便攜式防空導彈裝備現狀及發展趨勢分析

錢坤，龔旻，陳梅，婁樹根

(1.中國華騰工業有限公司，北京 100080；2.沈陽航天新樂責任有限公司，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

便攜式防空導彈誕生于20世紀60年代，指由單兵或兵組攜帶，采用單兵肩扛發射或兵組架上發射方式的防空導彈武器系統，在多次局部戰爭中經受了實戰考驗，其體積小、質量輕、制導精度高、價格低，已成為地面部隊有效的低空超低空反恐武器[1]。紅外制導的便攜式防空彈，采用被動制導方式，操作簡單，作戰隱蔽，使用靈活，已成為國際軍貿市場主流產品。當前國際市場第3代便攜式防空導彈主要有美國“毒刺”(Stinger RMP blockⅠ)、俄羅斯“針-S”(Igla-S)、法國的“西北風-2”(mistral-2)、中國QW-12/18/19、 FN-16等，主要技術特征是采用單通道旋轉控制方式，制導方式采用多波段、多點元紅外圓錐掃描制導，發動機采用發射發動機+單室雙推主發動機方式，紅外體制便攜式防空彈在國際市場上占據了較大市場份額。

但近年來隨著技術發展、戰爭形勢的變化，第3代便攜式防空彈對新出現的空中目標探測制導和目標殺傷能力不夠;同時，肩扛發射方式過于單一，多任務、多平臺擴展能力明顯不足。2015年俄羅斯新一代VERBA“維巴”便攜式防空彈已實現國際市場成交，引起了便攜式防空彈裝備升級換代的趨勢，導致國際市場用戶對便攜式防空彈升級提出了新要求。本文研判國際市場用戶需求，分析國內外便攜式防空導彈裝備現狀及未來發展趨勢，提出了新一代便攜式防空導彈主要技術特征。

1 市場態勢分析

1.1 國際用戶需求分析

近年來，敘利亞、利比亞等局部熱點地區戰例，使國際軍貿市場用戶對便攜式防空導彈產生了新需求動向，具體有以下幾個方向：

一是能夠攔截低紅外特征目標。便攜式防空導彈傳統低空、超低空目標已發生顛覆式轉變，典型空中威脅已轉向隱身飛機、無人機等低紅外特征目標。當前戰斗機紅外隱身技術不斷提高，主要采用對發動機熱源輻射的屏蔽、遮擋或者抑制，某型國外武裝直升機采取上述措施后，紅外輻射強度僅為10W/Sr左右。2017年俄軍駐敘基地和2019年沙特阿美石油公司煉油廠遭遇無人機群襲擊事件表明，傳統制式武器攔截無人機(電動機或活塞發動機)等新型低紅外特征目標明顯能力不足。因此，低紅外特征目標對便攜式防空彈的探測、攔截能力構成了較大挑戰。

二是能有效對抗紅外干擾。隨著新型紅外誘餌彈、定向紅外干擾系統的應用，便攜式防空導彈作戰效果受到嚴重威脅[2]。戰機可以利用高強度、多批次、連續投放紅外誘餌，這對點源制導的便攜式防空彈形成了嚴重干擾，以至于無法跟蹤目標。

三是增加多任務、多平臺擴展功能。該類型導彈除具有傳統單兵肩扛發射能力外還能搭載于有/無人機載、艦載、車載平臺，同時具備對小型無人機、地面輕型機動目標、海面高速小艇等新目標類型的打擊能力。

1.2 國際軍貿市場交易分析

根據SIPRI數據，2009-2018年，國際軍貿市場便攜式防空彈交易量近1.73萬枚，其中，俄羅斯產品交易量10 137枚[3-4]，同期該類產品國際市場銷售占比58.6%。美國蒂爾集團預測數據顯示，2019-2023 年，便攜式防空彈需求約10 210枚，其中年度預測數量分別為2 160，1 910，2 010，2 060和2 070枚，年均2 042枚，總體需求平穩。值得注意的是，蒂爾集團將年均1 200枚的便攜式防空彈出口數量定位在俄羅斯產品上，俄制“維巴”便攜式防空彈未來的國際市場份額不容小覷。由此可見，一是俄羅斯紅外制導體制的便攜式防空彈產品在國際軍貿市場上仍是主流；二是國際軍貿市場未來5年對便攜式防空彈總體需求平穩，我國缺少一型新型多用途靈巧便攜式防空彈。

1.3 國內外便攜式防空彈技術性能對比分析

本文對當前國際軍貿市場上主流紅外制導便攜式防空彈技術水平進行了對比分析[5-14]，分析結果如表1所示。

通過上表1中分析，可以得出以下結論：一是國內便攜式防空彈與國際上主流產品(除“VERBA”外)技術水平相當；二是俄羅斯推出的新一代便攜式防空彈“VERBA”在低紅外特性目標探測能力、多波段抗干擾能力、戰斗部威力等方面均優于我國同類產品,性能比“Igla-S”有所提升，但是仍屬于三代產品的改進升級，與國際用戶對未來近程/末端防空作戰要求仍有一定差距。

2 新一代便攜式防空彈總體技術指標分析

根據上文分析，為應對新的威脅、滿足國際用戶未來末端防御作戰需求，同時應對當前及未來國際軍貿市場上同類型產品更加激烈的競爭態勢，新一代便攜式防空彈主要技戰術指標需滿足以下技術特征：

(1) 制導探測：紅外凝視成像制導，工作波段3～5 μm，成像分辨率建議不低于128×128；

(2) 目標探測能力：對典型武裝直升機類的目標建議不低于10 km；

(3) 控制方式：三通道穩定控制；

(4) 作戰空域:高界4 000 m，低界10 m，遠界6 000 m，近界500 m；

(5) 引信類型：觸發、激光近炸復合引信；

(6) 單發殺傷概率：建議優于0.8。

表1 國內外主流紅外制導便攜式防空彈技術性能對比Table 1 Comparison of performances of major IR guided SAM at home and aboard

新一代便攜式防空彈若采用紅外凝視成像體制，建議采用三通道穩定控制方式，即飛行中彈體不再旋轉。該紅外凝視成像導引頭應具較高的空間分辨率、良好的成像像質和豐富的信息量，導引頭可利用圖像中的輻射強度、輻射面積、空間形態等信息進行目標和干擾識別，有較強的抗干擾能力，并且其作戰空域大、戰斗部威力大、具有打擊紅外隱身飛機、無人機、制導彈藥、巡航導彈等弱小目標的能力。具備上述技戰性能的新一代便攜式防空彈對比上文表1所列舉當前主流便攜式防空彈具有較為顯著的技術優勢。

3 新一代便攜式防空彈主要分系統技術發展趨勢分析

按照上述新一代便攜式防空彈主要技戰術指標，下文對新一代便攜式防空彈主要分系統技術發展趨勢進行詳細分析。

3.1 紅外導引頭

紅外導引頭采用紅外凝視成像制導體制，為保證探測距離，使用制冷型紅外探測器，在便攜式防空彈領域基于成本及體積考慮，探測器基本采用 J-T 制冷方式，國內某型成熟產品技術參數如 表2 所示,產品外形尺寸如圖1所示。

表2 紅外探測器主要技術參數Table 2 Main performances of IR detector

圖1 國產某型J-T制冷紅外探測器外形圖Fig.1 Type of a domestic J-T IR detector

便攜式防空彈的位標器所采用的主要類型有動力陀螺式、平臺穩定式等幾種。其中動力陀螺式位標器由于其體積小、成本低、結構相對簡單等特點被廣泛應用于小型導彈導引頭，前3代便攜式防空導彈導引頭普遍采用該種類型位標器。新一代便攜式防空彈由于采用紅外凝視制導體制，不再適合采用動力陀螺式位標器結構，因此需采用其他類型位標器。

結合國內外技術發展趨勢，凝視成像型導引頭多采用平臺穩定式位標器，此類位標器又分為框架式和滾仰式，其中方位、俯仰兩自由度的框架式平臺，結構簡單、技術發展成熟，在國內外大量的導彈上得到應用。但由于其探測器和光學物鏡必須同時隨動于方位或俯仰框架才能實現較大的觀察范圍，受限于框架結構、光學物鏡和探測器的總長度，無法在便攜彈防空彈的彈徑空間內實現大的軸角范圍，因此需要引入運動光學元件使鏡頭與探測器分離，在該彈徑空間內實現較大的觀察視場。

滾仰式位標器結構采用滾轉外框架、俯仰內框架結構，其中外框架滾轉軸與彈體縱軸一致，內框架俯仰軸與外框架滾轉軸正交[15]，其結構如圖2所示[16]。

圖2 滾仰式位標器結構示意圖Fig.2 Schematic of pitch-roll coordinator

其引入滾仰式光滑環光路，光學系統前組位于內框架，光學系統后組位于外框架，探測器與彈體固連，光學系統前組與后組分離，可實現外框架N×360°滾轉，內框架俯仰范圍可達90°，使導引頭觀察視場覆蓋整個前半球。滾仰式位標器在第4代空空導彈上已實際應用裝備，典型代表是美軍的第4代“響尾蛇”導彈AIM-9X，其是目前世界上最先進的近距空中格斗紅外制導導彈之一。1996年，美軍曾計劃研制“毒刺”BlockⅡ便攜式防空彈，其成像型紅外導引頭就是采用AIM-9X導彈的導引頭，可探測低紅外特征的巡航導彈、采用紅外抑制器的直升機和無人機等目標，同時提高抗干擾能力。后由于其研制單位休斯公司被雷神公司收購等原因，該計劃被美軍放棄。因此，新一代便攜式防空彈導引頭位標器宜采用滾仰式結構，其主要技戰指標如表3所示。

表3 紅外導引頭主要技術參數Table 3 Main performances of IR seeker

3.2 發動機

發動機建議仍采用第3代便攜式防空彈普遍使用的兩級發動機技術，即發射發動機和單室雙推力主發動機配置。發射發動機在發射筒內即工作完畢并與主發動機分離，同時推動導彈飛出發射筒，賦予導彈初始飛行速度。同時，建議去除推進劑的有煙成分，消除發動機工作時產生的白色煙跡和明亮火焰，提高作戰隱蔽性，減小作戰使用人員暴露危險。

3.3 引戰系統

為提高對低空突防目標、小目標的殺傷能力，引信仍建議采用觸發及激光近炸復合引信，通過設計激光近炸引信光路角和起爆瞬發度，在彈目碰撞情況下觸發引信優先作用，當彈目不能碰撞時，激光近炸引信作用。

戰斗部根據作戰任務需求，可模塊化換裝殺傷、爆破型或定向聚束式戰斗部，通過優化整彈結構，增大戰斗部裝藥量，以實現對地面輕型車輛、水面小艇、小型無人機等目標殺傷能力。同時具有發動機余藥引爆技術，通過引爆發動機剩余裝藥增大對近距目標的殺傷力。

3.4 舵機系統

為適應新一代便攜式防空彈三通道穩定控制方式，在原有第3代便攜式防空彈上普遍采用的一對固定舵機加一對燃氣/電動舵的基礎上改為兩對獨立控制的電動舵機，提高制導控制精度。

4 關鍵技術及解決途徑分析

新一代便攜式防空彈采用紅外凝視成像制導體制、三通道穩定控制方式等技術，完全不同于前3代便攜式防空彈一直延續使用的多元紅外掃描、旋轉彈體單通道控制方式，因此也帶來一些需解決的關鍵技術，主要有以下幾點：

(1) 滾仰式位標器穩定跟蹤問題

滾仰式平臺導引頭的一大難點就是弧頂區域的穩定與跟蹤問題，是指離軸角很小時目標在導引頭光軸上的微小動作，如閃爍將引起框架大幅滾轉，在框架結構和框架角等都受限時，導致導引頭跟不上目標。通過仿真分析可知過頂跟蹤時需要滾轉軸有很大的角速度和角加速度，因此在后續研制中可以采用大轉速的滾轉電機，同時在跟蹤算法中加入卡爾曼濾波預測目標軌跡的方法避免目標進入過頂區域等措施解決弧頂區域的穩定跟蹤問題。

(2) 三通道穩定控制技術

傳統的便攜式防空彈受限于空間體積，只能安裝一對舵面及舵機，因此只能采取單通道控制方式。這種單通道控制方式的缺點是控制效率低(繼電舵效率2/π，正弦舵1/2)，同時鴨式布局使舵面局部攻角大，易出現失速，極大地限制了單通道旋轉控制導彈的機動能力；同時這種彈旋體制給紅外凝視成像帶來了消旋問題，目前解決消旋問題光學設計難度較大。為了適應紅外凝視成像及提高導彈機動能力，本文所提新型便攜式防空導彈采取彈體不再旋轉的三通道穩定控制方式，而舵機系統小型化及穩定控制算法就將是必須解決的關鍵問題。在后續研制中擬采用一種基于兩對舵面配合控制的三通道控制方式，能夠較好解決上述問題。

(3) 抗多發紅外干擾彈技術

當前戰機突防一般采取連續、密集發射多發紅外干擾彈的方式，可在導引頭圖像上形成連續、長期的遮擋和粘連，此時無法區分干擾和目標，并且無法有效檢測和更新目標的位移變化率信息和輻射強度信息，因此需要采用其他方法。光流法等運動分析方法可以獲取圖像的速度場，速度場的中心源就是目標的位置，采取這種算法可以獲取連續強遮擋導致完全無法觀測到飛機目標的信息和位置，可以較好地解決抗多發紅外干擾彈的問題。

(4) 多任務、多平臺拓展能力

需對紅外導引頭和制導控制艙進行一體化設計，采用多核Soc信息處理平臺，根據不同的任務及作戰目標，可裝訂不同的跟蹤識別與制導控制算法，實現多任務、多平臺拓展。

5 結束語

新一代便攜式防空彈具有攔截低紅外特征目標、制導精度高、抗干擾性強、多任務、多平臺擴展能力等技術特征，其紅外凝視成像制導、三通道穩定控制、多用途戰斗部等關鍵技術仍需要研究突破。本文分析的新一代便攜式防空彈將在第3代的基礎上有明顯技術突破，可作為我國新型便攜式防空彈研制的參考和借鑒。