“战斧”巡航导弹研制极简史（完）大脑和心脏

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战斧的大脑：地形匹配系统（TERCOM）

地形匹配系统是战斧巡航导弹能够实现远程高精度打击的核心技术之一。而这门技术山姆大叔已经修炼了将近20年了，“天狮星”那些第一代巡航导弹还没服役就开始了。

且说，钱斯.沃特公司（没错就是LTV的前身之一）在1958年就提出了供核动力超音速导弹(SLAM)用的TERCOM概念,当时称之为“指纹”。SLAM计划在1959年初取消,但钱斯·沃特用公司资金继续研究。1960年4月,空军航空系统处与钱斯·沃特签定合同,继续探索和发展这一概念在远程巡航导弹上的应用。合同持续到1961年7月,当时的重点是利用政府提供的雷达高度表进行飞行试验演示,并在飞行后进行相关处理。合同的主要目标是以实验证明TERCOM利用地形剖面的特征实现位置定位，然后修正惯导系统的可能性。后来钱斯·沃特成为LTV-E公司的一部分。航空系统处与LTV-E在1963年签定了合同继续研究TERCOM概念, 探索在低空飞机上的可行性, 该合同持续到1965年。当时这项计划叫做低空等高线匹配( LACOM ) , 要求设计制造一部完整的定位/修正分系统, 同时研究产生存储在飞行计算机中的TERCOM地图的半自动方法。在1963到1965年期间LTV-E根据与空军航空电子设备实验室签订的合同,用小型激光测距装置取代雷达高度表进行了若干次飞行试验,看看能否提高位置精度。在 LTV-E解体后分家单过的E系统公司则在1972到1975年期间在航空系统处的赞助下继续TERCOM的发展。目标是把TERCOM用于无人侦察机。在一称之为设计更新的计划下研制。合同包括任务规划步骤、源数据的要求和源数据的更换要求。空间和导弹系统组织SAMSO在1963到1973年间也赞助过几项研究 TERCOM在弹道导弹上可能应用的计划,如末段位置定位系统( TPLs),末段遥感实验( TERSE ),末段定位( TERF ) 和末段传感器过载飞行试验 ( TSOFT ) 。

1971年, 海军航空系统司令部赞助了约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的一项研究,该研究建议战略巡航导弹制导采用辅助惯导系统。根据这一研究,海军航空系统司令部在1972年中与E系统公司签了项合同,进行TERCOM辅助惯导系统 ( TAINS)的飞行试验。飞行试验证明 ,该方案对巡航导弹来说是可行的。该试验还证实了地形选择的重要性。在霍普金斯大学研究TERCOM地点选择技术的同时，麦道也独立地对此课题进行了研究,搜集飞行数据验证霍普金斯大学的研究结果。海军航空系统司令部在辅助惯导系统试验成功的基础上于1974年初就巡航导弹制导向工业界征求投标，有四家公司响应, 麦道、通用动力、E系统和LTV的沃特系统分公司。前两家公司动手早, 在1973年就自掏腰包搞飞行试验。到了是麦道和E系统胜出,被选定竞争发展地面发射巡航导弹的原型制导装置。每家各造一套装置。E系统在海军的A7E攻击机上对TERCOM进行载飞试验,。麦道财大气粗，用自己的飞机试验。竞争于1975年以空军C141运输机上的飞行试验告终, 试验证明麦道系统（AN/DPW-23）的精度和可靠性更好, 这就是后来通用动力和LTV都把巡航导弹制导装置的合同给麦道的主要原因。

战斧式“火蜂”

1976年2月初, 美国海军在新墨西哥州白沙导弹靶场用改装的瑞安公司的BQM-34A“火蜂”无人机成功地作了巡航导弹地形匹配制导系统的飞行试验。海军用了4架火蜂来作巡航导弹制导系统试验, 改装了3架,第4架作为备份。在不同风速下作一系列试验,据说风速影响对低空飞行的制导是极为重要的问题。另外还在高低变化的不同地形下验证制导系统精度。试验时, “火蜂”由地面起飞,用降落伞回收。初次飞了30多分钟,以后作了几十次试验。为躲避雷达探测, 须超低空飞行,海射巡航导弹要求在100英尺(30.5米)以下的高度飞行。试验证 明圆公算偏差在600英尺( 138米)以下。在“火蜂”上试验的制导系统采用了很多标准件。导弹以雷达高度表保障贴地飞行, 在航线上以地形匹配系统于特定点上精确地校正导弹的位置。以实时测得的数据与存贮在计算机中的数据进行比较匹配的。制导系统所用惯性平台是诺斯罗普公司F5E战斗机上的利顿LN-30系列。计算机为F5E和 DDG963驱逐舰使用的利顿LC4516通用计算机。雷达高度表是“鱼叉”导弹所用的AN/ APN194高度表。导弹的核心部件是麦道为制导装置研制的软件, 是该公司专利。空军也用海军的制导系统的硬件。现有的军用地图足以精确提供制导系统所需的地形数据。

简单来说 , TERCOM系统就是将所测得的地形剖面与存在系统计算机中的地形剖面进行比较,用最佳匹配法确定所测得的剖面的地理位置。TERCOM利用如下前提条件:即地球表面任何一个地方的地理位置都可以用周围地形的垂直等高线来唯一地确定。下图示出了TERCOM的工作过程。实现TERCOM所要求的硬件都是些标准的航空电子设备。

TERCOM原理

下图描述了雷达高度表、气压高度表、惯性测量装置和数字计算机等主要部件间的功能关系。

TERCOM系统的框架

雷达高度表提供导弹的离地高度。气压高度表测量导弹相对于平均海平面 的高度,其信号在数字计算机的“气压一惯性系统”中与惯性测量装置垂直加速度表的输出相加,产生更高质量的绝对高度信号。

气压一惯性系统提供的绝对高度与雷达高度表提供的离地高度之差就是相对于平均海平面的地形标高。所测得的地形标高剖面(减去平均值)就是用来与存赊在导弹计算机中的基准地形剖面进行匹配的信号。

雷达高度表和气压表的配合

惯性测量装置由加速度表和陀螺组成,它为惯导提供主要测量数据。惯导计算在数字计算机中完成。总体而言，惯导系统是引导战斧的基本装置，TERCOM系统只是用来定期地修正惯导。因此,惯导在到达了第一个地图航线检查点以前,在TERCOM航线检查点之间和从最后一个检查点到目标之间导引导弹。这一次次的修正就提高了惯导系统的精度。另外,它能使导弹平行于TERCOM地图的行列飞行。数字计算机执行全部TERCOM和惯导计算。它根据惯导系统估计的导弹位置气动和结束TERCOM操作。具体讲,数字计算机完成“平均绝对差”计算并确定TERCOM匹配点。导弹估计位置用多态卡尔曼滤波器计算。在确定TERCOM坐标以后,将相应的变化加于卡尔曼滤波方程的状态矢量中,完成修正。所有这些计算都是在导弹沿其飞行路线飞行过程中实时地进行的。业已证明,平均绝对差算法对于巡航导弹是一种很有效的相关方案,能满足导弹的精度和实时计算要求。相关算法比较测得的标高和一给定地图的地图标高的平均绝对差。“匹配”用测得的剖面的一子集和基准剖面之间的高度差之和的最小值表示。给出最小平均绝对差的基准剖面规定了导弹横向航迹位置,测得的剖面的子集确定了纵向航迹位置。巡航导弹的TERCOM软件就是计算机程序,它在适当时刻将测 得的地形标高剖面与存在计算机存贮器中的TERCOM基准地图进行匹配。基准地图由修正时刻导弹最可能飞越其上空的那些地形剖面 的数字式表示形式组成。巡航导弹制导装置安排得在飞行中测量基准地图正中的地形剖面;但由于导航位置误差,导弹一般来说在偏离中心的剖面上飞过，当计算机将所测得的剖面与基准地图中的各剖面进行比较时,匹配最佳的基准剖面就代表导弹飞越其上空的地形剖面。因此,可以利用TERCOM来确定导弹的位置误差,修正惯导并改正导弹的航线

地形匹配的结果

海射战略巡航导弹的地形匹配系统至少装有12张地图,在这些地图上,以小于10米的间隔用数字表示出地形,并以小于3米的误差记录其标高。由于导弹最初在不可能对位置进行修正的水面上空飞行,为了使导弹不离开预定的登陆点,第一个初见陆地的地图要做得足够宽(可宽达10公里)。在导弹将要飞入一给定地图区域时,雷达高度表开始记录读数,在导弹离开那个区域一个相等间隔后,停止记录读数。计算机采用简单的绝对偏差算法,使高度表上的读数同地图点上的相匹配。高度表的读数重复率极高,以致连同步误差或地面对高度表的干扰都不能降低系统的性能。导弹被导引到目标的精度至多等于地图网格的大小,实际上达到它的一半就算不错了。地图网格可以做得很小,比如说每边10米,所以原则上导弹可有相当高的精度。然而,还有许多因素影响这个精度，所以预期海射战略巡航导弹有100米左右的精度是比较稳妥的。最大误差在于绘制地图时人为的误差、选择绘制地图用的地形判断不当和接近目标时缺乏地形匹配制导用的合适地形。

地形匹配的侧视图

战斧的心脏：涡扇发动机

1972年5月31日美国军方与威廉姆斯签订了F107-WR-100的研制合同。1975年11月，发动机通过了飞行前性能试验(PFRT)。空射巡航导弹(ALCM )飞行试验于1976年3月开始，第一枚导弹在高度4572米，M数0.6情况下发射，并于5月和6月取得推力数据。装F107-WR-400的海射巡航导弹于1976年6月开始飞行试验并成功。

F107系列小型双轴涡扇发动机由 WR19系列发动机发展而来。WR19是双轴混合排气涡扇发动机,其海平面静态 空气流量为6.13kg/s,总增压比为7.6, 涵道比为1，低压压气机为无级间放气的4级轴流压气机, 由两级低压涡轮驱动, 前两级是风扇, 后两级是中间级。高压压气机为离心压气机, 由一级高压涡轮驱动。燃料由安装在轴上的甩油盘输送到环形燃烧室。发动机附件安装在齿轮箱上,由高压轴传动。WR19于1967年8月进行首次试车,耗油率67.4kg/hkN, 额定推力1.9kN。试验表明这种发动机的循环系统和各部件安排是合理的。

1969年空军指示威廉姆斯为亚音速巡航武装诱饵弹( SCAD )研制发动机。这种 发动机以WR19为基础,称为WR19-A2,其设计推力为2.12kN。1971年初,空军在为SCAD准备请求建议( RFP)的过程中,为满足对导弹提出的最大射程、最小体积的要求,对动力装置提出了如下要求:现有技术;限制长度、直径和体积,长度 为762mm,直径为305mm;设计简单,低成本，高空起动:部分推力时耗油率较低 ; 满足高空推力要求:提取功率14.7kw;贮存期限10年;工作时间50h. 通过分析研 究,确定了气动热力循环, 建立计算机模型以评估设计性能。然后根据评估结果 , 确定RFP所提出的性能指标，并解决发动机设计遇到的主要问题。不过SCAD的射程只1200km,不满足空军要求, 故该计划于1973年终止。

F107外形，离心式压气机就这么彪悍

为了攻击苏联纵深目标, 波音根据空军的要求,于1974年2月在SCAD基础上 , 开始了空射巡航导弹（ALCM）系统的研制。对发动机的要求没有变化, 由威廉姆斯研制F107-WR-100涡扇发动机作为ALCM的动力。

为了达到设计推力和耗油率, F107-WR-100的增压比和涡轮进口温度都比WR19有所提高。涵道比接近1:1 ,总增压比由7.6增至14.5;涡轮进口温度由905℃增至1010℃,提高了性能。推力增加到2.67KN，依WR-100/400/402型号不同重量在59-65公斤之间不等。

F107-WR-100的流路、部件设计和主要结构保持了WR19的特点，但由于B-52旋转发射架要求导弹能以任何滚转姿态携带, 因此发动机还要解决漏油问题。采取的措施是将油箱置于发动机垂直中心线下方,并从体积形心处开排气孔。

F107剖视图倒还苗条点

低压转子风扇及盘用17-4PH钢整体铸造,能防冰、防来物损伤。低压压气机中间级是钛合金机加工件,生产成本较低。低压轴转速达35500rpm,其转向与高压轴相反。低压涡轮盘和叶片是用IN713LC整体铸造的,用销钉连接并夹紧在轴上。

高压转子为离心压气机，叶轮用17-4PH钢铸造。不用冷却的IN100高压涡轮铸件采用电子束焊接在高镍合金钢轴上。

燃烧室是一种离心甩油式环形燃烧室。带整体外环、采用MAR-M-509材料铸成的高压涡轮导向器是燃烧室的焊接构件。为控制涡轮叶尖间隙,高压涡轮外环用压气机出口空气冷却。

至此，战斧导弹的发展过程及主要技术特点已介绍完毕。可以说，尽管前面有长期的技术积累，但美国人仍旧用了超过十年的时间方才完成全套技术的开发与实用化。和原计划的五年相比，时间上超期程度竟高于100%，可见其难度。而也正是由于这一技术的门槛太高，就是其它大国中能够自主掌握者也寥寥无几，美国才得以凭借着这一独门绝技横行天下三十载。所幸中国已经在二十一世纪初通过自身的不懈努力突破了包括这一技术在内的各类中远程导弹突防技术，才使得西太平洋及东亚地区的战略局势不至于失衡太多。

试验中的战斧