儿童科普故事:陀螺回转仪在导弹上的应用

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适合年龄:6岁以上

难易程度:中级

1944年6月6日,美国、英国在诺曼底地区实施大规模登陆,开辟欧洲第三战场。德军腹背受敌,面临彻度覆灭的命运。

战争狂人希特勒为了作垂死的挣扎,把他手中的法宝,刚刚装备部队的秘密武器V-1和v-2导弹亮了出来,企图用导弹对英国进行袭击,以挽回败局。

1944年6月13日清晨,薄雾笼罩着英古利海峡,阳光正缓缓地透过弥漫的晨雾照射着伦敦城。

这是个阳光明媚的好天气。自盟军在诺曼底登陆以来,人们脸上浮现出胜利的微笑。然而,就在这一天,当地百姓惊奇地看见几个怪物,尾喷烈焰,直向伦敦扑来......

“轰”一声沉闷而巨大的爆炸声惊天动地,顿时,人们愣住了,傻站在那里,互相对望,不知所措。

“发生了什么事?"

伴着刺耳的啸叫,又有4起爆炸声同荡在伦敦上空。人们侧耳细听,试图分辨出爆炸声来自何方,高射炮旋转着,皇家空军的战鹰紧急开空,到处寻找投弹的敌机。然而,天空却是白茫茫的一片……与此同时,在英国首都南部地区也发生了类似事件。

6月16日凌晨2时许,一阵凄厉的空袭警报划破了伦敦寂静的夜空,人们纷纷从床上跃起,奔向防空洞。住在伦敦南郊的防空队员约翰·依福斯听到警报后,迅速穿好衣服,向自己的战斗岗位奔去。他刚出房门,便听到天空中传来奇怪的声音,他循声望去,发现空中有一个小亮点,正发着怪声斜着落向地面。几秒钟后,便听到一声惊天动地的爆炸声。约翰·依福斯迅速向出事的地点奔去。当他赶到出事地点时,消防车和救护人员都已来到现场。只见地面上有一个大坑,周围散落着被烧焦的金属碎片,但没有发现飞行员的尸体。当夜,伦敦南郊又落下了几架这样的“飞机”,同样没有找到飞行员的踪影。

16日,纳粹德国广播电台便宣布了袭击伦敦的消息。纳粹德军侦察机在伦敦上空盘旋一阵后,得意扬扬地向柏林报告说:

“火势比任何一次轰炸机的轰炸都更为猛烈。”

17日,纳粹德军最高统帅部印制了一份传单,向在诺曼底地区防守的德军散发,企图为德军鼓劲。传单上写着:

“6月6日敌人侵入诺曼底沿海,16日我军用新式报复武器对伦敦及英国东南部城市进行猛烈的袭击,使敌人遇到严重的困难,敌人的供应和增援后备队将陷入混乱....

这里所说的“新式报复武器”,就是希特勒的秘密武器——V-1飞航式导弹。V-1导弹的总质量为2200千克,弹长7.6米,最大直径0.82 米,翼展5.3米,使用脉冲式空气发动机,战斗部装药700千克,以550 ~600千米/时的速度航行时航程可达到370千米,飞行高度2000米,发射时用弹射器弹射升空,然后按预定弹道自动操纵飞行。

从6月到9月的整个夏季,德国共发射v-1导弹9017枚,许多导弹突破了英国的防空火力网击中了目标,使英国的大城市(特别是伦敦)遭到严重的破坏。9月8日,德军又以世界上最早的弹道式导弹-V-2导弹对英国进行更加猛烈的袭击,至1945年3月27日盟军攻占德军设在瓦沙那尔的V-2导弹发射基地止,德军共向英国发射V-2导弹约1115枚,向其他欧洲大城市发射V-2导弹约1675枚。

为什么导弹在长时间的飞行中都可以不需要驾驶员操作,而不会迷失方向?在导弹飞行的一系列复杂动作中,关键是要保证导弹的自动操纵系统能始终有一个固定的方位参照系。因为只有通过弹体与这个参照系的对比才能辨别各种方位,而要做到这一点,就离不开定向仪。

自动定向仪的核心部分是回转仪,它是根据小孩经常玩耍的陀螺的原理制成的。玩具陀螺在急速转动时一般不会倒下来,偶尔由于其他因素摇摆几下,又会自动地恢复原来的转动状态。玩具陀螺在地面转动时,由于仅靠其底部尖端触地,所以阻力矩很小,即外力矩可以忽略不计。根据物体所受外力矩为零时角动量守恒定律,陀螺的角动量可近似看做保持不变,即陀螺能在较长时间内周绕原来的白身轴线旋转。

根据陀螺的原理,人们设计制造了陀螺回转仪。在支架上装有可以转动的外框,外框内又装有可以转动的内框,在内框中安装着高速转动的转子,也就是一个高速旋转的陀螺。由于外框和内框以及陀螺转子的转动轴三者相交于转子的重心,而且所有的轴承都十分光滑,所以,陀螺转子可以在三维的空间中自由地转动,它的转轴方向不会因为底座位置的变化而发生变化。人们把这种陀螺回转仪安装在导弹内,并将底座固定在导弹中,这样在导弹飞行过程中,无论导弹姿态如何变化,回转仪的外框、内框位置和方向发生变化,而高速旋转的转子的转轴方向是不会发生变化的,因而就成为一个可靠的方向参照系。有了这个参照系,就可以随时测出导弹的滚动或偏转,并及时由控制系统进行校正,使导弹按照预定的方向飞行,直至击中目标。-架装有陀螺回转仪的飞机,在长时间的飞行中都可以不需要驾驶员操作,而不会迷失方向,甚至在降落的时候,自动驾驶仪也可以操纵飞机从高至低逐渐下落,平稳地降落在跑道上滑行,最后自动地停下来。

陀螺回转仪还被广泛地运用在坦克和舰艇的射击控制系统中。在坦克和舰艇运动时,不管如何颠簸、摇晃,陀螺回转仪始终能给出一个基准方位。依靠这一基准方位,可以在运动过程中随时测出炮管的方位变化,并依靠控制系统自动进行调整,保持炮管指向的稳定。

陀螺回转仪的作用不仅是上面所说的这些,更为奇妙的是,聪明的人类还利用地球的自转,发明了比磁罗经更有用的陀螺罗经。陀螺罗经已经成为现代军舰不可或缺的重要装置,每当军舰出海执行任务之前,航海部门的战士们就要启动陀螺罗经,经过一段时间的运转,陀螺罗经的转轴会稳定在与地轴平行的方向上,这样陀螺就指示出地理南北极了。

地球自转又为什么会使陀螺罗经的转轴平行于地轴呢?原来,陀螺罗经中的陀螺回转仪内环下部加装了摆性装置和阻尼器,利用摆性装置获得撰性力矩作为控制力矩,能使陀螺回转仪主轴具有自动找北的性能。只要陀螺罗经的转轴不与地轴平行,旋转中的陀螺总会受到科里奥利力,当陀螺罗经的转轴与地轴垂直的时候,科里奥利力最大,而当陀螺罗经的转轴与地轴平行的时候,科里奥利力等于零。能够自由取向的罗经生的陀螺,在这种科里奥利力的作用下,就会逐渐转向与地轴平行的位置稳定下来。

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