红外热成像空空导弹技术探秘

   红外空空导弹的原理简单地说，就是跟踪目标的红外波段辐射，引导导弹实施攻击。目标温度的不同，就会辐射出不同波长的红外信号。但很多红外线信号会被大气吸收，只有几个衰减较小的波段可被实际利用。常用的波段为1－3、3－5、8－14微米（1000 微米=1毫米）三个波段，对应的目标温度分别为1500K、900K和300K。K是开氏温度单位，称“开尔文”，即我们常说的绝对0 度，0℃=273K。一般而言，在飞机上这三个温度分别出现在使用加力时的尾喷口、正常尾喷口、飞机表面蒙皮三个部位。

     第一代红外导弹多采用硫化铅探测器，可探测的波段为1－3微米，也就是说，仅可探测打开加力的尾喷口这一类极高温的目标；二、三代红外弹大都采用锑化铟为探测器，可探波段为3－5微米，可探测战机的尾喷口以及战机后段一类的目标；随着技术的发展，碲镉汞探测器研制成功，它的探测波长在8－14微米之间，基本上可以探测到战机高速飞行时机体与空气摩擦的温度，即：从理论上可以探测战机的各个部位，具备了迎头攻击的能力，从而使全向拦截成为可能。但每个碲镉汞成像点的价格大约是1.6美元，一个128×128的红外成像探头共需16384个成像点，一个碲镉汞红外成像探头的造价为25000美元以上，价格极为昂贵；成品率也较低，仅60%左右。受价格和工艺水品的限制，目前世界上还没有任何一款红外格斗弹采用碲镉汞探测头。 

    点红外探测器即通过一个红外探测器侦测目标，早期导弹皆采取这种探测方式，优点是价格极低廉，缺点是目标发现效率低，易被干扰。为了提高导弹的探测效能，凝视型红外成像技术应运而生。简而言之，凝视型红外成像技术就是把多个成像点集成为一个红外阵列，通常是128×128个红外成像元素的集合。通过多个热成像点可以绘制出战机的全貌，从而保证探测跟踪的有效性，一般的干扰手段如红外干扰弹等，只能干扰点红外探测器和光机扫描阵列的观测图。新一代导弹中，只有俄罗斯的R-73采用四个十字排列的点探测器探测头。而光机扫描阵列则是将成像点按128×4排列，进行扫描，通过红外侦测，不断地将敌机热信息输入导弹，从而完成跟踪引导。优点是价格相对低廉，通常只有凝视型红外成像探测头价格的1/5左右。但发现目标效率相对较低，也易被新一代红外干扰设备干扰。目前，德国的IRIS-T和以色列的“怪蛇”4采用了这种探测头。其他的先进红外空空弹，如AIM-9X、ASRAAM、“怪蛇”5等全部采用凝视型红外成像探测头。 

    但凝视型红外成像也有技术上的缺点。如果成像头视场过大，会导致很多目标同时进入，干扰引导头的正常运行。这个问题对红外引导头的影响很大，并且随着红外引导头灵敏度的增大而不断增加，尤其是未来碲镉汞探测器头的普及，背景的物体会大量进入成像器中，对导弹的数据处理功能是个不小的难题。解决这一难题目前有几种办法，一是采取多色侦测器，即能同时响应2个或多个不同波段的侦测器，双色可以是紫外线——红外线的复合，也可以是红外线——红外线的复合。通常采用两种不同的光敏材料制成，例如在锑化铟下方叠加一层碲镉汞，从而理清目标。另一个思路就是采用光机扫描阵列，可以提高响应度，同时也可降低价格。目前，大多数近距红外空空导弹的视场角被限制在1.5－4度。英国在ASRAAM导弹上采用了一个镜头装置来提供可选择的双视场，宽视场有助于快速截获目标，窄视场则有利于追踪目标。

     导弹导引头还受温度的限制，需要对导引头进行冷却，以保障其灵敏度。近几年随着加工工艺的提高，导引头的工作温度已提升到130K，降低了冷却的难度。但随着战机降温技术的提升，战斗距离的增加，导弹飞行过程中降低引导头温度的任务还是任重道远。 

    推力矢量的应用 

    近距红外空空导弹作战距离短，反应时间短，对导弹本身机动性的要求较高。为了提高机动性，新一代红外空空导弹纷纷采取了推力矢量技术，同时增加气动控制面来提高机动性。 

    推力矢量技术广大爱好者并不陌生，近些年来，许多战机凭借这一技术达到了令人瞠目结舌的机动性。目前推力矢量技术有两种类型，即固定喷管和活动喷管两种，固定喷管轴向推力损失较大，但需要的控制功率不高，尺寸也比较小。而活动喷管则相反，轴向推力损失较小，但需要的控制功率较高，尺寸也比较大。空空导弹受弹体大小的限制不可能采用活动喷管，故目前的空空导弹全部采用固定喷管。固定喷管矢量推进技术主要有两种：一种是燃气舵，一种为扰流片。西方的 AIM-9X、IRIS-T、“米卡”等采用燃气舵，俄罗斯的R-73则采用扰流片。燃气舵的优点在于推力损失较小，一般只损失8%－10%的推力，而扰流片一般会损失14%－15%；但扰流片能达到比较大的偏向角度。 

    红外导弹在飞行段其实经历了两个阶段，第一个阶段为动力飞行阶段，此阶段依靠导弹发动机动力前进；当发动机燃料耗尽后，则进入第二个阶段，即依靠惯性飞行完成攻击，此时导弹必须依靠气动控制面控制飞行。近几年，导弹发动机工作时间有了较大的增加，取消气动控制面，全矢量飞行的导弹重新进入了人们的视线。 

    美国海空军曾在1970年联合研制过AIM－95A“敏捷”导弹，完全依靠推力矢量完成导弹的机动。该导弹具备了全方位、高离轴锁定等先进功能，但终因造价和技术跨度大等问题被取消。英国在上世纪70年代中期研制的“尾狗”也是纯矢量推力设计，最终也因试验中暴露问题较多被取消。这两种导弹的主要问题就是因为发动机的限制，实际射程太短，AIM－95A在实验中射程只有5公里。当今各种先进近距红外空空导弹中，只有英国人固执地将“尾狗”的设计发扬光大，自成一家，研制成功ASRAAM导弹。但目前空空弹的主流还是采用气动控制面和矢量推力混合的控制方法，兼取二者之长。 

    新一代格斗导弹的机动性能都有了较大的提高，目前基本可以达到50G左右的过载，而战机的最大过载目前不超过9G。看似导弹可以随意拦截各种战机，似乎只要被锁定，战机就无处可逃，实则不然。原因很简单，高速导弹在拦截高机动目标时，需要承担更大的过载。比如一架飞机在高亚音速进行8G机动，3 倍音速的导弹则要进行126G的机动，才能追上目标。实际作战中，还受到各种因素的制约。这里引入一个概念，接战目标最大G值。所谓接战目标最大G值，通俗地说，就是战机做多大G的机动即可摆脱导弹追踪。比如美国的AIM-9M最大G值为35，俄罗斯R-73最大G值为40，看似差别不大。但在实战中，AIM-9M接战目标最大G值为7，而R-73接战目标最大G值为12，相较之下，AIM-9M的拦截效率就低多了。

     STT与BTT

     传统导弹的飞行控制中一般采取STT（Side-to-turn）侧滑转弯技术。它是在导弹本身姿态保持不变的情况下，垂直机动和水平机动单独完成，导弹的机动动作可视为二种机动单独作用的结果，并且导弹本身不发生滚转，最大程度确保导弹的稳定性。但当完成高机动动作时，由于侧滑角度较大，给导弹带来的阻力也较大，这样就在导弹的尾部产生了一个不对称的涡流，直接结果就是给导弹带来了极大的不稳定性，导弹极易失控坠落。从某种意义上说，STT技术极大地制约了导弹机动性能的进一步提高。

     BTT（Bank-to-trun）倾斜转弯技术，最早在“流星”这一类采用固体火箭冲压发动机的导弹上采用。当导弹采用冲压发动机时，弹体的升力面不对称，为了保持进气效率和升力面的完整性，导弹在作机动动作时将一直进行滚转，保持气动升力面不变。通俗地说，BTT控制模式，类似于飞机飞行中的控制方式。在这种控制模式中，导弹进行高机动动作时可以采用不断滚转将侧滑角度降到最小，从而使导弹尾部不对称的涡流降到最小。它可以有效消除导弹大机动飞行的不利影响，从而完成在STT下难以完成的机动动作。

     虽然BTT控制技术在克服导弹机动中尾部涡流问题有较好的效果，但相较STT控制技术而言，瞬时机动性还是存在不足。导弹虽然可以滚转，但每次滚转都给导弹本身的速度带来极大的衰减，所以导弹在最后冲刺的末端制导阶段还是应以STT控制技术为主。近距红外空空导弹攻击距离较短，所以控制技术会得到越来越大的运用。

     发射后截获 

     传统的红外空空导弹需要在发射前捕获并锁定目标。尽管导弹本身的射程较大，但受限于引导头的工作距离，实战中的发射距离远小于最大射程。随着隐身战机的发展，各种弹药不再挂载于机翼下方，而是被放入机腹内部的武器舱中。在武器舱中，红外引导头是无法工作的。即使在发射时，通过伸缩式挂架将红外引导头伸出武器舱，引导头的大部分视角仍会被机体遮蔽，无法侦测到目标。美军测试F-22的武器发射时就遇到大量问题，英国在F-35弹舱挂载了ASRAAM导弹，但发现对侦测目标带来极大的困扰，为此英国和美国意见分歧极大。

     除去武器舱的问题不谈，新一代战机在高速和高机动性方面都取得了长足的进展，尤其是无人机的出现，完全摆脱了机动过载受驾驶员身体极限的限制。完全依靠红外引导头本身对目标的引导能力已经很难拦截这类高机动目标。而头盔瞄准技术的发展，空空导弹机动性的提高，都对近距红外导弹的制导提出了新要求。发射后截获技术应运而生。

     发射后截获技术简而言之，就是导弹发射前无需锁定目标，发射后，由载机的火控系统将目标信息诸元快速计算并传送给导弹，将导弹引入预定位置后，导弹引导系统再行开机并完成攻击。这一技术早在AIM-54"不死鸟"和F-14搭配时就曾进行过简单的实践。实际使用过程中，效果并不理想。主要是精度太差，导弹本身经常脱靶。据信在俄军最新的米格－31上也有类似的系统，使用效果不明。

    事实上，发射后截获技术最大的瓶颈，目前主要集中在载机的雷达和火控方面。在发射后截获模式下，雷达的精度就是导弹精度，火控系统的运算效能就是导弹的攻击效能。同时载机和导弹二者之间还需要一条双向高速数据链保证信息的传输。目前在一些中程空空导弹上，发射后截获技术已经得到较好的运用，包括预警机在内的各种战机都可为导弹提供信息，不断修正导弹的飞行。近几年随着雷达和火控技术的不断提高，发射后截获技术也日趋成熟，可预见的未来，发射后截获技术正向近距红外空空导弹走来。

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