Dẫn đường tên lửa

Dẫn đường tên lửa là một lĩnh vực kỹ thuật, cụ thể là thuộc mảng dẫn đường, điều hướng và kiểm soát (GNC), chuyên xử lý việc điều khiển các loại tên lửa và bom dẫn đường. Các hệ thống dẫn đường tên lửa được thiết kế để tối đa hóa độ tin cậy và độ chính xác của các loại vũ khí này bằng cách cải thiện khả năng chúng tiếp cận được mục tiêu.

Các hệ thống dẫn đường có thể được chia rộng rãi thành hai loại: Hệ thống Go-onto-target (GOT) có thể được sử dụng chống lại các mục tiêu di động, và hệ thống Go-onto-location-in-space (GOLIS) tấn công các vị trí địa lý cố định.

Tên lửa và bom dẫn đường nhìn chung sử dụng các loại hệ thống dẫn đường tương tự nhau, điểm khác biệt giữa hai loại này là tên lửa được cung cấp năng lượng bởi động cơ gắn trên thân, trong khi bom dẫn đường dựa vào tốc độ của máy bay phóng và trọng lực để tạo lực đẩy.

Lịch sử 
Vào cuối những năm 1880, Jules Verne đã mô tả trong các cuốn sách hư cấu của mình về một loại tên lửa chạy bằng động cơ rocket với bộ tìm kiếm mục tiêu, ngòi nổ cận tiệm và đầu đạn.

Trong Chiến tranh Thế giới thứ nhất, nhiều quốc gia đã thử nghiệm tên lửa dẫn đường. Các hệ thống đã được phát triển cho những chiếc drone có động cơ đầu tiên bởi Archibald Low (người được mệnh danh là cha đẻ của hệ thống dẫn đường bằng vô tuyến). Tại Pháp, Pierre Lorin đã phát triển một loại tên lửa chạy bằng vô tuyến với ý định sử dụng nó để tấn công Berlin, nhưng quân đội Pháp không quan tâm đến dự án này.

Trong Chiến tranh Thế giới thứ hai, tên lửa dẫn đường đã được phát triển như một phần của chương trình vũ khí V của Đức. Vào thời điểm đó, Đức bị hạn chế bởi Hòa ước Versailles trong việc phát triển các vũ khí thông thường, vì vậy họ tập trung nỗ lực vào các loại vũ khí mới nằm ngoài các điều khoản của hiệp ước. Tên lửa dẫn đường là một trong những hướng phát triển như vậy. Không lực Lục quân Hoa Kỳ cũng có hàng chục chương trình khác nhau thử nghiệm với "bom bay, bom lượn và bom rơi thẳng đứng".

Sau Chiến tranh Thế giới thứ hai, vào mùa đông năm 1946, Tổng thống Harry S. Truman đã ra lệnh cắt giảm kinh phí cho các chương trình trong toàn quân đội Hoa Kỳ, đặc biệt nhắm vào mảng Nghiên cứu và phát triển (R&D). Để đối phó với những đợt cắt giảm này (vốn được gọi là "Giáng sinh đen năm 1946"), Air Staff đã cắt giảm 55% ngân sách dành cho tên lửa dẫn đường. Đến cuối tháng 3 năm sau, 10 dự án tên lửa dẫn đường đã bị hủy bỏ và chỉ còn lại 19 dự án.

Khi Chiến tranh Triều Tiên bùng nổ, việc phát triển tên lửa dẫn đường của Hoa Kỳ đã được tăng tốc nhanh chóng.

Tên lửa đạn đạo đầu tiên của Hoa Kỳ sở hữu hệ thống dẫn đường quán tính có độ chính xác cao là loại tên lửa tầm ngắn PGM-11 Redstone.

Hệ thống bám mục tiêu (GOT)

Dẫn đường tự dẫn

Trong các hệ thống dẫn đường tự dẫn (homing guidance), tên lửa theo dõi mục tiêu bằng các cảm biến của chính nó và sử dụng thông tin đó để tự tạo ra các lệnh điều khiển. Các loại cảm biến bao gồm radar, hồng ngoại và ánh sáng. Tên lửa tự dẫn thường không cần phải liên lạc với trạm mặt đất hoặc bệ phóng. Dẫn đường tự dẫn rất hữu ích cho các loại tên lửa "bắn và quên".

Dẫn đường tự dẫn có thể được chia thành ba loại: chủ động, bán chủ động và thụ động. Trong tự dẫn chủ động, tên lửa chiếu xạ mục tiêu bằng nguồn bức xạ của chính nó, chẳng hạn như radar. Tự dẫn bán chủ động dựa vào một nguồn bức xạ bên ngoài tách biệt với tên lửa. Tự dẫn thụ động chỉ theo dõi các bức xạ của chính mục tiêu hoặc sự tương phản của mục tiêu so với nền. Hầu hết các tên lửa tự dẫn hiện đại đều sử dụng các biến thể của dẫn đường theo tỉ lệ để lái hướng trong giai đoạn cuối của chuyến bay.

Một số ví dụ về tên lửa sử dụng dẫn đường tự dẫn bao gồm AIM-120 AMRAAM và R-77 sử dụng tự dẫn chủ động; AIM-7 Sparrow và R-27R sử dụng tự dẫn bán chủ động; và các loại tự dẫn thụ động như FIM-92 Stinger và 9K38 Igla.

Dẫn đường điều khiển từ xa
Các hệ thống dẫn đường này thường cần sử dụng radar và một liên kết vô tuyến hoặc dây dẫn giữa điểm điều khiển và tên lửa; nói cách khác, quỹ đạo được điều khiển bằng thông tin truyền qua sóng vô tuyến, chùm tia hoặc dây dẫn (xem tên lửa điều khiển bằng dây). Một số tên lửa sẽ sử dụng cả dẫn đường theo lệnh và dẫn đường tự dẫn ở các giai đoạn bay khác nhau. Thông thường tên lửa sẽ sử dụng dẫn đường theo lệnh trong giai đoạn tăng tốc và giai đoạn giữa, sau đó chuyển sang dẫn đường tự dẫn trong giai đoạn cuối.

Dẫn đường theo lệnh

Dẫn đường theo lệnh là một hệ thống trong đó các lệnh dẫn đường khởi nguồn từ bên ngoài tên lửa. Dẫn đường theo lệnh đòi hỏi hai liên kết giữa tên lửa và máy phát: liên kết thông tin và liên kết lệnh. Liên kết thông tin cho phép bộ điều khiển xác định vị trí của tên lửa, và liên kết lệnh cho phép các lệnh được truyền từ bộ điều khiển đến tên lửa. Trong một số hệ thống, cả hai liên kết được thực hiện trên cùng một đơn vị theo dõi (ví dụ: radar, quang học, laser hoặc hồng ngoại), nhưng các hệ thống khác lại có một đơn vị theo dõi riêng biệt cho mỗi hệ thống. 

Một nhược điểm của dẫn đường theo lệnh là nó yêu cầu mục tiêu phải được chiếu xạ bởi một nguồn năng lượng bên ngoài, từ bệ phóng hoặc nơi khác. Điều này có thể cảnh báo mục tiêu, dẫn đến việc mục tiêu thực hiện các cơ động né tránh hoặc SEAD. Hai ví dụ về tên lửa dẫn đường theo lệnh là MIM-104 Patriot và S-300P/PT.

Bám chùm (Beam riding)

Tên lửa bám chùm sử dụng một chùm điện từ thuộc loại nào đó, thường là radar hoặc laser, hướng thẳng vào mục tiêu. Các cảm biến ở phía sau tên lửa tiếp nhận chùm tia và hệ thống điều khiển của tên lửa sử dụng thông tin này để tính toán các lệnh lái, nhằm cố gắng giữ tên lửa luôn nằm trong chùm tia. Đôi khi phương pháp này được coi là tách biệt với dẫn đường theo lệnh thông thường.

Các hệ thống bám chùm thường là SACLOS, nhưng không nhất thiết phải vậy; trong các hệ thống khác, chùm tia là một phần của hệ thống theo dõi radar tự động. Một ví dụ điển hình là các phiên bản sau của tên lửa RIM-8 Talos được Hoa Kỳ sử dụng chủ yếu trong Chiến tranh Việt Nam – chùm radar được sử dụng để đưa tên lửa bay theo một quỹ đạo vòng cung cao và sau đó dần dần hạ xuống mặt phẳng thẳng đứng của máy bay mục tiêu, phương pháp tự dẫn SARH chính xác hơn được sử dụng vào giây cuối cùng cho cú va chạm thực sự. Điều này giúp phi công đối phương ít bị cảnh báo nhất về việc máy bay của họ đang bị chiếu xạ bởi radar dẫn đường tên lửa, trái ngược với radar tìm kiếm. Đây là một sự khác biệt quan trọng, vì bản chất của tín hiệu là khác nhau và được sử dụng làm dấu hiệu để thực hiện hành động né tránh.

Một ưu điểm của bám chùm là có thể phóng nhiều tên lửa cùng lúc bằng cùng một chùm tia, do tải trọng theo dõi trên bệ phóng được giảm bớt. Bám chùm chịu nhược điểm cố hữu là độ chính xác giảm dần khi khoảng cách tăng lên do chùm tia bị phân tán rộng ra. Các hệ thống bám chùm laser chính xác hơn về mặt này, nhưng chúng thường có tầm bắn ngắn hơn và chùm laser có thể bị suy giảm do thời tiết xấu. SARH trở nên chính xác hơn khi khoảng cách đến mục tiêu giảm dần, vì vậy hai hệ thống này mang tính bổ trợ cho nhau.

Seaslug và 9K121 Vikhr là những ví dụ về tên lửa bám chùm.

Hệ thống đi-tới-vị-trí-trong-không-gian (GOLIS)
Bất kể cơ chế nào được sử dụng trong hệ thống dẫn đường GOLIS, nó đều phải chứa thông tin được cài đặt sẵn về mục tiêu. Đặc điểm chính của các hệ thống này là thiếu bộ theo dõi mục tiêu (target tracker). Máy tính dẫn đường và bộ theo dõi tên lửa đều nằm bên trong tên lửa. Việc thiếu tính năng theo dõi mục tiêu trong GOLIS nhất thiết đòi hỏi phải sử dụng dẫn đường điều hướng (navigational guidance).

Dẫn đường điều hướng là bất kỳ loại dẫn đường nào được thực hiện bởi một hệ thống không có bộ theo dõi mục tiêu. Hai đơn vị còn lại đều nằm trên tên lửa. Các hệ thống này còn được gọi là hệ thống dẫn đường tự vận hành; tuy nhiên, chúng không phải lúc nào cũng hoàn toàn tự trị do các bộ theo dõi tên lửa được sử dụng.

Dẫn đường đặt sẵn 
Dẫn đường đặt sẵn  là loại dẫn đường tên lửa đơn giản nhất. Từ khoảng cách và hướng của mục tiêu, quỹ đạo của đường bay được xác định. Trước khi phóng, thông tin này được lập trình vào hệ thống dẫn đường của tên lửa, hệ thống này trong khi bay sẽ điều khiển tên lửa đi theo lộ trình đó. Tất cả các thành phần dẫn đường (bao gồm các cảm biến như gia tốc kế hoặc con quay hồi chuyển) đều nằm bên trong tên lửa và không sử dụng thông tin bên ngoài (chẳng hạn như hướng dẫn qua vô tuyến). Một ví dụ về tên lửa sử dụng dẫn đường đặt sẵn là tên lửa V-2.

Dẫn đường quán tính 

Dẫn đường quán tính dựa vào các con quay hồi chuyển và gia tốc kế để ước tính vị trí và vận tốc của tên lửa sau khi rời khỏi vị trí bắt đầu đã biết, trong một quá trình được gọi là định vị tích lũy (dead reckoning). Các hệ thống cơ khí thời kỳ đầu không mấy chính xác và đòi hỏi một số loại điều chỉnh bên ngoài để cho phép chúng bắn trúng các mục tiêu có kích thước bằng một thành phố. 

Các hệ thống hiện đại sử dụng các con quay hồi chuyển laser trạng thái rắn có độ chính xác trong phạm vi vài mét trên tầm bắn 10.000 km và không còn yêu cầu các dữ liệu nhập bổ sung. Sự phát triển của con quay hồi chuyển đã đạt đến đỉnh cao với hệ thống AIRS được tìm thấy trên tên lửa MX, cho phép độ chính xác sai số dưới 100 m ở tầm bắn liên lục địa. Nhiều máy bay dân dụng sử dụng dẫn đường quán tính với con quay hồi chuyển laser nhẫn, loại này kém chính xác hơn so với các hệ thống cơ khí trong ICBM, nhưng cung cấp một phương tiện không tốn kém để đạt được vị trí khá chính xác (khi hầu hết các máy bay phản lực như Boeing 707 và 747 được thiết kế, GPS chưa phải là phương tiện theo dõi thương mại phổ biến như hiện nay). Ngày nay, các vũ khí dẫn đường có thể sử dụng kết hợp INS (Hệ thống dẫn đường quán tính), GPS và bản đồ địa hình bằng radar để đạt được mức độ chính xác cực cao như trên các tên lửa hành trình hiện đại.

Dẫn đường quán tính được ưa chuộng nhất cho giai đoạn dẫn đường ban đầu và các phương tiện tái nhập của tên lửa đạn đạo xuyên lục địa, vì nó không có tín hiệu bên ngoài và không thể bị gây nhiễu. Ngoài ra, độ chính xác tương đối thấp của phương pháp dẫn đường này ít gây vấn đề đối với các đầu đạn hạt nhân lớn.

Một biến thể của dẫn đường quán tính để tấn công các mục tiêu di chuyển chậm là **đường ngắm dự đoán** (predicted line of sight - PLOS), điều khiển tên lửa bay theo một lộ trình cong được tính toán trước để duy trì trên đường ngắm giữa bệ phóng và mục tiêu. Vì tên lửa PLOS không dựa vào bộ dò tìm trên thân hoặc các liên kết lệnh sau khi phóng, chúng miễn nhiễm với nhiều biện pháp đối phó. Phương pháp này được áp dụng trong các vũ khí chống tăng như NLAW và FGM-172 SRAW.

Dẫn đường quán tính - thiên văn 

Dẫn đường quán tính - thiên văn là một sự tích hợp cảm biến - kết hợp thông tin giữa dẫn đường quán tính và dẫn đường thiên văn. Nó thường được sử dụng trên các tên lửa đạn đạo phóng từ tàu ngầm (SLBM). Không giống như các tên lửa đạn đạo xuyên lục địa đặt trong giếng phóng (có điểm phóng cố định và có thể dùng làm mốc tham chiếu), SLBM được phóng từ các tàu ngầm đang di chuyển, điều này làm phức tạp các tính toán điều hướng cần thiết và làm tăng sai số vòng tròn xác suất. Dẫn đường quán tính - thiên văn được sử dụng để hiệu chỉnh các sai số nhỏ về vị trí và vận tốc do sự không chắc chắn của điều kiện phóng (lỗi trong hệ thống điều hướng của tàu ngầm) và các sai số tích tụ trong hệ thống dẫn đường trong quá trình bay do hiệu chuẩn thiết bị không hoàn hảo.

Hải quân Hoa Kỳ từng tìm kiếm một hệ thống điều hướng chính xác để duy trì độ chính xác của lộ trình và theo dõi mục tiêu ở tốc độ rất cao. Nortronics, bộ phận phát triển điện tử của Northrop, đã phát triển một hệ thống điều hướng quán tính - thiên văn (ANS) có thể sửa các lỗi điều hướng quán tính bằng các quan sát thiên văn, dành cho tên lửa SM-62 Snark, và một hệ thống riêng biệt cho tên lửa AGM-48 Skybolt yểu mệnh, hệ thống sau này đã được điều chỉnh cho máy bay SR-71.

Hệ thống này sử dụng vị trí của các ngôi sao để tinh chỉnh độ chính xác của hệ thống dẫn đường quán tính sau khi phóng. Vì độ chính xác của tên lửa phụ thuộc vào việc hệ thống dẫn đường biết chính xác vị trí của tên lửa tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình bay, việc các ngôi sao là một điểm tham chiếu cố định để tính toán vị trí đó làm cho đây trở thành một phương tiện tiềm năng rất hiệu quả để cải thiện độ chính xác.

Trong hệ thống tên lửa Trident, điều này được thực hiện bởi một camera duy nhất được huấn luyện để phát hiện chỉ một ngôi sao ở vị trí dự kiến (người ta tin rằng các tên lửa từ tàu ngầm Liên Xô sẽ theo dõi hai ngôi sao riêng biệt để đạt được điều này); nếu nó không hoàn toàn khớp với vị trí dự kiến, điều đó cho thấy hệ thống quán tính không chính xác mục tiêu và một sự hiệu chỉnh sẽ được thực hiện.

Dẫn đường địa hình 

TERCOM, viết tắt của "terrain contour matching" (khớp đường đề địa hình), sử dụng bản đồ độ cao của dải đất từ điểm phóng đến mục tiêu và so sánh chúng với thông tin từ một máy đo cao radar trên tên lửa. Các hệ thống TERCOM phức tạp hơn cho phép tên lửa bay theo một lộ trình phức tạp trên bản đồ 3D đầy đủ, thay vì bay trực tiếp đến mục tiêu. TERCOM là hệ thống điển hình cho dẫn đường tên lửa hành trình, nhưng đang được thay thế dần bởi các hệ thống GPS và DSMAC (bộ tương quan khu vực khớp cảnh kỹ thuật số) - sử dụng một camera để quan sát một khu vực đất đai, số hóa hình ảnh và so sánh nó với các khung cảnh được lưu trữ trong máy tính trên thân để dẫn đường tên lửa đến mục tiêu.

DSMAC được cho là thiếu tính ổn định đến mức việc phá hủy các tòa nhà nổi bật được đánh dấu trong bản đồ nội bộ của hệ thống (chẳng hạn như bởi một tên lửa hành trình đi trước) sẽ làm đảo lộn quá trình điều hướng của nó.

Xem thêm
Tên lửa đạn đạo
Tên lửa hành trình
Ngòi nổ đạn pháo
Ngòi nổ cận đích
Đạn dẫn đường chính xác
Tác chiến điện tử

Tham khảo

Máy bay có động cơ tên lửa
Tên lửa học
Dẫn đường tên lửa