弹道目标尾焰特性探究∗

郭德阳,陈建文,吴 瑕

(1.空军预警学院研究生管理大队,湖北武汉430019;2.空军预警学院三系,湖北武汉430019;3.广州军区空军95316部队,广东广州510900)

0 引言

弹道目标(运载火箭、弹道导弹等)具有射程远、速度快、威力大等特点,极具战略威胁,而弹道目标防御系统所能提供的战略预警时间与探测装备体系紧密相关,随着攻防技术的此消彼长,弹道目标的防御正从被动段、中段向主动段延伸。

在主动段,火箭推进剂燃烧产生的热能使生成的中性气体分子发生电离,生成含有多种带电粒子的高温高压等离子体燃气,它在发动机喷管入口产生超音速等离子体流,流出喷口后进一步向外部环境膨胀,形成尾焰,尾焰回波是弹道目标在主动段特有的回波,它的特性是检测弹道目标的主要依据,对预警技术和反导技术的发展具有十分重要的意义:电离层探测仪利用尾焰回波对电离层的扰动来提供弹道目标的“有”和“无”信息[1];天波超视距雷达(Over-the-Horizon Radar,OTHR)利用尾焰回波RCS值增强的特性[2]来探测弹道目标,依据尾焰的频域特性[3]不仅能够判定弹道目标,而且可以提供它的开关机时间和大致方位;红外探测设备可以不仅根据尾焰红外图像的形状大小和灰度来判定发动机类型、工作方式[4],而且能够提高弹道目标的精确位置。

本文将重点分析它的电离层扰动特性、RCS值增强特性、频域特性和红外特性。

1 尾焰对电离层的扰动特性

尾焰释放到电离层,就相当于在电离层中注入了大量的中性气体分子。在电离层的F层,占绝对多数的O+与电子的复合系数约为10-12cm3/s,尾焰中的中性气体分子与原子性的O+交换电荷,很容易生成分子性的离子和原子O,而分子性的离子与电子的复合系数一般可以达到10-9cm3/s甚至更大,因此,F层的电子复合速度至少有3个数量级的提高,相应的电子密度就会大大减少,从而形成“人工电离层空洞”[5]。

电离层是围绕在地球外面的球形等离子体层,绝大部分属于F层,密度为103～106cm-3,峰值位于200～400 km的高空,密度大小与日期、季节、太阳周期和地理位置有关[5]。图1为IRI-2001背景电离层中的电子密度分布[6]。

图1 IRI-2001背景电离层的电子密度分布

假设尾焰的主要成分是CO2、H2O,如果在275 km的高空释放500 mol的CO2分子和2 500 mol的H2O分子。那么释放点的电子密度随时间的变化[6]如图2所示。从中可以发现,两种气体分子都致使电子密度大幅下降,10 min时,在280 km处的电子密度约为背景含量的10%～20%。相对而言CO2因分子量较大扩散较慢,但它对电子密度影响更大,30 min时形成电离层空洞的高度为H2O形成的3倍。

1961年10月19日,在东经1238维吉尼亚的Wallops发射了侦察火箭NASAST-7/P-21,该火箭发射一个73.6 Mc/s(兆周/秒)的信号,法拉第旋转效应接收设备测量得到了图3所示的电离层电子密度数据。因为接收站离发射站很近,可以近似认为信号传播的路径与火箭的飞行路径相同。

图2 释放不同物质后电离层释放点电子密度变化

推进剂刚开始燃烧,即尾焰刚形成时,尾焰在巨大的压力差作用下,像铲雪机一样把周围空气推开并取而代之,由于尾焰的电子密度比周围大气的要大,所以刚开始时,局部电子密度会变大。随着燃烧的继续,尾焰中性气体分子不断向空间扩散中和电子,局部电子密度显著下降,但是电子密度改变的大小与电子密度分布处在相同的数量级上[1]。尾焰位置向量的斜向运动会迫使传播路径慢慢的移向扭曲比较小、密度比较大的介质,它在一定的程度上修复了电离层空洞,尤其是在停止燃烧,没有尾焰的时候,电离层空洞会逐渐修复。图3为某型侦察火箭的电子密度分布[7],从图中可以看出:

(1)第三级推进剂在120 km的高处刚开始燃烧时,表面电子密度发生急剧的增长,图中虚线所示为它的密度。它产生的原因是尾焰高度离子化产生大量的电子,产生的机制与散见E层的形成一样,高度与电离层图中散见E层出现的高度保持一致。

(2)在第三级推进剂剩下的燃烧阶段,对应的高度为120～220 km之间,表面电子密度下降非常明显。

(3)第三级燃烧完到第四级点燃阶段是一个逐渐修复的阶段。

图3 某型侦察火箭的电子密度分布

1975年7月15日Moscow时间15:20分从Baikonur发射了Soyuz-19宇宙飞船,它附近的Novokazalinsk测量站测到了飞行期间的电离层的异常。图4表示了从发射前1.5 h到发射后2.5 h,尾焰对探测频率为f1=4.4 MHz和f2=4.5 MHz的有效高度、F1层和F2层的临界频率f0F1、f0F2的影响。从图中可以看到:在发射后2 h内,有效高度的波形结构变化了0.3～0.4 h,幅度缓慢下降了100 km,出现了持续2h的散见E层。尾焰对电离层的反应主要包括快速电离层反应和延迟的电离层反应。前者反应表现为f0F2值下降了1～2 MHz,200 km的动态的电离层结构的F层峰值下降50 km左右,同时出现另外的回波,后者表现为在发射后7～10 h,在电离层中能观测到回波轨迹的最低频率fmin暴涨大约2.5 MHz,第二天也可能重复出现。

尾焰对电离层的影响可以总结为:

(1)F层电子密度下降50%～80%。

(2)电子密度在大约120 km的高空急剧增加。

(3)F层的有效高度下降大约50 km。

(4)在发射后0.20～0.25 h,f0F2频率随当地时间发生波形变化,幅度变化为10%。

(5)出现寿命很短的其他回波。

图4 Novokazalinsk测量站电离层探测仪的记录

2 尾焰的RCS值增强特性

尾焰是一种电子密度很高、喘流起伏激烈、碰撞频率远比电离层高的不均匀等离子体,在空中会形成比弹体大几倍、甚至几十倍的等离子区域,作为一种处于部分电离状态的物质,具有“吸收(衰减)微波,阻(反射)HF电磁波”的特性[8]。射程为3 000 km左右的弹道导弹,其弹体物理尺寸为10～20 m[2],其RCS相当于一架小型飞机,而尾焰的长度则可达到200 m以上[2],特别是在电离层,尾焰的长度达到几千米[9],尾焰等离子体反射HF电磁波,使得弹道目标RCS增强,较弹体几何尺寸理论RCS要大1～2个数量级[2]。

不同于弹体等刚性目标,尾焰对HF电磁波的反射与一般二次散射并不相同,其产生机理有赖于气体分子电离这一过程[10]。尾焰之所以会产生较强回波,是因为尾焰的高温使周围空气中的中性分子发生电离,生成带正电的离子和带负电的电子。当HF电磁波入射到尾焰等离子体上时,这些带电等离子体就会将其反射,产生回波。

弹道目标的尾焰RCS主要由尾焰的电磁特性和体积大小所决定,电磁特性主要与电子密度有关,而体积大小则主要与周围大气压强有关,其中起着决定性作用的是周围大气的压强。

在20 km高空以下,空气分子密度数大,周围大气压强较大,尾焰的体积较小,它的RCS值较小,火箭的RCS值变化不明显;在20～100 km高空,随着海拔高度的增加,空气密度不断减小,周围大气压强不断变大,尾焰的体积也在不断变大,它的RCS值较大且不断增加,火箭的RCS变化明显;在100 km的高空以上,周围空气稀薄,接近于真空,尾焰的体积变化较小,它的RCS值也增长缓慢。因此尾焰RCS值随着海拔高度增加呈现出先是缓慢增加,然后急剧增加,最后又是缓慢增加的变化曲线。运载火箭的RCS值由弹体RCS值和尾焰RCS值两部分组成,其中弹体的RCS值保持不变,火箭RCS值的变化与尾焰RCS值的变化趋势相同,图5为某型运载火箭助推段RCS值随海拔高度的变化曲线。

图5 某型运载火箭主动段RCS

一般目标的RCS值[11]不会随着海拔高度的变化而发生显著的变化,但是弹道目标的尾焰RCS则随着海拔高度的增加不断变大,这是导弹目标尾焰特有的RCS特性,它不但可以提高雷达的检测概率,而且可以作为判定弹道目标的一个依据。

3 弹道目标尾焰的频域特性

运动目标一般可以近似为匀加速机动目标,其多普勒频率满足

式中,λ为雷达工作波长,v为目标初始速度,a为其加速度。在相干积累时间内,其多普勒频率展宽为

由于目标能量扩展而占的多普勒分辨单元数为

显然,加速度越大,相干积累时间越长,则回波多普勒频率所占单元数越多,能量越分散,频谱扩展幅度变化也相对较为突出,形成一个类似“鼓包”的波形。杂波信号同样因为能量分布不均匀而形成类似“鼓包”的波形。

尾焰的频域特性比较复杂,假设尾焰张角为θ0,入射电磁波与弹体运动方向的夹角为φ,弹体速度为v R,喷嘴处尾焰粒子相对于弹体的速度为v0,由于尾焰粒子的速度随着远离喷嘴而不断减小,因此尾焰粒子相对于弹体的速度v L位于0～v0之间,并且v L与v R的方向相反,依据图6所示几何关系,θ方向上尾焰的多普勒频移为

式中,f0为系统载频,c为光速。

由于-θ0/2≤θ≤θ0/2

因此

代入式(4)可得

显然,此时尾焰的多普勒频率具备展宽特性。

图6 某运载火箭非未向观测示意图

同时相对均匀的尾焰粒子分布使得尾焰回波的能量分布比较均匀,频谱扩展幅度变化比较均匀。图7为弹道目标尾焰和一般运动目标的频谱图。

由于尾焰比较长,它的回波信号占据的距离单元比较多。尾焰回波信号占据的距离范围较多、多普勒频率较宽、能量分布较均匀是弹道目标尾焰回波在频域的显著特征。

开关CFAR(S-CFAR)算法能够很好地抑制目标遮蔽效应和杂波边缘效应,在弹道目标尾焰回波的距离-多普勒频率图中采用十字窗结构的二维S-CFAR检测,即先在频率维上进行S-CFAR检测,然后在距离维上进行S-CFAR检测,它可以有效抑制能量分布不均匀的多普勒频率展宽和距离展宽。经过二维S-CFAR检测后,杂波被彻底抑制,一般运动目标的多普勒频率展宽和距离展宽缩小了很多,而弹道目标尾焰回波信号因为多普勒功率分布和距离功率分布均较匀,所以多普勒展宽和距离依然存在,类似于“眉毛”。二维SCFAR使弹道目标信号频率特性更加突出。

图7 不同目标类型的频谱图

4 尾焰的红外辐射特性

导弹目标尾焰的热量很高,辐射很强,接近于黑体,喷管出口处的温度高达2 000 K,它向外辐射,使周围空气温度升高,形成特定的红外图像。尾焰的主要组成成分通常是水蒸气和二氧化碳,它们的分子能级结构决定在2.7μm和4.3μm谱带的红外辐射最强。尾焰中还可能含有其他固体微粒,它们具有较强的辐射能力,和温度约等于尾焰温度的灰体辐射源的作用相同,在短波红外波段具有较强的辐射强度[12]。图8为弹道目标尾焰红外辐射频谱。

图8 弹道目标尾焰红外辐射频谱

气动加热效应会使蒙皮的温度上升几百度,随着海拔高度的增加,它在主动段红外辐射总量中占有的比例越来越多。因此必须考虑蒙皮的灰体辐射。

在低海拔高度上,尤其是在多云天气,大气将吸收尾焰的很大一部分的红外辐射,在电离层时,大气对红外辐射的吸收能力会显著下降,大气对尾焰红外辐射的影响也必须考虑,它主要包括两个方面:一是对透射率的影响,二是对目标形状和大小变化的影响。

尾焰的红外特性主要是由产生的热量和温度所决定的。导弹目标所使用的推进剂不同,产生的热量就会有所差别,它在红外图像上的灰度也不同。而火箭发动机类型、工作方式、推进剂不同,它在红外图像上的形状长短也就不同。

根据尾焰成分、各组分所占比例、温度分布、流体特性可以初步估计它的红外辐射特性。

大气是由多种不同的气体和悬浮微粒所组成。其中气体主要有氮气、氧气、氢气、氖气、二氧化碳和水蒸气等。悬浮微粒主要有泥土、灰尘、海盐、水滴以及污染物质等。

5 结束语

本文通过分析弹道目标尾焰对电离层的扰动特性、RCS特性、频域特性和红外特性,总结出尾焰具有“电离层空洞”、“RCS增加”、“频率展宽、距离展宽和能量分布均匀的频域特性”,其中“电离层空洞”的实时性较差,只能用来判定导弹目标的“有”和“无”,难以确定它的位置信息,而“RCS增加”是OTHR检测导弹目标的前提,“频域特性”不但可以用来判定导弹目标,而且可以用来确定它的位置信息,而“红外特性”不但可以判定发动机的类型、工作方式和推进剂,而且可以提高提供导弹目标的准确位置。

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