نگاهی به فناوری هدایت موشک‌های بالستیک/ نقش حیاتی ژیروسکوپ‌ها در ناوبری اینرسی
به گزارش خبرنگار دانش و فناوری گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، هدایت دقیق موشک‌های بالستیک به اهدافی در فواصل بین‌قاره‌ای، یکی از برجسته‌ترین دستاوردهای فناوری در مهندسی هوافضا و سیستم‌های کنترل به شمار می‌رود.
این پرتابه‌ها برخلاف موشک‌های کروز یا پهپادها، بخش اعظم مسیر خود را در یک مدار بالستیک و بدون نیروی پیشران پیوسته طی می‌کنند، امری که دقت عملکرد سیستم هدایت در دقایق اولیه پرتاب را به عاملی تعیین‌کننده در موفقیت مأموریت بدل می‌سازد.
در قلب این فرآیند پیچیده، سیستم ناوبری اینرسی (INS) و جزء کلیدی آن، ژیروسکوپ، قرار دارد.
اصول هدایت بالستیک و اهمیت فاز اولیه پرتاب
مسیر پروازی یک موشک بالستیک به سه مرحله اصلی تقسیم می‌شود: فاز اولیه (Boost)، فاز میانی (Mid-course) و فاز نهایی (Re-entry). هدایت و کنترل فعال موشک تنها در فاز اولیه، یعنی از لحظه احتراق موتور تا پایان کار آن، امکان‌پذیر است. در این بازه زمانی کوتاه، سیستم هدایت موشک باید با دقتی مافوق‌تصور، سرعت، ارتفاع و زاویه پرتابه را تنظیم کند. هرگونه خطای جزئی در این مرحله، به دلیل مسافت طولانی پرواز، در نقطه فرود به انحرافی معادل چندین کیلومتر منجر خواهد شد.
پس از پایان کار موتور، موشک وارد فاز میانی شده و مسیری را مبتنی بر قوانین فیزیک، گرانش و تکانه اولیه طی می‌کند. از این رو، تمام اطلاعات مورد نیاز برای رسیدن به هدف باید در همان دقایق ابتدایی در سیستم ثبت و پردازش شود. این وظیفه خطیر بر عهده سیستم ناوبری اینرسی است.
سیستم ناوبری اینرسی (INS)، مغز متفکر مستقل
سیستم ناوبری اینرسی یک سامانه کاملاً خودکفا و مستقل است که برای مسیریابی به هیچ‌گونه سیگنال خارجی مانند GPS نیازی ندارد. این ویژگی، آن را در برابر انواع جنگ الکترونیک و اختلالات سیگنالی مصون می‌سازد. این سیستم از دو جزء اصلی تشکیل شده است:
۱. شتاب‌سنج‌ها
این حسگرها وظیفه اندازه‌گیری شتاب خطی موشک در سه محور مختصات را بر عهده دارند. کامپیوتر پرواز با انتگرال‌گیری از داده‌های شتاب در طول زمان، سرعت لحظه‌ای و با انتگرال‌گیری مجدد، موقعیت مکانی موشک را محاسبه می‌کند.
۲. ژیروسکوپ‌ها (Gyroscopes)
عملکرد شتاب‌سنج‌ها بدون وجود یک چارچوب مرجع پایدار، فاقد اعتبار است. ژیروسکوپ‌ها این چارچوب مرجع را فراهم می‌کنند. وظیفه اصلی این حسگرها، اندازه‌گیری و حفظ جهت‌گیری زاویه‌ای است. به عبارت دیگر، ژیروسکوپ به سیستم کنترل اطلاع می‌دهد که موشک در هر لحظه حول محورهای طولی، عرضی و عمودی خود (Roll, Pitch, Yaw) چه میزان چرخشی داشته است. این اطلاعات برای تفکیک شتاب ناشی از نیروی رانش از شتاب ناشی از تغییر وضعیت موشک، حیاتی است.
ژیروسکوپ، از اصول مکانیک کلاسیک تا فناوری‌های نوری
اساس کار ژیروسکوپ بر پایه اصل بقای تکانه زاویه‌ای است. یک جسم دوار با سرعت بالا، تمایل دارد محور چرخش خود را در فضا حفظ کند و در برابر هرگونه گشتاور خارجی که قصد تغییر این محور را داشته باشد، مقاومت می‌کند. این پدیده که به "صلبیت ژیروسکوپی" معروف است، سنگ بنای این فناوری است.
فناوری ژیروسکوپ در طول دهه‌ها شاهد تحولات چشمگیری بوده است:
ژیروسکوپ‌های مکانیکی: نسل اولیه این حسگرها شامل یک روتور چرخان با سرعت بسیار بالا بود. این سیستم‌ها با وجود دقت بالا، به دلیل داشتن قطعات متحرک، در برابر ضربه و ارتعاشات شدید آسیب‌پذیر بوده و نیازمند زمان برای رسیدن به پایداری عملیاتی بودند.
ژیروسکوپ‌های نوری (لیزری و فیبر نوری): نسل نوین ژیروسکوپ‌ها فاقد هرگونه قطعه متحرک بوده و بر اساس اثر سانیاک (Sagnac Effect) عمل می‌کنند. در این حسگرها، دو پرتو نور در جهات مخالف در یک مسیر بسته به حرکت درمی‌آیند. در صورت دوران سیستم، مسیری که یکی از پرتوها طی می‌کند اندکی طولانی‌تر از دیگری شده و این اختلاف، یک تغییر فاز قابل اندازه‌گیری ایجاد می‌کند که مستقیماً با سرعت زاویه‌ای دوران متناسب است.
ژیروسکوپ‌های لیزری (RLG) و ژیروسکوپ‌های فیبر نوری (FOG) دو نمونه برجسته از این فناوری هستند که به دلیل قابلیت اطمینان بالا، وزن کم، مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی و فعال‌سازی آنی، به استاندارد طلایی در سامانه‌های ناوبری مدرن، از جمله در صنایع هوافضا و کاربردهای نظامی، تبدیل شده‌اند.
در نهایت، دقت خیره‌کننده موشک‌های بالستیک مدرن، بیش از هرچیز مرهون پیشرفت در فناوری‌های ناوبری اینرسی و به طور خاص، حسگرهای ژیروسکوپ است. این ابزارهای دقیق، با ایجاد یک مبنای پایدار و قابل اتکا در دل آشوب و شتاب عظیم ناشی از پرتاب، به کامپیوتر پرواز اجازه می‌دهند تا با محاسبات دقیق، سرنوشت یک مسیر چند هزار کیلومتری را در همان چند دقیقه ابتدایی رقم بزند.
