文档介绍：1 大型运载火箭风摆跟踪瞄准系统余祖荫内容摘要 40 多年前本人曾为某多级大型运载火箭在风摆条件下完成发射瞄准而提出并研究成功一种新的风摆跟踪瞄准原理和试验装置, 利用简单的单光路系统和相位扫描调制法同时获取火箭上被瞄直角棱镜的方位转角和平移信息。根据新的原理研制的风摆跟踪激光瞄准仪曾经用于西昌卫星发射中心为长征 3 号运载火箭的发射瞄准并且获得国家重大科学进步奖。有关自动跟踪瞄准仪的原理和系统构成的文章曾于 198 2 年发表于中国航天丛书地面设备分册。这里将 40 多年前的原文做了局部修改之后作为一段历史回忆重录发表。主题词:运载火箭方位瞄准光电跟踪光学调制 1 .前言多级大型运载火箭发射前遇有大风时将产生摇摆,使地面瞄准仪不能对准安装在顶级火箭的制导平台上的瞄准直角棱镜( porro 棱镜, 以下称为直角棱镜), 无限制的加大瞄准仪的光电准直平行光管( 下称平行光管) 的口径给制造和使用带来很多困难而利用自动跟踪系统可以更好的解决这一技术难题。 1968 年美国发表的“土星运载火箭”风摆跟踪瞄准系统只是简单的提到平行光管发出的平行光经过五棱镜转向镜折转 90° 投射到火箭仪器舱上的惯导平台直角棱镜, 通过移动五棱镜进行风摆跟踪但是没有进一步的说明。如图 1 所示。根据后来美国发表的“土星运载火箭”风摆跟踪瞄准系统的资料得知该系统是采用一种双光路双边幅度调制原理, 火箭上安装三个棱镜, 瞄准直角棱镜、同步直角棱镜和跟踪用直角锥形棱镜并且通过光谱分割将三路信号分开。其双光路平行光通过转向五棱镜镜折转 90° 之后交汇于被瞄棱镜附近因此瞄准工作距离和跟踪零位都是不可调的,其有效负载是转向五棱镜。本文提出的新原理是采用简单的单光路系统和简单的相位扫描调制法同时获取火箭上被瞄棱镜的方位转角和平移信息,从原理上讲其工作距离是任意的而且其跟踪零位是连续可调。当捆绑式运载火箭出现之后, 火箭平台瞄准直角棱镜的风摆量明显减小, 跟踪瞄准仪也就退出了历史舞台但是作为一项重大科研成果曾经轰动一时, 为此 1981 年和 1984 年航天部科研局曾经两次下达通知敦促十五所将其申报国家重大发明奖。由于本人不认可某个单位的做法最终决定放弃申报。 2 .系统组成本风摆跟踪瞄准系统由光电准直平行光管、测量与控制电路和执行机构组成。执行机构包括伺服电机、传动丝杠, 而有效负载是转向五棱镜或者是光管本身,如图 1,2。系统中, 风摆跟踪与方位瞄准共用一个光管, 与在用的远距离光电瞄准仪中使用的光管的主要区别只是出射平行光的调制方法不同, 其次是光管内增加了一个平移信号接收光敏元件和一个鉴相基准信号接收光敏元件。由微型同步电机带动调制盘(或杯) ,盘上的等距通光孔对出射平行光束进行水平切割,成为明暗相间的等速水平移动的扫描光束投向被瞄直角棱镜。返回光汇聚于物镜焦平面-狭缝。当被瞄直角棱镜方位转动时,汇聚光点将在物镜焦平面内左右移动并且分别被左右两个瞄准光敏元件接收,两者信号之差即代表了被瞄棱镜的方位转角的大小和方向。返回光束被平移光敏元件接收,输出的光电信号经过放大和鉴相之后成为直角棱镜的左右平移信号。虽然被瞄棱镜的转动与平移信号在光路中混杂在一起, 但是由于瞄准信号表现为光焦点的空间 2 移动信号而被瞄棱镜的平移信号表现为相位变化信号,通过电路的不同处理方法可将其分离。平行光管控制电路运载火箭直角棱镜及其摇摆方向图1采用转向五棱镜进行跟踪的系统构成伺服电机平移导轨转向五棱镜丝杠螺母直角棱镜的截面积电控箱火箭上的被瞄棱镜伺服电机平行光管传动丝杠速度反馈- 测速发电机图2 采用平行光管直接跟踪的系统构成光调制和光电接收器限位和搜索控制开关(左) 美国“土星运载火箭”瞄准仪采用转向五棱镜跟踪, 无疑是一种绝好的方案, 不但大大减小了 3 跟踪负载的惯性更重要的是, 由于采用转向五棱镜, 其平移导轨的精度基本上不影响瞄准精度而采用平行光管直接跟踪时则导轨的精度精度直接影响方位瞄准精度因此必须采用超高精度的平移导轨,当摇摆量过大时,例如大于± 300mm 或者瞄准精度要求过高时采用转向五棱镜可能是唯一的技术途径。本人的原理实验装置效仿了“土星运载火箭”,采用转向五棱镜进行跟踪,根据原理样机研制的激光跟踪瞄准仪则采用了瞄准仪(平行光管)直接跟踪方案。刀口狭缝棱镜右光敏元件左光敏元件鉴相基准光敏元件平移信号光敏元件半透半反平面镜微型同步电机-调制电机杯形调制斩波器(绕主光轴旋转 90° 的结果) ,调制盘被瞄棱镜光管物镜图3 跟踪瞄准的光学系统-平行光管的光路示意图杯形调制盘(杯) 微型同步电机通光孔出射光缝全反射镀层,左右两侧光源燈 3 .关于方位瞄准原理的简单介绍跟踪瞄准系统的主要任务是完成火箭的远距离发射瞄准, 而跟踪系统只是保证火箭在风摆条件下也能顺利完成方位瞄