?；?，韓強，李明

（湖南云箭集團有限公司，長沙 410100）

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，制導炸彈具有威力大、成本低、作戰(zhàn)使用簡單等優(yōu)點，戰(zhàn)績顯著。其地位越來越重要，并且精確制導炸彈的比例也在不斷提高。為了提高制導炸彈的命中精度，激光制導、紅外制導、電視制導等制導方式相繼出現(xiàn)，導引頭作為決定制導精度的關鍵器件，其探測和識別能力尤為重要。當導引頭在制導炸彈飛行過程中受到外界因素影響時，會嚴重降低其探測和識別能力。隨著戰(zhàn)場環(huán)境的變化，制導炸彈的作戰(zhàn)環(huán)境也將面臨各種惡劣環(huán)境的考驗，其中大氣環(huán)境是最主要的影響因素。常見的雨雪、云霧、氣溶膠、太陽光和晝夜變化等都會降低導引頭的性能，影響制導炸彈的飛行彈道和命中精度。

1 大氣環(huán)境

大氣環(huán)境是軍事活動中最重要的戰(zhàn)場環(huán)境條件之一。充分認識大氣環(huán)境，對武器的研制試驗以及順利完成作戰(zhàn)等任務具有重要意義。大氣環(huán)境中，氣溫、風、雨、云、霧等特殊天氣以及太陽光、晝夜變化對軍事行動影響嚴重，經(jīng)常使制導炸彈在飛行過程中受到影響，這極大地限制了制導炸彈的作戰(zhàn)效能。只有充分了解戰(zhàn)場上大氣環(huán)境的特點，才能有效分析其對制導炸彈的影響，避免不利因素，提高武器的作戰(zhàn)效能[1]。

1.1 特殊天氣

通常情況下，制導炸彈的使用高度在海平面以上15 km左右，主要處于大氣的對流層，天氣過程也主要發(fā)生在該層，而晴空大氣對制導炸彈的影響較小。當大氣環(huán)境中存在云、霧、霾、氣溶膠粒子、降水等惡劣氣象環(huán)境時，采用激光、紅外、電視等末制導體制的制導炸彈分別有以下影響。

當大氣存在惡劣氣象環(huán)境時，會對激光產(chǎn)生吸收、散射、折射等現(xiàn)象，削弱激光的能量。激光大氣透過率[2-3]通過入射光強和消光后光強的比值來確定，總的大氣透過率的經(jīng)驗公式為：

式中：τsc為散射透過率；τab為吸收透過率；L為傳輸距離。

大氣中的二氧化碳、水蒸氣、臭氧等分子對激光有明顯吸收作用，制導炸彈中應用較多的波長是1.06 μm，針對1.06 μm激光只需要考慮水蒸氣的吸收，其他分子可忽略不計。水蒸氣吸收透射率的經(jīng)驗公式（適用于零海拔）為：

式中：ERF為誤差函數(shù)；w為水蒸氣含量；零海拔的水蒸氣含量w0=55 mm。

大氣分子和氣溶膠對激光有明顯吸收作用，大氣分子對1.06 μm的激光影響微弱，可忽略不計。氣溶膠是分散在大氣中的顆粒，最大半徑可達20 μm，一般分為三類：煙霧和云、氣溶膠、雨雪。

1) 煙霧和云引起的散射透射率為：

式中：Rv為0.55 μm激光能見距離；q為常數(shù)。

2) 除塵、除雜效果差。由于梗來料時裝于麻袋中，投料時梗中摻雜有大量麻繩。除塵、除雜效果不明顯，造成浸梗時水中漂浮的麻繩量大。在風選剔除與浸梗過程中未被剔除的麻繩進入梗處理后段，存在工藝隱患。

煙霧和云引起的散射透射率與傳輸距離、能見度的變化關系如圖1所示。煙霧和云引起的散射透射率隨著傳輸距離的增加而減少；相同傳輸距離時，煙霧和云引起的散射透射率隨著能見度的增加而增加；能見度小于11 km時，煙霧和云引起的散射透射率隨著能見度的變化較為明顯；能見度大于11 km時，煙霧和云引起的散射透射率隨著能見度的變化不太明顯。

圖1 煙霧和云引起的散射透射率與傳輸距離、能見度的變化關系 Fig.1 Relationship between scattering transmittance with transmission distance and visibility caused by smoke and cloud

2) 氣溶膠引起的散射透射率為：

從圖2中可以看出，氣溶膠引起的散射透射率隨著傳輸距離的增加而減少；相同傳輸距離時，氣溶膠 引起的散射透射率隨著能見度的增加而增加。

3) 雨雪引起的散射透射率為：

式中：δ為雨或雪的衰減系數(shù)，δ與降雨（雪）量的關系見表1[4]。

表1 不同天氣條件對應的降雨和降雪量與δ的關系 Tab.1 Relationship between rainfall and snowfall and δ under different weather conditions

從圖3中可以看出，雨或雪引起的散射透射率隨著降雨（雪）量和傳輸距離的增加逐漸減小，下降非 常明顯。當傳輸距離為2 km時，小雨（雪）對應的散射透射率為0.87，相對較高；暴雨（雪）對應的散射透射率為0.35，下降了59.8%。

圖3 雨或雪引起的散射透射率與傳輸距離的變化關系 Fig.3 Relationship between scattering transmittance with transmission distance caused by rain and snow

總的散射透射率為：

總的透射率為：

不同天氣情況的總透射率與傳輸距離的變化關系如圖4所示。總的透射率隨著傳輸距離的增加逐漸減小，在2～6 km之間下降非常明顯。隨著激光大氣透射率的減小，導引頭對激光的探測距離減小，制導炸彈的作戰(zhàn)效能受到影響；同時，機載照射器或地面激光指示系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標的距離大大縮短，當云層以及濃霧遮擋地面目標比較嚴重時，甚至無法發(fā)現(xiàn)攻擊目標物。

圖4 總透射率與傳輸距離的變化關系 Fig.4 Relationship between total scattering transmittance with transmission distance

制導炸彈導引頭具有記憶跟蹤功能，在一定的記憶時間內(nèi)，對云層具備一定的抗干擾能力。激光末制導的作用距離主要與大氣能見度有關，還與照射器參數(shù)（脈沖能力、脈寬）、照射距離有關。通常情況下，激光的作用距離隨著能見度的降低而降低。為避免激光大氣后散射對導引頭的影響，應盡量將照射器與激光導引頭模擬器擺放在不同位置，并根據(jù)照射器的參數(shù)，估算不同能見度下激光的作用距離，通過數(shù)值仿真和試驗數(shù)據(jù)積累，得到激光導引頭與照射器的最佳作用距離，從而滿足制導炸彈的作戰(zhàn)性能[5-7]。

1.1.2 對紅外圖像末制導的影響

在復雜的大氣環(huán)境中，目標背景的紅外特性通過大氣傳輸?shù)郊t外導引頭時，會受到一定的衰減。研究表明[8]，在長波紅外制導方式下，制導武器的作用距離可降低60%左右。通常情況下，制導炸彈的紅外導引頭采用非制冷長波紅外成像導引頭。在惡劣的天氣條件下，長波紅外成像導引頭的圖像對比度急劇下降，圖像質量退化，甚至無法探測到目標，紅外探測距離隨能見度的降低而降低。

對于紅外成像制導，大氣濕度和觀測角度是較為關鍵的因素，紅外透過率與觀測角度和濕度的變化關系如圖5所示。相對濕度越低，紅外透過率越高；紅外透過率隨著觀測角度的降低而降低。在濕度較低時，長波和短波紅外均可正常工作，但在高溫高濕條件下，長波紅外受水汽的吸收較嚴重，其作用距離會急劇下降；紅外探測距離隨濕度的增大而降低[9-10]。在實際作戰(zhàn)時，制導炸彈應盡量避免在十分惡劣的氣象環(huán)境條件下使用，或通過任務規(guī)劃調整飛行彈道，盡量減小天氣的影響。

圖5 紅外透過率與觀測角度和濕度的變化關系 Fig.5 Relationship between infrared transmittance and observation angle and humidity

1.1.3 對電視末制導的影響

電視末制導是利用目標反射的可見光信息進行制導。因此，在云霧引起的能見度較低的天氣情況下，電視末制導的導引頭探測距離降低，使最大探測距離小于當?shù)氐哪芤姸龋瑢е伦鲬?zhàn)效能明顯下降[11-12]。通過研究戰(zhàn)場大氣環(huán)境的衰減因數(shù)和目標背景的反射因數(shù)等參數(shù)，以及半實物仿真實驗，對電視導引頭性能進行評估，并針對性地采取有效的突防措施，增大電視導引頭的作用距離，從而提高制導炸彈的作戰(zhàn)效能。

1.2 太陽角

太陽角是光學制導武器的光軸與入射太陽光之間的夾角，也是影響作戰(zhàn)效能的重要因素。當太陽光的光照強度強時，大氣能見度好，炸彈以順光或側順光進入目標，有利于提高目標與背景的對比度，便于穩(wěn)定跟蹤目標；一般在側逆光條件下，也能穩(wěn)定跟蹤目標。但在逆光時，背景光很強烈，疊加到目標和背景上會造成對比度下降，甚至將信號淹沒，圖像呈現(xiàn)為低對比度。在實際作戰(zhàn)時，可以根據(jù)導引頭的參數(shù)確定制導炸彈正常工作的最小太陽角。盡量滿足在末制導階段導引頭視場角大于最小太陽角，才能有效地保證制導炸彈的命中精度。

1.3 晝夜變化

在白天，由于太陽光的照射，目標和背景溫度升高；而在夜晚，目標和背景溫度逐漸降低。由于目標和背景物理特性的不同，兩者的升溫和降溫過程也不同。在太陽照射下，不同的地物背景（如土壤、沙漠和植被等）晝夜24 h內(nèi)的紅外輻射溫度的變化規(guī)律是不同的。不同目標類型在冬夏兩個季節(jié)的0點和12點的溫度變化如圖6所示，夏季的溫度變化比冬季大；道路晝夜時間內(nèi)的溫度變化相對較大；橋墩晝夜時間內(nèi)的溫度變化范圍相對較小。制導炸彈在作戰(zhàn)使用時，可根據(jù)典型目標和背景的參數(shù)，計算出該目標的不可分辨率時間窗口，避開該時間段，從而保證導引頭的探測性能。

圖6 目標類型在冬夏0點和12點與溫度的變化關系 Fig.6 Relationship between target types and temperature at 0 and 12 o'clock in winter and summer

2 其他環(huán)境

2.1 地理環(huán)境

影響制導炸彈的戰(zhàn)場地理環(huán)境主要包括山地、丘陵和高原等。當制導炸彈攻擊的目標處于山地、丘陵等地域時，起伏不連貫的山脊對目標具有遮蔽作用[13]，便于敵方隱藏作戰(zhàn)意圖，導致制導炸彈的進入方向和末制導時炸彈對目標的探測受到限制，最終造成無法命中目標。所以，在確定對該地域的目標實施打擊任務時，要充分考慮地形對于末端炸彈彈道和末制導的影響。例如，可根據(jù)地形的不同，采用不同的入射角或大于該地形坡度的落角實施打擊；或提升制導炸彈導引頭的跟蹤識別能力，對山地和丘陵地域的目標進行反斜面攻擊[14]。

高原作戰(zhàn)時，載機的飛行高度有限，目標高度的大幅增加，發(fā)射點和目標點相對高度的下降，以及高原空氣密度較低等因素，均會降低制導炸彈在高海拔地區(qū)的滑翔性能和末端動能；而且在高原作戰(zhàn)時，炸彈末端的動壓較低、阻尼小、彈體響應慢，根據(jù)發(fā)射條件的不同，對命中精度也會有一定程度地影響。炸彈在飛行彈道上，風的分布不斷變化，存在風切變。風切變的強度越大，對炸彈的射程偏差影響越大[15-17]。因此，應根據(jù)高原地區(qū)的作戰(zhàn)特點制定制導炸彈的高原射表，并通過提高載機的投彈高度或投彈速度來提高制導炸彈的飛行穩(wěn)定性和命中精度。

2.2 城市環(huán)境

城市作戰(zhàn)環(huán)境的顯著特點是建筑形成的復雜地形，城市樓群產(chǎn)生了類似山地、丘陵的地貌，目標周邊的建筑有可能會擋住載機觀察目標的視線、炸彈末制導時導引頭的探測和炸彈的飛行彈道等。由于城市高層建筑大量使用的是玻璃幕墻，若制導炸彈采用激光照射，玻璃幕墻對激光產(chǎn)生透射和反射的影響，在末制導時會影響對目標的命中精度。隨著城市的快速發(fā)展和建設，目標周邊的環(huán)境不斷地發(fā)生變化，會影響紅外制導炸彈或電視制導炸彈圖像的匹配概率[18-19]。因此，在進行任務規(guī)劃時，要合理地規(guī)劃彈道，充分考慮目標周邊樓群對于炸彈進入方向的影響，使用具有大視角攻擊能力的制導炸彈進行頂攻或側攻，能夠對高層建筑和地下（半地下）目標進行有效毀傷[20]。利用激光末制導時，合理地選擇激光照射點，減小光滑樓層外的玻璃材質對激光照射光束的透射和反射的影響。利用紅外末制導時，通過實時更新圖像模板，提高圖像模板的實效性，減小地面景物變化帶來的影響，從而保證紅外圖像匹配的精度。

2.3 爆炸生成物

戰(zhàn)場環(huán)境中還存在一些特殊因素，主要由各種爆炸產(chǎn)生的強光、燃燒物、揚起的煙塵、強沖擊波造成的大氣湍動等組成，這極大地影響了制導炸彈的作戰(zhàn)效能。強光和熱輻射的強度超過導引頭探測器的數(shù)千倍，在1 s內(nèi)會使探測器失去作用。爆炸后的氣團溫度高、熱量大、輻射強，會降低光電導引頭在各波段工作的探測能力。掀起的煙塵使戰(zhàn)場硝煙彌漫，煙幕中的微粒對激光進行散射、吸收，從而損失了入射的光，對光電導引頭有遮蔽和干擾作用。實驗表明[21]，與其他波長的激光束相比，1.06 μm的激光束被吸收得最多。強沖擊波造成大氣湍動，使光束波前發(fā)生畸變，造成光束漂移和圖像跳動，使目標圖像模糊；對激光波束，還會使束散角變大。爆炸后，目標外形輪廓的變化，會造成紅外成像末制導時無法與戰(zhàn)前制備的目標圖像模板匹配。因此，制導炸彈應采用激光傳輸特性和穿透能力較好的導引頭。同時，在制導炸彈的使用上，要避免與前面的攻擊時間間隔過短，從而影響制導炸彈的末制導性能[22-23]。

3 結語

綜合上述分析，大氣環(huán)境是影響制導炸彈的主要因素。其中，云霧、雨雪和氣溶膠粒子等特殊天氣以及逆光和晝夜變化等，能夠衰減激光的透射率，降低紅外成像導引頭的圖像匹配率，縮短電視導引頭的探測距離，使制導炸彈的命中精度降低。其他的戰(zhàn)場環(huán)境中，山地、丘陵和高原等復雜地理環(huán)境以及建筑群遍布的城市環(huán)境，會影響制導炸彈的瞄準和投放條件；散布在戰(zhàn)場環(huán)境中的強光、煙塵等爆炸混合物，會遮擋和干擾制導炸彈的導引頭，使其丟失目標。

因此，為了提高制導炸彈的環(huán)境適應能力，前期需要開展試驗數(shù)據(jù)的積累和戰(zhàn)前偵察、搜集作戰(zhàn)地形的情報信息，對作戰(zhàn)時間、作戰(zhàn)方式和武器裝備等進行合理規(guī)劃，充分發(fā)揮激光、紅外、電視等導引頭的優(yōu)勢，針對不同的作戰(zhàn)任務選擇不同導引頭的制導炸彈。同時，要不斷研究突破新的制導技術，如復合制導。將兩種或多種制導方式結合起來，綜合單一模式的制導特點，增強導引頭的抗干擾能力，提高制導精度和導引頭的全天候使用能力，從而滿足惡劣戰(zhàn)場環(huán)境下進行精確制導的作戰(zhàn)需求。