成像式紅外誘餌彈技術的發展*

吳 濤 陳 磊

(東北電子技術研究所 錦州 121000)

1 引言

紅外誘餌彈是可產生強烈紅外輻射以誘騙敵方紅外制導導彈脫離真實目標而跟蹤紅外輻射源假目標的有源光電干擾設備,是艦艇電子戰系統的組成部分。按紅外特性模擬情況,分為點源式紅外誘餌彈和成像式紅外誘餌彈兩類。點源式可形成點紅外誘餌假目標,對付非成像紅外制導導彈較有效。成像式可模擬艦船各紅外輻射波段的特性和艦船運動特征,用來誘騙成像式紅外制導導彈。本文就成像式紅外誘餌、發展動向、發展分析等,作進一步的研究和探討[1]。

2 成像式紅外誘餌

成像式紅外誘餌彈的紅外輻射應在紅外制導導彈導引頭的工作波段(1～5μ m 或8～ 14μ m)上與被保護目標有相似的光譜分布,并且其有效輻射強度通常為被保護目標的5～7倍或更大。起燃時間通常為0.5s或更短。燃燒持續時間是指誘餌彈保持額定紅外輻射強度的時間,燃燒持續時間應大于被保護目標(飛機、艦艇)逸出導彈導引頭視場并在導彈命中誘餌彈時具有安全脫靶所需的時間。飛機用的紅外誘餌彈燃燒時間較短,通常為8～12s。艦艇用的紅外誘餌彈燃燒時間較長,約為40s～1min。有的艦用紅外誘餌彈配有降落傘或漂浮裝置,以保障有足夠的燃燒時間[2]。

2.1 主要技術特性

根據紅外成像制導導彈的干擾原理,成像式紅外誘餌應該滿足以下要求:

1)光譜特性。紅外誘餌所發射的紅外光譜要與被保護目標的紅外光譜相似,即紅外誘餌的輻射波長應與探測器的工作波長相匹配,紅外誘餌的輻射能量要足夠強。

光譜輻射亮度是在該方向上的單位投影面積向單位立體角發射的輻射功率。

式中,L 為光譜輻射亮度(W?m-2?sr-1);Δ Aθ為單位投影面積(m2);Δ P為光譜輻射功率(W);ΔΩ為單位立體角(sr)。

2)輻射對比度。紅外成像制導導彈導引頭能夠區分目標和紅外誘餌,探測的是目標和紅外誘餌的輻射對比度。紅外輻射對比度用輻射強度表示為:

式中,CR為目標和背景之間的對比度;CT、CB分別表示目標和背景單位面積上的輻射功率。

如果改變紅外誘餌的紅外輻射特性,減少目標和紅外誘餌的對比度,就可以使被動式紅外成像導引頭受到干擾,使紅外成像制導導彈難以分辨目標和紅外誘餌。

3)輻射時間特性。為了對紅外成像制導導彈實行有效干擾,紅外誘餌必須與被保護目標同時出現在來襲紅外導彈尋的器的視場內,并保持足夠時間,以保證被保護目標能順利離開紅外成像制導導彈的導引頭視場。

4)輻射面積特性。紅外誘餌有有效輻射區域,其面積要足夠大,而且要與目標圖像部分融合,這樣使得紅外成像制導系統波門擴大,其質心坐標與目標真實質心之間造成較大偏離,或者由于目標紅外輻射分布被嚴重破壞,使制導系統無法識別目標,從而無法進入跟蹤狀態,或者只能進入預測跟蹤狀態。

2.2 性能分析

成像式紅外誘餌彈主要采用液體彈藥(碳氫化合物或更復雜的化學制品)和固體彈藥(Mg/PTFE材料、金屬燃料和磷的水合氧化物等),由投放器從軍用飛機、艦船、裝甲車輛投射到距軍用飛機、艦船、裝甲車輛一定距離和方向的空中,經點燃迅速燃燒產生強烈的紅外輻射源,形成紅外假目標。

例如,凝固油料類誘餌可產生CO、CO2、H2O等物質,并發射紅外輻射。CO2輻射的主要紅外光譜帶是 2.65～ 2.80μ m 、4.15 ～ 4.45μ m、13.0 ～17.0μ m。H2O紅外輻射的主要譜帶是 2.55～2.84μ m 、5.6～ 7.6μ m 、12 ～ 30μ m 。

凝固油料類誘餌與艦艇等武器裝備的發動機燃料燃燒所發射的紅外光譜相近,所以能較好地模擬目標熱輻射性質。

燃料的燃燒率m為:

式中,ρf為燃料粒子的密度;s為燃燒的表面積;r為燃燒表明的線性衰退率,它可以由下式求得:

r=aPn(4)其中,P為周圍大氣的壓強;n是經驗常數,與樣品的燃燒率相關,通常小于1;a也是經驗常數。

由于運行中的誘餌其表面積所受到的滯止壓強比大氣壓強 P多出一項(ραυ2)/2(ρα為大氣密度,υ為誘餌運動速度),所以,其燃燒速率略有增加,這一點已被風洞實驗所證實。

2.3 誘餌彈

成像式紅外誘餌彈主要采用液體彈藥(碳氫化合物或更復雜的化學制品)和固體彈藥(Mg/PTFE材料、金屬燃料和磷的水合氧化物等),由投放器從艦船投射到距艦船一定距離和方向的空中,經點燃迅速燃燒產生強烈的紅外輻射源,形成紅外假目標。紅外誘餌彈在空中的布放方式有單發式和多發式兩種。由于在紅外制導導彈尋的器視場內,紅外誘餌彈的輻射強度比艦船目標的輻射強度大得多,因而能逐漸誘騙紅外尋的器偏離目標而最終跟蹤誘餌彈,從而達到誘騙目的。

例如:1)美國MJU系列紅外誘餌彈。該系列誘餌彈是美國為戰術飛機研制可對抗先進紅外導彈的新型紅外誘餌彈;2)AD-7紅外誘餌彈。馬可尼宇航公司為美國空運司令部研制AD-7紅外誘餌彈,是一種多頻譜誘餌彈,采用了特殊的復合材料,可針對特定的威脅而在選定的頻譜區燃燒;3)德國“巨人”(DM19)/Mk245。德國巴克?韋爾克公司(Buck Werk)紅外誘惑彈可與北約“海蚊”(Sea Gnat)兼容,現有美國名稱Mk245 Mod。它按順序和按各自設定的時間間隔(間隔時間可達20s),將5枚發射炮推進的紅外彈,發射到敵方確定的距離上,使尋的器離開目標艦;4)瑞典BOL先進誘餌投放器。BOL系統,使用了成像式干擾模式的MJU-52/B紅外誘餌。此誘餌由紅外誘餌巨頭金屬表面公司研發生產。在投放時,誘餌的封裝帶被剝開;進入氣流后,封裝片在氣動阻力下分開并將發光材料施放出來;MJU-52/B的自燃發光材料在氣動加熱下開始燃燒并驅動煙火料在空氣中急劇擴散成云霧狀,云團燃燒和羽煙產生了大面積、寬光譜的成像式紅外干擾,將飛機的紅外輻射信號遮擋住或疊加在一起。

3 發展動向

1)以色列海軍訂購“術士”誘餌以提升水面艦艇的反導防御能力。英國《簡氏國際防務評論》2008年3月1日刊報道:以色列海軍已選定拉法爾公司的“寬頻打擊反雷達誘餌”(Wizard,“術士”),來升級其水面主戰艦艇的反導彈防御能力[3]。

目前正在利用現有的Elbit/Deseaver誘餌發射架,為以色列海軍的“雷謝夫”(薩爾4)和“海茲”(薩爾4.5)級巡邏艇、“埃拉特”(薩爾5)輕護艦裝備“術士”角反射器誘餌。

老式的發射架可自動識別誘餌類型,將繼續安裝一些箔條火箭和紅外誘餌彈,但是新訂購的“術士”有助于艦艇防御有箔條識別能力的雷達制導導彈。

以色列已選擇115mm×920mm“長型術士”版箭載誘餌系統,它有兩套角反射器,針對來襲導彈威脅,可提供良好持續的雷達引誘。此外,含單個反射器的“短型術士”直徑保持不變,但長度更短,更輕便,可適應老式的發射器。這兩種“術士”誘餌采用同樣的方式封裝在穩定翼固體推進火箭內。火箭被發射到預定高度(由發射艦艇決定)和距離上(可實時編程)之后,誘餌被展開,漂浮在空中,直到落到海面上。從最高點落下最多需要200s,而通常發射角為45°,誘餌處在海面以上100m的情況下,將耗時 40s。

由于有各種反射面,這種誘餌能以“分心”或者“誘惑”模式工作,勝過通常的尋找火焰、閃光和偏振的箔條識別算法。

2)“納爾卡”反導誘餌系統在第100艘美國海軍艦船上安裝。BAE系統公司網2008年11月18日報道:BAE系統公司日前宣布,其“納爾卡”反導誘餌系統已經實現了另一個重大節點,實現了在第100艘美國海軍艦船上的安裝。美國海軍“希金斯”號驅逐艦(DDG-76)是第100艘安裝這種反導誘餌的艦船。

“納爾卡”是一種火箭推進的主動誘餌,用于引誘反艦導彈。這種誘餌最初由澳大利亞提出,在美國和澳大利亞合作項目中開發,它為艦船提供一種很有效的全天候防御反艦導彈的能力,同時引入了懸浮火箭、自主系統和電子技術。

BAE系統公司是“納爾卡”反導誘餌系統合同的主合同商,負責系統設計和集成。兩家美國子承包商洛?馬公司和Aerojet公司分別生產了電子戰有效載荷和火箭發動機。

目前,已經有約800套“納爾卡”系統交付澳大利亞、美國和加拿大海軍,安裝在120艘水面艦船上,并計劃安裝在未來艦船上。

3)Symetrics工業公司為美空軍提供干擾彈布撒系統。美國《軍事與航空航天電子學》網站2009年5月22日報道:美國Symetrics工業公司獲得了一份價值350萬美元的訂單,將為美國空軍提供AN/ALE-47干擾彈布撒系統(Countermeasures Dispenser System,CMDS)。根據一份為期5年的合同,這是該公司的第20次交付。迄今為止,該公司已經交付了9200套配件,比合同進度有所提前,總價值接近2800萬美元。

AN/ALE-47 CMDS是一種電子干擾自動防御套件,能夠布撒金屬箔條或者誘餌彈,增強了作戰飛機在地對空和空對空導彈威脅下的全天候生存能力。

該系統幾乎可以集成到任何機型上,根據機組人員指定的計劃,采用一種集成可重新編程計算機控制系統來布撒假目標/誘餌彈,對威脅進行電子和紅外干擾,從而提高飛機的生存能力。

4)ATK發射系統公司為美空軍提供紅外干擾彈。美國《國防工業日報》2009年8月26日報道:美國ATK發射系統(ATK Launch Systems)公司收到了一份價值4900萬美元的修訂合同,將為美國空軍提供MJU-62/B型干擾彈。這種干擾彈能夠為飛機提供紅外對抗措施,免遭熱尋的導彈打擊。

MJU-62/B型干擾彈是一種基于硼的紅外干擾裝置,由一個1×2×8in的鋁盒、塑料后蓋、毛氈墊圈、保險和起爆裝置、塑料活塞、以及燃燒顆粒組成。該裝置可以在空中由一個BBU-36/B型脈沖彈布撒和點燃。MJU-62/B型干擾彈用于AN/ALE-40型對抗布撒系統。據美國科學家聯盟稱,AN/ALE-40布撒系統能夠為多種飛機平臺提供消耗式對抗材料的存儲和布撒。利用該系統,飛行員可以針對威脅的類型釋放金屬箔條或干擾彈,以干擾導彈對飛機的自動尋的。

金屬箔條看上去就像數百萬根細小的鋁箔,每一根都被裁減至適當的長度,可以匹配各種雷達波長。用金屬箔條對抗雷達的做法早在二戰就已經被采用,該方法至今仍然對各種雷達威脅有效。干擾彈主要用于使導彈的紅外跟蹤裝置失效。

5)瑞典直升機裝備高效雙頻紅外誘餌自保護系統。英國《防務系統日刊》2007年5月28日報道:瑞典國防器材局(FMV)授予萊茵金屬集團(RWM)為瑞典空軍直升機提供高效雙頻紅外誘餌(BIRDIE)118飛機誘餌。這些誘餌將在2007年年內交付并用于未來的全球行動中。

BIRDIE誘餌是萊茵金屬公司開發的專利產品,它可為直升機提供對抗先進紅外制導地空導彈和空空導彈的能力,還可以有效地對抗便攜式防空系統(MANPADS)的攻擊。

該誘餌可通過北約任何的1×1in標準干擾發射系統發射。經北約各國使用證實,該系統可以有效地對抗先進導彈。

6)印度自行研發機載紅外誘餌曳光彈。印度《印度防務在線》網站2009年8月 31日報道:印度目前正在自行研發一種保護飛機免遭熱尋的導彈攻擊的紅外誘餌。

據報道,該型誘餌由印度國防研究發展組織(Defence and Research Development Organisation,DRDO)下屬的高能材料研究實驗室(High Energy Materials Research Laboratory,HEMRL)負責研發。這種紅外誘餌在戰斗狀態下可發出與被保護飛機相似的紅外輻射信號,迷惑敵方導彈的熱尋的導引頭從而保護飛機免遭攻擊。

HEM RL官員表示,該型誘餌是根據印度空軍2005年提出的相關要求而研制的。當時考慮到進口的紅外誘餌價格昂貴,因而決定自行研發同類產品。目前印度自行研發的這種紅外誘餌在性能上要優于同代的其它產品。

HEM RL官員同時還透露,該型紅外誘餌已于2009年1月完成了地面狀態下的驗證測試,目前正在進行另一項重要測試以確保誘餌彈在電磁環境下不會自行觸發。此外,他們還準備了150余套誘餌用于在各種極端環境條件下的進一步測試。

4 發展分析

目前,先進紅外尋的器具有了一定的反對抗能力,可以區分傳統紅外誘餌彈和目標,其區分依據主要有[4]:1)頻譜差異。例如噴氣式飛機的紅外輻射來自于發動機尾焰、尾噴管和蒙皮生熱等,而傳統紅外誘餌彈是以單一的溫度燃燒。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分。2)信號的時域變化。當誘餌彈出現時,尋的器可在視場內檢測到信號強度迅速增加。3)氣動運動差異。傳統誘餌彈具有較快的氣動減速,并會在重力作用下緩慢下降,真正的目標則繼續水平直線飛行或進行規避機動。

為了有效地對抗先進的紅外導彈,要求紅外誘餌彈能更逼真地模擬目標,其發展方向是彌補紅外誘餌彈與目標在上述三個方面的差異:

1)改進紅外誘餌彈現用材料或開發新材料,使誘餌彈的頻譜特性接近飛機的頻譜特性,比如利用復合燃燒劑實現以兩個或兩個以上的溫度燃燒,這種“冷-熱”式誘餌彈無疑可以更加有效地誘騙紅外尋的器。

2)控制紅外誘餌彈的點燃和初始燃燒過程,以干擾紅外尋的器對上升時間的判斷。

3)為紅外誘餌彈加裝發動機或采用載機拖曳誘餌彈的方法,使誘餌彈的運動能接近于載機的運動。

5 結語

隨著多光譜技術、紅外成像技術、新型目標識別等技術的不斷研制和開發,大載荷、大面積、高效能、寬光譜、抗識別的成像式紅外誘餌日趨完善。成像式紅外誘餌與其它對抗手段相結合,構成一體化復合光電對抗系統。在未來現代化戰爭和局部戰爭中,適時運用成像式紅外誘餌干擾技術,對抗紅外成像制導武器的襲擊,就能夠有效地保護自身目標的安全[5]。

[1]喬亞.紅外成像制導對抗技術研究[J].激光與紅外,2005(12):9～12

[2]王馨.面源紅外誘餌技術特性及材料組分研究[J].光電技術應用,2007(3):11～13

[3]高勇,時家明,汪家春.紅外對抗與新型紅外誘餌[J].艦船電子對抗,2001(1):22～24

[4]印度自行研發機載紅外誘餌曳光彈[EB/OL].每日防務快訊網,2009-09-14

[5]蔣耀庭,孫曉明.紅外誘餌技術的現狀與發展[J].紅外技術,2001(5):26～30