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雷达/红外双模导引头技术在空空导弹上的应用展望

2018-04-09刘珂李丽娟郭玲红

航空兵器 2018年1期
关键词:空空导弹红外

刘珂 李丽娟 郭玲红

摘 要:      本文介绍了近年来国内外制导武器雷达/红外双模导引头的应用情况, 分析了雷达/红外双模导引头技术在空空导弹上的应用前景, 提出了下一代空空导弹用双模导引头的技术方案。 本文认为雷达/红外双模导引头技术对于提高空空导弹的反隐身和抗干扰性能具有重大意义。

关键词:     红外/雷达复合; 双模导引头; 空空导弹; 多模复合制导

中图分类号:    TJ765  文献标识码:    A 文章编号:     1673-5048(2018)01-0015-05

0 引  言

未来战场上的主力战斗机如美国的F-22, F-35均有较好的隐身能力和综合电子干扰能力。 特别是目前干扰技术发展较快, 且普遍装备于第三代和第四代战斗机上。 随着关键技术的突破, 如数字射频存储(DRFM)干扰技术以及干扰发射装置的小型化, 新型的机载电子干扰设备对当前作为空战主力装备的雷达型空空导弹威胁迅速增大[1]。 因此, 下一代空空导弹对导引头提出了更高的要求, 主要包括: 必须具有优良的反隐身能力和目标综合探测性能; 必须具有更强的抗干扰能力, 以有效对抗各种新型和复合干扰。

由于雷达制导与红外制导在工作体制上有著良好的互补性(通常雷达为主动/半主动体制, 红外为被动体制), 在工作波段上有着较广的分布性(不易被敌方在工作波段上同时干扰), 因此雷达/红外双模导引头是国内外多模复合制导技术优先发展的主要方式[2]。

目前雷达/红外双模导引头已在空面导弹、 面空导弹、 反导拦截弹等武器领域得到了实际应用, 国内外都有相应的型号装备。 在空空导弹领域, 虽然也开展了大量的研究工作, 但是受到导弹体积重量小、 目标场景复杂、 作战任务多样等多种因素的制约, 迄今为止国内外都没有实际装备列装。

1 国内外制导武器雷达/红外双模导引头发展状况

多模复合制导技术研究始于20世纪70年代中期, 目前正处于迅速发展中, 并开始广泛应用于各种武器系统中。 国内外采用雷达/红外双模导引头的制导武器种类繁多。 按照参与复合的导引头工作体制划分, 主要有如下类型。

1.1 被动雷达/红外复合导引头

美国RIM-ll6“拉姆”导弹(见图1)的双模导引头采用被动雷达/红外(成像)分口径复合方式, 红外导引头设于弹体前端, 直径70 mm(导弹弹径127 mm), 两根杆装被动雷达天线位于弹体前端两侧。 早期的Block 0型由于采用的是多元非成像的“毒刺”导弹红外导引头, 迎头作用距离较近, 只能用于末段制导, 初、 中段依靠被动雷达制导, 这就使得其只能对付主动雷达寻的反舰导弹; Block Ⅰ型采用了机电扫描的红外成像导引头,其视场和灵

敏度均大于早期型号, 可以实现全程制导[3]。

德国BGT公司已研制出的双模制导导弹ARMIGER(如图2所示)采用宽带被动雷达/红外成像分口径复合方式, 红外成像导引头设于弹体前侧下方。 导弹弹径200 mm。 作战使用时, ARMIGER侧挂在飞机上, 使雷达导引头能更好地探测目标; 发射后, 在

初制导阶段, 弹体滚转到合适姿态, 使红外成像导引头能够探测目标[4]。

1.2 主动雷达/红外复合导引头

中国台湾的“雄风”-2反舰导弹(如图3所示)采用主动雷达/红外成像分口径复合方式。 红外成像导引头设于弹体前上方, 直径70 mm。 导弹弹径340 mm。 据报道, “雄风”-2的导引头属于转换式双模导引头。 当红外导引头在探测距离之内时, 该导引头通过雷达末制导的装置所发出的开锁指令开机, 此时红外成像探测器与末制导雷达一起工作。 导弹跟踪到目标之后, 当末制导雷达未受到任何干扰时, 导弹将会一直由末制导雷达进行自动导引, 而红外成像探测器虽然也跟踪目标, 但红外成像导引头并不制导; 当末制导雷达导引头被干扰后, 其接收机接近饱和或是导弹跟踪不稳定时, 干扰鉴别电路将关闭雷达导引头。 此时, 导弹由红外成像导引头进行导引[5]。

美国海军的“标准”-2 Block Ⅳ导弹(如图4所示)采用了半主动雷达/红外成像双模导引头。 该导弹的弹径为340 mm, 采用分口径复合方式, 在雷达导引头的侧面安装了一个小型的红外导引头, 没有正式列装[6]。

以色列Stunner导弹(如图5所示)用于拦截弹道导弹。 其双模导引头由美国雷神与以色列拉斐尔公司联合研制, 采用了双波段红外探测器和毫米波有源共形相控阵天线[7]。 导引头采用了“海豚鼻”的不对称设计, 属于分口径复合方式。 红外导引头位于弹体最前端, 斜着侧向一边, 而共形雷达天线则位于弹体的另一侧。 据报道, 雷神公司有意在该导弹的基础上, 研发一种新型的雷达/红外双模制导空空导弹。

美国的AIM-7R 型导弹(见图6)是半主动雷达/红外双模制导空空导弹, 于1988年开始研制, 1993年进行飞行试验。 但由于预算原因, 该项目于 1997 年被取消。 研制该导弹的目的是改进“麻雀”导弹对付先进电子干扰的能力。 其采用了双模导引头, 即在 AIM-7P BlockⅡ型导弹的制导与控制舱中加装缩小尺寸的AIM-9红外导引头。 派生型有舰空导弹RIM-7R[6]。欧洲泰利斯公司曾展出一种空空导弹用主动雷达/红外双模导引头原理样机(如图7所示), 采用共口径复合的方式。 其最大特点是雷达系统采用了卡塞格伦天线, 而红外窗口偏置于抛物面天线的一侧, 很可能采用了透射式的红外光学系统。

2 关于下一代空空导弹用双模导引头方案的思考

对于空空导弹的末制导系统来说, 主动毫米波制导、 红外成像制导分别是雷达、 红外精确制导技术的发展方向。 毫米波制导与微波制导相比制导精度高、 抗干扰能力强, 体积小、 重量轻; 红外成像制导则是当今世界提高红外制导系统抗干扰能力和命中精度最有效的手段之一。 双模导引头的制导模式能在充分发挥毫米波制导与红外成像制导自身先进性的基础上, 利用雷达制导与红外制导的互补性进一步提高空空导弹导引头的制导效能, 具有以下优势: 全天时、 全天候工作能力; 抗多种电子干扰、 光电干扰和反隐身目标能力; 复杂环境下识别目标能力[8]。

如前所述, 雷达/红外双模成像导引头可以分为共口径复合与分口径复合两大类。

共口径复合位标器的优点是体积小、 重量轻、 气动阻力小, 只使用一套伺服机构, 并且红外光轴与雷达电轴重合, 两个传感器坐标一致, 避免基准校准误差, 提高了跟踪精度。 缺点是双模头罩材料在设计上必须兼顾光学性能和电学性能要求, 设计制造比较困难, 而且雷达天线与红外光学系统相互遮挡, 影响各自的探测能力。

分口径复合位标器的优点是由于光学系统和天线安装位置不同, 可以避免双模头罩相互遮挡的问题, 设计实现上比较简单; 缺点是加大了系统的体积和重量, 而且气动外形往往不对称, 阻力大且弹体控制复杂; 同时, 两套系统之间的空间校准也将引入新的误差, 不利于对目标的精确探测和跟踪[9]。

国内相关单位对于雷达/红外复合导引头技术的研究工作已开展多年, 积累了许多经验和教训, 对于下一代空空导弹用双模导引头的方案有更深入的认识。 双模导引头绝不是简单地将雷达导引头和红外导引头集成在一起。 共口径和分口径复合位标器方案各有利弊, 需要根据导弹的作战需求来决定双模导引头的构成方案。

2.1 以抗干扰为作战需求的空空导弹双模导引头构成方案

如果下一代空空导弹强调以雷达制导方式为主, 红外制导方式只用于解决弹目距离较近时(<10 km)的抗角度欺骗干扰和目标要害点识别等雷达制导不易解决的问题, 那么采用双模分口径复合导引头技术方案最为合适。

方案一, 建议选用类似于以色列的Stunner双模分口径复合导引头。 其优点是不存在多模头罩问题, 而且偏置于前端的红外导引头既减少了对雷达天线前向的遮挡, 又可以有较大的前半球跟踪场, 利于弹目交汇状态下的弹体控制。 缺点是位于前端的红外导引头容易受气动加热的影响, 导弹飞行速度不能太快, 而且不對称的气动布局给导弹飞控带来挑战。

方案二, 建议采用基于侧置可弹出式微型红外探测系统的雷达/红外双模分口径复合导引头, 具体见图8。 采用侧置可弹出式微型红外探测系统; 红外导引系统不工作时将红外探测系统收纳于弹体内, 工作时将其展开于弹体外; 红外探测系统采用潜望式光学系统, 将红外探测器组件垂直安装于弹体内, 利用斜置安装于光学系统内的平面反射镜实现垂直于弹轴方向的光路折转向弹体前方。 其优点是作为导弹主作战模式的主动雷达导引系统性能不受复合系统的影响; 微型红外导引系统单独组成一个舱段位于导弹弹体内, 不会影响作为导弹主工作模式的雷达导引系统的性能, 可以充分发挥雷达导引系统对空中目标作用距离远的优势; 微型红外导引系统工作前不伸出弹体外部, 不会增加导弹飞行阻力; 由于只在弹道末端使用, 因此对于导弹的射程影响较小; 微型红外导引系统不工作时收纳于弹体内, 并有隔热层保护, 不会被导弹高速飞行段的气动热传导加热, 影响红外探测系统的后续工作; 基于反射镜的潜望式光学系统可以使得红外导引系统工作时伸出弹体外部的尺寸最小, 而且红外探测器组件始终位于弹体内部, 受到隔热层保护, 工作温度稳定, 有利于红外导引系统对目标的检测与跟踪。

配备这种状态双模导引头的下一代空空导弹最大的缺点是远距离探测只能依赖雷达系统, 反隐身飞机和抗远距电子干扰的能力不强。

2.2 以反隐身为作战需求的空空导弹双模导引头构成方案

如果下一代空空导弹以复杂战场环境下的反隐身为主要作战任务, 那么双模导引头就必须具备双模信息融合探测、 识别能力, 两套探测系统的作用距离都不能太近。 这就要求红外和雷达的探测口径都不能太小。 那么采用双模共口径复合导引头技术方案最为合适。

综合前述的复合方案, 建议选用毫米波缝阵天线-卡塞格伦光学系统共口径复合方式, 如图9所示。 毫米波天线采用平板缝阵天线, 在缝阵天线的中心开孔作为红外光学系统光路。 毫米波天线前放置有红外主反射面和次反射面, 红外主反射面能够透过毫米波, 反射红外。 红外能量通过主反射面和次反射面进入位于天线中心放置的红外探测器中。

此方案的最大优点是各分系统技术成熟, 红外口径和雷达口径都能达到较高的水准, 有利于实现较远的作用距离。 红外和雷达探测系统的处理结果可以经过双模特征层融合处理, 将同时具备雷达与红外特征的目标作为候选目标, 可用于识别的特征较多, 因此可以通过降低单模截获信噪比的方式来提高各自系统的作用距离。 缺点是需要双模头罩; 球形头罩易于满足光学和电学性能, 但是气动阻力大; 保形头罩虽然能够有效降低气动阻力, 但是其电学性能不易保证。 此外, 透射雷达波能量的主反射镜会对天线的幅相一致性产生不利影响, 需要采用专门的电学性能校正措施, 减小雷达信号的衰减程度。

3 结  论

本文对雷达/红外双模导引头技术在空空导弹上的应用做了初步分析。 双模导引头可以有效增加探测系统的信息量, 有助于解决复杂场景下的自动目标识别和复合对抗的难题。 从空空导弹作战需求来看, 雷达型空空导弹作为主战模式的地位是非常稳固的, 但是在抗有源拖曳诱饵类的角度欺骗干扰及电子宽谱压制方面具有体制上的缺陷, 而这种缺陷是可以通过加装红外制导体制形成双模探测识别较完美地解决。 前文提及的双模分口径复合导引头技术成熟度要优于双模共口径复合导引头, 近期有望在雷达/红外双模制导空空导弹研究方面得到应用。

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