MTV紅外誘餌劑改進及應用＊

張敬慧

（海軍駐齊齊哈爾地區(qū)軍事代表室 齊齊哈爾 161006)

1 引言

2 紅外制導導彈的發(fā)展歷程

紅外制導技術主要分為紅外非成像制導技術和紅外成像制導技術兩大類：

1)紅外非成像制導技術是一種被動紅外尋的制導技術。任何絕對溫度零度以上的物體由于原子和分子結構內部的熱運動而向外界輻射包括紅外波段在內的電磁波能量，紅外非成像制導技術就是利用紅外探測器捕獲和跟蹤目標自身所輻射的紅外能量來實現(xiàn)精確制導的一種技術手段，它的特點是制導精度高，不受無線電干擾的影響，可晝夜作戰(zhàn)。由于采用被動尋的方式，攻擊隱蔽性好，但其正常工作受云、霧和煙塵的影響，并有可能被曳光彈、紅外誘餌、云層反射的陽光和其它熱源誘惑偏離和丟失目標。此外，紅外制導系統(tǒng)作用距離有限，一般用作近程武器的制導系統(tǒng)或遠程武器的末制導系統(tǒng)。

紅外非成像制導導彈的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段［5］：

（1)第一代紅外非成像制導導彈（20世紀40年代～1955年)，工作波段為1μm～3μm，采用非制冷硫化鉛探測器。此種導彈作用距離近，而且導引頭只能探測飛機的噴氣式發(fā)動機尾噴管的紅外輻射。因此，這類導彈的攻擊范圍只限制在目標后方狹窄的扇形區(qū)域內，故其戰(zhàn)術使用只能進行尾追攻擊，且受背景和氣象條件對紅外輻射吸收影響較大，不能全天候作戰(zhàn)，抗干擾能力弱，使戰(zhàn)術性能受到很大限制。第一代紅外非成像制導導彈的典型代表有美國的AIM9B響尾蛇、俄羅斯的K13和SAM7等。響尾蛇AIM9是美國研制的世界上第一種被動式紅外非成像制導空空導彈。AIM9的原型AIM9A沒有批量生產，大量生產和使用的是AIM9B。AIM9B由美國海軍武器中心于1948年開始研制，1953年9月首次發(fā)射試驗成功，1956年7月開始裝備部隊，最大射程11km，使用高度小于15km，最大速度為Ma＝2，主要用于從尾部攻擊速度比較慢的老式轟炸機。除美國自己使用外，還有英、法、德等十多個國家以及臺灣地區(qū)使用，總共生產了八萬枚。隨后，為了滿足不斷發(fā)展的戰(zhàn)術使用需要，美國海、空軍曾在AIM9B基礎上做了多次改進，形成了世界上最大的空空導彈系列。

（2)第二代紅外非成像制導導彈（1957年～1966年)，工作波段在3μm～5μm之間，探測器采用制冷技術，光敏元件為銻化銦探測器。此種導彈導引頭可以同時探測噴氣式發(fā)動機噴管和發(fā)動機排出的CO2氣體的紅外輻射，甚至可以敏感機體蒙皮溫度升高產生的紅外輻射。由于工作波段向中波方向伸展，有效減小了陽光輻射的干擾，從而提高了制導系統(tǒng)抗背景輻射干擾的能力。這一時期的紅外制導導彈擴大了攻擊區(qū)，可以從后方攻擊機動目標，但其攻擊范圍仍未超過后半球，不能實現(xiàn)全向攻擊。第二代紅外非成像制導導彈的典型代表有英國的紅頭（Red Top)導彈、美國的響尾蛇AIM9D導彈和法國的瑪特拉R530導彈。紅頭導彈是由英國航空航天公司動力分部于1957年研制的空空導彈，1965年生產并服役，此型導彈最大射程12km，最大使用高度18km，最大速度為Ma＝3，導引頭工作波長4μm～5μm，主要用來對付超音速和亞音速飛機，直至20世紀80年代初，一直是英國殲擊機的主要裝備，但此型導彈紅外導引頭受云霧影響較大。

（3)第三代紅外非成像制導導彈（1967年以后)為近距格斗導彈，其紅外制導系統(tǒng)普遍采用了高靈敏度的制冷銻化銦光敏元件，并且改變了以往光信號的調制方式，多采用了圓錐掃描和玫瑰線掃描，亦有非調制盤式的多元脈沖調制系統(tǒng)，探測范圍大，跟蹤角速度高等特點，有的還具有自動搜索和自動截獲目標的能力。因此，這一代的紅外制導導彈可以在近距離內全向攻擊機動能力大的目標。第三代紅外非成像制導導彈的典型代表有美國的毒刺導彈和響尾蛇AIM9L/M導彈、法國的魔術R550導彈、蘇聯(lián)的P73導彈和以色列的怪蛇－3空空導彈。P73導彈北約代號為 AA211射手（Archer)，是蘇聯(lián)20世紀70年代中后期研發(fā)，采用深制冷光電探測器的紅外制導近程格斗空空導彈，也是世界上第一種能離軸發(fā)射，且搭配頭盔瞄準具達到“可視即可發(fā)射”的導彈。P73導彈彈長2.9m、翼展510mm、彈徑170mm；最大速度Ma＝3.7，最大射程20km，最大使用高度20km，對固定翼飛機類目標的殺傷概率為60%。安裝的全向紅外導引頭探測距離為10km～15km，發(fā)射前視野±45°，發(fā)射后±60°，從導彈鎖定目標到發(fā)射只需1s。其主要特點是：具有與頭盔瞄準具（HMS)搭配的離軸發(fā)射能力；超過一般格斗導彈的射程；氣動控制方式使其兼顧極短射程與遠程的機動性能。

美國還十分注重資產評估師的后續(xù)教育。資產評估師每年大概要接受30～40小時的后續(xù)教育，并參加一定時間的職業(yè)道德教育。美國資產評估協(xié)會對此進行監(jiān)管，對未能按照要求參加后續(xù)教育的資產評估師下發(fā)通知，要求其在下一年度補齊上一年度的課時；如果繼續(xù)未能完成，則取消其會員資格。由于美國對于后續(xù)教育的重視保證了資產評估師個人綜合分析評估能力的不斷提升，并且會經(jīng)常舉辦研討會來加強行業(yè)內部外部交流，使其資產評估行業(yè)始終走在世界最前列。

為了提高識別真假目標的能力紅外非成像制導導彈采用了光譜識別技術［6］（雙色導引頭)。根據(jù)普朗克定律，溫度不同，黑體的光譜輻射出射度不同，并且任意兩波長處的光譜輻射出射度之比也不同。如果紅外探測系統(tǒng)取兩個波長處的輻射量，求出它們的比值，即可知道物體的溫度。如果所用的紅外誘餌主要是通過燃燒煙火劑來產生紅外輻射的，其溫度和被保護目標差別很大，所以其紅外光譜和被保護目標的紅外光譜也有很大的區(qū)別。通過光譜識別，紅外探測系統(tǒng)可以鑒別出哪個是真目標哪個是假目標。比如美國的“針刺”FIM92A和日本的“短薩姆”導彈就利用了這種多光譜技術來對付紅外誘餌。

2)紅外成像制導是利用紅外探測器探測目標的紅外輻射，以捕獲目標紅外圖像的制導技術，其圖像質量與電視相近，但卻可在電視制導系統(tǒng)難以工作的夜間和低能見度下工作。紅外成像制導技術已成為制導技術的一個主要發(fā)展方向。實現(xiàn)紅外成像的途徑主要有以下兩種：（1)多元紅外探測器線陣掃描成像；（2)多元紅外探測器平面陣列非掃描成像（凝視焦平面陣列紅外成像)。

紅外成像探測器從20世紀70年代以來已由多元線陣發(fā)展到面陣；從近紅外發(fā)展到遠紅外。紅外凝視焦平面陣列探測器的元件數(shù)對近紅外已達107個，對于遠紅外已達105個；探測率已達1012～1014量級。紅外成像制導系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率都很高，動態(tài)跟蹤范圍大，可達1500～1800，有效作用距離遠，抗干擾性好。與非成像制導技術相比，紅外成像制導系統(tǒng)具有更好的目標識別能力和制導精度。全天候作戰(zhàn)能力和抗干擾能力也有較大改善，但成本較高。

紅外成像制導導彈的發(fā)展經(jīng)歷了兩代［5］。

（1)第一代紅外成像制導導彈采用多元線列探測器和旋轉光機掃描器相結合的方法，實現(xiàn)探測器對空間二維圖像的讀出，采用并掃或串并掃掃描體制。這類成像制導導彈在20世紀70年代中期開始研制，現(xiàn)已批量生產裝備部隊。典型代表有：美國AGM65D/F幼畜空地、空艦紅外成像制導導彈（采用16元碲鎘汞光導線列器件和串并掃描型光機掃描)、AM132空空導彈以及美國在海灣戰(zhàn)爭中使用的遠程攻擊型AGM84E斯拉姆（SLAM)導彈。美國AGM65D幼畜空地導彈于1974年開始在AGM65A基礎上改進，1983年進入空軍服役，該型導彈最大射程43.4km，最大速度Ma＝1.2，最大使用高度9.45km。D型在A型基礎上的改進之處有：改裝紅外成像導引頭，其數(shù)字式定心跟蹤器使導彈飛向目標的中心，而不是飛向最大溫差點，紅外頻段的選擇能透過戰(zhàn)場上的煙霧獲得全天候作戰(zhàn)能力。AGM65D導彈在1993年停產，月產量500枚，批生產總數(shù)25127枚。AGM65F導彈在D型紅外成像導引頭的基礎上，專為攻擊艦艇目標增加了圖像調制處理能力，并采用質量增大到136kg的爆破穿甲戰(zhàn)斗部和可調延時引信，此外，采取工程改進措施進一步降低導彈生產成本。

（2)第二代紅外成像制導導彈去掉了光機掃描紅外器件而采用掃描或凝視紅外焦平面器件（長波64×64元、128×128元和中波256×256元、320×240元紅外焦平面探測器件以及4N掃描焦平面器件已經(jīng)達到實用水平)，采用了復雜背景下目標識別技術。典型代表有：美國坦克破壞者（Tank Breaker)導彈、歐洲的ASRAAM、美國AIM9X響尾蛇后續(xù)型、法國麥卡空空導彈、以色列的怪蛇4/5等導彈。響尾蛇AIM9X空空導彈是美國海、空軍于1992年開始研制的響尾蛇AIM9L/M后續(xù)型導彈，2002年開始裝備部隊，采用128×128元、3μm～5μm中波凝視紅外成像導引頭和低成本微型信號處理電子線路技術。按要求響尾蛇AIM－9X能應對諸如俄羅斯的射手（AA211)和其它大離軸角發(fā)射全向攻擊導彈，具有比對手更好的目標截獲能力和優(yōu)良的抗紅外干擾能力。同時，要求導彈具有在發(fā)射之前鎖定目標和發(fā)射后不管的能力。AIM9X導彈另一特點是可與國際視覺系統(tǒng)公司的聯(lián)合頭盔指示系統(tǒng)（JHMCS)聯(lián)用，顯示由雷達等傳感器探測到的目標信息和導彈導引頭信息。AIM9X導彈最大射程17.7km，最大速度Ma＝2.5。AIM9X導彈正處于生產階段，計劃到2018年生產約10000枚。

3 紅外誘餌劑

3.1 基型紅外誘餌劑

早期的紅外誘餌劑由鎂和聚四氟乙烯組成。作為紅外誘餌劑，鎂/聚四氟乙烯在燃燒過程中，其燃燒產物有氟化鎂、氧化鎂和碳等高溫熾熱固體微粒，在近、中和遠紅外三個波段內產生強烈的紅外輻射，作為點輻射的紅外誘餌，它可以用來對抗紅外點源制導的導彈。在飛機、艦艇等目標受到紅外制導武器的跟蹤威脅時就施放點輻射型紅外誘餌，當被保護目標和誘餌同處于導引頭的視場中時，點源制導的導引頭將跟蹤目標和誘餌輻射能量的中心。隨著紅外誘餌與被保護目標的分離，由于誘餌輻射出的能量大于被保護目標輻射的能量，按照質心導引規(guī)律跟蹤目標的導引頭就會逐漸偏離目標，轉而跟蹤誘餌，從而起到保護目標的作用。

典型的紅外誘餌劑是由鎂（Mg)/聚四氟乙烯（TEFLON?)/氟橡膠（VITON?)組成的混合物（MTV)。其基本燃燒反應如式（1)：

MTV紅外誘餌劑能夠產生很強的紅外輻射是基于反應產物氟化鎂產生較高的生成熱將碳黑加熱（2200K左右)，碳黑（ελ＜2.8μm≈0.85)受熱激發(fā)產生高強度紅外輻射。

在實際反應中，由于空氣中的氧參與反應，反應產物中還將生成氧化鎂以及反應所生成的碳進一步氧化生成二氧化碳，從而產生更大的紅外輻射能量。有氧燃燒反應如式（2)：

MTV紅外誘餌劑在空中運動狀態(tài)下燃燒時，其溫度具有較大的波動性，紅外輻射能量隨時間變化較快。對于機載紅外誘餌彈，在其起燃時間（約0.5s)之內，誘餌的溫度急劇上升，紅外輻射能量快速增加，其火焰溫度在2000K～2500K，經(jīng)過有效燃燒時間（3s～5s)后，誘餌的溫度迅速降低，紅外輻射能量快速下降并消失。

3.2 紅外誘餌劑改進

利用聚氟化碳（PMF)取代MTV紅外誘餌劑中的聚四氟乙烯制成的新紅外誘餌劑（MPV)與MTV紅外誘餌劑相比，紅外輻射性能明顯提高。MPV紅外誘餌劑燃燒反應同樣生成氟化鎂和碳黑：

當鎂的比率一定時，MPV紅外誘餌劑的輻射強度要高出MTV近10倍。例如：由55g聚氟化碳、40g鎂、5g氟橡膠、1g石墨粉和200ml丙酮組成的懸浮液，經(jīng)攪拌直至生成粒狀后過篩，然后在40℃氣流中干燥5h，再用12噸壓機保壓6s，將藥劑加工成質量為40g、直徑為25mm的圓柱形藥柱。表1給出了由上述方法制備的MPV紅外誘餌劑以及MTV紅外誘餌劑藥柱的相關參數(shù)和試驗結果［7］。

表1 MPV與MTV紅外誘餌劑試驗結果

在MTV紅外誘餌劑中添加超細鋁粉（UFAL)之類高能燃料添加劑可以增加燃速使紅外輻射強度提高。如圖1顯示了超細鋁粉（UFAL)對MTV紅外誘餌劑燃燒時間與輸出強度的影響。

圖1 超細鋁粉（UFAL)對MTV紅外誘餌劑燃燒時間與輸出強度的影響

在MTV紅外誘餌劑中添加高導熱石墨纖維可以提高燃速。將2%的石墨纖維加入到MTV（Mg＝63%)中，燃速提高了1.12倍。

在MTV紅外誘餌劑中添加10%的鋯粉，可以使MTV的燃速提高1.5倍。

在MTV紅外誘餌劑中添加納米級特性材料，可使燃速增加以及表面積增大導致紅外輻射強度提高，同時可以利用其特征輻射的特性改善輻射光譜。表2給出了添加納米特性材料的MTV紅外誘餌劑試驗結果，藥柱尺寸：φ50×46mm；裝藥量：163g；密度：d＝1.76g/cm3。

表2 添加納米特性材料的MTV紅外誘餌劑試驗結果

紅外誘餌劑在實際使用中動態(tài)特性參數(shù)與地面靜態(tài)特性參數(shù)有很大區(qū)別，隨著紅外誘餌劑的投放環(huán)境不同，其特性參數(shù)有所不同。動態(tài)輻射特性主要受投放高度影響和載機速度影響。

由于大氣密度和壓力是高度的函數(shù)，而紅外誘餌劑的燃燒速度與壓力有關，所以在不同高度下，紅外誘餌劑的燃燒速度是不一樣的，輻射強度也不一樣。

MTV以及類似煙火誘餌劑燃速與壓力的關系如式（4)：

其中：r是線性燃速（mm·s－1)；a＝常數(shù)（mm·s－1·MPa－n)，描述溫度對燃速的影響；P＝壓力（MPa)，n＝壓力指數(shù)，描述壓力對燃速的影響。

對于MTV藥劑，壓力指數(shù)隨鎂的重量百分率ξ（Mg)上升而下降，隨鎂的粒徑增大而減小。對于ξ（Mg)＝0.5，ξ（PTFE)＝0.45，ξ（Viton?)＝0.05的誘餌，在海平面的α波段（2μm～3μm)輻射強度約為0.125kW·sr－1，在海拔10000m高度時，燃速是海平面燃速的0.43倍，因此海拔10000m高度產生的輻射強度等于0.053kW·sr－1。

載機速度對紅外誘餌劑輻射強度的影響是氣動冷卻。紅外誘餌劑的輻射強度隨著風速的增加按指數(shù)規(guī)律地下降，當飛行速度為1馬赫時輻射強度僅為靜態(tài)時的10%［8］。

4 紅外誘餌劑對紅外制導導彈的干擾

傳統(tǒng)的MTV紅外誘餌劑，可以有效地干擾單波段紅外非成像制導導彈，但對于雙波段紅外非成像制導或紅外成像制導導彈，其干擾效果明顯下降，原因是雙波段紅外非成像制導或紅外成像制導導彈可以區(qū)分紅外誘餌彈和目標，其區(qū)分依據(jù)主要有：1)頻譜差異。目標一般包含幾個不同強度的紅外輻射，例如噴氣式飛機的紅外輻射來自于發(fā)動機尾焰、尾噴管和蒙皮生熱等，而傳統(tǒng)MTV紅外誘餌彈是以單一的溫度燃燒。MTV紅外誘餌彈輻射強度比θ2～3μm/3～5μm＝1.33，對于不同類型的發(fā)動機，飛機的輻射強度比0.5≤θ2～3μm/3～5μm≤0.8。對此，采用雙波段紅外傳感器或紅外/紫外傳感器的尋的器可以予以區(qū)分；2)信號的時域變化。誘餌彈具有上升時間特性，當誘餌彈出現(xiàn)時，尋的器可在視場內檢測到信號強度迅速增加。3)運動差異。傳統(tǒng)誘餌彈具有較快的氣動減速，并會在重力作用下緩慢下降，真正的目標則繼續(xù)水平直線飛行或進行規(guī)避機動。

如何有效地對抗先進的紅外制導導彈，要求紅外誘餌彈能更逼真地模擬目標，彌補紅外誘餌彈與目標在上述三個方面的差異。就MTV類紅外誘餌劑而言，改善其與目標輻射頻譜的差異，主要是通過添加一些特性輻射材料，使藥劑燃燒反應產物的輻射特性更接近目標的輻射特性。如MTV紅外誘餌劑與另一種藥劑的混合物，這種藥劑含硼、鋁、烏洛托品、硝酸鉀和過氯酸銨。鋁和硼燃燒產生選擇性輻射體，包括 BO、HBO2和 Al2O3。HBO2、Al2O3和BO分別在5μm、1.5μm和2.5μm波段產生輻射，輻射強度比θ2～3μm/3～5μm的平均值≈0.56；烏洛托品及其衍生物所釋放的氮氣作為火焰冷卻劑，火焰的冷卻有助于輻射光譜與目標的輻射光譜匹配，但與目標的輻射特性完全一致是很難做到的；改善與目標的運動差異，主要是通過在藥劑中添加一些其它材料使紅外誘餌劑燃燒時不但產生紅外輻射，同時產生推力克服氣動阻力，模擬目標的飛行軌跡運動，當然，完全模擬目標的運動軌跡也是難以做到的。所以，裝填MTV類紅外誘餌劑的誘餌彈，要完全模擬目標的特征是有一定的困難的，也只能在一定程度上提高對先進的紅外制導導彈的干擾效果。

有效地對抗先進的紅外制導導彈的另一種方式是“壓制式”干擾，即采用高能紅外輻射劑，在導彈視場內形成高能量、大面積的紅外輻射區(qū)域，在紅外成像探測器上形成較大面積的高亮度背景，使被保護目標淹沒在這種高亮度背景之中［9］。紅外成像探測器搜索目標的頻率大約為幾十至上百幀/秒，依據(jù)前后搜索圖片之間的差異、關聯(lián)等來識別確定目標。倘若能夠進行1s～2s的有效“壓制式”干擾，使紅外成像探測器丟失幾十幀的搜索圖片，失去足夠的圖片之間關聯(lián)信息，即可導致目標瞬時丟失。由于導彈的飛行速度較快，瞬時的目標丟失就會引起彈道的大幅度偏離，即使再恢復紅外成像能力，由于慣性及搜索角度的限制，很難再找回目標，從而實現(xiàn)了對抗紅外成像制導導彈的目的。對于飛機而言，一般在3μm～5μm的輻射強度為1000W/sr左右，在8μm～14μm的輻射強度約為在3μm～5μm的輻射強度的1/5～1/6，即200W/sr左右。當紅外輻射劑的輻射強度在3μm～5μm達到75000W/sr，在8μm～14μm達到15000W/sr，則可能實現(xiàn)“壓制式”干擾紅外成像制導導彈。如果紅外輻射劑的紅外輻射強度高到能夠使紅外制導導彈“致盲”或“致眩”，其干擾效果會更好。

5 結語

MTV紅外誘餌劑自從問世以來，以其具有的高效費比在對抗紅外制導導彈保護目標安全中被廣泛地應用，并且發(fā)揮了重要的作用，雖然其在對抗先進的紅外制導導彈中顯露出了許多不足，但經(jīng)過改進，特別是其具備的紅外輻射強度高、價格低廉、使用方便的特點，仍具有廣泛的應用空間［10］。通過解決高空低氣壓燃燒速度減慢和氣動冷卻問題，進一步提高其輻射性能，達到實用狀態(tài)下能夠使紅外制導導彈“致盲”或“致眩”的效果，將會使紅外誘餌劑在對抗紅外制導導彈中起到更加重要的作用。紅外誘餌劑不僅在對抗導彈中得到應用，在訓練器材和測試設備中作為一種經(jīng)濟高效的紅外源也普遍被采用。隨著技術的發(fā)展，紅外誘餌劑性能的不斷完善，將會給紅外誘餌劑帶來更大的應用空間。

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［7］ErnstChristian Koch.Pyrotechnic Composition for Producing IRradiation［P］.US 2003，0150535A1.

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