成像式红外诱饵弹技术的发展*

吴 涛 陈 磊

(东北电子技术研究所 锦州 121000)

1 引言

红外诱饵弹是可产生强烈红外辐射以诱骗敌方红外制导导弹脱离真实目标而跟踪红外辐射源假目标的有源光电干扰设备,是舰艇电子战系统的组成部分。按红外特性模拟情况,分为点源式红外诱饵弹和成像式红外诱饵弹两类。点源式可形成点红外诱饵假目标,对付非成像红外制导导弹较有效。成像式可模拟舰船各红外辐射波段的特性和舰船运动特征,用来诱骗成像式红外制导导弹。本文就成像式红外诱饵、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 成像式红外诱饵

成像式红外诱饵弹的红外辐射应在红外制导导弹导引头的工作波段(1～5μ m 或8～ 14μ m)上与被保护目标有相似的光谱分布,并且其有效辐射强度通常为被保护目标的5～7倍或更大。起燃时间通常为0.5s或更短。燃烧持续时间是指诱饵弹保持额定红外辐射强度的时间,燃烧持续时间应大于被保护目标(飞机、舰艇)逸出导弹导引头视场并在导弹命中诱饵弹时具有安全脱靶所需的时间。飞机用的红外诱饵弹燃烧时间较短,通常为8～12s。舰艇用的红外诱饵弹燃烧时间较长,约为40s～1min。有的舰用红外诱饵弹配有降落伞或漂浮装置,以保障有足够的燃烧时间[2]。

2.1 主要技术特性

根据红外成像制导导弹的干扰原理,成像式红外诱饵应该满足以下要求:

1)光谱特性。红外诱饵所发射的红外光谱要与被保护目标的红外光谱相似,即红外诱饵的辐射波长应与探测器的工作波长相匹配,红外诱饵的辐射能量要足够强。

光谱辐射亮度是在该方向上的单位投影面积向单位立体角发射的辐射功率。

式中,L 为光谱辐射亮度(W◦m-2◦sr-1);Δ Aθ为单位投影面积(m2);Δ P为光谱辐射功率(W);ΔΩ为单位立体角(sr)。

2)辐射对比度。红外成像制导导弹导引头能够区分目标和红外诱饵,探测的是目标和红外诱饵的辐射对比度。红外辐射对比度用辐射强度表示为:

式中,CR为目标和背景之间的对比度;CT、CB分别表示目标和背景单位面积上的辐射功率。

如果改变红外诱饵的红外辐射特性,减少目标和红外诱饵的对比度,就可以使被动式红外成像导引头受到干扰,使红外成像制导导弹难以分辨目标和红外诱饵。

3)辐射时间特性。为了对红外成像制导导弹实行有效干扰,红外诱饵必须与被保护目标同时出现在来袭红外导弹寻的器的视场内,并保持足够时间,以保证被保护目标能顺利离开红外成像制导导弹的导引头视场。

4)辐射面积特性。红外诱饵有有效辐射区域,其面积要足够大,而且要与目标图像部分融合,这样使得红外成像制导系统波门扩大,其质心坐标与目标真实质心之间造成较大偏离,或者由于目标红外辐射分布被严重破坏,使制导系统无法识别目标,从而无法进入跟踪状态,或者只能进入预测跟踪状态。

2.2 性能分析

成像式红外诱饵弹主要采用液体弹药(碳氢化合物或更复杂的化学制品)和固体弹药(Mg/PTFE材料、金属燃料和磷的水合氧化物等),由投放器从军用飞机、舰船、装甲车辆投射到距军用飞机、舰船、装甲车辆一定距离和方向的空中,经点燃迅速燃烧产生强烈的红外辐射源,形成红外假目标。

例如,凝固油料类诱饵可产生CO、CO2、H2O等物质,并发射红外辐射。CO2辐射的主要红外光谱带是 2.65～ 2.80μ m 、4.15 ～ 4.45μ m、13.0 ～17.0μ m。H2O红外辐射的主要谱带是 2.55～2.84μ m 、5.6～ 7.6μ m 、12 ～ 30μ m 。

凝固油料类诱饵与舰艇等武器装备的发动机燃料燃烧所发射的红外光谱相近,所以能较好地模拟目标热辐射性质。

燃料的燃烧率m为:

式中,ρf为燃料粒子的密度;s为燃烧的表面积;r为燃烧表明的线性衰退率,它可以由下式求得:

r=aPn(4)其中,P为周围大气的压强;n是经验常数,与样品的燃烧率相关,通常小于1;a也是经验常数。

由于运行中的诱饵其表面积所受到的滞止压强比大气压强 P多出一项(ραυ2)/2(ρα为大气密度,υ为诱饵运动速度),所以,其燃烧速率略有增加,这一点已被风洞实验所证实。

2.3 诱饵弹

成像式红外诱饵弹主要采用液体弹药(碳氢化合物或更复杂的化学制品)和固体弹药(Mg/PTFE材料、金属燃料和磷的水合氧化物等),由投放器从舰船投射到距舰船一定距离和方向的空中,经点燃迅速燃烧产生强烈的红外辐射源,形成红外假目标。红外诱饵弹在空中的布放方式有单发式和多发式两种。由于在红外制导导弹寻的器视场内,红外诱饵弹的辐射强度比舰船目标的辐射强度大得多,因而能逐渐诱骗红外寻的器偏离目标而最终跟踪诱饵弹,从而达到诱骗目的。

例如:1)美国MJU系列红外诱饵弹。该系列诱饵弹是美国为战术飞机研制可对抗先进红外导弹的新型红外诱饵弹;2)AD-7红外诱饵弹。马可尼宇航公司为美国空运司令部研制AD-7红外诱饵弹,是一种多频谱诱饵弹,采用了特殊的复合材料,可针对特定的威胁而在选定的频谱区燃烧;3)德国“巨人”(DM19)/Mk245。德国巴克◦韦尔克公司(Buck Werk)红外诱惑弹可与北约“海蚊”(Sea Gnat)兼容,现有美国名称Mk245 Mod。它按顺序和按各自设定的时间间隔(间隔时间可达20s),将5枚发射炮推进的红外弹,发射到敌方确定的距离上,使寻的器离开目标舰;4)瑞典BOL先进诱饵投放器。BOL系统,使用了成像式干扰模式的MJU-52/B红外诱饵。此诱饵由红外诱饵巨头金属表面公司研发生产。在投放时,诱饵的封装带被剥开;进入气流后,封装片在气动阻力下分开并将发光材料施放出来;MJU-52/B的自燃发光材料在气动加热下开始燃烧并驱动烟火料在空气中急剧扩散成云雾状,云团燃烧和羽烟产生了大面积、宽光谱的成像式红外干扰,将飞机的红外辐射信号遮挡住或叠加在一起。

3 发展动向

1)以色列海军订购“术士”诱饵以提升水面舰艇的反导防御能力。英国《简氏国际防务评论》2008年3月1日刊报道:以色列海军已选定拉法尔公司的“宽频打击反雷达诱饵”(Wizard,“术士”),来升级其水面主战舰艇的反导弹防御能力[3]。

目前正在利用现有的Elbit/Deseaver诱饵发射架,为以色列海军的“雷谢夫”(萨尔4)和“海兹”(萨尔4.5)级巡逻艇、“埃拉特”(萨尔5)轻护舰装备“术士”角反射器诱饵。

老式的发射架可自动识别诱饵类型,将继续安装一些箔条火箭和红外诱饵弹,但是新订购的“术士”有助于舰艇防御有箔条识别能力的雷达制导导弹。

以色列已选择115mm×920mm“长型术士”版箭载诱饵系统,它有两套角反射器,针对来袭导弹威胁,可提供良好持续的雷达引诱。此外,含单个反射器的“短型术士”直径保持不变,但长度更短,更轻便,可适应老式的发射器。这两种“术士”诱饵采用同样的方式封装在稳定翼固体推进火箭内。火箭被发射到预定高度(由发射舰艇决定)和距离上(可实时编程)之后,诱饵被展开,漂浮在空中,直到落到海面上。从最高点落下最多需要200s,而通常发射角为45°,诱饵处在海面以上100m的情况下,将耗时 40s。

由于有各种反射面,这种诱饵能以“分心”或者“诱惑”模式工作,胜过通常的寻找火焰、闪光和偏振的箔条识别算法。

2)“纳尔卡”反导诱饵系统在第100艘美国海军舰船上安装。BAE系统公司网2008年11月18日报道:BAE系统公司日前宣布,其“纳尔卡”反导诱饵系统已经实现了另一个重大节点,实现了在第100艘美国海军舰船上的安装。美国海军“希金斯”号驱逐舰(DDG-76)是第100艘安装这种反导诱饵的舰船。

“纳尔卡”是一种火箭推进的主动诱饵,用于引诱反舰导弹。这种诱饵最初由澳大利亚提出,在美国和澳大利亚合作项目中开发,它为舰船提供一种很有效的全天候防御反舰导弹的能力,同时引入了悬浮火箭、自主系统和电子技术。

BAE系统公司是“纳尔卡”反导诱饵系统合同的主合同商,负责系统设计和集成。两家美国子承包商洛◦马公司和Aerojet公司分别生产了电子战有效载荷和火箭发动机。

目前,已经有约800套“纳尔卡”系统交付澳大利亚、美国和加拿大海军,安装在120艘水面舰船上,并计划安装在未来舰船上。

3)Symetrics工业公司为美空军提供干扰弹布撒系统。美国《军事与航空航天电子学》网站2009年5月22日报道:美国Symetrics工业公司获得了一份价值350万美元的订单,将为美国空军提供AN/ALE-47干扰弹布撒系统(Countermeasures Dispenser System,CMDS)。根据一份为期5年的合同,这是该公司的第20次交付。迄今为止,该公司已经交付了9200套配件,比合同进度有所提前,总价值接近2800万美元。

AN/ALE-47 CMDS是一种电子干扰自动防御套件,能够布撒金属箔条或者诱饵弹,增强了作战飞机在地对空和空对空导弹威胁下的全天候生存能力。

该系统几乎可以集成到任何机型上,根据机组人员指定的计划,采用一种集成可重新编程计算机控制系统来布撒假目标/诱饵弹,对威胁进行电子和红外干扰,从而提高飞机的生存能力。

4)ATK发射系统公司为美空军提供红外干扰弹。美国《国防工业日报》2009年8月26日报道:美国ATK发射系统(ATK Launch Systems)公司收到了一份价值4900万美元的修订合同,将为美国空军提供MJU-62/B型干扰弹。这种干扰弹能够为飞机提供红外对抗措施,免遭热寻的导弹打击。

MJU-62/B型干扰弹是一种基于硼的红外干扰装置,由一个1×2×8in的铝盒、塑料后盖、毛毡垫圈、保险和起爆装置、塑料活塞、以及燃烧颗粒组成。该装置可以在空中由一个BBU-36/B型脉冲弹布撒和点燃。MJU-62/B型干扰弹用于AN/ALE-40型对抗布撒系统。据美国科学家联盟称,AN/ALE-40布撒系统能够为多种飞机平台提供消耗式对抗材料的存储和布撒。利用该系统,飞行员可以针对威胁的类型释放金属箔条或干扰弹,以干扰导弹对飞机的自动寻的。

金属箔条看上去就像数百万根细小的铝箔,每一根都被裁减至适当的长度,可以匹配各种雷达波长。用金属箔条对抗雷达的做法早在二战就已经被采用,该方法至今仍然对各种雷达威胁有效。干扰弹主要用于使导弹的红外跟踪装置失效。

5)瑞典直升机装备高效双频红外诱饵自保护系统。英国《防务系统日刊》2007年5月28日报道:瑞典国防器材局(FMV)授予莱茵金属集团(RWM)为瑞典空军直升机提供高效双频红外诱饵(BIRDIE)118飞机诱饵。这些诱饵将在2007年年内交付并用于未来的全球行动中。

BIRDIE诱饵是莱茵金属公司开发的专利产品,它可为直升机提供对抗先进红外制导地空导弹和空空导弹的能力,还可以有效地对抗便携式防空系统(MANPADS)的攻击。

该诱饵可通过北约任何的1×1in标准干扰发射系统发射。经北约各国使用证实,该系统可以有效地对抗先进导弹。

6)印度自行研发机载红外诱饵曳光弹。印度《印度防务在线》网站2009年8月 31日报道:印度目前正在自行研发一种保护飞机免遭热寻的导弹攻击的红外诱饵。

据报道,该型诱饵由印度国防研究发展组织(Defence and Research Development Organisation,DRDO)下属的高能材料研究实验室(High Energy Materials Research Laboratory,HEMRL)负责研发。这种红外诱饵在战斗状态下可发出与被保护飞机相似的红外辐射信号,迷惑敌方导弹的热寻的导引头从而保护飞机免遭攻击。

HEM RL官员表示,该型诱饵是根据印度空军2005年提出的相关要求而研制的。当时考虑到进口的红外诱饵价格昂贵,因而决定自行研发同类产品。目前印度自行研发的这种红外诱饵在性能上要优于同代的其它产品。

HEM RL官员同时还透露,该型红外诱饵已于2009年1月完成了地面状态下的验证测试,目前正在进行另一项重要测试以确保诱饵弹在电磁环境下不会自行触发。此外,他们还准备了150余套诱饵用于在各种极端环境条件下的进一步测试。

4 发展分析

目前,先进红外寻的器具有了一定的反对抗能力,可以区分传统红外诱饵弹和目标,其区分依据主要有[4]:1)频谱差异。例如喷气式飞机的红外辐射来自于发动机尾焰、尾喷管和蒙皮生热等,而传统红外诱饵弹是以单一的温度燃烧。对此,采用双波段红外传感器或红外/紫外传感器的寻的器可以予以区分。2)信号的时域变化。当诱饵弹出现时,寻的器可在视场内检测到信号强度迅速增加。3)气动运动差异。传统诱饵弹具有较快的气动减速,并会在重力作用下缓慢下降,真正的目标则继续水平直线飞行或进行规避机动。

为了有效地对抗先进的红外导弹,要求红外诱饵弹能更逼真地模拟目标,其发展方向是弥补红外诱饵弹与目标在上述三个方面的差异:

1)改进红外诱饵弹现用材料或开发新材料,使诱饵弹的频谱特性接近飞机的频谱特性,比如利用复合燃烧剂实现以两个或两个以上的温度燃烧,这种“冷-热”式诱饵弹无疑可以更加有效地诱骗红外寻的器。

2)控制红外诱饵弹的点燃和初始燃烧过程,以干扰红外寻的器对上升时间的判断。

3)为红外诱饵弹加装发动机或采用载机拖曳诱饵弹的方法,使诱饵弹的运动能接近于载机的运动。

5 结语

随着多光谱技术、红外成像技术、新型目标识别等技术的不断研制和开发,大载荷、大面积、高效能、宽光谱、抗识别的成像式红外诱饵日趋完善。成像式红外诱饵与其它对抗手段相结合,构成一体化复合光电对抗系统。在未来现代化战争和局部战争中,适时运用成像式红外诱饵干扰技术,对抗红外成像制导武器的袭击,就能够有效地保护自身目标的安全[5]。

[1]乔亚.红外成像制导对抗技术研究[J].激光与红外,2005(12):9～12

[2]王馨.面源红外诱饵技术特性及材料组分研究[J].光电技术应用,2007(3):11～13

[3]高勇,时家明,汪家春.红外对抗与新型红外诱饵[J].舰船电子对抗,2001(1):22～24

[4]印度自行研发机载红外诱饵曳光弹[EB/OL].每日防务快讯网,2009-09-14

[5]蒋耀庭,孙晓明.红外诱饵技术的现状与发展[J].红外技术,2001(5):26～30