盧 曉，梁曉庚，賈曉洪

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

近年來的局部戰(zhàn)爭表明，制空權的奪取和機載精確制導武器的廣泛應用仍然是決定現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝負的關鍵因素[1]。紅外空空導彈是進行空中對抗的主戰(zhàn)武器之一，經(jīng)過幾代發(fā)展，其作戰(zhàn)效能已經(jīng)有了極大提升。但隨著現(xiàn)代航空科學技術的持續(xù)進步和空戰(zhàn)態(tài)勢的日益復雜，當前的空戰(zhàn)戰(zhàn)術和作戰(zhàn)模式也有了較大改變，這就對紅外空空導彈提出了新的技戰(zhàn)術要求，如大離軸攻擊范圍、超視距攻擊能力和滿足新一代隱身戰(zhàn)機的武器內(nèi)埋需要等。然而，由于傳統(tǒng)紅外空空導彈的導引頭視場角較小，加之對目標的搜索又需要較長時間，很難滿足上述作戰(zhàn)需求。因此，采用發(fā)射后截獲技術就成為解決此問題的必然途徑。

為了實現(xiàn)發(fā)射后截獲能力，空空導彈多采用復合制導體制，如南非的“射水魚”敏捷型、以色列的“怪蛇”5和美國的AIM-9X改進型等，均通過廣泛應用發(fā)射后截獲技術較大提升了導彈的發(fā)射距離和作戰(zhàn)效能[2]。文獻[3]從制導律設計出發(fā)，通過引入導引頭截獲的角度約束控制，保證了大離軸發(fā)射條件下導彈的正常制導和導引頭發(fā)射后截獲條件的盡早滿足。文獻[4-5]通過建立誤差模型和數(shù)字仿真，分析了有無數(shù)據(jù)鏈及數(shù)據(jù)鏈信息誤差對空空導彈發(fā)射后截獲概率的影響。文獻[6-7]在綜合分析影響導彈發(fā)射后截獲能力主要誤差源的基礎上，通過經(jīng)驗公式研究了各誤差因素對截獲概率的影響。然而，上述對導彈發(fā)射后截獲概率的研究多局限在多模制導體制內(nèi)，且相關仿真未考慮實際作戰(zhàn)環(huán)境中的氣動加熱效應等。因此，本文從彈載雙向數(shù)據(jù)鏈、增加激光測距的多模制導方式和氣動熱抑制三個方面分析了其對紅外型空空導彈發(fā)射后截獲概率的影響，并在獨立和綜合各影響因素的條件下進行了仿真計算。

1 彈載數(shù)據(jù)鏈

如上所述，當前采用被動能量探測工作方式的紅外空空導彈只能通過測量目標的視線角速度信息進行制導。因此，即便在近距攻擊中，當目標機動或投放誘餌干擾時也可能造成制導信息擾動，導致較大的脫靶量[8]。另外，導彈發(fā)射后通過捷聯(lián)慣導系統(tǒng)獲取自身信息的累積誤差和目標運動情況未知，使導引頭在到達截獲距離開機搜索時較難截獲目標。為彌補上述信息不足，最簡捷的思路是考慮基于現(xiàn)有的機載數(shù)據(jù)鏈發(fā)射系統(tǒng)為導彈增加彈載數(shù)據(jù)鏈，通過不斷獲取機載雷達對目標的量測信息修正自身彈道，提升發(fā)射后截獲能力。

空空導彈數(shù)據(jù)鏈按信息傳輸方式的不同可分為單向和雙向數(shù)據(jù)鏈。前者只能完成載機向?qū)椀男畔l(fā)送，包括目標的位置、速度和類型等，并通過彈載計算機解算出與目標之間較高精度的相對角度信息修正制導過程；后者還能夠?qū)椬陨淼墓ぷ鳌⑦\動狀況和導引頭截獲情況等信息傳遞給載機，實現(xiàn)機載雷達在跟蹤目標的同時對導彈的應答式跟蹤，為載機的及時脫離、目標毀傷效果評估和他機制導等提供可靠基礎。圖1所示為采用雙向數(shù)據(jù)鏈情況下紅外空空導彈的作戰(zhàn)示意圖。

圖1 采用雙向數(shù)據(jù)鏈紅外空空導彈的作戰(zhàn)示意圖Fig.1 Operational schematic diagram of infrared air-to-air missiles using bidirectional data link

為使導引頭能夠在允許截獲距離范圍內(nèi)可靠截獲目標，彈載數(shù)據(jù)鏈還應具備以下能力[9]：

(1) 信息、數(shù)據(jù)的實時傳輸；

(2) 信息傳輸可靠、誤碼率低；

(3) 采用加密技術，保障信息傳輸?shù)陌踩裕?/p>

(4) 按照既定的通信協(xié)議自動運行和功能自檢；

(5) 具備較強的抗干擾能力和良好的載機適應性。

采用彈載雙向數(shù)據(jù)鏈后，導彈與載機間的信息傳輸流程如圖2所示。

圖2 雙向數(shù)據(jù)鏈信息傳輸流程圖Fig.2 Bidirectional data link information transmission flow diagram

在完成導彈發(fā)射工作之后，載機通過火控系統(tǒng)實時獲取目標與導彈的位置、速度等信息，并通過數(shù)據(jù)鏈傳送給導彈，用于調(diào)整其制導和飛行控制等過程，修正飛行彈道，最終以更高的概率截獲目標；與此同時，導彈也將自身的工作、運動狀態(tài)和導引頭截獲情況等通過數(shù)據(jù)鏈傳送至載機的信息處理單元，使其具備戰(zhàn)場實時態(tài)勢感知和作戰(zhàn)效能評估等能力，提升整體作戰(zhàn)效能。

衡量彈載數(shù)據(jù)鏈的技術指標包括工作帶寬、作用距離、傳輸周期，以及誤碼率等[10]。對紅外型空空導彈發(fā)射后截獲能力影響方面而言，主要相關指標是數(shù)據(jù)鏈信息誤差σd和傳輸周期Td[11]。其中，數(shù)據(jù)鏈信息誤差σd指機載火控系統(tǒng)對目標的測角、測距誤差。圖3所示為機載火控系統(tǒng)測量誤差示意圖。

圖3中，C為載機；M為導彈；T為目標實際位置；T′為測量誤差條件下的目標位置；δα，δβ為測角誤差在水平和俯仰方位的分量；δR為測距誤差；δφ為彈目視線指示誤差角；R，RCT分別為導彈、載機與目標間的實際距離；RMT′為帶有測量誤差的彈目距離，且RMT′可由上述測角、測距誤差矢量表示為

圖3 機載火控系統(tǒng)測量誤差示意圖Fig.3 Schematic diagram of airborne fire control system measurement error

(1)

因此，等效的數(shù)據(jù)鏈量測信息誤差角可近似為

(2)

數(shù)據(jù)鏈傳輸周期指標Td對目標截獲概率的影響主要表現(xiàn)在發(fā)射后截獲制導律的設計中。一般情況下，在數(shù)據(jù)鏈信息更新時刻，即t=kTd時，導彈利用載機發(fā)送的目標量測信息修正制導誤差；而在數(shù)據(jù)鏈周期內(nèi)，導彈采用外推的方法估計目標的位置和相對角度等信息。

文獻[11-12]基于上述方法，建立了數(shù)據(jù)鏈更新周期內(nèi)的制導模型，研究了在一定發(fā)射距離條件下，數(shù)據(jù)鏈周期對導引頭截獲性能的影響。結(jié)果表明，在導引頭截獲距離范圍內(nèi)，導彈的離軸角與Td存在嚴重的非線性關系，且參數(shù)Td的選擇與攻擊態(tài)勢、所采用的制導律以及目標運動的外推算法等諸多因素有關，但通?？纱笥? s。

2 激光測距

彈載數(shù)據(jù)鏈技術，可以有效提升紅外空空導彈的發(fā)射后截獲能力。然而，其存在對目標測距誤差較大的問題，一般為百米量級。另外，導彈通過數(shù)據(jù)鏈獲取目標信息的方式依然為被動的時間離散式(Td)，且在離散時間間隔內(nèi)目標運動的外推方法也可能造成截獲概率的下降。因此，需要考慮為其增加主動、連續(xù)的目標探測方法，提升對目標的發(fā)射后截獲能力。

激光測距技術具有精度高、抗電磁干擾能力良好等優(yōu)點，且隨著測距系統(tǒng)的微型化發(fā)展與可靠性的不斷提高，已經(jīng)越來越適合空空導彈的彈載測距系統(tǒng)[13]。

激光測距的實現(xiàn)方法很多，如脈沖式、相位式和干涉式等，本文主要考慮采用脈沖式的半導體激光器測距系統(tǒng)，其特點包括：

(1) 體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

(2) 實時性強、精度高。采用主動照射方式測量彈目距離的脈沖周期理論上可達毫秒級，且測距精度在不增加DGC等提升手段條件下至少比機載火控系統(tǒng)高一個數(shù)量級。

(3) 具備一定的抗干擾能力。

a.激光頻率高、波長短，能夠穿透對被動紅外探測系統(tǒng)造成干擾的高能煙霧，保持對目標的探測能力；

b.相對于目標，有些干擾彈的有效反射面積很小，因此即便被發(fā)射激光束照射到，其漫反射回的激光功率也很難達到檢測門限，根本不被檢測；

c.當導引頭采用多光譜探測器時，其能夠根據(jù)目標與干擾在不同頻段的成像差異有效對抗單點源、多點源與動力伴飛等傳統(tǒng)人工干擾源，此時掃描型激光器可以及時獲取目標量測信息為導引頭的穩(wěn)定跟蹤提供保證；另外，激光器在掃描照射的同時，也可通過連續(xù)改變發(fā)射頻率的方式輔助對抗新型的面源干擾等。

采用脈沖式測距的半導體激光器，其系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 脈沖式半導體激光測距系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of pulsed semiconductor laser ranging system

從圖4中可以看到，脈沖式激光測距系統(tǒng)根據(jù)收、發(fā)激光窄脈沖的時間差獲得彈目距離和相對速度，其特性可用如下測距方程表示：

(3)

式中：Pr為激光接收功率；Pt為激光發(fā)射功率；Kt為發(fā)射光學系統(tǒng)透過率；Kr為接收光學系統(tǒng)透過率；ρ為目標漫反射系數(shù)；At為目標有效反射面積；As為激光在目標處的照射面積；Tα(λ)為大氣單程透過率;Ωr為目標對光學接收系統(tǒng)入瞳的張角:

(4)

式中:Ar為探測器入瞳面積;D為目標距離。

在不考慮雨、雪等大顆粒物衰減作用的條件下，大氣單程的光譜透過率可近似表示為[14]

Tα(λ)=TH2O(λ)×TCO2(λ)×TP(λ)

(5)

式中:TH2O(λ)為水氣透過率;TCO2(λ)為CO2透過率;TP(λ)為由微小離子散射形成的透過率:

TP(λ)=e-αpD

(6)

(7)

式中：V為氣象能見度；λ為激光波長。

由于當前紅外空空導彈的主要探測波段集中在大氣光譜透過率較高的中紅外范圍，因此為了兼容已有的探測設備，降低設計成本等，可考慮在此區(qū)間內(nèi)選取合適的發(fā)射激光波長λ。

將式(4)～(7)代入式(3)可得激光接收功率Pr與發(fā)射功率Pt及彈目距離R的關系為

e-2·(3.91/V)·(0.55/λ)1.3·D

(8)

在實際應用中，為了提升半導體激光器發(fā)射能量的利用效率，一般會盡量減小發(fā)射激光的線寬，從而使發(fā)射激光的光斑完全落在目標上,即At≥As。此時，目標的有效反射面積就是光斑面積，則式(8)可簡化為

e-2·(3.91/V)·(0.55/λ)1.3·D

(9)

為了提升紅外空空導彈的發(fā)射后截獲能力，激光測距主要關心的問題是，當導彈飛行至最大截獲距離Rmax時，在探測器接收到的回波信號達到最小可檢測功率Prmin的條件下，所要求的峰值發(fā)射功率Pt最小。其中，Prmin與激光接收探測系統(tǒng)的信噪比SNR有關，在SNR確定的情況下可通過式(10)得出[15]：

SNR=

(10)

式中：M為探測器電流增益；η為量子效率，e為電子電荷；h為普朗克常量；v為激光頻率；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為導體溫度；Δf為噪聲帶寬；RL為負載電阻；Fn為噪聲倍增因子；Pb為背景光功率；IDd為暗電流的大小。

采用表1中的相關性能參數(shù)，簡要計算激光器所需峰值發(fā)射功率與彈目距離之間的關系，結(jié)果如圖5所示。

表1 仿真采用的激光測距系統(tǒng)性能參數(shù)Table 1 Parameters of laser ranging system used in simulation

由圖5可知，最小峰值發(fā)射功率Ptmin與彈目距離之間的關系是非線性的，且在8～10 km的導引頭截獲距離范圍內(nèi)，所需的Ptmin為數(shù)十瓦。因此，采用脈沖式法測距的半導體激光器能夠作為彈載激光測距系統(tǒng)進行改進應用。

3 氣動熱抑制

發(fā)射后截獲技術的作用之一，就是提升紅外型空空導彈的發(fā)射距離，甚至對目標進行超視距攻擊。然而，導彈在大氣中較長時間高速飛行時，受到的摩擦阻滯作用會使整流罩表面的溫度急劇上升，駐點溫度可高達上千開爾文[16]。同時，高溫還將造成紅外窗口材料的透射率降低，發(fā)射率升高，所輻射的能量甚至能通過光學系統(tǒng)入瞳進入位標器組件，從而降低探測器的成像質(zhì)量、動態(tài)范圍和作用距離等。由此可見，整流罩嚴重的氣動加熱效應已成為阻礙紅外空空導彈發(fā)射后截獲能力的瓶頸問題，需要進行有效抑制。

先進紅外窗口材料是整流罩技術的發(fā)展基礎[17]，在選擇的過程中通常需要綜合考慮材料的光學、強度、溫度特性以及制造成本等多個方面。當前常用于中紅外波段的窗口材料及其簡要性能參數(shù)如表2所示[17-19]。

氟化鎂(MgF2)是當前應用最成熟的紅外窗口材料，具有很高的紅外透過率，但其硬度、抗沖擊能力弱且熔點較低，已經(jīng)很難滿足當前導彈的高馬赫數(shù)需求。尖晶石(MgAl2O4)是一種耐用、各向同性的寬帶光學材料，其光學一致性較藍寶石好且與之紅外透過率相當，但同樣存在強度較弱的情況。

藍寶石(主要成分為Al2O3)在室溫下的強度、硬度和抗沖擊能力最大，透過率和熔點也較高，是當前第四代紅外成像空空導彈主要使用的窗口材料。然而隨著溫度升高，其機械強度、硬度將迅速下降——在300～600 ℃時出現(xiàn)最小值，硬度下降50%以上，機械強度損失約87%[19]。另外，由于紅外窗口材料的發(fā)射率與其自身的吸收系數(shù)和厚度成正比，且吸收系數(shù)隨溫度升高不斷增大，因此由表2可知，在同樣的高溫和整流罩厚度條件下，藍寶石會產(chǎn)生很大的能量輻射，氣動加熱效應明顯。

氧化釔(Y2O3)在強度、硬度和透過率等方面性能一般，但吸收系數(shù)與表2中的其他材料相比是最小的，甚至相差一個數(shù)量級以上。因此，其在整流罩同等氣動加熱條件下向外輻射的能量最小，對探測系統(tǒng)的成像質(zhì)量、信噪比和動態(tài)范圍等影響也最小，可以考慮用作紅外整流罩的基礎材料。

表2 常用中紅外窗口材料簡要參數(shù)[17-19]Table 2 Brief parameters of commonly used medium infrared window materials[17-19]

由上述分析可知，各窗口材料都有其自身的優(yōu)點和局限性，能夠滿足所有要求的單一紅外窗口材料實際上并不存在。因此，須考慮將紅外窗口材料與其他技術結(jié)相合，從綜合應用角度降低氣動加熱造成的負面影響：

(1) 摻雜或離子注入技術。文獻[20]研究了對藍寶石進行鈦摻雜來克服其高溫下的機械性能損失，取得了很大進展。另外，將Y2O3作為穩(wěn)定劑制備的立方氧化鋯(ZrO2)晶體材料，具有很高的強度(1 500 MPa)、硬度和熔點(約2 800 ℃)，在3～5 μm紅外波段的透過率約76%，且熱膨脹系數(shù)非常小(7.3×10-6/℃)，也具備作為紅外窗口材料的應用潛力[21]。

(2) 鍍膜技術。為了在功能或強度上達到整流罩的應用要求，大部分紅外窗口都會采用鍍膜技術彌補自身的不足。例如，通過在硫化鋅材料上鍍一層金剛石膜來提升其抗熱沖擊能力等技術已經(jīng)得到實際應用[22]。

(3) 保形整流罩技術。整流罩半球冠設計帶來的激波阻力是造成氣動加熱效應的重要因素之一。然而，隨著長徑比的增大，其阻力系數(shù)會明顯減小。因此，可使用尖拱形結(jié)構(gòu)設計整流罩的氣動外形減小空氣阻力，同時采用非球面和位相板技術等校正其光學相差[22]。

(4) 光學系統(tǒng)無熱化設計。嚴重的氣動加熱效應會改變外窗口材料的折射率，甚至使材料自身產(chǎn)生變形，反映在位標器組件上的結(jié)果就是光學系統(tǒng)的焦距發(fā)生變化，成像質(zhì)量變差。文獻[23]通過在光學系統(tǒng)中引入雙金屬補償式無熱化設計方法，來修正、補償氣動熱效應造成的影響，能夠切實改善探測系統(tǒng)在高低溫環(huán)境下的成像質(zhì)量。

(5) 采用光學納米復相陶瓷材料。納米復相陶瓷材料如MgO-Y2O3，其結(jié)晶粒度約為200 nm，具有極低的高溫輻射系數(shù)及比藍寶石更好的中紅外透過性能和高溫力學性能，有望成為未來高馬赫數(shù)導彈紅外窗口/整流罩的最佳候選材料之一[24]。雷神公司近年已經(jīng)完成部分MgO-Y2O3工藝制作，并對其材料性能進行了相關研究。

從上述內(nèi)容可知，抑制氣動加熱效應的技術方法很多，且各方法的復雜和難易程度也不盡相同。因此，在后續(xù)的仿真工作中，僅從采用氧化釔、氧化鋯等發(fā)射率較低的新型紅外窗口材料對導引頭有效截獲距離的影響方面，驗證其對導彈發(fā)射后截獲概率的影響。

4 仿真驗證

紅外導引頭的目標截獲包括角度截獲和距離截獲兩個必要條件。在識別概率一定的條件下，導引頭角度截獲概率取決于對目標的角度指示誤差；而導引頭的允許截獲距離一般在設計時根據(jù)其性能進行設定。

從上述兩個方面和導彈已有能力出發(fā)，結(jié)合本文涉及的關鍵技術，分析其對發(fā)射后截獲概率的影響，主要表現(xiàn)為如下等效誤差角或誤差因素：①導彈的慣導對準誤差σ1和位置漂移誤差σ2；②機載火控系統(tǒng)對目標的測角、測距誤差σ3(σd)；③數(shù)據(jù)鏈周期內(nèi)的目標運動誤差σ4；④激光測距誤差σ5；⑤導引頭空間指向誤差σ6，包括導彈姿態(tài)角定位誤差和導引頭框架角誤差等；⑥氣動熱造成的截獲概率下降。

一般情況下，認為各等效誤差角相互獨立且根據(jù)誤差傳播定律所形成的總誤差σ服從正態(tài)分布：

(10)

因此，在導引頭視線坐標系上產(chǎn)生的二維總目標指示誤差服從瑞利分布，且截獲概率可表示為

(11)

式中：θ為導引頭視場角。

仿真采用的誤差數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表3中的誤差數(shù)據(jù)，并在設定導引頭視場角2.5°，截獲距離8～10 km，導彈發(fā)射距離20 km，數(shù)據(jù)鏈周期1 s等條件下，對紅外空空導彈的發(fā)射后截獲概率進行仿真計算，其結(jié)果如圖6～11所示。

表3 仿真采用的誤差數(shù)據(jù)Table 3 Error data used in simulation

圖6 只有視線角速度和慣導信息時的目標截獲概率Fig.6 Target acquisition probability under the condition of and inertial navigation information

通過對比圖6和圖7可以看到，僅依據(jù)當前的視線角速度和慣導信息，紅外空空導彈很難實現(xiàn)對目標的發(fā)射后截獲；采用數(shù)據(jù)鏈技術對目標的截獲概率有了極大提升，但由于紅外導引頭視場較小、數(shù)據(jù)鏈信息誤差以及氣動熱效應的影響，導彈也僅能在攻擊約9 km范圍內(nèi)的目標時保證95%以上的截獲概率。圖8中，由于激光測距系統(tǒng)能夠通過主動探測為導彈提供比數(shù)據(jù)鏈更加精確的彈目距離和相對速度等信息，因此,其可以在擴展一定攻擊距離的同時使導彈具有更高的發(fā)射后截獲概率；但激光測距性能在導引頭最大允許截獲距離之外出現(xiàn)了明顯下降，且在15 km之后與原截獲概率相當，分析其原因主要包括以下兩個方面：①彈載半導體激光測距系統(tǒng)波束很窄，其在固定照射一定距離的目標時，光束覆蓋范圍與機載火控系統(tǒng)相比小很多，即便采用掃描式搜索方式也可能由于搜索時間較長導致無法找到目標；②當前半導體激光器的發(fā)射功率有限，導致探測器能夠接收到的激光能量更小，這也限制了激光器的有效探測距離。由圖9和圖11可知，由于目標量測信息不充分，直接在只有視線角速度和慣導信息的條件下加入氣動熱抑制對截獲概率的提升并不明顯，但結(jié)合數(shù)據(jù)鏈技術后，基本能夠保證導彈在攻擊其發(fā)射距離范圍內(nèi)的目標時實現(xiàn)可靠截獲。

圖7 加彈載數(shù)據(jù)鏈后的目標截獲概率Fig.7 Target acquisition probability after using missile-borne data link

圖8 加激光測距后的目標截獲概率Fig.8 Target acquisition probability after using laser ranging information

圖9 氣動熱抑制后的目標截獲概率Fig.9 Target acquisition probability after suppressing the aerodynamic heating

圖10 數(shù)據(jù)鏈+激光測距后的目標截獲概率Fig.10 Target acquisition probability after using missile-borne data link and laser ranging information

圖11 數(shù)據(jù)鏈+激光測距+氣動熱抑制后的目標截獲概率Fig.11 Target acquisition probability after using missile-borne data link,laser ranging information and aerodynamic heating suppression

5 結(jié) 論

本文從彈載雙向數(shù)據(jù)鏈、增加激光測距系統(tǒng)構(gòu)成多模制導體制和導彈飛行中實際需求的氣動熱抑制三個方面出發(fā)，研究了其對紅外型空空導彈發(fā)射后截獲概率的影響。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)鏈是紅外空空導彈實現(xiàn)發(fā)射后截獲能力的重要條件，其信息周期和機載火控系統(tǒng)對目標的測量誤差是影響發(fā)射后截獲概率的主要因素；采用脈沖式測距的半導體激光器在體積、功率重量比、測量精度和抗干擾能力等方面優(yōu)勢明顯，非常適合作為空空導彈的彈載測距系統(tǒng)，且在多光譜探測條件下具有較大的應用潛力，但其搜索目標時的掃描方式和發(fā)射能量有限等問題仍需進一步研究和解決；嚴重的氣動加熱效應是制約紅外空空導彈對目標實現(xiàn)可靠截獲的瓶頸問題，僅從紅外窗口材料的選擇上考慮其對截獲概率的提高還不夠完善，下一步需要在綜合多方面氣動熱抑制技術條件下研究其對紅外空空導彈發(fā)射后截獲概率的有效提升。