稠密大氣中高超聲速導引頭紅外成像面臨的機遇、挑戰與對策*

易仕和，丁浩林

(國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410073)

0 引言

高超聲速武器具有飛行速度快、毀傷能力大和突防能力強等特點，將在一定程度上改變敵我力量對比態勢?？梢韵胍?，該技術在戰場中的大量使用勢必會極大地增強進攻方的突防和打擊能力[1]。與此同時，從國內外高超聲速武器發展現狀來看，目前，如何實現高超聲速武器對于多種高價值目標的精確打擊問題仍舊是困擾高超聲速武器作戰效能充分發揮的關鍵之一。對于空天防御而言，高超聲速武器的出現，對空天防御帶來了嚴峻的挑戰。以超高速、高精度反導對付空中高超聲速來襲目標，也是主要發展方向之一。

對于紅外成像制導技術而言，其主要利用紅外探測器實現對于被打擊目標自身輻射能量的捕獲和追蹤。相比于其他制導體制而言，具有制導精度高，抗無線電干擾能力強以及可晝夜作戰的特點。對于較低Ma的紅外制導彈頭，基于紅外成像制導技術為主的復合末制導已成為21世紀精確打擊武器裝備發展的重要趨勢[2]。但是，對于稠密大氣中較高Ma(Ma>3)的紅外成像制導導彈，其紅外成像窗口受到高溫激波流場的影響誘發的氣動加熱以及流場擾動，導致成像目標出現畸變、模糊、抖動以及能量衰減，這些現象統稱為氣動光學效應[3-4]。氣動光學效應引起紅外成像制導精度降低，嚴重的甚至導致成像窗口損壞，限制了紅外成像制導技術在高超聲速飛行器上的應用。

本文從稠密大氣中高超聲速導引頭紅外成像面臨的機遇出發，重點對紅外成像制導技術在高超聲速導引頭上應用所面臨的相關問題進行了分析，提出了以構建完善的高超聲速氣動光學效應模擬測試方法以及氣動光學相似律理論體系為基礎，通過對高超聲速紅外成像導引頭進行多參數優化設計，并積極探索氣動光學效應相關抑制方法，尋求在稠密大氣中高超聲速導引頭紅外成像的有效途徑。

1 紅外成像精確制導技術是高超聲速武器的力量倍增器

未來高技術條件下的戰爭是集快速反應、高精確打擊和陸、海、空、天、電為一體的新型綜合作戰模式。作為21世紀世界軍事強國空天對抗的焦點之一，雖然高超聲速武器在技術發展成熟的過程中遇到過諸多挫折，但是憑借這一技術的突破性優勢，仍將成為主導未來戰場勝負的關鍵性武器裝備之一。在此背景下，集光、機、電為一體的紅外成像制導技術，為各種高超聲速武器打擊精度提升提供了有力手段。既要飛得快，還要打得準。通過將高超聲速武器的高速打擊優勢與紅外成像制導的高精度打擊優勢結合，將在很大的程度上增強自身軍事的控制范圍以及控制能力。高超聲速精確打擊武器的開發與運用，將會對維護國家主權、安全和發展利益具有重要意義。

1.1 高超聲速武器成為未來戰爭制勝的殺手锏

高超聲速飛行器是指飛行速度Ma超過5(時速約6 000 km/h)的飛行器，是21世紀航空航天領域的高新技術。高超聲速武器的出現，改變了傳統軍事斗爭態勢，對戰場環境帶來深刻影響。目前，各航空航天技術強國正在不斷檢驗和評估高超聲速武器作戰效能，如圖1所示為高超聲速武器未來作戰應用設想。

飛行速度快是高超聲速武器最顯著的技術特征。從發射到命中目標時間短，在一定程度上可以實現“發現即摧毀”。高速打擊將極大地提高防守一方對于反應時間的要求，在一定程度上擾亂防守一方的作戰節奏。傳統戰爭中準備、部署以及戰爭升級等時間概念將得到根本性改變。與此同時，高超聲速武器普遍具有較遠的射程，可以從防區外對多種目標實施快速打擊，形成覆蓋全球、高度立體的作戰空間。高超聲速武器高速度、遠射程的特點將在很大程度上消除空/天之間的界限，等效減小戰場的實際物理空間距離，進而使得傳統戰爭中部署前沿、配置縱深等空間概念模糊化。

二戰中，平面防線因飛機的大量使用基本被淘汰，而隱身飛機的不斷發展與運用，又使得傳統雷達防空體系面臨極大地風險與挑戰。對于高超聲速武器而言，通過將彈道導彈和飛機的技術優勢充分融合，使得其既具有傳統彈道導彈高飛行速度和遠射程的技術特點，同時又具有傳統作戰飛機高機動性和軌跡不可預測的技術特點。實質上消除了傳統作戰飛機遠程奔襲的過程，可以實現對指定遠程作戰區域的快速和高可信度到達。這使得現有斗爭雙方的攻防體系態勢平衡可能被再次顛覆[5]。假如，斗爭中一方率先擁有成熟的高超聲速武器，那么意味著這一方將具有非對稱攻擊的絕對優勢，進而使得現有的傳統防空反導防御體系徹底失效。最終，攻防體系態勢將迅速向擁有高超聲速武器的一方傾斜[6]。

巨大的作戰優勢和戰爭潛力使得高超聲速武器引起了世界各軍事強國的極大關注，通過結合本國技術基礎和研發能力紛紛制定出臺了各自的高超聲速武器發展計劃，以期在未來高超聲速戰爭中可以占據有利態勢。

1.2 高超聲速武器蓬勃發展并逐漸走向成熟

伴隨著各國對于高超聲速武器的大量投入，目前，高超聲速武器已經從最初的概念和原理探索研究階段進入了以高超聲速巡航彈、高超聲速滑翔彈和高超聲速空天飛機為代表的具體應用技術開發甚至型號開發階段[7-8]。2018年3月1日，俄羅斯總統普京在年度國情咨文中首次正式公布了“匕首”空射型高超聲速導彈作戰系統和“先鋒”井射型高超聲速導彈作戰系統，如圖2所示。前者主要采用“米格-31K”作為專用載機，最大飛行速度Ma約10，最大射程可達2 000 km，已經列裝部隊，并于2017年底開始正式進入戰斗值班。據悉，后者最大飛行速度Ma有望超過20，最大射程推測可達10 000 km以上，并于2019年正式進入戰斗值班。與此同時，俄軍目前正在推進“鋯石”艦射型高超聲速反艦導彈的研制工作，該型導彈于2018年底完成的最新一次飛行試驗結果顯示，試驗中導彈最大飛行速度Ma可達8，預計該型導彈將在2022年完成正式列裝[9]。

圖1 高超聲速武器未來作戰應用設想Fig.1 Application of hypersonic weapon in the future

圖2 俄羅斯近期裝備的高超聲速武器Fig.2 Hypersonic weapons currently equipped in Russia

面對俄羅斯在高超聲速武器領域取得的重大進展，為避免在這場高超聲速競賽中屈居“下風”，美國持續加大在高超聲速武器研制方面投入。目前，美國在研的多型高超聲速武器尚未進入到實戰部署階段。不過，根據2014年8月，美國空軍科學顧問委員會公布的《高超聲速飛行器技術成熟度研究》一文中宣稱，大約能夠在2025年前后，美軍便可以裝備具有戰術射程的空射型高超聲速武器。2016年，在給國會質詢聽證的書面答復中，時任美國國防部長阿什·卡特明確指出：美國國防部將在2018—2022年率先為美軍歐洲司令部和太平洋司令部提供高超聲速快速全球打擊武器裝備系統，其他戰區則在2022年以后陸續裝備[7]。如圖3所示，為美國洛克希德馬丁公司研制的AGM-183A高超聲速導彈整流罩拋開后的情景。

圖3 美國洛克希德馬丁公司公布的 AGM-183A高超聲速導彈Fig.3 AGM-183A hypersonic missile released by Lockheed Martin company

與此同時，日本防衛省于2018財年首次正式啟動高超聲速助推滑翔導彈的研究項目，并宣稱將研發飛行速度Ma5以上的高超聲速巡航導彈。作為其核武庫現代化的重要組成部分，法國也將高超聲速武器研發作為重中之重。目前，法國航空航天公司已經啟動了多項高超聲速武器相關技術研究的研發課題。印度試圖通過與俄羅斯合作研制“布拉莫斯Ⅱ”型高超聲速巡航導彈以掌握高超聲速武器的核心技術，目前該型導彈預計飛行速度Ma可達7。通過與美國合作，澳大利亞也提出了高超聲速飛行器研發構想，預計飛行速度Ma可以超過10[10]。

總體而言，目前高超聲武器研制如火如荼，在高超聲速武器逐漸成熟并列裝部隊的背景之下，人們迫切的希望可以實現高超聲速飛行狀態下的高精度打擊，以便充分發揮高超聲速武器在打擊敵方高價值目標方面的巨大優勢。

1.3 高超聲速武器精確打擊對紅外成像制導技術的迫切需求

高超聲速精確打擊武器，可以利用其高空、高速、精確的特點，實現對于高價值時敏目標、加固目標和地下目標的有效打擊。并且，一旦高超聲速精確打擊武器真正形成戰斗力，“戰略縱深”這一傳統戰爭中的重要概念將不復存在，這意味著任何國家的重要政治、經濟、軍事目標都將受到極大地威脅。在目前尚無有效的高超聲速武器防御體系的情況下，通過積極研發高超聲速精確打擊武器，擁有打擊對方的能力，盡快形成對敵方的有效戰略威懾便成為最重要的手段之一[11]。

目前，紅外成像制導技術為核心的復合制導技術已經成為21世紀高精度制導技術最重要的發展方向之一。憑借紅外成像制導技術高靈敏度、高分辨率以及強抗干擾能力的特點，將其與高超聲速飛行器相結合，勢必將極大地提升高超聲速武器的打擊精度，進而實現高超聲速武器的精確打擊化。

圍繞實現這一目標，2014年8月，美國空軍科學顧問委員會在《高超聲速飛行器技術成熟度研究》一文中明確地提出：導引頭和導引頭集成技術在高超聲速武器研發中具有最高優先級。這充分說明了美國空軍已經將可以用于高超聲速武器的導引頭作為高超聲速武器研發的重中之重。2015年1月15日，美國空軍《高超聲速飛行環境對光電和紅外傳感器的影響》一文中征詢多型高超聲速武器飛行傳感器的設計方案，對高超聲速飛行環境對于光電/紅外傳感器的影響進行探討并尋求減輕該不利影響的相關對策[12]。2019年11月18日，日本防衛省在東京防務與安全設備國際博覽會上發布了名為《R&D構想：致力但不限于實現多域防務力量》的中長期國防科技發展規劃文件。文件稱，日本計劃在2030年前研發速度Ma達到5或更高的巡航導彈，其中的關鍵技術之一便是要使用紅外成像技術以識別低反差目標，同時研發抗熱紅外頭罩以搭載相關傳感器，如圖4所示。

總體而言，高超聲速打擊攔截武器作為本世紀空天對抗的焦點，結合紅外成像制導技術實現打擊高精度化的過程中雖然會遇到不少曲折，但是一旦成功，勢必將成為主宰未來戰場的關鍵力量之一。

2 氣動光學效應——限制高超聲速紅外成像制導技術應用的瓶頸問題

對于帶有紅外成像探測系統的飛行器而言，其在大氣層內以高超聲速飛行時，受到光學頭罩與其外部繞流之間相互作用的影響，會產生氣動光學效應。嚴重的氣動光學效應將會引起探測器成像出現偏移、模糊和抖動，進而使成像探測系統對目標的實際探測能力降低、探測精度下降[13]。具體而言，氣動光學效應中又包含有熱效應、熱輻射效應和傳輸效應。熱效應主要是指由于高超聲速飛行產生的高溫導致紅外成像窗口透波率降低、成像窗口熱變形甚至損壞，從而導致成像窗口失去工作能力。熱輻射效應主要是指激波后高溫流場中的氣體分子和電離離子自身的紅外輻射以及成像窗口受到氣動加熱后自身的熱輻射，這些熱輻射將會以成像噪聲的形式減弱紅外探測器的信噪比，嚴重的甚至將整個目標的紅外信號淹沒。傳輸效應主要是指成像窗口附近繞流密度分布具有隨機高頻變化的特征，使得目標紅外輻射產生的光線穿過該區域后會出現偏折，致使探測器無法對目標進行有效地定位和跟蹤[2]。如圖5所示為傳輸效應引起的光學頭罩瞄視誤差的示意圖[14]。

在實際工程實現中，氣動光學效應對于紅外成像制導精度的影響非常復雜，涉及了力、熱、光三大要素[15]。相關研究呈現多學科交叉的特點，給這一問題的解決帶來了很大的困難和挑戰。

圖5 傳輸效應引起的紅外成像導引頭 瞄視誤差示意圖Fig.5 Schematic of boresighting error of infrared imaging seeker caused by transmission effect

3 完善的氣動光學效應測試能力和相似準則是解決氣動光學效應的基礎

構建完善的氣動光學效應測試能力是獲取高質量氣動光學效應數據的基礎。同時，高質量的氣動光學效應測試數據是驗證工程設計、仿真結果、耦合控制模型、材料及組件性能，最后進行殺傷力效果評估的基礎。只是，很多時候測試狀態并不一定能夠完全復現實際的飛行狀態，尤其是對于稠密大氣中的高超聲速飛行器而言。因此，氣動光學效應相似準則的構建又變得至關重要。盡可能完善的氣動光學效應測試能力耦合完備的氣動光學相似準則，理論上可以較好的預測實際飛行狀態氣動光學效應的具體影響，進而為謀求氣動光學效應的抑制和校正提供基礎。

3.1 構建完善的氣動光學效應模擬測試能力

受到相關項目的牽引，美國在氣動光學效應實驗模擬研究方面起步最早，研究范圍最廣，研究深度最深，并且已經部分突破了氣動光學效應對于工程應用的限制。20世紀八九十年代，美國對于高超聲速流動的氣動光學效應研究進行了大量的研究。美國空軍的阿諾德工程發展中心(Arnold engineering development center,AEDC)在這方面的研究中發揮了重要作用[16]。AEDC依托其強大的地面風洞實驗系統以及氣動光學效應測試設備，形成了相對比較完善的地面氣動光學效應模擬實驗能力[17]。如圖6所示，為AEDC的工程師們進行高超聲速導引頭氣動光學效應測試準備時的場景。美國在短時間內針對高超聲速導引頭氣動光學效應研究投入巨大，最終收獲頗豐。公開資料顯示，目前相對比較成熟的多型高超聲速紅外成像制導攔截彈，例如THAAD、“箭-2”，主要依賴于美國多年來在高超聲速氣動光學效應研究中獲得的技術積累。

圖6 工程師正在AEDC #9風洞中進行高超聲速導 引頭氣動光學效應測試的準備工作Fig.6 Engineers were preparing to test the aero-optical effect of the hypersonic seeker in the AEDC #9 wind tunnel

需要注意的是，這些導彈飛行高度相對較高，對應大氣比較稀薄，氣動光學效應相對比較弱，對成像制導精度影響相對較小。對于稠密大氣中的高超聲速武器而言，受到地面風洞實驗模擬能力的限制，目前，稠密大氣中的高超聲速氣動光學效應研究仍舊比較有限。不過，得益于近年來國內外風洞實驗能力的不斷增強，依托于具有強大實驗能力的風洞構建氣動光學效應模擬測試平臺，著重研究稠密大氣中高超聲速氣動光學效應對導引頭成像質量的影響，對于高超聲速氣動光學效應研究意義重大。目前，國內氣動光學效應研究在相關單位持續的支持下已經取得了諸多成果，包括初步建立了具有一定能力的氣動光學效應地面測試平臺，搭建了多套氣動光學效應測試平臺，形成了一定的氣動光學效應理論體系。但是，總體而言，氣動光學效應專用實驗測試平臺還相對匱乏，而且模擬測試能力相對較弱，從而限制了高超聲速氣動光學效應的進一步深入研究。

3.2 構建完備的氣動光學效應相似準則

依托氣動光學效應地面模擬測試裝置實現對于全飛行狀態高超聲速飛行器氣動光學效應研究是不現實的。一方面這類實驗設備數量較少，很難滿足大頻次實驗的需求；另一方面即便是實驗能力如此之強的設備，也很難完全模擬所有的飛行狀態。高超聲速氣動光學效應研究最重要的實驗范圍覆蓋了速度1.8～4.6 km/s，高度15～46 km。這對地面實驗設備提出了非常高的要求，比如，為了在等效高度23 km處實現4.3 km/s的速度，需要試驗總溫和總壓分別達到8 000 K和280 MPa[18]。這就使得構建氣動光學效應相似準則，依靠理論擴展實驗包絡變得至關重要。

對于高超聲速飛行器而言，其飛行狀態參數一般包括飛行Ma、高度以及姿態角等。飛行狀態的改變，會使得成像窗口外部相關流動參數發生變化，進而導致氣動光學效應發生改變。通過研究不同飛行狀態參數對于氣動光學效應的具體作用規律，構建完備的氣動光學效應天地一致性準則，有助于合理規劃高超聲速飛行器紅外成像制導飛行路徑和姿態，具有十分重要的工程意義[3]。

4 高超聲速紅外成像導引頭綜合優化設計是降低氣動光學效應的可靠途徑

4.1 高超聲速紅外成像導引頭綜合降溫結構設計

考慮到紅外成像制導器件對于溫度非常敏感，而高超聲速飛行時又伴隨嚴重的氣動加熱作用。為克服嚴重氣動加熱對紅外成像探測的影響，必須運用一定的導引頭環境控制措施以抑制氣動加熱導致的高溫窗口熱輻射和導引頭內部溫升。具體而言，可采用多種致冷技術，諸如：外部噴流冷卻、內部通道致冷以及采用高導熱硬質膜等，以減小氣動加熱對紅外成像探測系統應用的影響[15]。如圖7所示，為可供參考的常見基礎熱防護機制[19]。

具體而言，高速紅外成像導引頭受到的氣動加熱作用比較強烈，導致其成像窗口需要承受比低速紅外成像導引頭更大的氣動加熱量。為了減小氣動加熱對于窗口的影響，降低冷卻系統設計難度，更多的使用側面成像窗口而非頭部共形窗口。20世紀90年代，美國針對帶側窗光學頭罩進行了大量的探索，提出了包括內流道窗口冷卻、制冷馬賽克式窗口、外部離散縫噴流冷卻、斜向噴流冷卻、切向噴流冷卻等多種窗口冷卻方式，以實現對于高溫主流的隔離[20]。如圖8所示，為利用基于納米示蹤粒子的平面激光散射(Nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技術獲取的壓力匹配(噴流出口靜壓與局部主流靜壓相等)狀態下切向超聲速冷卻氣膜流動顯示結果[21]。

圖7 基礎熱防護機制分析Fig.7 Basic thermal protection mechanism analysis

4.2 多目標優化高超聲速紅外成像導引頭氣動外形設計

在進行高超聲速紅外成像導引頭設計時，需要耦合考慮多種設計要素的影響。包括成像制導系統，氣動光學效應，頭部防熱，紅外窗口以及氣動阻力等問題。結合這些設計需求，建立了圖9所示的帶切向噴流高超聲速紅外成像導引頭平面側窗幾何參數以及成像光束參數示意圖[22]。

總體而言，高超聲速光學頭罩設計是彈頭熱流指標、成像系統指標、冷卻性能指標、氣動力學性能指標、容積率指標以及氣動光學效應強弱指標綜合權衡的結果。通過運用目前比較成熟的多目標優化方法，理論上可以對高超聲速導引頭氣動外形進行優化設計，以實現上述多參數問題的最優化處理。就目前而言，除了氣動光學效應強弱指標外，其他指標都已經具有相對比較成熟的理論可以指導具體設計，這也再次體現了構建氣動光學效應相似準則的重要意義。

圖8 切向超聲速冷卻氣膜流動顯示結果Fig.8 Flow visualization results of tangential supersonic cooling film

圖9 典型帶切向噴流平面側窗幾何參數以及成像光束參數示意圖Fig.9 Schematic of geometric parameters and imaging beam parameters of a typical plane side window with tangential jet

4.3 基于主/被動流場控制的光傳輸效應抑制方法從本質上講，氣動光學效應中的光傳輸效應是由流場密度脈動引起的。理論上，通過抑制流場中的密度脈動，可以起到氣動光學效應抑制的作用。Childs提出利用窗口橫向匯聚(lateral convergence,LC)和流向彎曲(streamline curvature,SC)2種方法抑制湍流強度，進而降低密度脈動達到抑制氣動光學效應的目的[23]。并利用大渦模式(large eddy simulation,LES)方法初步驗證了上述2種方法在氣動光學效應抑制方面的有效性。Smith and Gordeyev提出了2種抑制湍流邊界層氣動光學效應的方法：方法1，使用全部或部分壁面冷卻的方法，實現邊界層總溫降低，減小邊界層內密度脈動的強度，以此實現氣動光學效應抑制;方法2，使用大渦破碎(Large-eddy break-up,LEBU)裝置來抑制大尺寸、外層湍流結構，這些結構通常被認為是氣動光學效應主要的來源[24-26]。總體而言，氣動光學效應抑制方法最基本的原理便是通過各種主/被動流動控制方法實現對于密度脈動的抑制，具體體現在對于大尺度湍流結構的抑制，進而減小成像窗口繞流對于紅外成像探測的影響。

5 結束語

作為21世紀世界航空航天事業發展的重要方向之一，高超聲速飛行器的發展與應用將給世界軍事帶來重大影響，進而形成未來空天對抗新的焦點。在此背景下，高超聲速武器與集光、機、電為一體的紅外成像制導技術的結合，將形成各種遠程高超聲速紅外成像制導的精確打擊攔截武器，實現飛得快而且打得準，更充分發揮高超聲速武器的威力。稠密大氣中高超聲速導引頭紅外成像面臨著較為嚴重的氣動光學效應，嚴重制約了紅外成像制導技術在高超聲速武器中的應用。本文重點分析了紅外成像制導技術在高超聲速武器紅外成像精確打擊中的應用，指出了該技術發展可能遇到的主要技術難點，提出了一些可供參考的解決方法。