惯性导航是个啥?
来源:航天新闻网发表时间:2024-08-16 09:58:21浏览量:2732
汽车在城市中穿行,可以依靠地标、地图,还可以依靠卫星来导航,那火箭在空中精准飞行依靠什么呢?答案就是大名鼎鼎的惯性导航。那么问题来了,火箭用惯性导航,是因为惯性吗?
“惯性导航”和“惯性”傻傻分不清?首先我们来了解一下什么是惯性。牛顿第一定律指出,一个物体在没有受到外力的情况下,会继续保持原来的运动状态,这就是惯性。
惯性导航就复杂些,它是利用惯性传感器(加速度计和陀螺仪)来测量运动体的加速度和角速度,再计算出其位置、速度和姿态等运动状态的技术。
在牛顿第二定律F=ma中,加速度a是关键,它可以决定物体的运动状态,包括位置、速度等,这些可以通过加速度计传感器测量得出。而人们要想确定三维空间中运动体的状态,只知道加速度a还不够,还需要知道运动体的角速度。测量角速度的传感器叫陀螺仪,它的发明源于牛顿对高速旋转刚体力学问题的研究。
惯性导航帮助火箭精准飞行。
陀螺仪和加速度计,就是惯性导航的传感器部分。正因为它们是利用物体的惯性来实现测量的,所以被称为惯性器件,惯性导航也因此得名。
那么,惯性导航是怎么实现的呢?
惯性导航技术依靠惯性导航设备(简称“惯导”)来实现。常见惯导的核心,是三组正交安装的陀螺仪和加速度计,用于测量载体在三维空间的角运动和线运动。此外,惯导内部还有通信、供电、支撑、计算等组部件。
加电后,惯导能够在初始运动状态基础上,不断测量运动体的角速度和加速度,一步一步递推出运动体在各个时刻的姿态、速度和位置。
举个例子,假设你在走迷宫,并且知道自己在地图上的位置。这时给你一个神器——惯导,它就能通过加速度计和陀螺仪测量出你在运动时的加速度和角速度,然后根据一系列公式推算出你的当前位置和方向,还能随着你的运动将整个路径完整算出。就问你,惯导牛不牛?
火箭要想在空中精准飞行,也是类似的道理。当火箭要进入太空这个大迷宫时,惯导神器自然也是要带上的,它是实现高精度的导航和姿态控制、将载荷精准送入预定轨道的重要保障。根据任务要求的不同,长征系列运载火箭用到的惯导有多种类型,有动调陀螺四轴平台惯导、捷联式惯导、气浮陀螺平台惯导等。它们各具优势,最终目的都是为了让火箭能够圆满完成任务。
在导航界,惯导可以算是元老了,但其江湖地位至今依旧不可动摇。不管是卫星导航还是无线电导航,都需要外界设备的辅助,连天文导航也得看天体的“脸色”,因此它们都有受制于“人”时候。
惯导就不一样了,它不借助其他设备,不受外界干扰,不向外界发送信号,主打独立自主。同时,它还能连续、全面地输出导航信息,可谓技能点满满。
历经数百年,从液浮陀螺惯导到光学陀螺惯导再到MEMS惯导、原子陀螺惯导,从火箭到飞机、自动驾驶汽车甚至体感游戏机,惯性导航依然在人类生活的方方面面焕发着勃勃生机。
火箭用惯性导航,虽然确实“习惯”了,却也真是因为牛顿所说的“惯性”。火箭每一次腾跃长空精确入轨,都离不开其中惯性导航设备的默默努力。让我们为惯性导航这个幕后英雄点赞!
来源/《中国航天报·飞天科普周刊》
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