紅外熱成像空空導彈技術探秘

   紅外空空導彈的原理簡單地說，就是跟蹤目標的紅外波段輻射，引導導彈實施攻擊。目標溫度的不同，就會輻射出不同波長的紅外信號。但很多紅外線信號會被大氣吸收，只有幾個衰減較小的波段可被實際利用。常用的波段為1－3、3－5、8－14微米（1000 微米=1毫米）三個波段，對應的目標溫度分別為1500K、900K和300K。K是開氏溫度單位，稱“開爾文”，即我們常說的絕對0 度，0℃=273K。一般而言，在飛機上這三個溫度分別出現在使用加力時的尾噴口、正常尾噴口、飛機表面蒙皮三個部位。

     第一代紅外導彈多采用硫化鉛探測器，可探測的波段為1－3微米，也就是說，僅可探測打開加力的尾噴口這一類極高溫的目標；二、三代紅外彈大都采用銻化銦為探測器，可探波段為3－5微米，可探測戰機的尾噴口以及戰機后段一類的目標；隨著技術的發展，碲鎘汞探測器研制成功，它的探測波長在8－14微米之間，基本上可以探測到戰機高速飛行時機體與空氣摩擦的溫度，即：從理論上可以探測戰機的各個部位，具備了迎頭攻擊的能力，從而使全向攔截成為可能。但每個碲鎘汞成像點的價格大約是1.6美元，一個128×128的紅外成像探頭共需16384個成像點，一個碲鎘汞紅外成像探頭的造價為25000美元以上，價格極為昂貴；成品率也較低，僅60%左右。受價格和工藝水品的限制，目前世界上還沒有任何一款紅外格斗彈采用碲鎘汞探測頭。 

    點紅外探測器即通過一個紅外探測器偵測目標，早期導彈皆采取這種探測方式，優點是價格極低廉，缺點是目標發現效率低，易被干擾。為了提高導彈的探測效能，凝視型紅外成像技術應運而生。簡而言之，凝視型紅外成像技術就是把多個成像點集成為一個紅外陣列，通常是128×128個紅外成像元素的集合。通過多個熱成像點可以繪制出戰機的全貌，從而保證探測跟蹤的有效性，一般的干擾手段如紅外干擾彈等，只能干擾點紅外探測器和光機掃描陣列的觀測圖。新一代導彈中，只有俄羅斯的R-73采用四個十字排列的點探測器探測頭。而光機掃描陣列則是將成像點按128×4排列，進行掃描，通過紅外偵測，不斷地將敵機熱信息輸入導彈，從而完成跟蹤引導。優點是價格相對低廉，通常只有凝視型紅外成像探測頭價格的1/5左右。但發現目標效率相對較低，也易被新一代紅外干擾設備干擾。目前，德國的IRIS-T和以色列的“怪蛇”4采用了這種探測頭。其他的先進紅外空空彈，如AIM-9X、ASRAAM、“怪蛇”5等全部采用凝視型紅外成像探測頭。 

    但凝視型紅外成像也有技術上的缺點。如果成像頭視場過大，會導致很多目標同時進入，干擾引導頭的正常運行。這個問題對紅外引導頭的影響很大，并且隨著紅外引導頭靈敏度的增大而不斷增加，尤其是未來碲鎘汞探測器頭的普及，背景的物體會大量進入成像器中，對導彈的數據處理功能是個不小的難題。解決這一難題目前有幾種辦法，一是采取多色偵測器，即能同時響應2個或多個不同波段的偵測器，雙色可以是紫外線——紅外線的復合，也可以是紅外線——紅外線的復合。通常采用兩種不同的光敏材料制成，例如在銻化銦下方疊加一層碲鎘汞，從而理清目標。另一個思路就是采用光機掃描陣列，可以提高響應度，同時也可降低價格。目前，大多數近距紅外空空導彈的視場角被限制在1.5－4度。英國在ASRAAM導彈上采用了一個鏡頭裝置來提供可選擇的雙視場，寬視場有助于快速截獲目標，窄視場則有利于追蹤目標。

     導彈導引頭還受溫度的限制，需要對導引頭進行冷卻，以保障其靈敏度。近幾年隨著加工工藝的提高，導引頭的工作溫度已提升到130K，降低了冷卻的難度。但隨著戰機降溫技術的提升，戰斗距離的增加，導彈飛行過程中降低引導頭溫度的任務還是任重道遠。 

    推力矢量的應用 

    近距紅外空空導彈作戰距離短，反應時間短，對導彈本身機動性的要求較高。為了提高機動性，新一代紅外空空導彈紛紛采取了推力矢量技術，同時增加氣動控制面來提高機動性。 

    推力矢量技術廣大愛好者并不陌生，近些年來，許多戰機憑借這一技術達到了令人瞠目結舌的機動性。目前推力矢量技術有兩種類型，即固定噴管和活動噴管兩種，固定噴管軸向推力損失較大，但需要的控制功率不高，尺寸也比較小。而活動噴管則相反，軸向推力損失較小，但需要的控制功率較高，尺寸也比較大。空空導彈受彈體大小的限制不可能采用活動噴管，故目前的空空導彈全部采用固定噴管。固定噴管矢量推進技術主要有兩種：一種是燃氣舵，一種為擾流片。西方的 AIM-9X、IRIS-T、“米卡”等采用燃氣舵，俄羅斯的R-73則采用擾流片。燃氣舵的優點在于推力損失較小，一般只損失8%－10%的推力，而擾流片一般會損失14%－15%；但擾流片能達到比較大的偏向角度。 

    紅外導彈在飛行段其實經歷了兩個階段，第一個階段為動力飛行階段，此階段依靠導彈發動機動力前進；當發動機燃料耗盡后，則進入第二個階段，即依靠慣性飛行完成攻擊，此時導彈必須依靠氣動控制面控制飛行。近幾年，導彈發動機工作時間有了較大的增加，取消氣動控制面，全矢量飛行的導彈重新進入了人們的視線。 

    美國海空軍曾在1970年聯合研制過AIM－95A“敏捷”導彈，完全依靠推力矢量完成導彈的機動。該導彈具備了全方位、高離軸鎖定等先進功能，但終因造價和技術跨度大等問題被取消。英國在上世紀70年代中期研制的“尾狗”也是純矢量推力設計，最終也因試驗中暴露問題較多被取消。這兩種導彈的主要問題就是因為發動機的限制，實際射程太短，AIM－95A在實驗中射程只有5公里。當今各種先進近距紅外空空導彈中，只有英國人固執地將“尾狗”的設計發揚光大，自成一家，研制成功ASRAAM導彈。但目前空空彈的主流還是采用氣動控制面和矢量推力混合的控制方法，兼取二者之長。 

    新一代格斗導彈的機動性能都有了較大的提高，目前基本可以達到50G左右的過載，而戰機的最大過載目前不超過9G。看似導彈可以隨意攔截各種戰機，似乎只要被鎖定，戰機就無處可逃，實則不然。原因很簡單，高速導彈在攔截高機動目標時，需要承擔更大的過載。比如一架飛機在高亞音速進行8G機動，3 倍音速的導彈則要進行126G的機動，才能追上目標。實際作戰中，還受到各種因素的制約。這里引入一個概念，接戰目標最大G值。所謂接戰目標最大G值，通俗地說，就是戰機做多大G的機動即可擺脫導彈追蹤。比如美國的AIM-9M最大G值為35，俄羅斯R-73最大G值為40，看似差別不大。但在實戰中，AIM-9M接戰目標最大G值為7，而R-73接戰目標最大G值為12，相較之下，AIM-9M的攔截效率就低多了。

     STT與BTT

     傳統導彈的飛行控制中一般采取STT（Side-to-turn）側滑轉彎技術。它是在導彈本身姿態保持不變的情況下，垂直機動和水平機動單獨完成，導彈的機動動作可視為二種機動單獨作用的結果，并且導彈本身不發生滾轉，最大程度確保導彈的穩定性。但當完成高機動動作時，由于側滑角度較大，給導彈帶來的阻力也較大，這樣就在導彈的尾部產生了一個不對稱的渦流，直接結果就是給導彈帶來了極大的不穩定性，導彈極易失控墜落。從某種意義上說，STT技術極大地制約了導彈機動性能的進一步提高。

     BTT（Bank-to-trun）傾斜轉彎技術，最早在“流星”這一類采用固體火箭沖壓發動機的導彈上采用。當導彈采用沖壓發動機時，彈體的升力面不對稱，為了保持進氣效率和升力面的完整性，導彈在作機動動作時將一直進行滾轉，保持氣動升力面不變。通俗地說，BTT控制模式，類似于飛機飛行中的控制方式。在這種控制模式中，導彈進行高機動動作時可以采用不斷滾轉將側滑角度降到最小，從而使導彈尾部不對稱的渦流降到最小。它可以有效消除導彈大機動飛行的不利影響，從而完成在STT下難以完成的機動動作。

     雖然BTT控制技術在克服導彈機動中尾部渦流問題有較好的效果，但相較STT控制技術而言，瞬時機動性還是存在不足。導彈雖然可以滾轉，但每次滾轉都給導彈本身的速度帶來極大的衰減，所以導彈在最后沖刺的末端制導階段還是應以STT控制技術為主。近距紅外空空導彈攻擊距離較短，所以控制技術會得到越來越大的運用。

     發射后截獲 

     傳統的紅外空空導彈需要在發射前捕獲并鎖定目標。盡管導彈本身的射程較大，但受限于引導頭的工作距離，實戰中的發射距離遠小于最大射程。隨著隱身戰機的發展，各種彈藥不再掛載于機翼下方，而是被放入機腹內部的武器艙中。在武器艙中，紅外引導頭是無法工作的。即使在發射時，通過伸縮式掛架將紅外引導頭伸出武器艙，引導頭的大部分視角仍會被機體遮蔽，無法偵測到目標。美軍測試F-22的武器發射時就遇到大量問題，英國在F-35彈艙掛載了ASRAAM導彈，但發現對偵測目標帶來極大的困擾，為此英國和美國意見分歧極大。

     除去武器艙的問題不談，新一代戰機在高速和高機動性方面都取得了長足的進展，尤其是無人機的出現，完全擺脫了機動過載受駕駛員身體極限的限制。完全依靠紅外引導頭本身對目標的引導能力已經很難攔截這類高機動目標。而頭盔瞄準技術的發展，空空導彈機動性的提高，都對近距紅外導彈的制導提出了新要求。發射后截獲技術應運而生。

     發射后截獲技術簡而言之，就是導彈發射前無需鎖定目標，發射后，由載機的火控系統將目標信息諸元快速計算并傳送給導彈，將導彈引入預定位置后，導彈引導系統再行開機并完成攻擊。這一技術早在AIM-54"不死鳥"和F-14搭配時就曾進行過簡單的實踐。實際使用過程中，效果并不理想。主要是精度太差，導彈本身經常脫靶。據信在俄軍最新的米格－31上也有類似的系統，使用效果不明。

    事實上，發射后截獲技術最大的瓶頸，目前主要集中在載機的雷達和火控方面。在發射后截獲模式下，雷達的精度就是導彈精度，火控系統的運算效能就是導彈的攻擊效能。同時載機和導彈二者之間還需要一條雙向高速數據鏈保證信息的傳輸。目前在一些中程空空導彈上，發射后截獲技術已經得到較好的運用，包括預警機在內的各種戰機都可為導彈提供信息，不斷修正導彈的飛行。近幾年隨著雷達和火控技術的不斷提高，發射后截獲技術也日趨成熟，可預見的未來，發射后截獲技術正向近距紅外空空導彈走來。

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