空襲作戰(zhàn)平臺紅外對抗技術(shù)作用機(jī)理分析*

趙向東，張志明，劉純

(1.總裝北京軍事代表局駐北京地區(qū)軍事代表室,北京 100854; 2.中國人民解放軍95948部隊(duì),甘肅 酒泉 732750)

0 引言

對于低空突防的轟炸機(jī)、殲擊機(jī)、直升機(jī)等空襲作戰(zhàn)平臺而言，采用紅外尋的導(dǎo)引頭的防空導(dǎo)彈是其主要威脅之一。為了有效防范此類武器的攻擊，空襲作戰(zhàn)平臺普遍采用了紅外對抗技術(shù)，主要包括2種方式：一種是通過改變或降低平臺紅外輻射強(qiáng)度與特性，從而降低導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭對載機(jī)目標(biāo)的探測威力[1]；另一種是采用針對性的紅外干擾措施，實(shí)現(xiàn)對紅外導(dǎo)引頭的誘偏或干擾拖引[2]。目前，這2種紅外對抗技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑有3類：載機(jī)紅外隱身設(shè)計(jì)，裝備紅外誘餌曳光彈，裝備欺騙式/壓制式定向紅外干擾機(jī)。這3類技術(shù)的應(yīng)用對紅外尋的防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能影響極大，有必要對其進(jìn)行深入研究。

1 空襲平臺紅外隱身技術(shù)對紅外尋的防空導(dǎo)彈的影響

空襲作戰(zhàn)平臺的紅外隱身技術(shù)，本質(zhì)上是通過降低或改變自身的紅外輻射特征,實(shí)現(xiàn)低可探測性的目的[3]。其對紅外尋的防空導(dǎo)彈的影響主要體現(xiàn)在探測距離上。

1.1 空襲平臺紅外隱身的作用機(jī)理

實(shí)現(xiàn)紅外隱身有多種技術(shù)途徑，最根本的是要降低自身紅外輻射強(qiáng)度。紅外輻射強(qiáng)度由斯蒂芬-玻爾茲曼定律決定[4]。其公式為

P=εσT4,

(1)

式中：P為物體在溫度T時(shí)的全光譜輻射強(qiáng)度；ε為物體的發(fā)射率；T為物體絕對溫度；σ為玻爾茲曼常數(shù)。

可以看出，無論是降低物體絕對溫度，還是降低物體的紅外頻譜發(fā)射率，都能夠?qū)崿F(xiàn)降低物體紅外輻射能量。

對于處于某一紅外波段內(nèi)的空襲平臺而言，紅外導(dǎo)引頭對其最大發(fā)現(xiàn)距離為

R= (Iτa)1/2[π/2D0(NA)τ0]1/2D·

[1/(ωΔf)1/2(Vs/Vn)1/2],

(2)

式中：I為某一波段范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度；τa為大氣透過率；D0為光學(xué)系統(tǒng)接收孔徑；NA為光學(xué)系統(tǒng)孔徑值；τ0光學(xué)系統(tǒng)透過率；D*為探測器探測率；ω為瞬時(shí)視場；Δf為系統(tǒng)帶寬；Vs為信號電平;Vn為噪聲電平。

目前，第3，4代作戰(zhàn)飛機(jī)紅外隱身技術(shù)主要針對式(2)中的第1項(xiàng)開展工作，即:降低目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度(熱抑制技術(shù))；改變目標(biāo)表面各處的輻射率分布(紅外背景融合技術(shù))；調(diào)節(jié)紅外輻射傳播途徑(光譜轉(zhuǎn)換技術(shù))[5]。幾種典型作戰(zhàn)飛機(jī)的紅外隱身技術(shù)如表1所示。

1.2 對紅外尋的防空導(dǎo)彈探測距離的影響

假設(shè)在同等外部環(huán)境約束條件下，空襲平臺均可被防空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭觀測，未采用紅外對抗措施時(shí)，空襲作戰(zhàn)平臺輻射的能量為P1，發(fā)射率ε1，絕對溫度為T1，最大探測距離為R1；采用紅外措施后，空襲作戰(zhàn)平臺輻射的能量為P2，發(fā)射率ε2，絕對溫度為T2，最大探測距離為R2，則由斯蒂芬-玻爾茲曼定律有

P2=P1(ε2/ε1)(T2/T1)4.

(3)

對防空導(dǎo)彈而言，對空襲平臺的觀測點(diǎn)是一致的，因而點(diǎn)源目標(biāo)在立體角內(nèi)均勻輻射能量是一樣的，由式(3)有

I2=I1(ε2/ε1)(T2/T1)4. (4)

將式(4)代入式(2)，有

R2=R1(ε2/ε1)1/2(T2/T1)2.

(5)

由于ε2/ε1和T2/T1項(xiàng)均小于1，從式(5)可以看出：空襲平臺采用紅外隱身措施后，紅外尋的防空導(dǎo)彈最大探測距離僅為原來指標(biāo)值的(ε2/ε1)1/2·(T2/T1)2倍，導(dǎo)致防空導(dǎo)彈在作戰(zhàn)中的實(shí)際殺傷區(qū)比理論殺傷區(qū)縮小，目標(biāo)視線角速度變化大，攔截射擊難度增大。

2 空襲作戰(zhàn)平臺紅外干擾對紅外尋的防空導(dǎo)彈的影響

2.1 紅外誘餌曳光彈

(1) 紅外誘餌曳光彈干擾作用機(jī)理

目前，西方國家使用的干擾彈波長都在1～3，3～5 μm 2個(gè)波段范圍內(nèi)。大多數(shù)紅外誘餌曳光彈都是利用煙火材料燃燒形成強(qiáng)化學(xué)輻射源，具有黑體或近似灰體輻射特性[6]。為方便原理描述，將空襲平臺、干擾彈、背景都簡化為絕對黑體。普朗克公式給出了絕對黑體輻射光譜分布，可表示為

Mbλ=(C2/λ5)[1/(eC2/λT-1)]，

(6)

(7)

式中：Mbλ為絕對黑體光譜輻射通量；C1，C2為輻射常數(shù)；T為絕對溫度；λ為波長；k為波長λ1的空襲平臺等效黑體與波長為λ2干擾彈等效黑體的輻射比。

從式(7)可以看出，黑體在2個(gè)波段上的輻射比值與輻射能量密度有關(guān)，干擾彈絕對溫度越高時(shí)干擾效率越高，在同等溫度條件下，干擾彈波長的變化速度越小則干擾效率越高。當(dāng)k等于或接近于0時(shí)，干擾彈輻射能量接近于無窮大，空襲平臺將完全遮掩于干擾彈的輻射能量中；當(dāng)k等于或接近于1時(shí)，空襲平臺與干擾彈的輻射能量相當(dāng)，導(dǎo)引頭無法區(qū)分空襲平臺與干擾彈，只能對準(zhǔn)兩者的等效能量中心[7]。

(2) 紅外誘餌曳光彈對紅外尋的防空導(dǎo)彈跟蹤探測的影響

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測定，紅外誘餌干擾彈火焰溫度在2 000～2 200 K之間，光譜輻射的最大波長在1.4～20 μm之間，其輻射強(qiáng)度要比目標(biāo)機(jī)輻射強(qiáng)度大2倍以上，能夠?qū)找u平臺提供良好的紅外遮蔽效果。當(dāng)紅外干擾彈與目標(biāo)機(jī)都處于防空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭同一視場范圍內(nèi)時(shí)，導(dǎo)引頭跟蹤的是干擾彈與空襲平臺兩者的等效輻射中心[8]。由于干擾彈輻射能量大于載機(jī)輻射能量，導(dǎo)引頭視場等效中心偏離載機(jī)越來越大，最終空襲平臺脫離導(dǎo)引頭視場，導(dǎo)致導(dǎo)引頭跟蹤紅外干擾彈。當(dāng)多枚干擾彈同時(shí)連續(xù)發(fā)射時(shí)，相當(dāng)于輻射比k等于或接近于0時(shí)的情況，紅外導(dǎo)引頭將無法實(shí)現(xiàn)對空襲平臺的探測跟蹤。

2.2 定向紅外干擾機(jī)

(1) 定向紅外干擾機(jī)作用機(jī)理

定向紅外干擾機(jī)的基本功能是將紅外干擾能量集中到狹窄的光束中，當(dāng)導(dǎo)彈逼近時(shí)，將光束射向?qū)椀募t外導(dǎo)引頭，采用各種干擾程序和“迷惑”調(diào)制使導(dǎo)引頭工作混亂，無法鎖定目標(biāo)而脫靶[9]。

定向紅外干擾機(jī)分為欺騙式定向紅外干擾機(jī)和壓制式定向紅外干擾機(jī)[10]，通常采用頻率調(diào)制和能量調(diào)制2種方式。這種經(jīng)調(diào)制后的波束在本質(zhì)上與紅外干擾彈干擾作用機(jī)理相類似。由于干擾機(jī)在空襲平臺上，黑體輻射溫度相當(dāng)，因此根據(jù)普朗克公式，對式(7)進(jìn)行簡化有

(8)

式中:N=[(eC2/λ2T2-1)/(eC2/λ1T1-1)]；Mbλ1為空襲平臺的黑體光譜輻射通量；Mbλ2為干擾等效黑體光譜輻射通量。

1) 頻率調(diào)制作用機(jī)理

若T1=T2，則N=[(eC2/λ2T2-1)/(eC2/λ1T1-1)]為一常數(shù)，從式(8)中可以看出：當(dāng)干擾機(jī)調(diào)制光λ2輻射波束，使得k小于1時(shí)，由于Mbλ2大于Mbλ1，使得疊加輻射源等效能量中心向干擾機(jī)等效能量點(diǎn)偏移，實(shí)現(xiàn)拉偏拖引；隨著導(dǎo)彈的逼近，干擾機(jī)對準(zhǔn)導(dǎo)彈時(shí)與空襲平臺的角度也在變大，拉偏拖引距離也越來越大。干擾機(jī)的這種欺騙對裝有觸發(fā)引信的導(dǎo)彈干擾效果最好，對裝有近炸引信的導(dǎo)彈只要拉偏拖引的距離大于導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部殺傷區(qū)，也是非常有效的手段。

2) 能量調(diào)制作用機(jī)理

在實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的同時(shí)，若N不為常數(shù)，即T1≠T2。若定向能量累積使得T2→∞，則N=0，則輻射比k等于或接近于0時(shí)，相當(dāng)于多枚干擾彈齊射的效果；若定向能量累積使得λ2T2與λ1T1相當(dāng)，則能夠有效提高頻率調(diào)制的干擾效率；若能量累積使得T2>T1，則(eC2/λ2T2-1)<(eC2/λ1T1-1)，因而輻射比k也相應(yīng)減小了N倍，這就意味著干擾輻射能量增加了N倍，干擾機(jī)干擾效率提高了N倍[11]。其拖引干擾原理及效果與欺騙式干擾類似。

(2) 定向紅外干擾機(jī)對紅外尋的防空導(dǎo)彈探測跟蹤的影響

(9)

式中：H為導(dǎo)引頭時(shí)間常數(shù)；K2為力矩器放大倍數(shù)。

在干擾機(jī)對導(dǎo)引頭進(jìn)行干擾時(shí)，導(dǎo)引頭對準(zhǔn)的是干擾源與空襲平臺輻射源二者等效能量中心，即彈目視線角q將偏移Δq，則式(9)可變換為

(10)

與紅外誘餌曳光彈干擾相比，定向紅外干擾機(jī)克服了作用時(shí)間短、光譜波長和遮蔽能量變化大等缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)輻射能量在1～3，3～5,8～14 μm 3個(gè)大氣窗口波段內(nèi)選擇性調(diào)制，干擾持續(xù)時(shí)間可控，能量作用方式可控，嚴(yán)重降低紅外尋的防空導(dǎo)彈跟蹤制導(dǎo)品質(zhì)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 空襲平臺紅外隱身對紅外尋的防空導(dǎo)彈探測距離的影響分析

根據(jù)第2節(jié)的理論分析，作出紅外尋的防空導(dǎo)彈探測距離變化曲線，如圖1所示。

圖1 隱身前后最大探測距離曲線Fig.1 Curves of maximum detection range before and after stealth

可以看出，空襲作戰(zhàn)平臺實(shí)施紅外隱身后，紅外尋的導(dǎo)彈的最大探測距離縮小43%以上，將導(dǎo)致防空導(dǎo)彈殺傷區(qū)減小，實(shí)施抗擊作戰(zhàn)的反應(yīng)時(shí)間不足，射擊次數(shù)減少，攔截難度大大增加。

3.2 空襲平臺定向紅外干擾機(jī)對紅外尋的防空導(dǎo)彈探測跟蹤的影響分析

圖2 視場角偏移Δq增大誘偏距離的曲線Fig.2 Diagram of increasing distance by shifted viewing angles Δq

圖3 干擾造成的視線角速度偏移量影響進(jìn)動角度的曲線Fig.3 Curve of precession angle influenced by the shifting velocity

4 結(jié)束語

空襲作戰(zhàn)平臺與防空導(dǎo)彈武器是矛與盾的關(guān)系。相比世界主要軍事強(qiáng)國在各類戰(zhàn)機(jī)的紅外隱身和紅外干擾技術(shù)取得的進(jìn)步，國內(nèi)的紅外尋的防空導(dǎo)彈發(fā)展相對滯后。但便攜式導(dǎo)彈等紅外尋的防空兵器依然是防空火力群梯次配置的重要組成部分，在當(dāng)前和將來的反空襲對抗中發(fā)揮著不可或缺的作用。因此，對紅外對抗技術(shù)的作用機(jī)理以及作戰(zhàn)影響的分析是非常重要的，它是后續(xù)開展針對性作戰(zhàn)對抗研究和新型防空導(dǎo)彈武器研發(fā)的基礎(chǔ)，需要予以足夠關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐘華，李自力．隱身技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1999．

ZHONG Hua, LI Zi-li. Stealth Technology[M].Beijing: National Defence Industry Press,1999．

[2] 鐘任華．飛航導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭[M]．北京：中國宇航出版社，1995．

ZHONG Ren-hua. Cruise Missile IR Seeker[M].Beijing: China Astronautic Publishing House,1995．

[3] 徐南榮．紅外輻射與制導(dǎo)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1997．

XU Nan-rong．Infrared Radiation and Guidance[M].Beijing: National Defence Industry Press，1997．

[4] 趙秀麗．紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

ZHAO Xiu-li. Infrared Optical System Design[M].Beijing: China Machine Press,1996.

[5] 蔣耀庭，王躍．紅外隱身技術(shù)與發(fā)展 [J]．紅外技術(shù)，2003,25(5):7-9.

JIANG Yao-ting，WANG Yue．Infrared Stealth Technology and Development[J] ．Infrared Technology，2003,25(5)：7-9.

[6] 賈明永，董德新，陳勇．多元雙色導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)研究[J]．航空兵器，2006(3)：19-22．

JIA Ming-yong，DONG De-xin，CHEN Yong．The Anti-Jamming Technique for Multi-Element Dual-Band IR Seeker[J]．Aero Weaponry，2006(3)：19-22.

[7] 王軍，商教波，馬玲．紅外誘餌的輻射特性及在光電對抗系統(tǒng)中的作用[J]．應(yīng)用光學(xué)，2002,23(4):15-20．

WANG Jun，SHANG Jiao-bo，MA Ling．The Radiation Characteristics of Infrared Decoy and the Action in Electro-Optical Countermeasure Systems[J]．Journal of Applied Optics，2002,23(4):15-20．

[8] 淦元柳，徐世錄．美國直升機(jī)載紅外干擾系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．紅外與激光，2006，36(1)：7-10．

GAN Yuan-liu，XU Shi-lu.Current Situation and Development of the IR Countermeasures System on America Helicopter[J]．Laser & Infrared，2006，36(1)：7-10．

[9] 范麗京，定向紅外系統(tǒng)概述[J]．航空兵器，2004(1)：16-18．

FAN Li-jing，Overview of Directional Infrared System[J].Aero Weaponry，2004(1)：16-18．

[10] 周玉平，王劍英．飛機(jī)對抗紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的措施及發(fā)展趨勢[J]．紅外與激光工程，2006,35(增刊)：183-187.

ZHOU Yu-ping，WANG Jian-ying．Counter Measures Against IR Guided Missile by Airplane and Its Trend[J]．Infrared and Laser Engineering ，2006, 35(S1)：183-187.

[11] 黃慶，車宏，陳洪亮．定向紅外對抗系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)[J]．紅外與激光工程，2008,37(增刊)：319-321．

HUANG Qing，CHE Hong，CHEN Hong-liang．Structure of One Directional Infrared Countermeasures Program[J]. Infrared and Laser Engineering，2008,37(S1) ：319-321．

[12] 曹如增．典型抗干擾紅外導(dǎo)引頭工作機(jī)理及抗干擾性分析[J]．航天電子對抗，2005,21(1)：32-37．

CAO Ru-zeng. Working Mechanism of Typical Anti-Jamming IR Seeker and Its Analysis[J]. Aerospace Electronic Warfare,2005,21(1)：32-37．

[13] 孟秀云．導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)原理[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2007．

MENG Xiu-yun. Principle of Missile Guidance and Control System[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2007.