美國民兵 III 型核導彈制導系統和計算機內部欣賞_風聞

來源：微信公眾號“芯片之家”

民兵導彈於 1962 年推出，是老美核威懾力量的重要組成部分。民兵 III 導彈是目前美國唯一的陸基洲際彈道導彈 (ICBM)，共有 400 枚導彈隨時準備發射，分佈在五個中部州。該導彈包含一個精確制導系統，能夠將彈頭髮射到 13000 公里（8000 英里）外的目標， 精度為 200 米（660英尺）。

下圖顯示了民兵 III 導彈（1970 年）的制導系統。該制導系統包含 17000 多個電子和機械部件，價值510000 美元（按當前美元計算約為450萬美元）。制導系統的核心是陀螺穩定平台，它使用陀螺儀和加速度計來測量導彈的方向和加速度。計算機使用平台的測量值來確定導彈的位置並引導導彈沿其軌跡飛向目標。其他關鍵組件是導彈制導裝置控制器，其中包含用於支持陀螺穩定平台的電子設備，以及將計算機與導彈其餘部分連接的放大器。本文中，仔細研究了2000年代初之前使用的制導系統的組件。

從根本上講，制導計算機會不斷將導彈位置與預期軌跡進行比較，並生成適當的轉向命令以使導彈保持在軌道上。下圖顯示瞭如何引導發動機噴嘴使導彈圍繞其三個軸旋轉：滾轉、俯仰和偏航。在發射井中，滾轉角（方位角）與目標方向一致。導彈垂直起飛，然後導彈逐漸沿俯仰軸旋轉以向目標傾斜。在飛行過程中，沿所有三個軸的調整可使導彈保持在目標上。民兵 III 有四個火箭級，因此制導計算機會拋棄每個火箭級並按順序點燃下一個火箭級。

穩定平台

慣性導航的原理是通過不斷測量導彈的加速度來跟蹤導彈的位置。通過對加速度進行積分，可以得到速度。通過對速度進行積分，可以得到位置。慣性導航是獨立的，這對導彈來説是一個很大的優勢，因為敵人無法干擾你的導航。困難的部分是極其精確地測量加速度和角度，因為即使是微小的誤差也會在導彈飛行過程中成倍增加。

更詳細地説，民兵導彈的慣性制導是圍繞陀螺穩定平台構建的，該平台保持固定方向，平台安裝在兩個萬向節上。陀螺儀的反饋來驅動三個力矩電機旋轉萬向節，無論導彈如何旋轉，都能使穩定平台保持完全相同的方向。

下圖顯示了穩定平台的組件，其方向與上圖大致相同。穩定平台上安裝了三個加速度計來測量加速度。加速度計沿三個垂直軸定向，因此每個加速度計沿一個軸測量加速度。（加速度計軸與平台軸不對齊；這會將加速度（大部分“向上”）分佈在加速度計上，從而提高準確性。）兩個對準鏡使穩定平台能夠與稱為自準直儀的精密設備對準，如下所述。陀螺羅盤利用地球自轉精確確定北方，提供備用對準技術。對準鏡和陀螺羅盤都可以旋轉到精確的角度，最後由解析器解碼報告。

發射時必須在發射井內旋轉導彈，使其與目標對齊，這個角度稱為發射方位角。這個角度必須非常精確，因為即使是微小的角度誤差也會在導彈的飛行過程中被大大放大。對準導彈是一個繁瑣的過程，需要使用北極星來確定北方。由於在發射井內看不到北極星，因此採用了一種複雜的測量技術，使用測量員的經緯儀測量北極星與發射井外三個混凝土紀念碑之間的角度。在發射井內，可以通過瞄準管看到最近的紀念碑，從而可以將精確的角度測量結果傳輸到發射井。在發射井內進行多次測量後，將一種稱為自準直儀的特殊裝置精確地定位在所需發射方位角的 90° 處。自準直儀通過導彈側面的窗口發射一束光，光束從穩定平台上的鏡子上反射回來，然後返回自準直儀。如果返回的光束不完全平行，自準直儀就會嚮導彈發送信號，使穩定平台根據需要旋轉。這個過程的結果是穩定平台與目標的角度完全對齊。

制導平台為民兵二號和三號進行了徹底重新設計，省去了民兵一號所需的耗時對準。新平台有一個帶旋轉鏡的對準塊。自動準直儀不旋轉導彈，而是固定在東邊位置，鏡子（以及穩定平台）則旋轉到所需的發射方位角。新的制導平台還在對準塊下方增加了一個陀螺羅盤，這是一種特殊的羅盤，可以通過逆着地球自轉的進動精確對準北方。起初，陀螺羅盤被用作自動準直儀的備用檢查，但最終陀螺羅盤成為主要對準裝置。為了進行校準，對準塊還包括電解氣泡水平儀，將穩定平台定位在已知的相對於當地重力的方向。

上圖顯示了陀螺羅盤頂部的校準塊。校準塊的正面和背面是精密鏡子，用於反射來自自準直儀的光束。校準塊頂部和右側的圓圈是兩個水平檢測器，帶有用於精確調節的固定螺釘。平台有四個水平檢測器，使其能夠在多個位置與重力對齊。與萬向架一樣，陀螺羅盤組件也是由鈹製成的，因為它具有剛性和重量輕的特點，它有一個警告標籤，因為鈹具有劇毒。

下圖顯示了軸如何與穩定平台的萬向節對齊。注意照片頂部的窗口。來自自準直儀的光線透過窗口照射進來，從對準塊上的鏡子反射回來，然後通過窗口返回到自準直儀。自準直儀會檢測到對準中的任何錯誤，並嚮導航系統發出信號以相應地糾正其位置。

穩定平台使用陀螺儀在導彈轉動時保持其固定方向。陀螺儀背後的原理是旋轉的磁盤將傾向於保持其旋轉軸。問題是任何摩擦，即使是精密滾珠軸承，也會降低精度。民兵的解決方案是“氣體軸承”，其中陀螺儀轉子由極薄的氫層支撐。如下圖所示，陀螺儀圍繞一個大理石大小的固定球（藍色）構建，固定在陀螺儀框架的頂部和底部。轉子（粉紅色）夾在球的赤道周圍並以高速旋轉，由感應電動機（繞組綠色，轉子黃色）驅動。如果陀螺儀框架傾斜，轉子將保持其方向。框架和轉子之間角度的改變由靈敏的電容拾音器（紫色）檢測。陀螺儀對兩個軸的傾斜敏感：左右和前後。由於除了球周圍的薄薄一層氣體外，沒有任何東西接觸轉子，因此摩擦的影響很小。

民兵 D-17B 計算機

制導計算機在民兵導彈中發揮着關鍵作用，它根據穩定平台數據確定導彈的位置，執行制導算法，並引導導彈沿預期軌跡飛行。在解釋民兵 II 和 III 中使用的 D-37 計算機之前，首先看下第一代民兵導彈中使用的 D-17B 計算機，因為它的特性對後來的計算機產生了很大的影響。按照現代標準，民兵 I 計算機非常原始。雖然它是一台 24 位機器，但它是一台串行計算機，每次只對一位進行操作。串行處理的一大優勢是它大大降低了硬件要求。由於計算機每次只處理一位，因此它使用一位 ALU。此外，總線和數據路徑的寬度為一位，而不是 24 位。當然，缺點是串行計算機速度慢。D-17B 需要 27 個時鐘週期（24 位和三個開銷）才能執行任何操作。計算機最多可以每秒執行 12,800 次加法。

該計算機具有獨特的圓柱形結構，直徑為 29 英寸（74 釐米），設計用於適應民兵導彈的直徑。計算機本身是圓柱形外殼的下半部分。上半部分是電子設備底盤，裝有計算機和穩定平台的電源，以及伺服控制放大器、振盪器和轉換器。（芯片之家公眾號）

該計算機沒有任何 RAM。相反，所有指令、數據和寄存器都存儲在硬盤上，但與現代硬盤不同。磁盤的每個磁道都有單獨的固定磁頭，因此無需尋道即可訪問磁道。（這種方法類似於圍繞磁鼓存儲器構建的計算機，只是磁鼓是扁平的。）總的來説，磁盤只保存了 2727 個 24 位字（大約 8 KB）。計算機的串行處理和基於磁盤的存儲協同工作良好。磁盤一次提供一位數據，計算機將串行處理這些數據。隨着計算的進行，結果被寫回磁盤，一次一位。寫入磁頭位於讀取磁頭的正後方，因此計算值時可以覆蓋該值。

下圖顯示了 D-17B 硬盤的眾多讀寫磁頭。注意看，磁頭是固定的（與現代硬盤不同），並且磁頭廣泛分佈在表面上。（無需對齊不同的軌道。）我相信成對的綠色和白色磁頭用於“常規”軌道，而具有其他間距的磁頭實現寄存器和稱為循環的短期存儲。

D-17B 計算機是晶體管計算機。下圖顯示了它的一塊電路板，上面塞滿了晶體管（黑色圓柱體）、電阻器、二極管和其他元件。（這塊電路板是一個讀取放大器，用於放大硬盤信號。）該計算機使用二極管-電阻器邏輯和二極管-晶體管邏輯來減少晶體管的數量；因此，它使用了 6282 個二極管和 5094 個電阻，而硅和鍺晶體管則使用了 1521 個。

該計算機支持 39 條指令。許多指令都很簡單：加、減、乘（但不能除）、補碼、數值、AND、左移和右移。該計算機處理 24 位字以及 11 位拆分字，因此許多這些指令都有“拆分”版本以對較短的值進行操作。一條不尋常的指令是“拆分比較和限制”，如果累加器值超過限制，則用內存中的限制值替換累加器值。

計算機的重點是 I/O，它有 48 個數字輸入、26 個增量輸入、28 個數字輸出、12 個模擬電壓輸出和 3 個用於陀螺儀控制的脈衝輸出。計算機有特殊指令來支持各種輸入和輸出。例如 ，為了積分來自穩定平台的脈衝信號，計算機有指令進入和退出“精細倒計時”模式，這會導致兩個特殊寄存器作為數字積分器運行，與常規計算並行。

D-37 計算機

Autonetics 公司為民兵二號導彈製造了 D-37 計算機，這是最早的集成電路計算機之一。通過使用集成電路，制導計算機的尺寸大大縮小，射程、功能和準確性都有所提高。下圖比較了老式 D-17B 計算機（半圓柱體）和 D-37B（工程師手持）的尺寸。

雖然計算機的主要任務是制導，但隨着 D-37 容量的增加，計算機接管了許多以前由地面支持設備執行的任務。D-37 管理“地面控制和檢查、監控、通信編碼和解碼，以及空中導航、制導、操縱和控制任務”。

下圖顯示了民兵二號中使用的 D-37C 計算機。左側是提供計算機內存的硬盤。計算機的大部分被覆蓋有扁平集成電路的複雜電路板佔據。右側是先進的開關電源，為計算機產生多種電壓（±3、6、9、12、18 和 24 伏）。頂部的連接器提供計算機與系統其餘部分之間的接口,由於計算機有如此多的數字（離散）和模擬信號，因此它使用多個 61 針連接器。

D-37C 計算機由 22 種不同的集成電路組成，由德州儀器為民兵項目定製。這些芯片包括數字功能（例如 NAND 門和觸發器）、線性放大器和特殊功能（例如解調器/斬波器）。德州儀器在公開市場上銷售民兵系列集成電路，但這些芯片價格高得驚人（觸發器 55 美元，按當前美元計算超過 500 美元），而且不如 TI 的通用集成電路那麼受歡迎。當時的電路板非常複雜，有 10 個互連層。每塊電路板約 4 × 5英寸，可容納約 150 個扁平集成電路，兩面都有元件。

集成電路行業的發展很大程度上要歸功於民兵計算機和阿波羅制導計算機，這兩款計算機都是在集成電路發展初期開發的。這些項目購買了數十萬塊集成電路，幫助集成電路行業從小批量原型轉向批量生產商品，既提供了需求，也激勵了公司解決產量問題。此外，這兩款計算機都需要高可靠性的集成電路，迫使行業改進其製造工藝。最後，民兵計算機和阿波羅計算機讓集成電路獲得了可信度，表明集成電路是一種實用的設計選擇。

Minuteman III 使用的是 D-37D 計算機，磁盤容量約為其兩倍，為 14137 個字。佈局與上面的 D-37C 類似，磁盤驅動器在左側，電源在右側。由於計算機是“倒置”安裝的，因此內部的電路板不可見，被互連板擋住了。這裏不可思議的是，竟然有柔性 PCB 的使用，這在當時是先進的技術，焊接時採用低熔點銦/錫焊料。

P92 放大器

放大器提供計算機與導彈其餘部分之間的接口。放大器嚮導彈的四個階段發送控制信號，控制發動機和轉向。（民兵 I 型噴嘴控制單元的電子電路被轉移到放大器，簡化了維護。） 此外，民兵導彈在許多地方都有爆炸物，從啓動閥門的小型引爆器到分離導彈各級的炸藥。放大器發送高電流（30 安培）信號來引爆彈藥，同時監測電流以檢測故障。放大器充當 彈藥的安全裝置，除非放大器已配備正確的代碼，否則會阻止信號。放大器向再入系統（即彈頭）以及箔條分配器發送控制信號，箔條分配器發射大量電線來干擾敵方雷達。放大器還通過臍帶電纜從地面設備發送和接收信號。

上圖顯示的是已拆下蓋子的放大器。放大器由兩疊六塊電路板構成，位於雙倍寬度的電源板之上。每塊電路板的頂部和底部，帶有粗電纜的連接器將電路板連接到系統的其餘部分。每塊電路板都是多層印刷電路板，安裝在厚厚的鎂框架上，以便冷卻。放大器有五個電源開關板、一個閥門驅動器板、三個伺服放大器板和一個 ACTR 控制板（不管它是什麼）。系統板在左側可見，帶有大電容和 0.01% 精度的電阻。它的右側是解碼板，大概是解碼計算機命令以選擇特定的 I/O 設備。請注意，該電路板上大量使用了德州儀器的扁平集成電路，即微小的白色矩形部分。

導彈制導裝置控制

導彈制導裝置控制 (MGSC) 包含為慣性測量單元 (IMU) 供電和運行的電子設備，為計算機提供接口。MGSC 處理平台伺服迴路、加速度計服務器迴路、陀螺儀扭矩、陀螺羅盤扭矩和迴轉以及加速度計温度控制。MGSC的 一個意想不到的功能是為計算機的硬盤供電，提供 400 Hz、27.25 伏的三相電源。（芯片之家公眾號）

電池

民兵制導系統中的電池非常不尋常，因為它是一塊“備用電池”，在激活之前完全處於惰性狀態。它是一塊銀/鋅電池，電解液單獨存放，使電池的使用壽命幾乎無限長。為了在發射過程中給電池供電，電池內的氣體發生器由爆管點燃。氣壓迫使氫氧化鉀電解液從儲罐中流出並進入電池，在不到一秒鐘的時間內為電池通電。當然，電池只能使用一次，無法測試它。該電池由 Delco-Remy（通用汽車的一個部門）製造。它提供 28 伏特、14.5 安培小時的電壓，為制導系統和大部分導彈供電，另一塊電池為第一級火箭供電。

引爆開關

另一個不尋常的組件是引爆開關，這種開關由一個小的爆炸引爆器啓動。當引爆時，引爆器會迫使開關改變位置，這種開關可能看起來過於誇張，但它比電磁繼電器等有一些優勢。引爆開關將穩定切換，而繼電器上的觸點在穩定到新位置之前可能會“顫動”或彈跳。電磁繼電器可能需要更多的電流來切換，特別是當它有大觸點或許多觸點時。但是，像電池一樣，引爆開關只能使用一次。

開關的作用是在發射過程中斷開重要信號（稱為關鍵引線）。民兵導彈有一個臍帶連接，可在導彈位於發射井時提供電力、冷卻和信號。在臍帶電纜斷開之前，開關會切斷主復位信號以及啓用和禁用信號的連接。據推測，這些控制信號被幹淨地斷開是為了避免雜散信號或電噪聲，因為當臍帶連接斷開時，雜散信號或電噪聲可能會引起問題。

下圖顯示了連接到發射井中的民兵 II 導彈的臍帶電纜。請注意導彈側面的窗口，以便自準直儀的光束反射到制導平台上進行對準。

冷卻

制導系統在發射井中時採用水冷，使用鉻酸鈉溶液來抑制腐蝕。發射後，制導系統在釋放彈頭之前只運行了幾分鐘，因此無需水冷。（穩定平台配有風扇和熱交換器，以在飛行過程中保持冷卻。）下圖突出顯示了冷卻管線。冷卻劑由地面支持設備通過右上方的臍帶連接器提供。它流經計算機、二極管組件、MGSC 和穩定平台。最後，冷卻劑通過臍帶連接器流出。

二極管

在制導系統的中間，二極管組件由七個功率二極管組成。這些二極管在從地面電源切換到電池電源時控制電流，下圖顯示了二極管組件，頂部和底部有冷卻劑連接。二極管組件中心的粗灰色電線從左側的電池接收電源。

置換插頭

置換插頭（或 P 插頭）是制導系統的關鍵加密元件，用於定義特定導彈的發射代碼。P 插頭看起來類似於冰球，插入連接到放大器的 55 針插座中，固定杆將 P 插頭固定到位。

由於導彈的安全性取決於 P 插頭，因此 P 插頭的處理方式非常儀式化，由一個兩人小組運輸，一名飛行員和一名軍官，兩人都持槍（來源）。制導系統維護完畢後，P 插頭小組將確保插頭安裝正確，然後才將導彈重新固定在一起。磁盤內存周圍也有很多儀式，因為它保存着安全代碼和目標信息。在任何人操作計算機之前，一個特別小組會來到發射井並擦除內存。之後，另一個小組會從磁帶（民兵 III 的情況）或穿孔帶（早期）中加載計算機。

據説導彈發射代碼被分成硬盤和置換插頭兩部分。具體來説，導彈軟件為五個發射控制設施各保留一個雙字代碼。執行 發射命令 (ELC) 中的發射代碼必須與磁盤上的 P 插頭值和站點特定值的組合相匹配。因此 ，發射代碼對於每個發射控制站點和每枚導彈都是唯一的，作為另一項安全功能，發射需要來自兩個發射控制站點的消息，除非只有一個可用。

瞬態電流檢測器

核爆炸對半導體有許多不良影響，並可能導致瞬時錯誤。D-37C 和 D-37D 計算機使用了一種相當強力的方法來儘量降低這種風險，如果檢測到核爆炸，計算機將停止寫入磁盤，直到輻射爆發過去。當輻射水平下降時，計算機從中斷的地方繼續運行，推斷以彌補失去的時間，從而儘量減少錯誤。由於所有數據都存儲在硬盤上，因此係統不必擔心半導體 RAM 可能發生的內存損壞。

民兵 III 型導彈的制導環外側還安裝有兩個“場探測器”。據推測，這些探測器可以探測到電磁場的大幅波動，表明存在電磁脈衝 (EMP)，與瞬態電流探測器探測到的電離輻射不同。

結論

民兵制導系統充滿了創新技術。除其它外，民兵 I 使用了早期晶體管計算機，而民兵 II 使用了最早的集成電路計算機之一。不過，民兵導彈並非只是過去的東西。目前美國有 400 枚民兵導彈，隨時準備發射並造成全球破壞。因此，如果不反思其潛在目的的消極性，就不能讚美它的技術成就。