揭秘空空导弹的制导系统的秘密

2015-07-20 51军情网

越战时期使用的AIM-7麻雀导弹(Sparrow)的猎杀率(kill ratio)不到10%,而AIM-120宣称经实战验证,猎杀率达85%。

前言

在如今的空战中,导弹已成为成败胜负的关键,能够尽快发现敌机并率先发射导弹,几乎就会成为最后获胜的一方。而导弹要在短促的时间内锁定快速机动的敌机,进而疾速进袭并加以摧毁,就全靠制导系统的效果了。第一代响尾蛇导弹以被动红外寻的方式寻找目标,猎杀率不甚理想,如今最新式的空空导弹在主动雷达寻的制导系统与双向数据链搭配下,被锁定的敌机很难有逃脱的机会。

导弹系统

所谓导弹,是指由火箭或吸气式(air-breathing)发动机,或两者混合推动,并装有某种制导装置的武器系统。事实上,任何导弹要能探测、拦截、摧毁目标,制导系统就是不可或缺的一部分。

在接战目标的过程中,导弹系统必须完成探测目标、追踪目标、通过制导进行拦截目标并摧毁目标等功能。

空空导弹的制导系统

F/A-18“大黄蜂”战斗机发射AIM-7“麻雀”空空导弹

导弹在接战目标时,制导系统会接收或计算所需的导航指令,引导导弹循着某种轨迹拦截目标。在一些导弹系统中,导弹本身的引导头(Seeker)和计算机自动驾驶仪(Autopilot)生成这些指令;而在另一些导弹系统里,则由发射导弹的载机通过数据链(Datalink)发送信息给飞行中的导弹,提供修正航向的指令。

有些导弹在不同飞行阶段会采取不同制导方式。最典型的例子是在接近目标时,以惯性导航加数据链校正飞行路径,这种导弹的制导系统主要指末端(terminal phase)攻击时的导航方式;而另外的一些导弹,则可能根据不同环境在不同的导航方式中切换,例如原本导弹以主动雷达寻的(homing)制导飞向目标进,一旦遭遇强烈的电子干扰,就转而把干扰源当做目标进行攻击(Home-on-Jam)。

在早期,载机发射导弹后仍要持续发送导航指令以指挥导弹。如今这种方式已属过时的技术,不但空空导弹不再使用,其它的导弹也对这种方式也大都敬谢不敏。

现今大多数导弹采用的制导方式是所谓的寻的制导(Homing Guidance),导弹以自身引导头探测目标可分辨的特征,指引导弹飞向目标。在这种制导方式下,制导系统关注的只有导弹和目标这两个点,因此寻的制导也被称为二点制导(Two-Point Guidance)。

根据如何分辨目标,寻的制导可分为三种类型:被动寻的、半主动寻的、主动寻的。

空空导弹的制导系统

半主动寻的、主动寻的、被动寻的模式示意图

被动寻的制导

被动寻的制导中所谓的“被动”,是指导弹本身没有安装任何能辐射能量的探测器,发射导弹的载机也没有发射任何信号去指挥导弹,纯粹由导弹引导头搜索目标辐射的能量,引导导弹拦截目标。最典型的被动寻的制导是红外制导。

使用红外引导头的导弹通常被称为“热跟踪导弹”。红外线频率在可见光频率之下,波长介于0.8到1000微米间,比可见光长比微波短,具有可聚焦、发散、吸收、反射的特性。不论人造物体或是人体,只要能发热或维持热量,就会散发强烈的红外线。

对导弹而言,其潜在目标对象一般都会反射或发射红外线,被导弹引导头探测到后就能获得目标的相对位置,进而对飞行控制面发出偏转信号。

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现代战斗机虽然经过了精密设计,但仍然会辐射大量红外线,其中最大的辐射源就是发动机尾喷管了,喷气式发动机的典型排气温度约为950摄氏度,开启加力时会飙升到约1700摄氏度。

此外飞机在高速飞行时,蒙皮因空气摩擦也会发热。

而另一个红外线的来源是阳光反射,传统的战斗机面漆约会反射阳光中60%的红外线,美国海军新式灰色漆约只会反射5-10%,F-22隐身战斗机面漆反射值为机密,但一定更低。

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战斗机的几个红外辐射重点区域

降低飞机红外特征的方法很多,例如:降低排气温度、以后机身或尾翼结构来掩蔽排气、机身施以特殊涂装……等,但飞机的红外特征是无法完全消除的。

随着导弹引导头技术的不断进步,红外制导导弹的性能也在不断提升,早期导弹仅能追踪高热的发动机尾喷管,所以战斗机只能在敌机尾部发射导弹,而现在所谓的“全方位”导弹,可从两侧甚至迎头攻击目标。

空空导弹的制导系统

空空导弹的制导系统

空空导弹的制导系统

飞机的红外特征是无法完全消除的

红外制导单元

当目标辐射出足够进行探测及制导的能量时,设计出“发射后不管”(fire-and-forget)的导弹就不再是难事。红外制导系统的主要组件位于导弹鼻锥处,包括了能让特定波长红外线通过的滤光镜,以及滤光镜后方接收红外线的光学模块系统。光学模块系统的信号探测电子组件从背景噪声中分离出目标位置,再传送给计算机去产生制导指令。

滤光镜可抑制不需要的背景红外线,如阳光反射、地表热辐射……等。导弹使用的滤光镜分为吸收式(Absorption)及干涉式(Interference)两种,其中吸收式滤光镜允许宽带段的红外线通过,目的在于抑制阳光中的红外线;干涉式滤光镜允许通过的频段很窄,目的在排除不需要的红外线。

空空导弹的制导系统

美国战区高空防御(THAAD)导弹的红外引导头,以先进材料制成滤光镜

光学模块是红外制导系统中最复杂的一部分,其基本作用是提供目标方位信息和抑制背景红外线噪声。光学模块的表面可让红外线通过,底层结构则为不透光的特殊型态,设计非常复杂且困难,相关设计数据都被各国列为机密。

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AIM-9R的WGU-19/B引导头组件

以被动方式获得目标位置还有另一种方法,那就是使用阵列式(array)探测组件,不过其用于排除背景噪声的电子组件更复杂。阵列式探测组件是一种可把红外线转换成电信号的特殊装置,然后导弹计算机在对信号进行处理。

探测组件分为光电导式(photoconductive)和光伏式(photovoltaic),想要了解这两种方式的运作机制,那就需要了解一些固体物理学知识了。简单地说:前者受到光照射时,电阻值会随之改变;后者则是受到光照射时,会产生电压。

探测组件使用哪种红外感光材料制造,需要视其在特定波长中的灵敏度而定,大部分用的是硒化物(Selenide)、锑化物(Antimonide)、碲化物(Telluride)。

第一代响尾蛇导弹的老式探测器使用硫化铅(Lead Sulfide),现代典型的红外线感光材料为汞碲镉(Mercury Cadmium Telluride)或锑化铟(Indium Antimonide),这些材料在冷却的情况下性能较好,灵敏度较高,也能探测较低温的物体。典型的冷却方式包括使用高压氩气、液态氮、或是分离式斯特林(Stirling)制冷机。

早期的红外引导头,对喷气式发动机排气中波长4.2微米的二氧化碳红外线最为敏感,这种对3-5微米波长红外线最敏感的引导头被称为单色(single-color)引导头。

现代引导头工作波长为大气吸收性最小的8-13微米,被称为双色(two-color)引导头,传统的热焰弹干扰措施要欺骗这种引导头并不容易。

最新一代的热跟踪导弹还使用了红外成像(IR Imaging)引导头,其中的红外线辐射成像装置有些类似数码相机用于可见光成像的电荷耦合元件(Charge Coupled Device),用一个焦平面阵列(focal plane array)成像装置来探测红外线。

焦平面阵列由像素(pixel)阵列和读出电子组件两部分组成,其中对红外线敏感的像素阵列位于镜头焦距处,每个像素约20微米大小,并有铟材料做成的铟柱(indium bumps)电气接点,与黏附于像素阵列上的读出电子组件(Read Out Electronics)连接。读出电子组件把大量的像素输出信号转换成脉冲序列(pulse train),使输出信号线的数量由几万条降到一百条以下。

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像素阵列与读出电子组件组成了完整的焦平面阵列组件

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带铟柱的汞碲镉焦平面阵列

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这是一个1024x1024的汞碲镉红外焦平面阵列

焦平面阵列的信号处理和技术复杂程度远超过传统引导头,但它的优点是瞬时视野(instantaneous field-of-view)宽阔许多,排除背景噪声的能力较强,不会失误锁定太阳,同时还能分辨出多个目标和热焰弹、干扰丝…等红外线对抗措施。

聚焦平面的大视野还有一个很大的好处,那就是当用头盔瞄准系统(Helmet Mounted Sight)进行目标瞄准时,可让导弹具备大离轴角度(off boresight)的接战能力。

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AIM-9X引导头成像质量,传统干扰弹已经不能干扰新一代红外成像的空空导弹了

焦平面阵列的另一个优点是调频(Frequency Modulation)体制。早期引导头使用调幅(Amplitude Modulation)体制来决定目标的位置,但当导弹逼近目标,目标画面变得较大时,这种方式会产生较多的噪声,使得制导误差增大。改为调频体制后就可以解决这个问题,引导头不再受到成像噪声干扰,可更清楚地辨别目标位置。

不过要制造高质量、高分辨率的焦平面阵列,以现有的锑化铟、汞碲镉、砷化镓铟、氧化钒……等材料而言,不是件容易的事。

德国最新设计的IRIS-T导弹(Infra-Red Improved Sidewinder with TVC,矢量推力控制的改进型红外响尾蛇)的制导系统就是使用锑化铟红外线传感器,搭配一部128x128像素的焦平面阵列成像引导头,提供+-90度的大离轴角度接战能力,引导头还具有高分辨率、高目标分辨能力、错误警告抑制、极高的追踪速率、智能型成像处理等特点,可抗衡新式红外对抗装置。

空空导弹的制导系统

IRIS-T导弹的引导头

雷达寻的制导

雷达制导系统的原理是接收目标表面反射的雷达回波,经放大、调变、分析后,判定目标的方位角及距离,然后把这些数据传送到导弹计算机,通过计算对飞行控制面发出偏转指令。

至于向目标发射雷达波的发射机,可以安装在发射导弹的载机上(被称为半主动雷达寻的制导);也可以安装在导弹上(被称为主动雷达寻的制导)。无论采用哪种制导方式,当今的先进导弹都能把地表或海面反射的背景杂波与目标反射波区别开来,对干扰和电子对抗措施也有很强的抵抗能力。

半主动雷达寻的制导

在半主动雷达寻的制导系统里,发射导弹的载机通过机上的火控雷达截获目标位置后,将导弹通电,并把机上发射窄波束雷达连续波(continuous wave)的照射器(illuminator)对准目标方向。如果此时导弹可锁定由目标反射回来的雷达波,就能直接发射了,这个过程称为发射前锁定(Lock-on Before Launch)。

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半主动雷达寻的制导需要载机持续照射目标

如果采取发射前锁定的方式,在导弹飞向目标的过程中,载机必须全程以照射器照射目标,这会大幅限制载机的行动自由,容易遭受抗性攻击,而且载机一次也只能攻击一个目标。

有些防空导弹使用类似的发射前锁定制导方式,不过稍有变化,被称为末端半主动雷达制导(Terminal Semi-Active Radar Homing)。

这种导弹以发射后锁定(Lock-On After Launch)的模式飞向目标所处的大概位置,在飞行途中的大部分时间里,导弹以惯性制导方式进行导航,在最后攻击阶段再启动半主动雷达引导头。

这种方式除了不需要照射器持续照射目标外,还能在短时间内发射多枚导弹,让照射器轮流照射各目标,可进行近乎同时间的多目标攻击。

早期半主动雷达制导导弹使用圆锥扫描式引导头,现在的导弹多改用单脉冲(mono-pulse)引导头,精度更好、抗干扰能力更强,下视/下射(look-down/shoot-down)能力和低空性能都有所改进,不过结构也更复杂。

单脉冲引导头通常有三个寻的通道(channel),三通道的信号相综合以获得持续追踪目标所需的信息。第一个通道负责回波信号的振幅,另两个通道负责与回波信号特性有关、但较复杂的物理特性。接收单元对三个频道的输入信号相位和振幅分别处理后,由制导单元完成最后的目标方位角及距离测量。

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俄罗斯R-27导弹的半主动雷达制导引导头

为评估引导头角度测量的准确性,必须控制三频道的信号起伏。在这个过程中,来自地面或雨水的雷达杂波以及其它多余反射信号会相互干涉,削弱对目标方向矢量测量的准确度,这就需要用另一个电子装备以适当的多普勒(Doppler)通道及三通道间的相关性,对各信号进行进一步控制。

空空导弹的制导系统

AIM-7E导弹的引导头,使用了大量真空电子管元件

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到了AIM-7F,引导头开始使用固态电子元件和印刷电路板制造,提高了可靠性

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更加进化的AIM-7M引导头

半主动雷达制导起源于20世纪50年代末期,直到90年代一直是雷达制导技术的主流。主动雷达寻的制导技术在最初受限于引导头的空间限制,无法容纳功能强大的雷达发射机及接收机,而逐渐被人们所遗忘。

但随着固态电子及集成电路的出现,如今情况已迥然不同。高功率微波集成电路促成小型先进发射机的发展,先进微处理器让导弹在应付电子对抗时更得心应手,先进数字信号处理器能辨认噪声及多余的信号。

最新式的雷达制导空空导弹都采用主动雷达寻的制导模式,不过目前许多国家的空军手中仍库存有大量的半主动雷达寻的制导导弹。

主动雷达寻的制导

主动雷达寻的制导的工作方式与半主动雷达寻的制导很类似,只是雷达波的发射及接收全由导弹一手包办。由于不需要其它雷达的支持,载机发射导弹后无需持续照射目标。

所以主动雷达寻的制导导弹也被称为发射后不管导弹,能同时攻击多个目标。

空空导弹的制导系统

在主动雷达寻的制导,雷达波的发射及接收全由导弹一手包办

纯粹使用主动雷达寻的制导和发射前锁定模式的导弹,接战距离会比半主动雷达寻的制导导弹要短,理由很简单:导弹雷达的性能一定不如载机雷达。正因如此,大部分主动雷达寻的制导空空导弹在飞行中可选择以惯性导航模式飞到预定位置后,再开启雷达引导头。

导弹还能通过数据链接收载机传来的目标方位信息,让导弹得以改变航向,或是改变开启雷达的时机。同样的道理,这种导弹的引导头在遭遇敌方强烈电子干扰时,会将追踪模式转换为干扰源寻的,把干扰源当做攻击目标。

空空导弹的制导系统

MICA EM的主动雷达制导引导头具有把干扰源当做目标进行攻击的能力

主动雷达寻的制导的中、远程空空导弹是现在最先进、最具威力的空空导弹,但要把高性能发射机和适当口径的天线塞进有限的圆柱空间内,仍然存在许多问题,再探测距离和抗干扰能力方面还有改进空间。

此外,如何在远距离正确判定目标,目前还没有适当的方法,因此现在正在发展的双向(two-way)数据链,可让导弹回传雷达数据给载机供进一步确认。

空空导弹的制导系统

AIM-120的引导头

主动式寻的制导空空导弹还需要在价格与性能间取得平衡,即便是全球规模最大、经费最充裕的美国空军,也无力把老式的半主动式雷达制导导弹一对一完全更换为主动式雷达制导导弹。

AIM-120C先进中程空对空导弹每枚价格约为40万美元,其中与制导有关的引导头、伺服马达、发射机、接收机、数字单元、惯性参考单元(Inertial Reference Unit)、目标探测装置(Target Detection Device)……等,就占了总价格的70%。

最新的AIM-120D每枚价格为70万美元,增加的30万美元绝大部份是用在了改进制导系统上,让该弹在强烈电子干扰环境中仍具有良好的制导和性能表现。

空空导弹的制导系统

AIM-120D在2015年4月完成作战测试,形成战斗力

强化性能

导弹要顺利猎杀目标,并不像一般人所想的那么简单,所取决的因素不但包含导弹本身的特点及性能,也包括各接战阶段的导弹动能、目标的电子对抗能力。

越战时期使用的AIM-7麻雀导弹(Sparrow)的猎杀率(kill ratio)不到10%,而AIM-120宣称经实战验证,猎杀率达85%,但由于其面对的敌人都欠缺强大的电子对抗能力,因此这个数据并不具备代表性。

基于这种考虑,虽然最新一代的空空导弹在技术上已有很大的进步,但如何强化导弹性能及其致命性,相关研究仍需持续不断地进行。

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