彈道目標尾焰特性探究?

郭德陽,陳建文,吳 瑕

(1.空軍預警學院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預警學院三系,湖北武漢430019;3.廣州軍區空軍95316部隊,廣東廣州510900)

0 引言

彈道目標(運載火箭、彈道導彈等)具有射程遠、速度快、威力大等特點,極具戰略威脅,而彈道目標防御系統所能提供的戰略預警時間與探測裝備體系緊密相關,隨著攻防技術的此消彼長,彈道目標的防御正從被動段、中段向主動段延伸。

在主動段,火箭推進劑燃燒產生的熱能使生成的中性氣體分子發生電離,生成含有多種帶電粒子的高溫高壓等離子體燃氣,它在發動機噴管入口產生超音速等離子體流,流出噴口后進一步向外部環境膨脹,形成尾焰,尾焰回波是彈道目標在主動段特有的回波,它的特性是檢測彈道目標的主要依據,對預警技術和反導技術的發展具有十分重要的意義:電離層探測儀利用尾焰回波對電離層的擾動來提供彈道目標的“有”和“無”信息[1];天波超視距雷達(Over-the-Horizon Radar,OTHR)利用尾焰回波RCS值增強的特性[2]來探測彈道目標,依據尾焰的頻域特性[3]不僅能夠判定彈道目標,而且可以提供它的開關機時間和大致方位;紅外探測設備可以不僅根據尾焰紅外圖像的形狀大小和灰度來判定發動機類型、工作方式[4],而且能夠提高彈道目標的精確位置。

本文將重點分析它的電離層擾動特性、RCS值增強特性、頻域特性和紅外特性。

1 尾焰對電離層的擾動特性

尾焰釋放到電離層,就相當于在電離層中注入了大量的中性氣體分子。在電離層的F層,占絕對多數的O+與電子的復合系數約為10-12cm3/s,尾焰中的中性氣體分子與原子性的O+交換電荷,很容易生成分子性的離子和原子O,而分子性的離子與電子的復合系數一般可以達到10-9cm3/s甚至更大,因此,F層的電子復合速度至少有3個數量級的提高,相應的電子密度就會大大減少,從而形成“人工電離層空洞”[5]。

電離層是圍繞在地球外面的球形等離子體層,絕大部分屬于F層,密度為103～106cm-3,峰值位于200～400 km的高空,密度大小與日期、季節、太陽周期和地理位置有關[5]。圖1為IRI-2001背景電離層中的電子密度分布[6]。

圖1 IRI-2001背景電離層的電子密度分布

假設尾焰的主要成分是CO2、H2O,如果在275 km的高空釋放500 mol的CO2分子和2 500 mol的H2O分子。那么釋放點的電子密度隨時間的變化[6]如圖2所示。從中可以發現,兩種氣體分子都致使電子密度大幅下降,10 min時,在280 km處的電子密度約為背景含量的10%～20%。相對而言CO2因分子量較大擴散較慢,但它對電子密度影響更大,30 min時形成電離層空洞的高度為H2O形成的3倍。

1961年10月19日,在東經1238維吉尼亞的Wallops發射了偵察火箭NASAST-7/P-21,該火箭發射一個73.6 Mc/s(兆周/秒)的信號,法拉第旋轉效應接收設備測量得到了圖3所示的電離層電子密度數據。因為接收站離發射站很近,可以近似認為信號傳播的路徑與火箭的飛行路徑相同。

圖2 釋放不同物質后電離層釋放點電子密度變化

推進劑剛開始燃燒,即尾焰剛形成時,尾焰在巨大的壓力差作用下,像鏟雪機一樣把周圍空氣推開并取而代之,由于尾焰的電子密度比周圍大氣的要大,所以剛開始時,局部電子密度會變大。隨著燃燒的繼續,尾焰中性氣體分子不斷向空間擴散中和電子,局部電子密度顯著下降,但是電子密度改變的大小與電子密度分布處在相同的數量級上[1]。尾焰位置向量的斜向運動會迫使傳播路徑慢慢的移向扭曲比較小、密度比較大的介質,它在一定的程度上修復了電離層空洞,尤其是在停止燃燒,沒有尾焰的時候,電離層空洞會逐漸修復。圖3為某型偵察火箭的電子密度分布[7],從圖中可以看出:

(1)第三級推進劑在120 km的高處剛開始燃燒時,表面電子密度發生急劇的增長,圖中虛線所示為它的密度。它產生的原因是尾焰高度離子化產生大量的電子,產生的機制與散見E層的形成一樣,高度與電離層圖中散見E層出現的高度保持一致。

(2)在第三級推進劑剩下的燃燒階段,對應的高度為120～220 km之間,表面電子密度下降非常明顯。

(3)第三級燃燒完到第四級點燃階段是一個逐漸修復的階段。

圖3 某型偵察火箭的電子密度分布

1975年7月15日Moscow時間15:20分從Baikonur發射了Soyuz-19宇宙飛船,它附近的Novokazalinsk測量站測到了飛行期間的電離層的異常。圖4表示了從發射前1.5 h到發射后2.5 h,尾焰對探測頻率為f1=4.4 MHz和f2=4.5 MHz的有效高度、F1層和F2層的臨界頻率f0F1、f0F2的影響。從圖中可以看到:在發射后2 h內,有效高度的波形結構變化了0.3～0.4 h,幅度緩慢下降了100 km,出現了持續2h的散見E層。尾焰對電離層的反應主要包括快速電離層反應和延遲的電離層反應。前者反應表現為f0F2值下降了1～2 MHz,200 km的動態的電離層結構的F層峰值下降50 km左右,同時出現另外的回波,后者表現為在發射后7～10 h,在電離層中能觀測到回波軌跡的最低頻率fmin暴漲大約2.5 MHz,第二天也可能重復出現。

尾焰對電離層的影響可以總結為:

(1)F層電子密度下降50%～80%。

(2)電子密度在大約120 km的高空急劇增加。

(3)F層的有效高度下降大約50 km。

(4)在發射后0.20～0.25 h,f0F2頻率隨當地時間發生波形變化,幅度變化為10%。

(5)出現壽命很短的其他回波。

圖4 Novokazalinsk測量站電離層探測儀的記錄

2 尾焰的RCS值增強特性

尾焰是一種電子密度很高、喘流起伏激烈、碰撞頻率遠比電離層高的不均勻等離子體,在空中會形成比彈體大幾倍、甚至幾十倍的等離子區域,作為一種處于部分電離狀態的物質,具有“吸收(衰減)微波,阻(反射)HF電磁波”的特性[8]。射程為3 000 km左右的彈道導彈,其彈體物理尺寸為10～20 m[2],其RCS相當于一架小型飛機,而尾焰的長度則可達到200 m以上[2],特別是在電離層,尾焰的長度達到幾千米[9],尾焰等離子體反射HF電磁波,使得彈道目標RCS增強,較彈體幾何尺寸理論RCS要大1～2個數量級[2]。

不同于彈體等剛性目標,尾焰對HF電磁波的反射與一般二次散射并不相同,其產生機理有賴于氣體分子電離這一過程[10]。尾焰之所以會產生較強回波,是因為尾焰的高溫使周圍空氣中的中性分子發生電離,生成帶正電的離子和帶負電的電子。當HF電磁波入射到尾焰等離子體上時,這些帶電等離子體就會將其反射,產生回波。

彈道目標的尾焰RCS主要由尾焰的電磁特性和體積大小所決定,電磁特性主要與電子密度有關,而體積大小則主要與周圍大氣壓強有關,其中起著決定性作用的是周圍大氣的壓強。

在20 km高空以下,空氣分子密度數大,周圍大氣壓強較大,尾焰的體積較小,它的RCS值較小,火箭的RCS值變化不明顯;在20～100 km高空,隨著海拔高度的增加,空氣密度不斷減小,周圍大氣壓強不斷變大,尾焰的體積也在不斷變大,它的RCS值較大且不斷增加,火箭的RCS變化明顯;在100 km的高空以上,周圍空氣稀薄,接近于真空,尾焰的體積變化較小,它的RCS值也增長緩慢。因此尾焰RCS值隨著海拔高度增加呈現出先是緩慢增加,然后急劇增加,最后又是緩慢增加的變化曲線。運載火箭的RCS值由彈體RCS值和尾焰RCS值兩部分組成,其中彈體的RCS值保持不變,火箭RCS值的變化與尾焰RCS值的變化趨勢相同,圖5為某型運載火箭助推段RCS值隨海拔高度的變化曲線。

圖5 某型運載火箭主動段RCS

一般目標的RCS值[11]不會隨著海拔高度的變化而發生顯著的變化,但是彈道目標的尾焰RCS則隨著海拔高度的增加不斷變大,這是導彈目標尾焰特有的RCS特性,它不但可以提高雷達的檢測概率,而且可以作為判定彈道目標的一個依據。

3 彈道目標尾焰的頻域特性

運動目標一般可以近似為勻加速機動目標,其多普勒頻率滿足

式中,λ為雷達工作波長,v為目標初始速度,a為其加速度。在相干積累時間內,其多普勒頻率展寬為

由于目標能量擴展而占的多普勒分辨單元數為

顯然,加速度越大,相干積累時間越長,則回波多普勒頻率所占單元數越多,能量越分散,頻譜擴展幅度變化也相對較為突出,形成一個類似“鼓包”的波形。雜波信號同樣因為能量分布不均勻而形成類似“鼓包”的波形。

尾焰的頻域特性比較復雜,假設尾焰張角為θ0,入射電磁波與彈體運動方向的夾角為φ,彈體速度為v R,噴嘴處尾焰粒子相對于彈體的速度為v0,由于尾焰粒子的速度隨著遠離噴嘴而不斷減小,因此尾焰粒子相對于彈體的速度v L位于0～v0之間,并且v L與v R的方向相反,依據圖6所示幾何關系,θ方向上尾焰的多普勒頻移為

式中,f0為系統載頻,c為光速。

由于-θ0/2≤θ≤θ0/2

因此

代入式(4)可得

顯然,此時尾焰的多普勒頻率具備展寬特性。

圖6 某運載火箭非未向觀測示意圖

同時相對均勻的尾焰粒子分布使得尾焰回波的能量分布比較均勻,頻譜擴展幅度變化比較均勻。圖7為彈道目標尾焰和一般運動目標的頻譜圖。

由于尾焰比較長,它的回波信號占據的距離單元比較多。尾焰回波信號占據的距離范圍較多、多普勒頻率較寬、能量分布較均勻是彈道目標尾焰回波在頻域的顯著特征。

開關CFAR(S-CFAR)算法能夠很好地抑制目標遮蔽效應和雜波邊緣效應,在彈道目標尾焰回波的距離-多普勒頻率圖中采用十字窗結構的二維S-CFAR檢測,即先在頻率維上進行S-CFAR檢測,然后在距離維上進行S-CFAR檢測,它可以有效抑制能量分布不均勻的多普勒頻率展寬和距離展寬。經過二維S-CFAR檢測后,雜波被徹底抑制,一般運動目標的多普勒頻率展寬和距離展寬縮小了很多,而彈道目標尾焰回波信號因為多普勒功率分布和距離功率分布均較勻,所以多普勒展寬和距離依然存在,類似于“眉毛”。二維SCFAR使彈道目標信號頻率特性更加突出。

圖7 不同目標類型的頻譜圖

4 尾焰的紅外輻射特性

導彈目標尾焰的熱量很高,輻射很強,接近于黑體,噴管出口處的溫度高達2 000 K,它向外輻射,使周圍空氣溫度升高,形成特定的紅外圖像。尾焰的主要組成成分通常是水蒸氣和二氧化碳,它們的分子能級結構決定在2.7μm和4.3μm譜帶的紅外輻射最強。尾焰中還可能含有其他固體微粒,它們具有較強的輻射能力,和溫度約等于尾焰溫度的灰體輻射源的作用相同,在短波紅外波段具有較強的輻射強度[12]。圖8為彈道目標尾焰紅外輻射頻譜。

圖8 彈道目標尾焰紅外輻射頻譜

氣動加熱效應會使蒙皮的溫度上升幾百度,隨著海拔高度的增加,它在主動段紅外輻射總量中占有的比例越來越多。因此必須考慮蒙皮的灰體輻射。

在低海拔高度上,尤其是在多云天氣,大氣將吸收尾焰的很大一部分的紅外輻射,在電離層時,大氣對紅外輻射的吸收能力會顯著下降,大氣對尾焰紅外輻射的影響也必須考慮,它主要包括兩個方面:一是對透射率的影響,二是對目標形狀和大小變化的影響。

尾焰的紅外特性主要是由產生的熱量和溫度所決定的。導彈目標所使用的推進劑不同,產生的熱量就會有所差別,它在紅外圖像上的灰度也不同。而火箭發動機類型、工作方式、推進劑不同,它在紅外圖像上的形狀長短也就不同。

根據尾焰成分、各組分所占比例、溫度分布、流體特性可以初步估計它的紅外輻射特性。

大氣是由多種不同的氣體和懸浮微粒所組成。其中氣體主要有氮氣、氧氣、氫氣、氖氣、二氧化碳和水蒸氣等。懸浮微粒主要有泥土、灰塵、海鹽、水滴以及污染物質等。

5 結束語

本文通過分析彈道目標尾焰對電離層的擾動特性、RCS特性、頻域特性和紅外特性,總結出尾焰具有“電離層空洞”、“RCS增加”、“頻率展寬、距離展寬和能量分布均勻的頻域特性”,其中“電離層空洞”的實時性較差,只能用來判定導彈目標的“有”和“無”,難以確定它的位置信息,而“RCS增加”是OTHR檢測導彈目標的前提,“頻域特性”不但可以用來判定導彈目標,而且可以用來確定它的位置信息,而“紅外特性”不但可以判定發動機的類型、工作方式和推進劑,而且可以提高提供導彈目標的準確位置。

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