經太著名了

二十世紀初期, 由於磁羅盤在地球磁極附近失效，熱衷於北極探險的冒險家們希望得到一種能代替磁羅盤在北極地區船隻上指示南北方向的儀表。由於當時有了滾珠軸承和電機, 使得德國的安休茨（Anschutz，也翻譯成安許茨）博士和美國的斯佩裏(A.Sperry)分別於1906 年和1911年研製出了世界上最早的陀螺羅盤。從此，慣性儀表在運動物體上測量方位的設想便得以實現。而安休茨和斯佩裏也成了船用羅經行業的兩位開山祖師爺，直到今天A、S都是船用羅經的兩大派系。

斯佩里老頭

1917年，皮特·庫柏（Peter Cooper）和斯佩裏發明了第一台自動陀螺穩定器，使飛機能夠保持平衡狀態向前飛行，裝上這玩意和無線電遙控裝置的海軍寇蒂斯N-9型教練機被成功改造為人類首架無人機——“空中魚雷”（Aerial Torpedo）。美中不足是它回不到起點，不過反正客户需求是搞出一架自殺機，空中魚雷嘛。此後又針對飛機發展了航空地平儀、方位陀螺儀和轉彎角速度儀等目視航空儀表, 這些都為慣性技術奠定了初步基礎。

空中魚雷牌自殺機

總體上看，這一時期的慣性技術主要特徵是用來測量載體的姿態角，還不能測量加速度，謂之第一代慣性技術。

大放異彩

慣性技術在二十世紀早期已經開始得到應用。比如斯佩裏公司旗下的瑞士工程師卡爾.諾頓後來自立門户，製造出了二戰中著名的“諾頓”MK15轟炸瞄準具，穩定器就應用了陀螺原理。當然，斯佩裏公司並沒有因此而完蛋，它很快就找到了新的合作者，德雷帕（Charles Stark Draper）教授。德雷帕幫斯佩裏設計了MK14瞄準具，雖然沒有MK15那麼出名，但也賣了85000部。

V2及其陀螺儀

隨着技術的進步，加速度計也被研製出來。二戰中，德國人嘗試着首次把雙自由度陀螺和積分陀螺加速度計構成的原始慣性導航平台用於V2導彈上。但由於還是用的軸承支撐，摩擦力矩大，精度低；射程200公里級別的V2命中精度（CEP）僅為5000米。最後不得不採用無線電橫偏校正才把精度提升到800米。但無線電嘛，又要面對敵方的干擾。

回過頭來繼續説在大洋彼岸的德雷帕，這位來頭不小，出自MIT的儀表實驗室，在他的領導下，儀表實驗室迅速成為美國慣性技術的先驅。德雷帕很清楚軸承支撐的陀螺儀精度已經沒有錢途，開始着手研製更先進的液浮陀螺，並於1942年成功運用於海軍的火力控制系統。

1945年戰爭結束並未擋住技術的進步，德雷帕繼續改進液浮陀螺並構思慣性導航平台。1950年德雷帕説動軍方，首次試驗了機載慣導技術：一架安裝了德雷帕純慣性導航設備的B29以10小時從馬薩諸塞至新墨西哥的飛行橫貫美國大陸。它的單自由度液浮軸承陀螺的漂移量約為12度/小時，雖然還不夠好，但已經顯示出足夠遠大的前景。

SM75“雷神”導彈

1953年，德雷帕開始為美國空軍設計“ 雷神” 中程彈道導彈的制導系統。這是由單自由度液浮陀螺與液浮陀螺加速度計組成的慣導平台系統，改進後繼續用於"大力神"II洲際彈道導彈。基於液浮陀螺的高精度慣性導航設備由此成為儀表實驗室（後更名為德雷帕實驗室）的獨門絕活。平台式慣導也成為美國空軍後續一系列洲際彈道導彈的標配。直到1980年服役的MX洲際彈道導彈，其慣導也仍舊為液浮式平台。其命中精度號稱僅90米，德雷帕製造的慣導平台功不可沒。不過這是後話了。

MX的慣性參考球

1954年，在機載慣導系統基礎上，德雷帕又研製出第一種艦載慣導系統並裝船使用。次年，德雷帕的單自由度液浮陀螺慣導系統精度達到了0.5海里/小時，慣導系統終於具備了實用價值。這是慣性導航發展史上具有里程碑意義的事件。

除了德雷帕實驗室，利頓（2001年被諾格收購）、霍尼韋爾、基爾福特、斯佩裏、羅克韋爾等美國公司也是慣導領域的巨頭。利頓在液浮、撓性、激光等多種陀螺技術上功底深厚，霍尼韋爾則多年專攻靜電陀螺、激光陀螺。

霍尼韋爾的HG1700慣導

下面專門説説利頓，這家公司的產品軍民通吃。該公司1960年研製成功的LN-3慣導系統是美國空軍的第一代實用型慣導平台，應用於F104、F4C等型號，精度2.35海里/小時，反應時間最短可達5分鐘，平均無故障時間（MTBF）40小時。之後利頓再接再厲，又研製了第二代慣導LN-15並於1967年投入使用，不僅廣泛應用於F14、E2C等艦載機，還安裝在空軍的B1、FB111上。其精度1海里/小時，反應時間10-15分鐘，MTBF為250小時。其民用型LTN-51成為滿足民航飛行要求的第一代慣導平台，MTBF達到1000小時。在利頓70年代推出的第三代慣導LN-39上應用了英國人首先提出的撓性陀螺原理，精度0.8海里/小時，MTBF增加到2000小時，成為美國空軍的標準慣導平台，廣泛安裝在其第三代飛機上。

在慣導領域，目前能夠獨立研製慣導的國家很少，基本上是安理會五常加德、日。有些國家還是從美國引進的技術。比如法國薩基姆的慣導是從基爾福特引進的SKN2600起步的，但法國人後來幹得不錯，其慣導平台後來也打入民航市場，打破了美國人獨霸的局面。日本則從利頓引進了LN12（LN3的改進型）技術，不過沒有關鍵的液浮陀螺技術，日本只能自己開發。

關於中國慣導的發展，有興趣者可以關注我的公眾號asiavikin，內有專文介紹。