红外成像制导技术在反隐身空空导弹上的应用展望

摘 要：      现代隐身飞机对雷达型空空导弹构成巨大挑战，而红外成像制导技术在体制上具有良好的反隐身能力。本文介绍了国内外空空导弹红外成像制导技术研究发展现状，分析了红外成像导引头技术在未来反隐身超视距空空导弹上的应用前景，提出了一种反隐身红外成像导引头的技术方案。该导引头采用了中/长波双色成像探测技术，能够满足发射后截获条件下探测隐身目标和抗红外诱饵干扰的要求。分析研究表明红外双色成像导引头技术对于提高国内超视距空空导弹的反隐身性能具有重大意义。

关键词：     红外成像制导; 中/长波双色成像; 反隐身; 超视距; 空空导弹; 红外导引头

中图分类号：     TJ765.3+33; V249.32+6

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2022）02-0060-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2021.0219

0 引  言

超视距空空导弹已经是当前空战的主力武器，其大多采用雷达导引头。因为传统的红外导引头存在发射后截获能力弱、气动阻力大、气动热影响严重等不利因素，所以很少用于超视距空空导弹。但随着新型红外成像探测技术、气动减阻和气动热抑制技术的日趋成熟，上述不利因素有望得以消除。再加上飞速发展的雷达隐身技术和电磁干扰技术对雷达导引头构成了严峻挑战，从体制上具有良好反隐身和抗电磁干扰能力的红外成像制导技术再次得到各军事强国的青睐[1]，拟将其推广应用到超视距空空导弹上。例如，美国海军曾经筹划研制AIM-9X Block III型空空导弹，提高了60%的射程，使其具备了超视距攻击能力[2]。

本文对可能适用于超视距空空导弹的国内外红外成像导引头技术进行分析，并提出一种反隐身空空导弹用红外成像导引头的技术方案。

1 反隐身需求对空空导弹导引系统的挑战

现代飞机侧重雷达隐身能力。国外装备和在研的隐身飞机主要有美国的F-22和F-35，俄罗斯的Su-57，日本的“心神”等，具有很小的前向RCS。

据估计，F-22前向RCS约为0.01 m2。如果雷达导引头对前向RCS为3 m2的MiG-29截获距离为40 km，则在同样条件下对F-22的截获距离将小于5 km，很难满足空空导弹的实际作战需求。

当前空空导弹雷达导引系统针对反隐身需求的主要解决措施是采用大功率的相控阵雷达进一步提高发射功率[3]。但该措施主要受空空导弹有限弹内空间和能源的制约，在热耗、能耗上都有很大的瓶颈。据估计，下一代隐身飞机的RCS会较目前下降一到两个数量级以上，单靠挖掘相控阵雷达导引头的潜力已很难有效对抗这类隐身目标。

飞机红外隐身的手段主要有屏蔽热源、低发射率涂料、热抑制等 [4]，这些措施在战斗机上的使用有很大的局限性。战斗机依靠具有强大推力的喷气式发动机提供高能量机动性能，也伴随产生了巨大的红外辐射能量。隐身飞机只能依靠宽大的机身、机翼和尾翼在前向有限角度内局部遮挡后机身高温发动机段产生的红外辐射能量，一旦进入躲闪来袭导弹状态或机动占位状态，就不可避免地将侧向暴露于导弹观测方向，高温后机身一览无余。另外，超音速巡航是隐身战斗机获取能量优势的保证，但在该状态下飞机蒙皮受气动加热的影响而升温，产生的红外辐射能量会严重破坏其前向红外隐身性能。

综合来看，红外隐身技术在第四代隐身战机上应用所产生的效果不如雷达隐身技术那么成效斐然。如图1所示， 四代机的红外辐射分布与三代机相似， 也是前向辐射小，侧向、后向辐射明显。据估计，亚音速状态下四

代机的前向有限角度内的红外辐射强度大约是三代机的30%左右。红外导引系统的作用距离下降接近50%。通过进一步挖掘红外成像导引头潜力，可以有效对抗这类隐身目标。

但红外成像制导技术在超视距空空导弹上的应用还面临以下三项技术问题：

（1） “射后截获”状态下检测阶段抗干扰问题。由于红外导引头采用的被动工作方式不具备“距离门”搜索能力，因此，复杂的强背景信号与目标自身的信号混叠在一起被导引头接收，对自动目标识别能力要求很高。此外，在高对抗环境下，敌机通过自身的告警装置在己方导弹发射后就大量施放红外诱饵，因此，红外导引头还必须解决在检测阶段抗红外诱饵干扰的问题。

（2） 气动阻力大影响射程的问题。空空导弹红外成像制导系统通常采用球冠形整流罩，安放在弹头最前端。球冠形整流罩能够保证导引系统具有较大的跟踪场范围，而且在制导跟踪过程中整个光学系统的像质不发生改变。但这种整流罩的气动阻力较大，影响导弹的飞行速度和射程。

（3） 气动加热影响探测的问题。导弹在大气层内超音速飞行时产生的激波加热了位于导引头前端的光学整流罩。激波和整流罩的红外辐射能通过光路进入红外探测器，造成背景噪声及干扰增加，影响红外导引头探测、截获和跟踪性能。

国内外针对红外成像制导技术在超视距空空导弹上的应用开展了大量的研究工作，已取得较好的研究成果。

2 国内外相关技术现状

2.1 采用高灵敏度多色红外成像技术

多色红外成像技术可以同时在多个光谱波段上对同一对象（背景与目标）进行观测并获得相应波段的响应图像。其反映了观测对象在各个窄光谱波段上的响应特性，包含了观测对象的更多光谱能量和特征信息，可大大提高导弹的探测目标能力和抗干扰能力。

法国的MICA-IR空空导弹和以色列的Python 5空空导弹（见图2）都采用了双波段红外成像导引头，具有较远的作用距离和较好的抗干扰能力[5]。其中MICA-IR采用机电扫描的双波段红外成像焦平面阵列探测器，Python 5采用了更先进的双波段叠层凝视焦平面MCT探测器。

超视距空空导弹具有大弹径（178～203 mm）的特点，可以为红外成像导引系统提供比近距格斗导弹（弹径127～160 mm）更大的空间，便于采用大通光孔径的光学系统，可有效提高红外成像导引系统的探测灵敏度，增加对飞机目标的作用距离。

目前主流的红外型空空导弹采用的是中波红外成像导引头。中波红外成像系统主要敏感来自飞机目标高温后机身发动机段的红外辐射能量，具有较高的温度灵敏度，图像对比度和空间分辨力都较长波系统更好，能够敏感更多的目标细节特征。如前所述，四代机主要通过宽大的机身、机翼和尾翼在前向有限角度内遮蔽后机身发动机段的办法，大幅度削弱了自身的前向红外辐射能量（主要集中在中波段），相应降低了中波红外成像导引头对四代机的迎头探测距离。

考虑到目标迎头方向的红外辐射主要是蒙皮辐射，峰值波长在长波段，因此，采用长波红外系统可以有效提高对目标的迎头作用距离。此外，传统红外诱饵弹在长波的红外辐射较低，对目标的遮挡与照亮作用与中波红外系统相比不明显，可能有利于通过形状特征识别目标。

因此，中/长波双色成像导引系统是超视距空空导弹的优选方案。该系统不仅对隐身目标具有“全向探测”能力，还可以获取目标、背景和干扰的中/长波红外特征，通过双色信息融合技术极大地提高空空导弹在“射后截获”状态下检测阶段抗干扰能力[6]。

目前制约该系统在空空导弹上应用的一个主要技术瓶颈是整流罩材料的选取，最佳解决办法是采用金刚石整流罩 [7]。

2.2 采用气动减阻和气动热抑制技术

研究方向主要集中在保形光学技术、平板侧窗整流罩技术、导引头整流罩前加装激波杆技术和抛罩技术等。

2.2.1 保形光学技术

保形光学采用与最佳弹体气动外形相一致的整流罩，可以大大降低导弹飞行时的阻力，改善导弹的空气动力特性。2000年，美国雷神公司将长径比为1.5的保形整流罩应用于“毒刺”导弹（见图3）。实验结果表明，导弹所受的空气阻力减小了25%，射程增加了1倍[8-9]。

国内研制出了相关保形光学技术的样品和测试设备，有望在不远的将来获取实用化突破[10]。

保形光学技术存在的问题除了大范围校正像差的光学系统设计难度大和结构复杂外，对于气动热抑制的效果不佳。主要是由于采用保形光学技术的导弹气动阻力低，其最高速度相较传统钝头体的导弹更高。因此，整流罩前端驻点处的激波温度更高，使得整流罩更易被依附其表面的高温激波层加热，整流罩产生的热辐射无法得到有效抑制。

2.2.2 平板侧窗整流罩技术

相比于同直径的球冠形整流罩，大倾角的平板侧窗整流罩气动阻力更小，气动加热温度最高的驻点区域不在整流罩表面上。平板窗口易于采用物理制冷的方式降低其表面温度，抑制气动热。

美国雷神公司于20世纪90年代提出的AIM-9X竞标方案，就采取了可旋转的平板侧窗式整流罩导引头方案（见图4）[11]，具有更小的气动阻力和更好的抗气动加热效果。

美国研制的THAAD导弹也采用了平板侧窗结构（见图5），使得整流罩窗口避开了气动加热温度最高的导弹最前端区域[12]。另外，还可能采用了物理制冷的方式来降低整流罩温度。常用的物理制冷方式有光学侧窗外部冷却和内部冷却[13]。

平板侧窗整流罩技术在国内的航天部门也有相关应用[13-14]。存在的问题是平板侧窗形式限制了导引头红外探测系统的角度搜索和跟踪范围，要满足对高机动目标的打击需求，则对于弹体姿态控制系统要求比较高; 此外，弹体外形的非对称布局会给弹体飞控系统带来更大的气动力控制难度。

2.2.3 导引头整流罩前加装激波杆技术

在钝头体的飞行器头部安装针状结构（激波杆），通过改变激波形状来降低气动阻力。美国、德国和当时的苏联等从20世纪60年代就对激波杆的减阻机理和效果开展了大量的数值仿真和实验研究。该项技术已应用到美国的“三叉戟”潜射弹道导弹上，减阻效果达到35%～50% [15]。

该项技术在光学导引头上也得到应用。美国雷神公司研制的“网络中心机载防御单元”（NCADE）在AIM-9X导引头上加装了激波杆（见图6），将激波层推离球形整流罩表面，一来降低激波阻力[16]，二来减少高温激波对整流罩的气动加热效果[17]。

国内对该技术的研究主要集中在减阻机理和数值仿真分析方面。从研究成果来看，该项技术在寻的制导导弹上应用的瓶颈主要是减阻效果与弹体攻角关系很大，只有在小攻角时才能有较好的气动减阻和气动热抑制效果 [18]。由于打击高机动目标的空空导弹经常需要做大攻角飞行，因此限制了该项技术在空空导弹上的应用。

2.2.4 抛罩技术

德国研制的地空型IRIS-T导弹为了降低导弹的飞行阻力，提高导弹的射程，在红外导引头上加装了一个流线型的保护罩。在进入末制导段时抛掉保护罩，红外导引头开始探测并截获目标[19]。国内的SD-30地空导弹系统也采用了同样的抛罩技术（见图7）。

抛罩技术已经非常成熟，很适合于“发射后截获”功能的远射程导弹。缺点是头罩通过爆炸分离，出于安全性考虑，导弹不具备“发射前截获”能力。

3 应用展望

通过对上述技术进行分析，提出一种适用于未来反隐身空空导弹的红外成像导引头探测系统方案设想，如图8所示。

3.1 总体构成

导引头采用中/长波双色成像技术，两种不同波段的探测系统可以同时成像， 信息处理系统对两路图像数据并行处理。考虑到国内中/长波叠层双色凝视成像探测器技术尚不够成熟，以及分立式多探测器所具有的冗余度有利于抗激光定向干扰的优点，拟利用超视距空空导弹大弹径（≥200 mm）的特点，将两个分立的中波和长波大面阵凝视焦平面探测器安放于导引头内，中波和长波探测器的面阵规格相同，共用一个光学孔径，视场大小相同。出于提高后勤维护性和满足中远距空空导弹对导引头长工作时间的需要，选择斯特林制冷的大面阵焦平面探测器。