揭秘空空導彈的制導系統的秘密

2015-07-20 51軍情網

越戰時期使用的AIM-7麻雀導彈(Sparrow)的獵殺率(kill ratio)不到10%,而AIM-120宣稱經實戰驗證,獵殺率達85%。

前言

在如今的空戰中,導彈已成為成敗勝負的關鍵,能夠盡快發現敵機并率先發射導彈,幾乎就會成為最后獲勝的一方。而導彈要在短促的時間內鎖定快速機動的敵機,進而疾速進襲并加以摧毀,就全靠制導系統的效果了。第一代響尾蛇導彈以被動紅外尋的方式尋找目標,獵殺率不甚理想,如今最新式的空空導彈在主動雷達尋的制導系統與雙向數據鏈搭配下,被鎖定的敵機很難有逃脫的機會。

導彈系統

所謂導彈,是指由火箭或吸氣式(air-breathing)發動機,或兩者混合推動,并裝有某種制導裝置的武器系統。事實上,任何導彈要能探測、攔截、摧毀目標,制導系統就是不可或缺的一部分。

在接戰目標的過程中,導彈系統必須完成探測目標、追蹤目標、通過制導進行攔截目標并摧毀目標等功能。

空空導彈的制導系統

F/A-18“大黃蜂”戰斗機發射AIM-7“麻雀”空空導彈

導彈在接戰目標時,制導系統會接收或計算所需的導航指令,引導導彈循著某種軌跡攔截目標。在一些導彈系統中,導彈本身的引導頭(Seeker)和計算機自動駕駛儀(Autopilot)生成這些指令;而在另一些導彈系統里,則由發射導彈的載機通過數據鏈(Datalink)發送信息給飛行中的導彈,提供修正航向的指令。

有些導彈在不同飛行階段會采取不同制導方式。最典型的例子是在接近目標時,以慣性導航加數據鏈校正飛行路徑,這種導彈的制導系統主要指末端(terminal phase)攻擊時的導航方式;而另外的一些導彈,則可能根據不同環境在不同的導航方式中切換,例如原本導彈以主動雷達尋的(homing)制導飛向目標進,一旦遭遇強烈的電子干擾,就轉而把干擾源當做目標進行攻擊(Home-on-Jam)。

在早期,載機發射導彈后仍要持續發送導航指令以指揮導彈。如今這種方式已屬過時的技術,不但空空導彈不再使用,其它的導彈也對這種方式也大都敬謝不敏。

現今大多數導彈采用的制導方式是所謂的尋的制導(Homing Guidance),導彈以自身引導頭探測目標可分辨的特征,指引導彈飛向目標。在這種制導方式下,制導系統關注的只有導彈和目標這兩個點,因此尋的制導也被稱為二點制導(Two-Point Guidance)。

根據如何分辨目標,尋的制導可分為三種類型:被動尋的、半主動尋的、主動尋的。

空空導彈的制導系統

半主動尋的、主動尋的、被動尋的模式示意圖

被動尋的制導

被動尋的制導中所謂的“被動”,是指導彈本身沒有安裝任何能輻射能量的探測器,發射導彈的載機也沒有發射任何信號去指揮導彈,純粹由導彈引導頭搜索目標輻射的能量,引導導彈攔截目標。最典型的被動尋的制導是紅外制導。

使用紅外引導頭的導彈通常被稱為“熱跟蹤導彈”。紅外線頻率在可見光頻率之下,波長介于0.8到1000微米間,比可見光長比微波短,具有可聚焦、發散、吸收、反射的特性。不論人造物體或是人體,只要能發熱或維持熱量,就會散發強烈的紅外線。

對導彈而言,其潛在目標對象一般都會反射或發射紅外線,被導彈引導頭探測到后就能獲得目標的相對位置,進而對飛行控制面發出偏轉信號。

空空導彈的制導系統

現代戰斗機雖然經過了精密設計,但仍然會輻射大量紅外線,其中最大的輻射源就是發動機尾噴管了,噴氣式發動機的典型排氣溫度約為950攝氏度,開啟加力時會飆升到約1700攝氏度。

此外飛機在高速飛行時,蒙皮因空氣摩擦也會發熱。

而另一個紅外線的來源是陽光反射,傳統的戰斗機面漆約會反射陽光中60%的紅外線,美國海軍新式灰色漆約只會反射5-10%,F-22隱身戰斗機面漆反射值為機密,但一定更低。

空空導彈的制導系統

戰斗機的幾個紅外輻射重點區域

降低飛機紅外特征的方法很多,例如:降低排氣溫度、以后機身或尾翼結構來掩蔽排氣、機身施以特殊涂裝……等,但飛機的紅外特征是無法完全消除的。

隨著導彈引導頭技術的不斷進步,紅外制導導彈的性能也在不斷提升,早期導彈僅能追蹤高熱的發動機尾噴管,所以戰斗機只能在敵機尾部發射導彈,而現在所謂的“全方位”導彈,可從兩側甚至迎頭攻擊目標。

空空導彈的制導系統

空空導彈的制導系統

空空導彈的制導系統

飛機的紅外特征是無法完全消除的

紅外制導單元

當目標輻射出足夠進行探測及制導的能量時,設計出“發射后不管”(fire-and-forget)的導彈就不再是難事。紅外制導系統的主要組件位于導彈鼻錐處,包括了能讓特定波長紅外線通過的濾光鏡,以及濾光鏡后方接收紅外線的光學模塊系統。光學模塊系統的信號探測電子組件從背景噪聲中分離出目標位置,再傳送給計算機去產生制導指令。

濾光鏡可抑制不需要的背景紅外線,如陽光反射、地表熱輻射……等。導彈使用的濾光鏡分為吸收式(Absorption)及干涉式(Interference)兩種,其中吸收式濾光鏡允許寬帶段的紅外線通過,目的在于抑制陽光中的紅外線;干涉式濾光鏡允許通過的頻段很窄,目的在排除不需要的紅外線。

空空導彈的制導系統

美國戰區高空防御(THAAD)導彈的紅外引導頭,以先進材料制成濾光鏡

光學模塊是紅外制導系統中最復雜的一部分,其基本作用是提供目標方位信息和抑制背景紅外線噪聲。光學模塊的表面可讓紅外線通過,底層結構則為不透光的特殊型態,設計非常復雜且困難,相關設計數據都被各國列為機密。

空空導彈的制導系統

AIM-9R的WGU-19/B引導頭組件

以被動方式獲得目標位置還有另一種方法,那就是使用陣列式(array)探測組件,不過其用于排除背景噪聲的電子組件更復雜。陣列式探測組件是一種可把紅外線轉換成電信號的特殊裝置,然后導彈計算機在對信號進行處理。

探測組件分為光電導式(photoconductive)和光伏式(photovoltaic),想要了解這兩種方式的運作機制,那就需要了解一些固體物理學知識了。簡單地說:前者受到光照射時,電阻值會隨之改變;后者則是受到光照射時,會產生電壓。

探測組件使用哪種紅外感光材料制造,需要視其在特定波長中的靈敏度而定,大部分用的是硒化物(Selenide)、銻化物(Antimonide)、碲化物(Telluride)。

第一代響尾蛇導彈的老式探測器使用硫化鉛(Lead Sulfide),現代典型的紅外線感光材料為汞碲鎘(Mercury Cadmium Telluride)或銻化銦(Indium Antimonide),這些材料在冷卻的情況下性能較好,靈敏度較高,也能探測較低溫的物體。典型的冷卻方式包括使用高壓氬氣、液態氮、或是分離式斯特林(Stirling)制冷機。

早期的紅外引導頭,對噴氣式發動機排氣中波長4.2微米的二氧化碳紅外線最為敏感,這種對3-5微米波長紅外線最敏感的引導頭被稱為單色(single-color)引導頭。

現代引導頭工作波長為大氣吸收性最小的8-13微米,被稱為雙色(two-color)引導頭,傳統的熱焰彈干擾措施要欺騙這種引導頭并不容易。

最新一代的熱跟蹤導彈還使用了紅外成像(IR Imaging)引導頭,其中的紅外線輻射成像裝置有些類似數碼相機用于可見光成像的電荷耦合元件(Charge Coupled Device),用一個焦平面陣列(focal plane array)成像裝置來探測紅外線。

焦平面陣列由像素(pixel)陣列和讀出電子組件兩部分組成,其中對紅外線敏感的像素陣列位于鏡頭焦距處,每個像素約20微米大小,并有銦材料做成的銦柱(indium bumps)電氣接點,與黏附于像素陣列上的讀出電子組件(Read Out Electronics)連接。讀出電子組件把大量的像素輸出信號轉換成脈沖序列(pulse train),使輸出信號線的數量由幾萬條降到一百條以下。

空空導彈的制導系統

像素陣列與讀出電子組件組成了完整的焦平面陣列組件

空空導彈的制導系統

帶銦柱的汞碲鎘焦平面陣列

空空導彈的制導系統

這是一個1024x1024的汞碲鎘紅外焦平面陣列

焦平面陣列的信號處理和技術復雜程度遠超過傳統引導頭,但它的優點是瞬時視野(instantaneous field-of-view)寬闊許多,排除背景噪聲的能力較強,不會失誤鎖定太陽,同時還能分辨出多個目標和熱焰彈、干擾絲…等紅外線對抗措施。

聚焦平面的大視野還有一個很大的好處,那就是當用頭盔瞄準系統(Helmet Mounted Sight)進行目標瞄準時,可讓導彈具備大離軸角度(off boresight)的接戰能力。

空空導彈的制導系統

AIM-9X引導頭成像質量,傳統干擾彈已經不能干擾新一代紅外成像的空空導彈了

焦平面陣列的另一個優點是調頻(Frequency Modulation)體制。早期引導頭使用調幅(Amplitude Modulation)體制來決定目標的位置,但當導彈逼近目標,目標畫面變得較大時,這種方式會產生較多的噪聲,使得制導誤差增大。改為調頻體制后就可以解決這個問題,引導頭不再受到成像噪聲干擾,可更清楚地辨別目標位置。

不過要制造高質量、高分辨率的焦平面陣列,以現有的銻化銦、汞碲鎘、砷化鎵銦、氧化釩……等材料而言,不是件容易的事。

德國最新設計的IRIS-T導彈(Infra-Red Improved Sidewinder with TVC,矢量推力控制的改進型紅外響尾蛇)的制導系統就是使用銻化銦紅外線傳感器,搭配一部128x128像素的焦平面陣列成像引導頭,提供+-90度的大離軸角度接戰能力,引導頭還具有高分辨率、高目標分辨能力、錯誤警告抑制、極高的追蹤速率、智能型成像處理等特點,可抗衡新式紅外對抗裝置。

空空導彈的制導系統

IRIS-T導彈的引導頭

雷達尋的制導

雷達制導系統的原理是接收目標表面反射的雷達回波,經放大、調變、分析后,判定目標的方位角及距離,然后把這些數據傳送到導彈計算機,通過計算對飛行控制面發出偏轉指令。

至于向目標發射雷達波的發射機,可以安裝在發射導彈的載機上(被稱為半主動雷達尋的制導);也可以安裝在導彈上(被稱為主動雷達尋的制導)。無論采用哪種制導方式,當今的先進導彈都能把地表或海面反射的背景雜波與目標反射波區別開來,對干擾和電子對抗措施也有很強的抵抗能力。

半主動雷達尋的制導

在半主動雷達尋的制導系統里,發射導彈的載機通過機上的火控雷達截獲目標位置后,將導彈通電,并把機上發射窄波束雷達連續波(continuous wave)的照射器(illuminator)對準目標方向。如果此時導彈可鎖定由目標反射回來的雷達波,就能直接發射了,這個過程稱為發射前鎖定(Lock-on Before Launch)。

空空導彈的制導系統

半主動雷達尋的制導需要載機持續照射目標

如果采取發射前鎖定的方式,在導彈飛向目標的過程中,載機必須全程以照射器照射目標,這會大幅限制載機的行動自由,容易遭受抗性攻擊,而且載機一次也只能攻擊一個目標。

有些防空導彈使用類似的發射前鎖定制導方式,不過稍有變化,被稱為末端半主動雷達制導(Terminal Semi-Active Radar Homing)。

這種導彈以發射后鎖定(Lock-On After Launch)的模式飛向目標所處的大概位置,在飛行途中的大部分時間里,導彈以慣性制導方式進行導航,在最后攻擊階段再啟動半主動雷達引導頭。

這種方式除了不需要照射器持續照射目標外,還能在短時間內發射多枚導彈,讓照射器輪流照射各目標,可進行近乎同時間的多目標攻擊。

早期半主動雷達制導導彈使用圓錐掃描式引導頭,現在的導彈多改用單脈沖(mono-pulse)引導頭,精度更好、抗干擾能力更強,下視/下射(look-down/shoot-down)能力和低空性能都有所改進,不過結構也更復雜。

單脈沖引導頭通常有三個尋的通道(channel),三通道的信號相綜合以獲得持續追蹤目標所需的信息。第一個通道負責回波信號的振幅,另兩個通道負責與回波信號特性有關、但較復雜的物理特性。接收單元對三個頻道的輸入信號相位和振幅分別處理后,由制導單元完成最后的目標方位角及距離測量。

空空導彈的制導系統

俄羅斯R-27導彈的半主動雷達制導引導頭

為評估引導頭角度測量的準確性,必須控制三頻道的信號起伏。在這個過程中,來自地面或雨水的雷達雜波以及其它多余反射信號會相互干涉,削弱對目標方向矢量測量的準確度,這就需要用另一個電子裝備以適當的多普勒(Doppler)通道及三通道間的相關性,對各信號進行進一步控制。

空空導彈的制導系統

AIM-7E導彈的引導頭,使用了大量真空電子管元件

空空導彈的制導系統

到了AIM-7F,引導頭開始使用固態電子元件和印刷電路板制造,提高了可靠性

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更加進化的AIM-7M引導頭

半主動雷達制導起源于20世紀50年代末期,直到90年代一直是雷達制導技術的主流。主動雷達尋的制導技術在最初受限于引導頭的空間限制,無法容納功能強大的雷達發射機及接收機,而逐漸被人們所遺忘。

但隨著固態電子及集成電路的出現,如今情況已迥然不同。高功率微波集成電路促成小型先進發射機的發展,先進微處理器讓導彈在應付電子對抗時更得心應手,先進數字信號處理器能辨認噪聲及多余的信號。

最新式的雷達制導空空導彈都采用主動雷達尋的制導模式,不過目前許多國家的空軍手中仍庫存有大量的半主動雷達尋的制導導彈。

主動雷達尋的制導

主動雷達尋的制導的工作方式與半主動雷達尋的制導很類似,只是雷達波的發射及接收全由導彈一手包辦。由于不需要其它雷達的支持,載機發射導彈后無需持續照射目標。

所以主動雷達尋的制導導彈也被稱為發射后不管導彈,能同時攻擊多個目標。

空空導彈的制導系統

在主動雷達尋的制導,雷達波的發射及接收全由導彈一手包辦

純粹使用主動雷達尋的制導和發射前鎖定模式的導彈,接戰距離會比半主動雷達尋的制導導彈要短,理由很簡單:導彈雷達的性能一定不如載機雷達。正因如此,大部分主動雷達尋的制導空空導彈在飛行中可選擇以慣性導航模式飛到預定位置后,再開啟雷達引導頭。

導彈還能通過數據鏈接收載機傳來的目標方位信息,讓導彈得以改變航向,或是改變開啟雷達的時機。同樣的道理,這種導彈的引導頭在遭遇敵方強烈電子干擾時,會將追蹤模式轉換為干擾源尋的,把干擾源當做攻擊目標。

空空導彈的制導系統

MICA EM的主動雷達制導引導頭具有把干擾源當做目標進行攻擊的能力

主動雷達尋的制導的中、遠程空空導彈是現在最先進、最具威力的空空導彈,但要把高性能發射機和適當口徑的天線塞進有限的圓柱空間內,仍然存在許多問題,再探測距離和抗干擾能力方面還有改進空間。

此外,如何在遠距離正確判定目標,目前還沒有適當的方法,因此現在正在發展的雙向(two-way)數據鏈,可讓導彈回傳雷達數據給載機供進一步確認。

空空導彈的制導系統

AIM-120的引導頭

主動式尋的制導空空導彈還需要在價格與性能間取得平衡,即便是全球規模最大、經費最充裕的美國空軍,也無力把老式的半主動式雷達制導導彈一對一完全更換為主動式雷達制導導彈。

AIM-120C先進中程空對空導彈每枚價格約為40萬美元,其中與制導有關的引導頭、伺服馬達、發射機、接收機、數字單元、慣性參考單元(Inertial Reference Unit)、目標探測裝置(Target Detection Device)……等,就占了總價格的70%。

最新的AIM-120D每枚價格為70萬美元,增加的30萬美元絕大部份是用在了改進制導系統上,讓該彈在強烈電子干擾環境中仍具有良好的制導和性能表現。

空空導彈的制導系統

AIM-120D在2015年4月完成作戰測試,形成戰斗力

強化性能

導彈要順利獵殺目標,并不像一般人所想的那么簡單,所取決的因素不但包含導彈本身的特點及性能,也包括各接戰階段的導彈動能、目標的電子對抗能力。

越戰時期使用的AIM-7麻雀導彈(Sparrow)的獵殺率(kill ratio)不到10%,而AIM-120宣稱經實戰驗證,獵殺率達85%,但由于其面對的敵人都欠缺強大的電子對抗能力,因此這個數據并不具備代表性。

基于這種考慮,雖然最新一代的空空導彈在技術上已有很大的進步,但如何強化導彈性能及其致命性,相關研究仍需持續不斷地進行。

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