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浅谈战术导弹对MEMS陀螺仪几个方面的应用需求

采用MEMS惯性传感器,是防空导弹、反坦克导弹、便携式导弹等制导武器系统的必然选择。有预计称,到2020年,美军九成的制导武器将采用MEMS惯性传感器,如下图所示。

 

2020年美军90%的制导武器将采用MEMS惯性传感器,资料图


作为MEMS惯性传感器的一种,MEMS陀螺仪具有体积小、质量轻、启动快、可靠性高、价格低、易于大批量生产、能承受恶劣环境条件等突出优势,可广泛应用于防空导弹、反坦克导弹、便携式导弹、航空制导炸弹等制导武器。那么,战术导弹对MEMS陀螺仪究竟有哪些应用需求呢?

根据陀螺仪的精度不同,2020年美军九成的制导武器将采用MEMS惯性传感器产品可分为战略、导航、战术和商业共4个等级。目前,MEMS陀螺仪的精度主要适用于战术导弹、中近程制导、飞行控制、灵巧弹药等军用领域,主要用于导航制导、姿态测量与稳定控制等方面。

 

陀螺仪的精度范围,资料图


1.对微型化、低功耗的要求

随着军事技术的不断发展,导弹作战能力日益增强,导弹攻防对抗日趋激烈。为应对不断发展的新型导弹威胁,世界军事强国高度重视颠覆性技术发展及作战概念创新,以期获得克敌制胜的作战优势,改变未来导弹攻防作战样式。

影响导弹发展的颠覆性技术之一即微系统技术。微系统技术可促进导弹的微小型化和智能化,能够有效降低系统尺寸、质量与能耗,提高系统性能。采用微系统技术研制的MEMS陀螺仪有体积小、质量轻、集成化程度高、功耗低等优点,适用于战术导弹的制导系统、光学伺服稳定机构、姿态控制系统等。

2.对制导精度的要求

随着现代战争的需要和现代武器装备的发展,采用小型武器进行精确打击代表着未来军事高科技的发展趋势,对制导精度也提出了新的要求,进一步拓展了MEMS陀螺仪在战术导弹中的应用领域。

旋转导弹弹体滚动轴向高速旋转,高达9000(°)/s。长期以来,旋转导弹弹旋频率一直无法直接实时测量,主要是无法满足弹体结构尺寸(小体积)和大的测量范围的要求。针对旋转导弹弹旋频率测量的需求,出现了一种大量程MEMS陀螺仪,可广泛应用于舰载防空导弹、便携式防空导弹、反坦克导弹等旋转导弹中。

当导弹接近目标时,弹体抖动加大,若无角速度传感器构成的阻尼回路将导致脱靶量增加。对偏航MEMS陀螺仪提出了明确需求,用于稳定回路(阻尼回路)的角速度反馈,以增加导弹的等效阻尼系数,输出与弹体偏航轴角速度成比例的正弦波信号。

稳像技术作为精确制导武器的主要技术力量成为未来精确制导一个重要发展方向,采用辅助稳像设备的红外成像导引头是导弹的重要组成部分。MEMS陀螺仪成为辅助稳像设备的必然选择,也直接影响了稳像的质量。

3.对环境适应性的要求

环境适应性与武器装备的战术技术性能指标一样,是衡量武器装备设计优劣以及研制质量的重要指标,直接影响到武器装备的实际作战效能。

战术导弹作战使用环境复杂,贮存周期长,可靠性要求高,飞行条件下的噪声、振动、过载、温度等环境条件恶劣,要求惯性仪表必须具有很高的性能及较好的长期稳定性。MEMS陀螺仪环境适应性强、可靠性高的特点能够较好地满足战术导弹对环境适应性的要求。

4.对低成本的要求

高成本一直是制约精确制导导弹大量装备与使用的一个主要因素,MEMS陀螺仪成本低、易于批量化生产的特点成为降低武器装备成本的首选。

MEMS陀螺仪占领着5(°)/h~10(°)/h的陀螺市场,如图3所示,这些MEMS陀螺仪中部分价格低至100美元。与之竞争的光纤陀螺或机械陀螺,零偏稳定性在1(°)/h~5(°)/h的,市场价格为单轴2000美元到4000美元。

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