卢 晓，梁晓庚，贾晓洪

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

0 引 言

近年来的局部战争表明，制空权的夺取和机载精确制导武器的广泛应用仍然是决定现代战争胜负的关键因素[1]。红外空空导弹是进行空中对抗的主战武器之一，经过几代发展，其作战效能已经有了极大提升。但随着现代航空科学技术的持续进步和空战态势的日益复杂，当前的空战战术和作战模式也有了较大改变，这就对红外空空导弹提出了新的技战术要求，如大离轴攻击范围、超视距攻击能力和满足新一代隐身战机的武器内埋需要等。然而，由于传统红外空空导弹的导引头视场角较小，加之对目标的搜索又需要较长时间，很难满足上述作战需求。因此，采用发射后截获技术就成为解决此问题的必然途径。

为了实现发射后截获能力，空空导弹多采用复合制导体制，如南非的“射水鱼”敏捷型、以色列的“怪蛇”5和美国的AIM-9X改进型等，均通过广泛应用发射后截获技术较大提升了导弹的发射距离和作战效能[2]。文献[3]从制导律设计出发，通过引入导引头截获的角度约束控制，保证了大离轴发射条件下导弹的正常制导和导引头发射后截获条件的尽早满足。文献[4-5]通过建立误差模型和数字仿真，分析了有无数据链及数据链信息误差对空空导弹发射后截获概率的影响。文献[6-7]在综合分析影响导弹发射后截获能力主要误差源的基础上，通过经验公式研究了各误差因素对截获概率的影响。然而，上述对导弹发射后截获概率的研究多局限在多模制导体制内，且相关仿真未考虑实际作战环境中的气动加热效应等。因此，本文从弹载双向数据链、增加激光测距的多模制导方式和气动热抑制三个方面分析了其对红外型空空导弹发射后截获概率的影响，并在独立和综合各影响因素的条件下进行了仿真计算。

1 弹载数据链

如上所述，当前采用被动能量探测工作方式的红外空空导弹只能通过测量目标的视线角速度信息进行制导。因此，即便在近距攻击中，当目标机动或投放诱饵干扰时也可能造成制导信息扰动，导致较大的脱靶量[8]。另外，导弹发射后通过捷联惯导系统获取自身信息的累积误差和目标运动情况未知，使导引头在到达截获距离开机搜索时较难截获目标。为弥补上述信息不足，最简捷的思路是考虑基于现有的机载数据链发射系统为导弹增加弹载数据链，通过不断获取机载雷达对目标的量测信息修正自身弹道，提升发射后截获能力。

空空导弹数据链按信息传输方式的不同可分为单向和双向数据链。前者只能完成载机向导弹的信息发送，包括目标的位置、速度和类型等，并通过弹载计算机解算出与目标之间较高精度的相对角度信息修正制导过程；后者还能够将导弹自身的工作、运动状况和导引头截获情况等信息传递给载机，实现机载雷达在跟踪目标的同时对导弹的应答式跟踪，为载机的及时脱离、目标毁伤效果评估和他机制导等提供可靠基础。图1所示为采用双向数据链情况下红外空空导弹的作战示意图。

图1 采用双向数据链红外空空导弹的作战示意图Fig.1 Operational schematic diagram of infrared air-to-air missiles using bidirectional data link

为使导引头能够在允许截获距离范围内可靠截获目标，弹载数据链还应具备以下能力[9]：

(1) 信息、数据的实时传输；

(2) 信息传输可靠、误码率低；

(3) 采用加密技术，保障信息传输的安全性；

(4) 按照既定的通信协议自动运行和功能自检；

(5) 具备较强的抗干扰能力和良好的载机适应性。

采用弹载双向数据链后，导弹与载机间的信息传输流程如图2所示。

图2 双向数据链信息传输流程图Fig.2 Bidirectional data link information transmission flow diagram

在完成导弹发射工作之后，载机通过火控系统实时获取目标与导弹的位置、速度等信息，并通过数据链传送给导弹，用于调整其制导和飞行控制等过程，修正飞行弹道，最终以更高的概率截获目标；与此同时，导弹也将自身的工作、运动状态和导引头截获情况等通过数据链传送至载机的信息处理单元，使其具备战场实时态势感知和作战效能评估等能力，提升整体作战效能。

衡量弹载数据链的技术指标包括工作带宽、作用距离、传输周期，以及误码率等[10]。对红外型空空导弹发射后截获能力影响方面而言，主要相关指标是数据链信息误差σd和传输周期Td[11]。其中，数据链信息误差σd指机载火控系统对目标的测角、测距误差。图3所示为机载火控系统测量误差示意图。

图3中，C为载机；M为导弹；T为目标实际位置；T′为测量误差条件下的目标位置；δα，δβ为测角误差在水平和俯仰方位的分量；δR为测距误差；δφ为弹目视线指示误差角；R，RCT分别为导弹、载机与目标间的实际距离；RMT′为带有测量误差的弹目距离，且RMT′可由上述测角、测距误差矢量表示为

图3 机载火控系统测量误差示意图Fig.3 Schematic diagram of airborne fire control system measurement error

(1)

因此，等效的数据链量测信息误差角可近似为

(2)

数据链传输周期指标Td对目标截获概率的影响主要表现在发射后截获制导律的设计中。一般情况下，在数据链信息更新时刻，即t=kTd时，导弹利用载机发送的目标量测信息修正制导误差；而在数据链周期内，导弹采用外推的方法估计目标的位置和相对角度等信息。

文献[11-12]基于上述方法，建立了数据链更新周期内的制导模型，研究了在一定发射距离条件下，数据链周期对导引头截获性能的影响。结果表明，在导引头截获距离范围内，导弹的离轴角与Td存在严重的非线性关系，且参数Td的选择与攻击态势、所采用的制导律以及目标运动的外推算法等诸多因素有关，但通常可大于1 s。

2 激光测距

弹载数据链技术，可以有效提升红外空空导弹的发射后截获能力。然而，其存在对目标测距误差较大的问题，一般为百米量级。另外，导弹通过数据链获取目标信息的方式依然为被动的时间离散式(Td)，且在离散时间间隔内目标运动的外推方法也可能造成截获概率的下降。因此，需要考虑为其增加主动、连续的目标探测方法，提升对目标的发射后截获能力。

激光测距技术具有精度高、抗电磁干扰能力良好等优点，且随着测距系统的微型化发展与可靠性的不断提高，已经越来越适合空空导弹的弹载测距系统[13]。

激光测距的实现方法很多，如脉冲式、相位式和干涉式等，本文主要考虑采用脉冲式的半导体激光器测距系统，其特点包括：

(1) 体积小、重量轻、结构简单、可靠性高。

(2) 实时性强、精度高。采用主动照射方式测量弹目距离的脉冲周期理论上可达毫秒级，且测距精度在不增加DGC等提升手段条件下至少比机载火控系统高一个数量级。

(3) 具备一定的抗干扰能力。

a.激光频率高、波长短，能够穿透对被动红外探测系统造成干扰的高能烟雾，保持对目标的探测能力；

b.相对于目标，有些干扰弹的有效反射面积很小，因此即便被发射激光束照射到，其漫反射回的激光功率也很难达到检测门限，根本不被检测；

c.当导引头采用多光谱探测器时，其能够根据目标与干扰在不同频段的成像差异有效对抗单点源、多点源与动力伴飞等传统人工干扰源，此时扫描型激光器可以及时获取目标量测信息为导引头的稳定跟踪提供保证；另外，激光器在扫描照射的同时，也可通过连续改变发射频率的方式辅助对抗新型的面源干扰等。

采用脉冲式测距的半导体激光器，其系统组成如图4所示。

图4 脉冲式半导体激光测距系统组成Fig.4 Composition of pulsed semiconductor laser ranging system

从图4中可以看到，脉冲式激光测距系统根据收、发激光窄脉冲的时间差获得弹目距离和相对速度，其特性可用如下测距方程表示：

(3)

式中：Pr为激光接收功率；Pt为激光发射功率；Kt为发射光学系统透过率；Kr为接收光学系统透过率；ρ为目标漫反射系数；At为目标有效反射面积；As为激光在目标处的照射面积；Tα(λ)为大气单程透过率;Ωr为目标对光学接收系统入瞳的张角:

(4)

式中:Ar为探测器入瞳面积;D为目标距离。

在不考虑雨、雪等大颗粒物衰减作用的条件下，大气单程的光谱透过率可近似表示为[14]

Tα(λ)=TH2O(λ)×TCO2(λ)×TP(λ)

(5)

式中:TH2O(λ)为水气透过率;TCO2(λ)为CO2透过率;TP(λ)为由微小离子散射形成的透过率:

TP(λ)=e-αpD

(6)

(7)

式中：V为气象能见度；λ为激光波长。

由于当前红外空空导弹的主要探测波段集中在大气光谱透过率较高的中红外范围，因此为了兼容已有的探测设备，降低设计成本等，可考虑在此区间内选取合适的发射激光波长λ。

将式(4)～(7)代入式(3)可得激光接收功率Pr与发射功率Pt及弹目距离R的关系为

e-2·(3.91/V)·(0.55/λ)1.3·D

(8)

在实际应用中，为了提升半导体激光器发射能量的利用效率，一般会尽量减小发射激光的线宽，从而使发射激光的光斑完全落在目标上,即At≥As。此时，目标的有效反射面积就是光斑面积，则式(8)可简化为

e-2·(3.91/V)·(0.55/λ)1.3·D

(9)

为了提升红外空空导弹的发射后截获能力，激光测距主要关心的问题是，当导弹飞行至最大截获距离Rmax时，在探测器接收到的回波信号达到最小可检测功率Prmin的条件下，所要求的峰值发射功率Pt最小。其中，Prmin与激光接收探测系统的信噪比SNR有关，在SNR确定的情况下可通过式(10)得出[15]：

SNR=

(10)

式中：M为探测器电流增益；η为量子效率，e为电子电荷；h为普朗克常量；v为激光频率；K为玻尔兹曼常数；T为导体温度；Δf为噪声带宽；RL为负载电阻；Fn为噪声倍增因子；Pb为背景光功率；IDd为暗电流的大小。

采用表1中的相关性能参数，简要计算激光器所需峰值发射功率与弹目距离之间的关系，结果如图5所示。

表1 仿真采用的激光测距系统性能参数Table 1 Parameters of laser ranging system used in simulation

由图5可知，最小峰值发射功率Ptmin与弹目距离之间的关系是非线性的，且在8～10 km的导引头截获距离范围内，所需的Ptmin为数十瓦。因此，采用脉冲式法测距的半导体激光器能够作为弹载激光测距系统进行改进应用。

3 气动热抑制

发射后截获技术的作用之一，就是提升红外型空空导弹的发射距离，甚至对目标进行超视距攻击。然而，导弹在大气中较长时间高速飞行时，受到的摩擦阻滞作用会使整流罩表面的温度急剧上升，驻点温度可高达上千开尔文[16]。同时，高温还将造成红外窗口材料的透射率降低，发射率升高，所辐射的能量甚至能通过光学系统入瞳进入位标器组件，从而降低探测器的成像质量、动态范围和作用距离等。由此可见，整流罩严重的气动加热效应已成为阻碍红外空空导弹发射后截获能力的瓶颈问题，需要进行有效抑制。

先进红外窗口材料是整流罩技术的发展基础[17]，在选择的过程中通常需要综合考虑材料的光学、强度、温度特性以及制造成本等多个方面。当前常用于中红外波段的窗口材料及其简要性能参数如表2所示[17-19]。

氟化镁(MgF2)是当前应用最成熟的红外窗口材料，具有很高的红外透过率，但其硬度、抗冲击能力弱且熔点较低，已经很难满足当前导弹的高马赫数需求。尖晶石(MgAl2O4)是一种耐用、各向同性的宽带光学材料，其光学一致性较蓝宝石好且与之红外透过率相当，但同样存在强度较弱的情况。

蓝宝石(主要成分为Al2O3)在室温下的强度、硬度和抗冲击能力最大，透过率和熔点也较高，是当前第四代红外成像空空导弹主要使用的窗口材料。然而随着温度升高，其机械强度、硬度将迅速下降——在300～600 ℃时出现最小值，硬度下降50%以上，机械强度损失约87%[19]。另外，由于红外窗口材料的发射率与其自身的吸收系数和厚度成正比，且吸收系数随温度升高不断增大，因此由表2可知，在同样的高温和整流罩厚度条件下，蓝宝石会产生很大的能量辐射，气动加热效应明显。

氧化钇(Y2O3)在强度、硬度和透过率等方面性能一般，但吸收系数与表2中的其他材料相比是最小的，甚至相差一个数量级以上。因此，其在整流罩同等气动加热条件下向外辐射的能量最小，对探测系统的成像质量、信噪比和动态范围等影响也最小，可以考虑用作红外整流罩的基础材料。

表2 常用中红外窗口材料简要参数[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优点和局限性，能够满足所有要求的单一红外窗口材料实际上并不存在。因此，须考虑将红外窗口材料与其他技术结相合，从综合应用角度降低气动加热造成的负面影响：

(1) 掺杂或离子注入技术。文献[20]研究了对蓝宝石进行钛掺杂来克服其高温下的机械性能损失，取得了很大进展。另外，将Y2O3作为稳定剂制备的立方氧化锆(ZrO2)晶体材料，具有很高的强度(1 500 MPa)、硬度和熔点(约2 800 ℃)，在3～5 μm红外波段的透过率约76%，且热膨胀系数非常小(7.3×10-6/℃)，也具备作为红外窗口材料的应用潜力[21]。

(2) 镀膜技术。为了在功能或强度上达到整流罩的应用要求，大部分红外窗口都会采用镀膜技术弥补自身的不足。例如，通过在硫化锌材料上镀一层金刚石膜来提升其抗热冲击能力等技术已经得到实际应用[22]。

(3) 保形整流罩技术。整流罩半球冠设计带来的激波阻力是造成气动加热效应的重要因素之一。然而，随着长径比的增大，其阻力系数会明显减小。因此，可使用尖拱形结构设计整流罩的气动外形减小空气阻力，同时采用非球面和位相板技术等校正其光学相差[22]。

(4) 光学系统无热化设计。严重的气动加热效应会改变外窗口材料的折射率，甚至使材料自身产生变形，反映在位标器组件上的结果就是光学系统的焦距发生变化，成像质量变差。文献[23]通过在光学系统中引入双金属补偿式无热化设计方法，来修正、补偿气动热效应造成的影响，能够切实改善探测系统在高低温环境下的成像质量。

(5) 采用光学纳米复相陶瓷材料。纳米复相陶瓷材料如MgO-Y2O3，其结晶粒度约为200 nm，具有极低的高温辐射系数及比蓝宝石更好的中红外透过性能和高温力学性能，有望成为未来高马赫数导弹红外窗口/整流罩的最佳候选材料之一[24]。雷神公司近年已经完成部分MgO-Y2O3工艺制作，并对其材料性能进行了相关研究。

从上述内容可知，抑制气动加热效应的技术方法很多，且各方法的复杂和难易程度也不尽相同。因此，在后续的仿真工作中，仅从采用氧化钇、氧化锆等发射率较低的新型红外窗口材料对导引头有效截获距离的影响方面，验证其对导弹发射后截获概率的影响。

4 仿真验证

红外导引头的目标截获包括角度截获和距离截获两个必要条件。在识别概率一定的条件下，导引头角度截获概率取决于对目标的角度指示误差；而导引头的允许截获距离一般在设计时根据其性能进行设定。

从上述两个方面和导弹已有能力出发，结合本文涉及的关键技术，分析其对发射后截获概率的影响，主要表现为如下等效误差角或误差因素：①导弹的惯导对准误差σ1和位置漂移误差σ2；②机载火控系统对目标的测角、测距误差σ3(σd)；③数据链周期内的目标运动误差σ4；④激光测距误差σ5；⑤导引头空间指向误差σ6，包括导弹姿态角定位误差和导引头框架角误差等；⑥气动热造成的截获概率下降。

一般情况下，认为各等效误差角相互独立且根据误差传播定律所形成的总误差σ服从正态分布：

(10)

因此，在导引头视线坐标系上产生的二维总目标指示误差服从瑞利分布，且截获概率可表示为

(11)

式中：θ为导引头视场角。

仿真采用的误差数据如表3所示。根据表3中的误差数据，并在设定导引头视场角2.5°，截获距离8～10 km，导弹发射距离20 km，数据链周期1 s等条件下，对红外空空导弹的发射后截获概率进行仿真计算，其结果如图6～11所示。

表3 仿真采用的误差数据Table 3 Error data used in simulation

图6 只有视线角速度和惯导信息时的目标截获概率Fig.6 Target acquisition probability under the condition of and inertial navigation information

通过对比图6和图7可以看到，仅依据当前的视线角速度和惯导信息，红外空空导弹很难实现对目标的发射后截获；采用数据链技术对目标的截获概率有了极大提升，但由于红外导引头视场较小、数据链信息误差以及气动热效应的影响，导弹也仅能在攻击约9 km范围内的目标时保证95%以上的截获概率。图8中，由于激光测距系统能够通过主动探测为导弹提供比数据链更加精确的弹目距离和相对速度等信息，因此,其可以在扩展一定攻击距离的同时使导弹具有更高的发射后截获概率；但激光测距性能在导引头最大允许截获距离之外出现了明显下降，且在15 km之后与原截获概率相当，分析其原因主要包括以下两个方面：①弹载半导体激光测距系统波束很窄，其在固定照射一定距离的目标时，光束覆盖范围与机载火控系统相比小很多，即便采用扫描式搜索方式也可能由于搜索时间较长导致无法找到目标；②当前半导体激光器的发射功率有限，导致探测器能够接收到的激光能量更小，这也限制了激光器的有效探测距离。由图9和图11可知，由于目标量测信息不充分，直接在只有视线角速度和惯导信息的条件下加入气动热抑制对截获概率的提升并不明显，但结合数据链技术后，基本能够保证导弹在攻击其发射距离范围内的目标时实现可靠截获。

图7 加弹载数据链后的目标截获概率Fig.7 Target acquisition probability after using missile-borne data link

图8 加激光测距后的目标截获概率Fig.8 Target acquisition probability after using laser ranging information

图9 气动热抑制后的目标截获概率Fig.9 Target acquisition probability after suppressing the aerodynamic heating

图10 数据链+激光测距后的目标截获概率Fig.10 Target acquisition probability after using missile-borne data link and laser ranging information

图11 数据链+激光测距+气动热抑制后的目标截获概率Fig.11 Target acquisition probability after using missile-borne data link,laser ranging information and aerodynamic heating suppression

5 结 论

本文从弹载双向数据链、增加激光测距系统构成多模制导体制和导弹飞行中实际需求的气动热抑制三个方面出发，研究了其对红外型空空导弹发射后截获概率的影响。结果表明，数据链是红外空空导弹实现发射后截获能力的重要条件，其信息周期和机载火控系统对目标的测量误差是影响发射后截获概率的主要因素；采用脉冲式测距的半导体激光器在体积、功率重量比、测量精度和抗干扰能力等方面优势明显，非常适合作为空空导弹的弹载测距系统，且在多光谱探测条件下具有较大的应用潜力，但其搜索目标时的扫描方式和发射能量有限等问题仍需进一步研究和解决；严重的气动加热效应是制约红外空空导弹对目标实现可靠截获的瓶颈问题，仅从红外窗口材料的选择上考虑其对截获概率的提高还不够完善，下一步需要在综合多方面气动热抑制技术条件下研究其对红外空空导弹发射后截获概率的有效提升。