谈谈空空导弹的制导系统

万磁王

原作者：魏楞杰  

前言
　　在如今的空战中，导弹已成为成败胜负的关键，能够尽快发现敌机并率先发射导弹，几乎就会成为最后获胜的一方。而导弹要在短促的时间内锁定快速机动的敌机，进而疾速进袭并加以摧毁，就全靠制导系统的效果了。第一代响尾蛇导弹以被动红外寻的方式寻找目标，猎杀率不甚理想，如今最新式的空空导弹在主动雷达寻的制导系统与双向数据链搭配下，被锁定的敌机很难有逃脱的机会。

导弹系统
　　所谓导弹，是指由火箭或吸气式（air-breathing）发动机，或两者混合推动，并装有某种制导装置的武器系统。事实上，任何导弹要能探测、拦截、摧毁目标，制导系统就是不可或缺的一部分。
　　在接战目标的过程中，导弹系统必须完成探测目标、追踪目标、通过制导进行拦截目标并摧毁目标等功能。

F/A-18“大黄蜂”战斗机发射AIM-7“麻雀”空空导弹

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　　导弹在接战目标时，制导系统会接收或计算所需的导航指令，引导导弹循着某种轨迹拦截目标。在一些导弹系统中，导弹本身的引导头（Seeker）和计算机自动驾驶仪（Autopilot）生成这些指令；而在另一些导弹系统里，则由发射导弹的载机通过数据链（Datalink）发送信息给飞行中的导弹，提供修正航向的指令。
　　有些导弹在不同飞行阶段会采取不同制导方式。最典型的例子是在接近目标时，以惯性导航加数据链校正飞行路径，这种导弹的制导系统主要指末端（terminal phase）攻击时的导航方式；而另外的一些导弹，则可能根据不同环境在不同的导航方式中切换，例如原本导弹以主动雷达寻的（homing）制导飞向目标进，一旦遭遇强烈的电子干扰，就转而把干扰源当做目标进行攻击（Home-on-Jam）。
　　在早期，载机发射导弹后仍要持续发送导航指令以指挥导弹。如今这种方式已属过时的技术，不但空空导弹不再使用，其它的导弹也对这种方式也大都敬谢不敏。现今大多数导弹采用的制导方式是所谓的寻的制导（Homing Guidance），导弹以自身引导头探测目标可分辨的特征，指引导弹飞向目标。在这种制导方式下，制导系统关注的只有导弹和目标这两个点，因此寻的制导也被称为二点制导（Two-Point Guidance）。
　　根据如何分辨目标，寻的制导可分为三种类型：被动寻的、半主动寻的、主动寻的。

半主动寻的、主动寻的、被动寻的模式示意图

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被动寻的制导
　　被动寻的制导中所谓的“被动”，是指导弹本身没有安装任何能辐射能量的探测器，发射导弹的载机也没有发射任何信号去指挥导弹，纯粹由导弹引导头搜索目标辐射的能量，引导导弹拦截目标。最典型的被动寻的制导是红外制导。
　　使用红外引导头的导弹通常被称为“热跟踪导弹”。红外线频率在可见光频率之下，波长介于0.8到1000微米间，比可见光长比微波短，具有可聚焦、发散、吸收、反射的特性。不论人造物体或是人体，只要能发热或维持热量，就会散发强烈的红外线。对导弹而言，其潜在目标对象一般都会反射或发射红外线，被导弹引导头探测到后就能获得目标的相对位置，进而对飞行控制面发出偏转信号。

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　　现代战斗机虽然经过了精密设计，但仍然会辐射大量红外线，其中最大的辐射源就是发动机尾喷管了，喷气式发动机的典型排气温度约为950摄氏度，开启加力时会飙升到约1700摄氏度。此外飞机在高速飞行时，蒙皮因空气摩擦也会发热。而另一个红外线的来源是阳光反射，传统的战斗机面漆约会反射阳光中60%的红外线，美国海军新式灰色漆约只会反射5-10%，F-22隐身战斗机面漆反射值为机密，但一定更低。

战斗机的几个红外辐射重点区域

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　　降低飞机红外特征的方法很多，例如：降低排气温度、以后机身或尾翼结构来掩蔽排气、机身施以特殊涂装……等，但飞机的红外特征是无法完全消除的。随着导弹引导头技术的不断进步，红外制导导弹的性能也在不断提升，早期导弹仅能追踪高热的发动机尾喷管，所以战斗机只能在敌机尾部发射导弹，而现在所谓的“全方位”导弹，可从两侧甚至迎头攻击目标。

飞机的红外特征是无法完全消除的

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红外制导单元
　　当目标辐射出足够进行探测及制导的能量时，设计出“发射后不管”（fire-and-forget）的导弹就不再是难事。红外制导系统的主要组件位于导弹鼻锥处，包括了能让特定波长红外线通过的滤光镜，以及滤光镜后方接收红外线的光学模块系统。光学模块系统的信号探测电子组件从背景噪声中分离出目标位置，再传送给计算机去产生制导指令。
　　滤光镜可抑制不需要的背景红外线，如阳光反射、地表热辐射……等。导弹使用的滤光镜分为吸收式（Absorption）及干涉式（Interference）两种，其中吸收式滤光镜允许宽带段的红外线通过，目的在于抑制阳光中的红外线；干涉式滤光镜允许通过的频段很窄，目的在排除不需要的红外线。

美国战区高空防御（THAAD）导弹的红外引导头，以先进材料制成滤光镜

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　　光学模块是红外制导系统中最复杂的一部分，其基本作用是提供目标方位信息和抑制背景红外线噪声。光学模块的表面可让红外线通过，底层结构则为不透光的特殊型态，设计非常复杂且困难，相关设计数据都被各国列为机密。

AIM-9R的WGU-19/B引导头组件

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　　以被动方式获得目标位置还有另一种方法，那就是使用阵列式（array）探测组件，不过其用于排除背景噪声的电子组件更复杂。阵列式探测组件是一种可把红外线转换成电信号的特殊装置，然后导弹计算机在对信号进行处理。探测组件分为光电导式（photoconductive）和光伏式（photovoltaic），想要了解这两种方式的运作机制，那就需要了解一些固体物理学知识了。简单地说：前者受到光照射时，电阻值会随之改变；后者则是受到光照射时，会产生电压。
　　探测组件使用哪种红外感光材料制造，需要视其在特定波长中的灵敏度而定，大部分用的是硒化物（Selenide）、锑化物（Antimonide）、碲化物（Telluride）。第一代响尾蛇导弹的老式探测器使用硫化铅（Lead Sulfide），现代典型的红外线感光材料为汞碲镉（Mercury Cadmium Telluride）或锑化铟（Indium Antimonide），这些材料在冷却的情况下性能较好，灵敏度较高，也能探测较低温的物体。典型的冷却方式包括使用高压氩气、液态氮、或是分离式斯特林（Stirling）制冷机。
　　早期的红外引导头，对喷气式发动机排气中波长4.2微米的二氧化碳红外线最为敏感，这种对3-5微米波长红外线最敏感的引导头被称为单色（single-color）引导头。现代引导头工作波长为大气吸收性最小的8-13微米，被称为双色（two-color）引导头，传统的热焰弹干扰措施要欺骗这种引导头并不容易。
　　最新一代的热跟踪导弹还使用了红外成像（IR Imaging）引导头，其中的红外线辐射成像装置有些类似数码相机用于可见光成像的电荷耦合元件（Charge Coupled Device），用一个焦平面阵列（focal plane array）成像装置来探测红外线。焦平面阵列由像素（pixel）阵列和读出电子组件两部分组成，其中对红外线敏感的像素阵列位于镜头焦距处，每个像素约20微米大小，并有铟材料做成的铟柱（indium bumps）电气接点，与黏附于像素阵列上的读出电子组件（Read Out Electronics）连接。读出电子组件把大量的像素输出信号转换成脉冲序列（pulse train），使输出信号线的数量由几万条降到一百条以下。

像素阵列与读出电子组件组成了完整的焦平面阵列组件

带铟柱的汞碲镉焦平面阵列

这是一个1024x1024的汞碲镉红外焦平面阵列

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　　焦平面阵列的信号处理和技术复杂程度远超过传统引导头，但它的优点是瞬时视野（instantaneous field-of-view）宽阔许多，排除背景噪声的能力较强，不会失误锁定太阳，同时还能分辨出多个目标和热焰弹、干扰丝…等红外线对抗措施。聚焦平面的大视野还有一个很大的好处，那就是当用头盔瞄准系统（Helmet Mounted Sight）进行目标瞄准时，可让导弹具备大离轴角度（off boresight）的接战能力。

AIM-9X引导头成像质量，传统干扰弹已经不能干扰新一代红外成像的空空导弹了

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　　焦平面阵列的另一个优点是调频（Frequency Modulation）体制。早期引导头使用调幅（Amplitude Modulation）体制来决定目标的位置，但当导弹逼近目标，目标画面变得较大时，这种方式会产生较多的噪声，使得制导误差增大。改为调频体制后就可以解决这个问题，引导头不再受到成像噪声干扰，可更清楚地辨别目标位置。
　　不过要制造高质量、高分辨率的焦平面阵列，以现有的锑化铟、汞碲镉、砷化镓铟、氧化钒……等材料而言，不是件容易的事。
　　德国最新设计的IRIS-T导弹（Infra-Red Improved Sidewinder with TVC，矢量推力控制的改进型红外响尾蛇）的制导系统就是使用锑化铟红外线传感器，搭配一部128x128像素的焦平面阵列成像引导头，提供+-90度的大离轴角度接战能力，引导头还具有高分辨率、高目标分辨能力、错误警告抑制、极高的追踪速率、智能型成像处理等特点，可抗衡新式红外对抗装置。

IRIS-T导弹的引导头