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        迎頭方向隱身導(dǎo)彈紅外輻射特性分析

        2022-02-28 12:25:40梁曉東姚林海王明歆
        應(yīng)用光學(xué) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:尾焰長(zhǎng)波探測(cè)系統(tǒng)

        梁曉東,王 佳,姚林海,劉 彤,王明歆

        (西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

        引言

        隱身導(dǎo)彈是通過(guò)控制技術(shù)降低自身的各種可被探測(cè)信息特征,從而降低被探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的概率。為了提高導(dǎo)彈的生存能力,新型導(dǎo)彈均采用了隱身設(shè)計(jì),尤其是在雷達(dá)隱身的基礎(chǔ)上開(kāi)始廣泛應(yīng)用紅外隱身技術(shù),進(jìn)一步降低導(dǎo)彈被探測(cè)的概率,有效地提高導(dǎo)彈的生存能力和突防能力[1]。紅外隱身是用于對(duì)抗紅外警戒和跟蹤設(shè)備的一種綜合性技術(shù),通過(guò)降低導(dǎo)彈的紅外輻射特性,即紅外探測(cè)器探測(cè)波段范圍內(nèi)的紅外輻射,進(jìn)而降低被紅外探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)的概率,以提高導(dǎo)彈的突防能力[2-4]。

        導(dǎo)彈的紅外隱身技術(shù)是采用屏蔽、涂低發(fā)射率涂料或控溫涂料、熱抑制等技術(shù),降低導(dǎo)彈表面和尾焰的輻射率或者溫度,從而降低或者改變導(dǎo)彈的紅外輻射特征[5-8]。目前公開(kāi)報(bào)道的隱身導(dǎo)彈有:美國(guó)AGM-158B、AGM-158C、AGM-129 等隱身導(dǎo)彈,俄羅斯Kh-59MK2、Kh-102 等隱身導(dǎo)彈,法國(guó)風(fēng)暴陰影等[9-10],其中AGM-158B、風(fēng)暴陰影已經(jīng)在敘利亞空襲中得到應(yīng)用。AGM-158C 隱身遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈(LRASM)是美軍目前最新型的多平臺(tái)發(fā)射的隱身亞音速巡航導(dǎo)彈,具有射程遠(yuǎn)、隱身性好、抗干擾能力強(qiáng)、智能化程度高等特點(diǎn),目前已經(jīng)小批量進(jìn)入美國(guó)空軍服役。

        目前國(guó)內(nèi)外大部分文獻(xiàn)主要對(duì)導(dǎo)彈紅外隱身技術(shù)的原理、技術(shù)途徑和發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行介紹和說(shuō)明,對(duì)紅外隱身技術(shù)的隱身效果尚無(wú)詳細(xì)的研究。本文以AGM-158C 導(dǎo)彈為參考,通過(guò)工程計(jì)算方法對(duì)隱身導(dǎo)彈的紅外輻射特性進(jìn)行估算,并與典型亞音速巡航導(dǎo)彈的輻射特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,研究導(dǎo)彈紅外隱身技術(shù)的隱身能力,對(duì)提高現(xiàn)有紅外探測(cè)器系統(tǒng)在探測(cè)隱身導(dǎo)彈時(shí)的性能具有一定的借鑒作用,同時(shí)可為反隱身導(dǎo)彈紅外探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

        1 隱身導(dǎo)彈紅外輻射特性分析與計(jì)算

        考慮導(dǎo)彈來(lái)襲方式,迎頭方向探測(cè)的紅外輻射是最小的,因此理論計(jì)算紅外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)來(lái)襲導(dǎo)彈的紅外輻射特性時(shí)主要分析導(dǎo)彈迎頭方向的紅外輻射。輻射來(lái)源主要有:蒙皮由于氣動(dòng)加熱引起的紅外輻射,蒙皮對(duì)周?chē)h(huán)境輻射的反射,尾焰輻射[11]。

        導(dǎo)彈尾焰紅外輻射一般集中在中波波段(3 μm~5 μm),蒙皮輻射主要集中在長(zhǎng)波波段(8 μm~14 μm)[12],所以紅外探測(cè)系統(tǒng)的工作波段也主要集中在中波和長(zhǎng)波波段。本文對(duì)AGM-158C 隱身導(dǎo)彈的紅外輻射特性計(jì)算僅考慮中波和長(zhǎng)波的輻射特性,根據(jù)英國(guó)簡(jiǎn)氏公開(kāi)資料可知,AGM-158C 導(dǎo)彈特征數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 AGM-158C 特征數(shù)據(jù)Table 1 Characteristic data of AGM-158C

        1.1 目標(biāo)蒙皮紅外輻射強(qiáng)度

        目標(biāo)飛行速度為0.9 Ma(1 馬赫≈340 m/s),根據(jù)氣動(dòng)加熱公式可以計(jì)算出目標(biāo)蒙皮駐點(diǎn)溫度,目標(biāo)蒙皮平均溫度略小于駐點(diǎn)溫度,必須進(jìn)行修正。

        1)目標(biāo)蒙皮等效溫度計(jì)算公式為

        式中:T為目標(biāo)表面蒙皮溫度,單位K;T0為環(huán)境溫度,單位K;δ為目標(biāo)蒙皮溫度等效修正系數(shù),取0.9;Ma為飛行馬赫數(shù)。

        2)黑體指定波段的光譜輻射出射度計(jì)算公式[13]為

        式中:W(λ)為黑體的光譜輻射出射度;λ為波長(zhǎng)。

        3)目標(biāo)指定波段的輻射出射度計(jì)算公式[11]為

        式中ε為目標(biāo)比輻射率。隱身導(dǎo)彈應(yīng)用低輻射率涂料時(shí)目標(biāo)比輻射率約為0.2~0.3。

        4)目標(biāo)輻射強(qiáng)度計(jì)算公式[11]為

        式中Sm為目標(biāo)輻射面積,取0.635×0.45=0.286 m2。

        假設(shè)環(huán)境溫度為25 ℃,目標(biāo)比輻射率取0.3,則導(dǎo)彈以0.9 Ma 飛行時(shí)迎頭蒙皮的紅外輻射強(qiáng)度為J(3~5)μm=0.48 W/Sr 和J(8~12)μm=5.43 W/Sr。

        1.2 目標(biāo)蒙皮反射周?chē)尘暗募t外輻射強(qiáng)度

        處于低空飛行狀態(tài)的目標(biāo)會(huì)對(duì)周?chē)尘拜椛洌ㄌ?yáng)、大氣、海面等)進(jìn)行反射,工程上將目標(biāo)反射的周?chē)尘拜椛涞刃榄h(huán)境溫度下黑體輻射的反射進(jìn)行估算。

        設(shè)目標(biāo)蒙皮的比輻射率為0.3,考慮到?jīng)]有透射時(shí)反射率取0.7,則通過(guò)計(jì)算可得目標(biāo)對(duì)環(huán)境輻射反射的紅外輻射強(qiáng)度為J(3~5)μm=0.35 W/Sr 和J(8~12)μm=7.46 W/Sr。

        1.3 目標(biāo)尾焰紅外輻射強(qiáng)度

        公開(kāi)渠道尚未見(jiàn)AGM-158C 尾焰特性的有關(guān)報(bào)道。正常情況下導(dǎo)彈的尾焰溫度與尾噴口的溫度有關(guān),計(jì)算公式為[14]

        式中:T為尾焰溫度;T1為尾噴口氣體溫度;P1為尾噴口內(nèi)氣體壓力;P為尾焰的氣體壓力;v為氣體的定壓熱容量和定容熱容量之比,取1.3。

        AGM-158C 導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)是經(jīng)過(guò)紅外隱身處理的F107-WR-105 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),取P/P1=0.4,再考慮到紅外隱身措施可以有效降低尾焰溫度ΔT,則修正計(jì)算公式為

        假定噴管排氣溫度為315 ℃,采取紅外隱身措施降低尾焰溫度為150 K,則通過(guò)公式(6)計(jì)算出隱身導(dǎo)彈尾焰的平均溫度為325 K。

        目標(biāo)等效直徑約為0.6 m,一般導(dǎo)彈尾焰直徑是彈體直徑的3 倍,即1.8 m,尾焰截面積為2.54 m2。迎頭觀察時(shí)考慮遮擋,尾焰實(shí)際有效截面積為2.26 m2。設(shè)尾焰中波比輻射率為0.3,長(zhǎng)波比輻射率為0.07,可計(jì)算得到目標(biāo)尾焰的紅外輻射強(qiáng)度為J(3~5)μm=2.93 W/Sr 和J(8~12)μm=8.9 W/Sr。

        綜上所述,在背景溫度298 K(25 ℃)時(shí)目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度約為3.76 W/Sr(中波)和21.79 W/Sr(長(zhǎng)波)。不同背景溫度下目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度如圖1所示。

        圖1 不同背景溫度下目標(biāo)的輻射強(qiáng)度曲線Fig.1 Radiation intensity curves of target under different background temperatures

        2 紅外探測(cè)能力分析

        分析與計(jì)算探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性是紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與前提。紅外探測(cè)系統(tǒng)尤其是成像探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),不僅關(guān)注目標(biāo)的輻射強(qiáng)度,更關(guān)注目標(biāo)的輻射亮度,因?yàn)榧t外警戒或跟蹤系統(tǒng)能否探測(cè)到感興趣的目標(biāo),主要取決于目標(biāo)成像像元與背景成像像元的灰度值差異。在同等背景條件下輻射亮度越大,目標(biāo)成像像元灰度值越大,目標(biāo)越容易被探測(cè)[15]。

        將上述仿真計(jì)算結(jié)果與典型未使用紅外隱身技術(shù)的亞音速導(dǎo)彈飛行時(shí)(飛行速度0.9 Ma,截面積0.1 m2)的迎頭紅外輻射特性數(shù)據(jù)[11]進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表2所示。

        表2 目標(biāo)輻射特性數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of target radiation characteristic data

        由表2 可以看出,典型亞音速導(dǎo)彈的中波尾焰輻射亮度大約是彈體的3.6 倍,長(zhǎng)波彈體輻射亮度大約是尾焰的2.3 倍。因此,紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)尾焰探測(cè)通常選用中波紅外探測(cè)器,彈體探測(cè)通常選用長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。

        從表2 還可以看出,中波彈體和尾焰的輻射均有所降低,中波尾焰輻射經(jīng)過(guò)紅外隱身措施降低明顯,隱身導(dǎo)彈的尾焰中波輻射約是亞音速導(dǎo)彈尾焰輻射的8%,這將導(dǎo)致中波紅外探測(cè)系統(tǒng)在對(duì)隱身導(dǎo)彈探測(cè)時(shí)作用距離大大降低。

        隱身導(dǎo)彈長(zhǎng)波彈體和尾焰的輻射亮度相對(duì)于亞音速導(dǎo)彈也有所降低,其中長(zhǎng)波尾焰輻射亮度經(jīng)過(guò)紅外隱身措施后降低明顯,約是亞音速導(dǎo)彈尾焰輻射亮度的17.3%,但彈體輻射仍是亞音速導(dǎo)彈的84.7%。因此對(duì)于隱身導(dǎo)彈,長(zhǎng)波紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能相對(duì)降低較小。

        3 結(jié)論

        本文對(duì)典型隱身導(dǎo)彈迎頭觀察時(shí)的紅外輻射進(jìn)行了估算和分析,分析結(jié)果表明:1)采用紅外隱身措施后,導(dǎo)彈的中、長(zhǎng)波紅外輻射均有所下降;2)在3 μm~5 μm 波段,蒙皮加熱引起的紅外輻射和蒙皮對(duì)環(huán)境反射的輻射所占比例較小,主要輻射仍來(lái)源于尾焰,但采用紅外隱身措施后尾焰溫度降低,尾焰的中波輻射明顯下降,因此探測(cè)隱身導(dǎo)彈時(shí),現(xiàn)有的中波紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能明顯下降;3)在8 μm~12 μm 波段,尾焰輻射的貢獻(xiàn)較小,可以忽略,蒙皮加熱引起的紅外輻射和蒙皮對(duì)環(huán)境反射的輻射也有所下降,但是比例不大,因此探測(cè)隱身導(dǎo)彈時(shí)現(xiàn)有的長(zhǎng)波紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能小幅下降。

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