少了这根“精固”棒,任何导弹都是无头苍蝇!

发布时间: 03月21日 浏览次数:127

 

 

人类到目前制造的所有导弹,从超过200吨级的超级洲际导弹,到最小的只有几十克的微型导弹,内部都离不开一种核心部件,这就是陀螺仪。

 

弹道导弹打击精度是否精准,要看三大要素:第一是大地坐标系本身是否精确,第二就是看弹道导弹对发射的原始位置和目标的最终坐标是否精确。第三,就是看弹道导弹上安装的陀螺仪是否精良。这三者缺一不可。当被加压电压的战术导弹内部陀螺仪高速旋转起来时,导弹通过自己的飞行和制导并获得精确的位置和目标读数,最终引爆自己,击毁目标。

 

· 标准导弹 (SM-3) 从美国海军舰艇上发射。图源:雷神

 

陀螺仪保持稳定并以非常高的精度定义方向加深了国防部门应用范围。例如,人们会在现代洲际弹道导弹、核导弹、艾布拉姆坦克和军用飞机中找到陀螺仪。随着越来越多的坦克、飞机、导弹和人员配备了先进的目标系统,陀螺导航系统与目标系统合作的需求将会增加。

 

· 和平卫士导弹的激光陀螺仪。图源:reddit

 

 

陀螺仪的构造

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你可能会问,什么是陀螺仪?陀螺仪是一种绕轴旋转的设备。陀螺仪由安装在环形框架中的中心轮或转子组成。这些环被正确地称为万向节或万向环(如下图)。

 

· 图源:YoungWonks

 

万向节是支撑轮子或其他结构但允许其自由移动的设备。环本身支撑在一端的轴或轴上,而轴或轴又可以安装在底座上或仪器内部。转子轴在空间中指向其原始方向的特性称为陀螺惯性;惯性只是移动物体保持移动直到停止的特性。与空气的摩擦最终会减慢陀螺仪的轮子,因此它的动量会消失。然后轴开始摆动。为了保持惯性,陀螺仪必须高速旋转。

 

 

导弹驱动系统中的精密定位销

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没有陀螺仪,导弹就像个无头苍蝇乱撞;没有定位销,陀螺仪就像个行尸走肉制动不起来。

 

什么是定位?这是陀螺仪制导的“精固棒”!用于定向陀螺仪应用,在更大的系统中作为组件提供定向支持。

 

精密销在当今广泛的国防应用中使用。您会在现代洲际弹道导弹、核导弹以及M1坦克中找到制导销,以及包括战机在内的许多飞行仪器都在系统中包含一个机械陀螺仪,精密销用于驱动系统和电源控制。这些系统可能需要在飞行中改变方向并具有精确的位置和目标读数。

 

定位销“短小精悍

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定位销用于帮助机器部件精准固定并对齐,虽然他们很小,发挥着关键作用。在设计机械部件时,机械工程师通常使用定位销孔作为参考点来控制定位变化。如果使用定位销以外的其他东西进行对齐,则组件定位可能会有很大差异。

 

定位销本质上也是定位器,以便可以移除零件并在更换时保持其准确位置。定位销允许比螺钉更严格的公差。所有陀螺仪都在一个单一的中心临界点或引脚上运行。对于大多数陀螺仪,定位销必须具有高精度和极好的微光洁度,这就是精;同时选材和表面质量要绝对“”,这是让定位销为达到当今技术和安全标准所要求的水平。

 

· 图源:refractorymetal

 

 

定位销选材非同一般

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定位销可以由从不锈钢到硬质合金的很多材料制成。但对于导弹陀螺仪的定位销,以及万向节、万向轮,工程师更热衷于采纳铍金属,来代替钢、钛、铝等一般金属。铍金属具备非同一般的品质 :

 

 

  • 良好的热性能。铍的导热系数是钢的3倍,铜是5倍,热膨胀系数不到镁的一半;

  • 优良的机械性能。铍的比例是钛的1/3,铝合金的三分之二,弹性模量是钛、铝、镁的3倍、5倍和7倍。其比强度是铝合金的1.7倍,镁合金的2.1倍和钢的1.5倍;

  • 超级稳定。这意味着用作陀螺仪上的零件可以更轻更坚固。

 

· 铍金属 图源:refractorymetal

 

 

用于导弹精密定位销的表面质量

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通常,导弹陀螺仪定位销的精度要求在 0.0001” 到 0.000006” 之间,微光洁度为 1Ra 或更小。定向精密销外径/内径公差低至 0.000003 英寸 (0.000076 毫米),平面度公差低至0.000010 英寸 (0.000254 )毫米。

 

· 超高精度芯销 图源:Adamant Namiki

 

在大多数情况下,精密定向销需要精密研磨来保持要求的光洁度和公差,经过高精度抛光与热处理加硬,从而满足:

 

  • 抛光表面,光亮表面

  • 没有磁铁的硬质材料

  • 没有毛刺和锋利的边缘

  • 具有高精度的严格公差

  • 耐高温、耐磨、耐腐蚀

 

精密抛光、硬化热处理是精密加工的两道关键中道工序,来促使强化这些精密销能够自由而准确地旋转,用于导弹陀螺仪位置精度和紧密公差对齐最重要的地方。

 

· 图源:radax

 

 

精密抛光的选项

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定位销通过精密抛光实现孔尺寸、公差的控制。一般制造和先进制造中的诸多研磨抛光去毛刺方法都适宜精密定位的表面抛光进程。

 

光饰光整:定位外表面可以通过拖曳式、振动或者滚筒的抛光机,不改变零件表面几何形状的情况下进行温和的表面精加工,适合大规模生产的完美表面光洁度,具有高度灵活和成本效益的优势。

 

磨料流:适应于内孔去毛刺和抛光。磨料流磨中使用的研磨介质提供了实际的材料去除:抛光、去毛刺和边缘圆角。

 

· 电化学加工 图源:Fraunhofer IWU

 

精密电化学加工(PECM):是ECM的高级演变,可对定位从里到外的表面实现高精确度、高品质、高一致性和可重复性的整体抛光,非常适合批量生产。

 

抛丸喷砂:为了改变金属的机械性能而不是去除表面缺陷。压缩应力使表面更坚固,并有助于抵抗疲劳、磨损、开裂和气蚀造成的侵蚀。这个过程通常包括钢、陶瓷和玻璃介质。

 

除了抛光方法,用于满足陀螺仪的许多精密销需要特殊的工具或夹具来固定、研磨或检查零件。

 

 

热处理硬化

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定位销通过热处理硬化达到延展性。热处理是指热处理方式中为获得表面硬化层,同时得到甚高的表面耐磨特性的处理方式。精密定位销可能要经过热处理硬化的多个过程,一些常见的热处理形式包括:

 

硬化:当金属硬化时,它被加热到材料中的元素转化为溶液的程度。然后通过创建可靠的解决方案和强化金属来改变结构中的缺陷。这会增加金属或合金的硬度,使其延展性降低。   

 

退火:此工艺用于铜、铝、银、钢和黄铜等金属。这些材料被加热到一定温度,保持在该温度直到发生转变,然后缓慢风干。这个过程软化了金属,使其更易于使用,并且不太可能断裂或破裂。 

 

· 图源:Rapiddirect

 

回火:铁基合金等一些材料非常坚硬,使其变脆。回火可以降低脆性并强化金属。在回火过程中,金属被加热到低于临界点的温度,以降低脆性并保持硬度。 

 

表面硬化:材料的外部硬化而内部保持柔软。由于硬化会导致材料变脆,因此表面硬化用于需要柔韧性同时保持耐用耐磨层的材料。

 

正火:与退火类似,此过程通过将材料加热到临界温度并将其保持在该温度直到发生转变,从而使钢更具韧性和延展性。

 

 

没有哪个零件孤军奋战

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以上精密抛光和金属硬化工艺对导弹陀螺仪的万向节、万向环以及半环球表面精加工同样适用,精密销包括在这些应用中使用的驱动系统中的组件,表面精度和质量管理量是无穷无尽的。除了这两步,陀螺仪制造过程中的每一步都必须高度关注。

 

表面精加工对导弹系统而言无处不在,从发射系统、控制执行器系统、火箭发动机箱到火箭发动机外壳、压力容器、机身结构、外部油箱、驱动轴和发射管等空间结构件,再到定位销、万向轴、螺栓、螺钉、螺母和元件等单一精密金属零件,都离不开最先进的最基础的精密加工、组装和测试,来完成复杂、精密公差、打印金属零件、机械和机电子组件的构建。

 

· 图源:Alpha Omega Swiss

 

 

引导战斗

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二战期间,陀螺仪成为飞机和高射炮瞄准具的主要部件。战后,用于导弹和武器导航系统的小型陀螺仪的竞赛导致了重量不到 3 盎司(85 克)、直径约 1 英寸( 2.5 厘米)。其中一些小型陀螺仪可以在不到 10 秒的时间内达到每分钟 24,000 转的速度。随着越来越多的坦克、飞机、导弹和人员配备了先进的目标系统,空导弹、地空导弹和面空导弹甚至反坦克导弹,使得陀螺导航系统与目标系统合作的需求将会增加,其背后的精加工技术功不可没。

 

· 美国陆军下一代远程精确打击导弹 (PrSM),图源:洛克希德·马丁公司

 

当然,当今的陀螺仪并非都是像弹道导弹那种需要精密加工的纯机械陀螺。当今战术导弹多以电子陀螺为主。有压电陀螺、光纤陀螺和激光陀螺等。不过任何一种陀螺仪,只要是给导弹加电,那么就立即开始工作,这种工作多是不可逆的。这又涉及到超精密加工技术在电子陀螺仪上的应用。

 

欲知高超音速导弹核心部件如何设计的,请听下回分解。

 

· 可精确打击美国本土的DF-41洲际弹道导弹(ICBM) 图源:环球时报

 

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