劉 偉，張明星，許 剛，張建隆，郭鑫民

((1.重慶航天機(jī)電設(shè)計(jì)院， 重慶 400039；2.哈爾濱新光光電科技有限公司， 哈爾濱 150028)

自上世紀(jì)40年代空空導(dǎo)彈第一次應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，空空導(dǎo)彈己經(jīng)成為戰(zhàn)斗機(jī)奪取制空權(quán)、獲取戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的重要武器。從當(dāng)今作戰(zhàn)局勢(shì)來(lái)看，美國(guó)和西方各國(guó)都在強(qiáng)調(diào)“非接觸”式作戰(zhàn)，即先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射、先敵脫離、先敵命中，在對(duì)方防區(qū)外即完成精確打擊，避免有生力量的消耗。因此各軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈的研發(fā)越來(lái)越重視。為滿足新的作戰(zhàn)需求，遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈在設(shè)計(jì)過(guò)程和技術(shù)上與近距空空導(dǎo)彈存在很大不同，新一代的遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈在設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用了大量的新技術(shù)，如在結(jié)構(gòu)布局上、遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的射程采用更小橫向尺寸和光滑的氣動(dòng)外形；在制導(dǎo)模式上，遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈受限于雷達(dá)導(dǎo)引頭的探測(cè)距離限制，采用復(fù)合制導(dǎo)體制(初、中、末制導(dǎo))；在推進(jìn)系統(tǒng)方面，遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈多采用整體式的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或者助推滑翔方式來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)射程和高機(jī)動(dòng)性需求[1-5]。

針對(duì)未來(lái)空戰(zhàn)作戰(zhàn)特點(diǎn)，本文從零告警空空導(dǎo)彈概念研究、空空導(dǎo)彈方案設(shè)計(jì)、隱蔽發(fā)射方式、高機(jī)動(dòng)滑翔方案、全程被動(dòng)制導(dǎo)模式以及高隱身方案等六個(gè)方面開展未來(lái)空戰(zhàn)系統(tǒng)全程隱蔽攻擊技術(shù)研究。

1 零告警空空導(dǎo)彈概念研究

現(xiàn)代空戰(zhàn)中戰(zhàn)機(jī)對(duì)導(dǎo)彈的告警方式主要包括：雷達(dá)告警，紅外告警，紫外告警3種模式[6-12]。

1) 雷達(dá)告警

雷達(dá)告警技術(shù)是利用導(dǎo)彈徑向速度較大且沿徑向飛向目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈的一種告警方法。

典型雷達(dá)告警接收機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 雷達(dá)告警接收機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表1可知，目前雷達(dá)告警機(jī)的工作頻段主要在0.5～20 GHz的范圍內(nèi)，而對(duì)于該波段范圍之外的雷達(dá)信號(hào)無(wú)法進(jìn)行告警。因此，采用該頻段以外的雷達(dá)信號(hào)在技術(shù)上就可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)接收機(jī)的零告警攻擊，其制導(dǎo)方式如太赫茲雷達(dá)制導(dǎo)、激光雷達(dá)制導(dǎo)等。

2) 紅外告警

紅外告警是依靠探測(cè)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自身產(chǎn)生的紅外輻射來(lái)實(shí)施偵察告警的告警方式。紅外告警主要探測(cè)對(duì)象是地空和空空紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，重點(diǎn)探測(cè)它們的發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰和高速氣動(dòng)加熱形成的紅外輻射。

根據(jù)熱力學(xué)定律，運(yùn)動(dòng)的物體溫度高于環(huán)境溫度的條件下，就會(huì)產(chǎn)生背景溫差，理論上就可能被紅外告警系統(tǒng)感知，因此，完全的紅外零告警攻擊是不可能的，但是，現(xiàn)有的紅外告警系統(tǒng)其工作波段主要為雙波段工作，即3～5 μm的中波紅外波段和8～12 μm的長(zhǎng)波紅外波段。如果采用電磁超材料技術(shù)使導(dǎo)彈的紅外輻射峰值移動(dòng)到這兩個(gè)波段之外，那么就可能大大減小紅外告警系統(tǒng)的探測(cè)距離，從而壓縮反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而部分的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程零告警的目標(biāo)。

3) 紫外告警

紫外告警是利用導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰產(chǎn)生的的強(qiáng)烈紫外輻射來(lái)實(shí)施偵察告警的告警方式，其具有極低的虛警率和良好的兼容性，是目前各國(guó)軍隊(duì)裝備量最大的導(dǎo)彈告警系統(tǒng)之一。目前的紫外導(dǎo)彈逼近告警設(shè)備多工作于“日盲”紫外200～300 nm波段。

紫外告警主要是探測(cè)從導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)噴管噴出的尾焰，理論上無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的零告警攻擊，但是通過(guò)采用電推進(jìn)式的無(wú)燃燒尾焰的動(dòng)力方式可以大大降低攻擊目標(biāo)的紫外告警器的告警距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的零告警攻擊。

2 空空導(dǎo)彈方案設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)外形

借鑒目前成熟空空導(dǎo)彈的氣動(dòng)布局，為了提高導(dǎo)彈的飛行穩(wěn)定性和操縱性，減少全彈的氣動(dòng)阻力，導(dǎo)彈采用正常式氣動(dòng)布局。運(yùn)用大后掠面的頭錐設(shè)計(jì)和分段融合彈頭、四邊形截面彈身的隱身氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，主彈翼可收縮進(jìn)彈體內(nèi)，尾部四片控制面也可折疊成埋入的低阻構(gòu)形，使導(dǎo)彈具有較好的隱身特性，如圖1所示。

另外，整彈可通過(guò)在全程采用主動(dòng)、被動(dòng)紅外復(fù)合整流罩的方式降低紅外輻射，進(jìn)而增強(qiáng)導(dǎo)彈的隱身特性。

圖1 空空導(dǎo)彈外形

2.2 彈道與控制方案

根據(jù)作戰(zhàn)領(lǐng)域的不同，提出對(duì)高空、中空和低空3種戰(zhàn)法。導(dǎo)彈根據(jù)目標(biāo)特性，采取多變彈道技術(shù)。對(duì)其進(jìn)行分類總結(jié)，有以下3種方式：① 對(duì)高空目標(biāo)：導(dǎo)彈發(fā)射后，進(jìn)行大機(jī)動(dòng)滑翔，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，立即進(jìn)行快速攻擊；② 對(duì)中空目標(biāo)：導(dǎo)彈發(fā)射后，先快速下降到某一高度并進(jìn)行大機(jī)動(dòng)滑翔飛行，隨后再次下降到某一高度并滑翔飛行一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之后，再快速俯沖攻擊；③ 對(duì)低空目標(biāo)：導(dǎo)彈發(fā)射之后，先快速下降到某一高度，然后進(jìn)行一段長(zhǎng)距離的大機(jī)動(dòng)滑翔飛行，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，立即進(jìn)行快速俯沖攻擊。空空導(dǎo)彈的彈道方案如圖2所示。

圖2 彈道方案示意圖

整個(gè)控制方案采用“BTT”+“STT”的混合姿態(tài)控制方式。即：在中制導(dǎo)階段采用傾斜轉(zhuǎn)彎控制，在末制導(dǎo)轉(zhuǎn)為側(cè)滑轉(zhuǎn)彎控制以提高機(jī)動(dòng)性。

2.3 攻擊方案

根據(jù)作戰(zhàn)用途的不同，空空導(dǎo)彈采取配置不同的戰(zhàn)斗部，可具體分為：爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部、紅外照射增強(qiáng)戰(zhàn)斗部、自尋的子母彈戰(zhàn)斗部。

1) 爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部

當(dāng)空空導(dǎo)彈用于定向攻擊時(shí)，其戰(zhàn)斗部采用爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部。其攻擊方式為：當(dāng)測(cè)知目標(biāo)方位時(shí)，引爆目標(biāo)方向上的輔助裝藥，在輔助裝藥爆轟加載下，戰(zhàn)斗部在目標(biāo)方位形成“D”字型的變形面，經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)后，再引爆主裝藥，主裝藥爆轟后，變形面上所形成的殺傷元素較集中地飛向目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效毀傷。爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及偏心起爆式戰(zhàn)斗部破片飛散分布如圖3所示。

圖3 爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及破片飛散分布示意圖

2) 紅外照射增強(qiáng)戰(zhàn)斗部

當(dāng)空空導(dǎo)彈用于偵查時(shí)，其戰(zhàn)斗部采用紅外照射增強(qiáng)戰(zhàn)斗部，為未來(lái)戰(zhàn)機(jī)探測(cè)敵方態(tài)勢(shì)提供紅外照射，以使我方及時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

3) 自尋的子母彈戰(zhàn)斗部

為了增大戰(zhàn)斗部的殺傷面積，提高戰(zhàn)斗部的效率，空空導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部也可采用自尋的子母彈式戰(zhàn)斗部，此類戰(zhàn)斗部在引信的作用下引爆之后，各子母彈采用自尋的制導(dǎo)方式，對(duì)目標(biāo)發(fā)起全向攻擊，進(jìn)而摧毀目標(biāo)。

空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部方案如圖4所示。

圖4 戰(zhàn)斗部方案示意圖

3 隱蔽發(fā)射方式

傳統(tǒng)的隱身戰(zhàn)機(jī)在發(fā)射空空導(dǎo)彈過(guò)程中需要打開寬大的主武器艙門，并在導(dǎo)彈發(fā)射完成之后再關(guān)閉，整個(gè)過(guò)程需要持續(xù)6～10 s，在此過(guò)程中，隱身戰(zhàn)機(jī)的RCS急劇增加，如此之長(zhǎng)的時(shí)間和急劇增加的RCS強(qiáng)度足夠敵方雷達(dá)搜索并穩(wěn)定跟蹤隱身戰(zhàn)機(jī)，嚴(yán)重影響隱身戰(zhàn)機(jī)安全[13]。為了避免隱身戰(zhàn)機(jī)在發(fā)射空空導(dǎo)彈時(shí)失去隱身性能，采用彈機(jī)共形(如圖5所示)內(nèi)埋隱蔽發(fā)射方式，以降低空空導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)對(duì)隱身戰(zhàn)機(jī)RCS的影響，進(jìn)而提高空空導(dǎo)彈攻擊的突然性。

圖5 彈機(jī)共形示意圖

4 高機(jī)動(dòng)滑翔方案

電推進(jìn)系統(tǒng)主要特點(diǎn)有[14-16]：① 比沖高。傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)劑的比沖一般為2～4 km/s，氫氧推進(jìn)劑的比沖一般是4～5 km/s，而電推進(jìn)系統(tǒng)中的電磁式和靜電式推進(jìn)劑的比沖達(dá)到10～100 km/s，是化學(xué)推進(jìn)劑的5～25倍。② 壽命長(zhǎng)。由于比沖高，效率高，能靈活調(diào)節(jié)推力，使用壽命長(zhǎng)，可低能耗遠(yuǎn)程滑翔飛行。

涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的特點(diǎn)是氣動(dòng)效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、安全性好，常作為升力面或推進(jìn)裝置應(yīng)用于飛行器設(shè)計(jì)，適于在各種復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，具有良好的隱蔽性[17-19]。

空空導(dǎo)彈采用電推進(jìn)方式實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)滑翔，在攻擊階段改用涵道風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)大攻角攻擊，整個(gè)攻擊過(guò)程示意圖如圖6。

圖6 空空導(dǎo)彈攻擊過(guò)程示意圖

5 全程被動(dòng)制導(dǎo)模式

未來(lái)空戰(zhàn)將面向全程被動(dòng)隱蔽制導(dǎo)，本文提出基于光學(xué)(可見+紅外)、弱磁、GNSS、INS的傳統(tǒng)制導(dǎo)體系，結(jié)合機(jī)載、星載、彈載和地基激光通信技術(shù)，并融合自主圖像人工智能處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于目標(biāo)相對(duì)位置較遠(yuǎn)的超視距打擊，目標(biāo)指向可以通過(guò)衛(wèi)星、預(yù)警機(jī)遠(yuǎn)程信息支持，以提供防區(qū)外的目標(biāo)信息，并通過(guò)激光通信和戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈通信。如圖7所示，導(dǎo)彈發(fā)射后，飛行初段可由慣導(dǎo)(INS)和GNSS組合導(dǎo)航進(jìn)行飛行導(dǎo)航，在進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)距離內(nèi)(200 km)由光學(xué)系統(tǒng)接班，通過(guò)可見(晝間工作)或者紅外(全天侯工作)成像進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別與飛行制導(dǎo)，直至擊中空中目標(biāo)完成攻擊任務(wù)。其涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)有：激光通訊裝置的機(jī)載平臺(tái)穩(wěn)定性控制技術(shù)、導(dǎo)彈激光接收系統(tǒng)與紅外系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等。

圖7 全程被動(dòng)制導(dǎo)示意圖

6 高隱身方案

當(dāng)前，用于發(fā)現(xiàn)及跟蹤飛行目標(biāo)的主要手段是雷達(dá)、紅外、可見光等。針對(duì)雷達(dá)隱身可采取結(jié)構(gòu)隱身技術(shù)、電子干擾和欺騙技術(shù)以及超材料跨頻段調(diào)諧吸波技術(shù)等；針對(duì)光學(xué)隱身，可采用光波“扭曲”技術(shù)實(shí)現(xiàn)；為了達(dá)到紅外隱身，本文提出彈體涂敷高吸收率涂層技術(shù)、雷達(dá)隱身紅外窗口技術(shù)來(lái)滿足未來(lái)空射導(dǎo)彈高速化、隱身化的要求[20-24]。

6.1 彈體高吸收率涂層技術(shù)

導(dǎo)彈在高速飛行過(guò)程中，彈體自身將承受導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)引起的大加速度工作剖面，彈體自身溫度會(huì)顯著升高，導(dǎo)致彈體的紅外輻射相對(duì)較大。但高超聲速導(dǎo)彈由于高速導(dǎo)致難以攔截或規(guī)避，因此對(duì)于紅外輻射涂層而言，僅需滿足相對(duì)低速(2Ma)以下的工作狀態(tài)即可。

高吸收率涂層的制備主要通過(guò)液相等離子體沉積技術(shù)，在電解液中引入無(wú)機(jī)鹽、稀土化合物、超細(xì)粉對(duì)陶瓷膜進(jìn)行摻雜改性，在鋁/鈦合金表面實(shí)現(xiàn)膜層組成和功能的可控性原位生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)高吸收率。

如圖8所示，相比鈦合金裸片，該涂層進(jìn)行高能激光作用試驗(yàn)時(shí)，陶瓷涂層片的溫升率較高，具有極好的熱傳導(dǎo)性，可有效避免局部能量密度過(guò)高，保證其表面熱量迅速被高速空氣帶走，溫度迅速降低。

另一方面，該陶瓷涂層在紅外成像導(dǎo)引頭抗激光干擾的試驗(yàn)中也取得了較好效果，具有較好的光電對(duì)抗性能，如圖9所示。

圖8 彈體陶瓷涂層和鈦合金裸片的激光打擊試驗(yàn)曲線

圖9 導(dǎo)引頭抗干擾效果示意圖

6.2 雷達(dá)隱身紅外窗口技術(shù)

本文基于紅外復(fù)合材料在高溫、高壓差和紅外傳輸方面的新需求，提出如圖10所示的金剛石-硫化鋅復(fù)合材料窗口的總體技術(shù)途徑。首先，通過(guò)在常規(guī)硫化鋅窗口(圖中藍(lán)色示意)材料外鍍紅外增透膜(圖中黃色示意，以下黃色均為紅外增透膜)，保證具有較高光學(xué)性能；其次，生長(zhǎng)尺寸較薄的金剛石保護(hù)層(圖中綠色示意)，并鍍紅外增透膜；再次，考慮熱導(dǎo)和熱膨脹系數(shù)之間的差異，在金剛石和硫化鋅層間加入聯(lián)接層，提高結(jié)合力；最后，考慮雷達(dá)隱身的需求，通過(guò)鍍膜，在硫化鋅內(nèi)增加雷達(dá)隱身金屬網(wǎng)。

圖10 金剛石-硫化鋅復(fù)合隱身紅外窗口制備原理示意圖

在實(shí)際開展紅外復(fù)合窗口材料制備的過(guò)程中，考慮到硫化鋅自身的熱導(dǎo)系數(shù)較低，用于高超音速飛行時(shí)，在窗口內(nèi)可能形成溫度場(chǎng)梯度，此類梯度分布將促使窗口從內(nèi)部炸裂、復(fù)合層分離等致命破壞，因此本文提出了嵌入式增強(qiáng)硫化鋅襯底散熱、金剛石導(dǎo)熱增強(qiáng)兩種適用于高超音速的技術(shù)途徑，既在一定程度上提高復(fù)材窗口的強(qiáng)度，又大幅度提升了窗口的熱導(dǎo)特性、降低了窗口的溫度梯度，進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合材料紅外窗口的高速、高溫、高壓環(huán)境適應(yīng)性。

圖11 增強(qiáng)紅外復(fù)合窗口熱導(dǎo)能力、減小窗口內(nèi)溫度梯度的技術(shù)途徑

6.3 隱身特性對(duì)比分析

1) 紅外隱身

通過(guò)采用上述技術(shù)，對(duì)空空導(dǎo)彈進(jìn)行紅外隱身仿真分析，可得蒙皮最高溫度約100 ℃(368 K)，平均溫度50 ℃(320 K)。根據(jù)探測(cè)器能力，在10-7～10-8為可探測(cè)的臨界值，計(jì)算得出本系統(tǒng)被探測(cè)距離約為20 km，遠(yuǎn)小于目前80 km的被探測(cè)距離。

圖12 紅外仿真效果圖

2) 雷達(dá)隱身

通過(guò)將入射電磁波的方位角從頭部位置向腰部位置旋轉(zhuǎn)，研究頻點(diǎn)為10 GHz對(duì)彈體進(jìn)行雷達(dá)隱身特性仿真，得到的RCS結(jié)果如表2所示。

圖13 雷達(dá)仿真效果圖

表2 RCS仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明：入射角在10°至70°區(qū)間的RCS值較小，可保持在1E-4以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前0.01m2的雷達(dá)散射面積。

6.4 建議

近年來(lái)，隨著美國(guó)不斷推進(jìn)亞太平衡戰(zhàn)略，我國(guó)面臨艱巨的國(guó)土安全防務(wù)任務(wù)，同時(shí)還要積極防范來(lái)自釣魚島、臺(tái)海、南海多個(gè)海上方向的局部風(fēng)險(xiǎn)。日本不斷強(qiáng)化本土西南方向的軍備建設(shè)，旨在抗衡中國(guó)在東海方向?qū)θ毡拒娛聣毫?。臺(tái)獨(dú)勢(shì)力一直不肯放棄臺(tái)獨(dú)立場(chǎng)，不斷強(qiáng)化與美國(guó)的防衛(wèi)合作。南海問題在美國(guó)的強(qiáng)力介入束下，問題變得復(fù)雜?？罩辛α康氖褂脤⑹侵袊?guó)應(yīng)對(duì)這些戰(zhàn)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)的主要選擇手段之一。

通過(guò)開展全程隱蔽攻擊技術(shù)研究，保持空中進(jìn)攻力量的有效性，積極推進(jìn)導(dǎo)彈系統(tǒng)的高速化、隱身化、智能化，有效突破美日對(duì)我國(guó)在第一和第二島鏈的防空反導(dǎo)封鎖并實(shí)施精確和有效打擊，將是我軍當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新的重要方向之一。

7 結(jié)論

本文針對(duì)未來(lái)空戰(zhàn)的軍事需求，從隱蔽發(fā)射、高機(jī)動(dòng)滑翔、全程被動(dòng)制導(dǎo)等方向重點(diǎn)論述了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。特別是針對(duì)目前發(fā)展趨勢(shì)良好的寬波段高吸收率涂層技術(shù)、紅外窗口雷達(dá)隱身技術(shù)介紹了技術(shù)原理和方案，對(duì)縮減武器自身光電、紅外等頻段內(nèi)的目標(biāo)特征，消減敵方的探測(cè)能力，抵消敵方的信息優(yōu)勢(shì)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中取得出奇制勝的作戰(zhàn)效果提供了有關(guān)技術(shù)途徑。