稠密大气中高超声速导引头红外成像面临的机遇、挑战与对策*

易仕和，丁浩林

(国防科技大学 空天科学学院，湖南 长沙 410073)

0 引言

高超声速武器具有飞行速度快、毁伤能力大和突防能力强等特点，将在一定程度上改变敌我力量对比态势。可以想见，该技术在战场中的大量使用势必会极大地增强进攻方的突防和打击能力[1]。与此同时，从国内外高超声速武器发展现状来看，目前，如何实现高超声速武器对于多种高价值目标的精确打击问题仍旧是困扰高超声速武器作战效能充分发挥的关键之一。对于空天防御而言，高超声速武器的出现，对空天防御带来了严峻的挑战。以超高速、高精度反导对付空中高超声速来袭目标，也是主要发展方向之一。

对于红外成像制导技术而言，其主要利用红外探测器实现对于被打击目标自身辐射能量的捕获和追踪。相比于其他制导体制而言，具有制导精度高，抗无线电干扰能力强以及可昼夜作战的特点。对于较低Ma的红外制导弹头，基于红外成像制导技术为主的复合末制导已成为21世纪精确打击武器装备发展的重要趋势[2]。但是，对于稠密大气中较高Ma(Ma>3)的红外成像制导导弹，其红外成像窗口受到高温激波流场的影响诱发的气动加热以及流场扰动，导致成像目标出现畸变、模糊、抖动以及能量衰减，这些现象统称为气动光学效应[3-4]。气动光学效应引起红外成像制导精度降低，严重的甚至导致成像窗口损坏，限制了红外成像制导技术在高超声速飞行器上的应用。

本文从稠密大气中高超声速导引头红外成像面临的机遇出发，重点对红外成像制导技术在高超声速导引头上应用所面临的相关问题进行了分析，提出了以构建完善的高超声速气动光学效应模拟测试方法以及气动光学相似律理论体系为基础，通过对高超声速红外成像导引头进行多参数优化设计，并积极探索气动光学效应相关抑制方法，寻求在稠密大气中高超声速导引头红外成像的有效途径。

1 红外成像精确制导技术是高超声速武器的力量倍增器

未来高技术条件下的战争是集快速反应、高精确打击和陆、海、空、天、电为一体的新型综合作战模式。作为21世纪世界军事强国空天对抗的焦点之一，虽然高超声速武器在技术发展成熟的过程中遇到过诸多挫折，但是凭借这一技术的突破性优势，仍将成为主导未来战场胜负的关键性武器装备之一。在此背景下，集光、机、电为一体的红外成像制导技术，为各种高超声速武器打击精度提升提供了有力手段。既要飞得快，还要打得准。通过将高超声速武器的高速打击优势与红外成像制导的高精度打击优势结合，将在很大的程度上增强自身军事的控制范围以及控制能力。高超声速精确打击武器的开发与运用，将会对维护国家主权、安全和发展利益具有重要意义。

1.1 高超声速武器成为未来战争制胜的杀手锏

高超声速飞行器是指飞行速度Ma超过5(时速约6 000 km/h)的飞行器，是21世纪航空航天领域的高新技术。高超声速武器的出现，改变了传统军事斗争态势，对战场环境带来深刻影响。目前，各航空航天技术强国正在不断检验和评估高超声速武器作战效能，如图1所示为高超声速武器未来作战应用设想。

飞行速度快是高超声速武器最显著的技术特征。从发射到命中目标时间短，在一定程度上可以实现“发现即摧毁”。高速打击将极大地提高防守一方对于反应时间的要求，在一定程度上扰乱防守一方的作战节奏。传统战争中准备、部署以及战争升级等时间概念将得到根本性改变。与此同时，高超声速武器普遍具有较远的射程，可以从防区外对多种目标实施快速打击，形成覆盖全球、高度立体的作战空间。高超声速武器高速度、远射程的特点将在很大程度上消除空/天之间的界限，等效减小战场的实际物理空间距离，进而使得传统战争中部署前沿、配置纵深等空间概念模糊化。

二战中，平面防线因飞机的大量使用基本被淘汰，而隐身飞机的不断发展与运用，又使得传统雷达防空体系面临极大地风险与挑战。对于高超声速武器而言，通过将弹道导弹和飞机的技术优势充分融合，使得其既具有传统弹道导弹高飞行速度和远射程的技术特点，同时又具有传统作战飞机高机动性和轨迹不可预测的技术特点。实质上消除了传统作战飞机远程奔袭的过程，可以实现对指定远程作战区域的快速和高可信度到达。这使得现有斗争双方的攻防体系态势平衡可能被再次颠覆[5]。假如，斗争中一方率先拥有成熟的高超声速武器，那么意味着这一方将具有非对称攻击的绝对优势，进而使得现有的传统防空反导防御体系彻底失效。最终，攻防体系态势将迅速向拥有高超声速武器的一方倾斜[6]。

巨大的作战优势和战争潜力使得高超声速武器引起了世界各军事强国的极大关注，通过结合本国技术基础和研发能力纷纷制定出台了各自的高超声速武器发展计划，以期在未来高超声速战争中可以占据有利态势。

1.2 高超声速武器蓬勃发展并逐渐走向成熟

伴随着各国对于高超声速武器的大量投入，目前，高超声速武器已经从最初的概念和原理探索研究阶段进入了以高超声速巡航弹、高超声速滑翔弹和高超声速空天飞机为代表的具体应用技术开发甚至型号开发阶段[7-8]。2018年3月1日，俄罗斯总统普京在年度国情咨文中首次正式公布了“匕首”空射型高超声速导弹作战系统和“先锋”井射型高超声速导弹作战系统，如图2所示。前者主要采用“米格-31K”作为专用载机，最大飞行速度Ma约10，最大射程可达2 000 km，已经列装部队，并于2017年底开始正式进入战斗值班。据悉，后者最大飞行速度Ma有望超过20，最大射程推测可达10 000 km以上，并于2019年正式进入战斗值班。与此同时，俄军目前正在推进“锆石”舰射型高超声速反舰导弹的研制工作，该型导弹于2018年底完成的最新一次飞行试验结果显示，试验中导弹最大飞行速度Ma可达8，预计该型导弹将在2022年完成正式列装[9]。

图1 高超声速武器未来作战应用设想Fig.1 Application of hypersonic weapon in the future

图2 俄罗斯近期装备的高超声速武器Fig.2 Hypersonic weapons currently equipped in Russia

面对俄罗斯在高超声速武器领域取得的重大进展，为避免在这场高超声速竞赛中屈居“下风”，美国持续加大在高超声速武器研制方面投入。目前，美国在研的多型高超声速武器尚未进入到实战部署阶段。不过，根据2014年8月，美国空军科学顾问委员会公布的《高超声速飞行器技术成熟度研究》一文中宣称，大约能够在2025年前后，美军便可以装备具有战术射程的空射型高超声速武器。2016年，在给国会质询听证的书面答复中，时任美国国防部长阿什·卡特明确指出：美国国防部将在2018—2022年率先为美军欧洲司令部和太平洋司令部提供高超声速快速全球打击武器装备系统，其他战区则在2022年以后陆续装备[7]。如图3所示，为美国洛克希德马丁公司研制的AGM-183A高超声速导弹整流罩抛开后的情景。

图3 美国洛克希德马丁公司公布的 AGM-183A高超声速导弹Fig.3 AGM-183A hypersonic missile released by Lockheed Martin company

与此同时，日本防卫省于2018财年首次正式启动高超声速助推滑翔导弹的研究项目，并宣称将研发飞行速度Ma5以上的高超声速巡航导弹。作为其核武库现代化的重要组成部分，法国也将高超声速武器研发作为重中之重。目前，法国航空航天公司已经启动了多项高超声速武器相关技术研究的研发课题。印度试图通过与俄罗斯合作研制“布拉莫斯Ⅱ”型高超声速巡航导弹以掌握高超声速武器的核心技术，目前该型导弹预计飞行速度Ma可达7。通过与美国合作，澳大利亚也提出了高超声速飞行器研发构想，预计飞行速度Ma可以超过10[10]。

总体而言，目前高超声武器研制如火如荼，在高超声速武器逐渐成熟并列装部队的背景之下，人们迫切的希望可以实现高超声速飞行状态下的高精度打击，以便充分发挥高超声速武器在打击敌方高价值目标方面的巨大优势。

1.3 高超声速武器精确打击对红外成像制导技术的迫切需求

高超声速精确打击武器，可以利用其高空、高速、精确的特点，实现对于高价值时敏目标、加固目标和地下目标的有效打击。并且，一旦高超声速精确打击武器真正形成战斗力，“战略纵深”这一传统战争中的重要概念将不复存在，这意味着任何国家的重要政治、经济、军事目标都将受到极大地威胁。在目前尚无有效的高超声速武器防御体系的情况下，通过积极研发高超声速精确打击武器，拥有打击对方的能力，尽快形成对敌方的有效战略威慑便成为最重要的手段之一[11]。

目前，红外成像制导技术为核心的复合制导技术已经成为21世纪高精度制导技术最重要的发展方向之一。凭借红外成像制导技术高灵敏度、高分辨率以及强抗干扰能力的特点，将其与高超声速飞行器相结合，势必将极大地提升高超声速武器的打击精度，进而实现高超声速武器的精确打击化。

围绕实现这一目标，2014年8月，美国空军科学顾问委员会在《高超声速飞行器技术成熟度研究》一文中明确地提出：导引头和导引头集成技术在高超声速武器研发中具有最高优先级。这充分说明了美国空军已经将可以用于高超声速武器的导引头作为高超声速武器研发的重中之重。2015年1月15日，美国空军《高超声速飞行环境对光电和红外传感器的影响》一文中征询多型高超声速武器飞行传感器的设计方案，对高超声速飞行环境对于光电/红外传感器的影响进行探讨并寻求减轻该不利影响的相关对策[12]。2019年11月18日，日本防卫省在东京防务与安全设备国际博览会上发布了名为《R&D构想：致力但不限于实现多域防务力量》的中长期国防科技发展规划文件。文件称，日本计划在2030年前研发速度Ma达到5或更高的巡航导弹，其中的关键技术之一便是要使用红外成像技术以识别低反差目标，同时研发抗热红外头罩以搭载相关传感器，如图4所示。

总体而言，高超声速打击拦截武器作为本世纪空天对抗的焦点，结合红外成像制导技术实现打击高精度化的过程中虽然会遇到不少曲折，但是一旦成功，势必将成为主宰未来战场的关键力量之一。

2 气动光学效应——限制高超声速红外成像制导技术应用的瓶颈问题

对于带有红外成像探测系统的飞行器而言，其在大气层内以高超声速飞行时，受到光学头罩与其外部绕流之间相互作用的影响，会产生气动光学效应。严重的气动光学效应将会引起探测器成像出现偏移、模糊和抖动，进而使成像探测系统对目标的实际探测能力降低、探测精度下降[13]。具体而言，气动光学效应中又包含有热效应、热辐射效应和传输效应。热效应主要是指由于高超声速飞行产生的高温导致红外成像窗口透波率降低、成像窗口热变形甚至损坏，从而导致成像窗口失去工作能力。热辐射效应主要是指激波后高温流场中的气体分子和电离离子自身的红外辐射以及成像窗口受到气动加热后自身的热辐射，这些热辐射将会以成像噪声的形式减弱红外探测器的信噪比，严重的甚至将整个目标的红外信号淹没。传输效应主要是指成像窗口附近绕流密度分布具有随机高频变化的特征，使得目标红外辐射产生的光线穿过该区域后会出现偏折，致使探测器无法对目标进行有效地定位和跟踪[2]。如图5所示为传输效应引起的光学头罩瞄视误差的示意图[14]。

在实际工程实现中，气动光学效应对于红外成像制导精度的影响非常复杂，涉及了力、热、光三大要素[15]。相关研究呈现多学科交叉的特点，给这一问题的解决带来了很大的困难和挑战。

图5 传输效应引起的红外成像导引头 瞄视误差示意图Fig.5 Schematic of boresighting error of infrared imaging seeker caused by transmission effect

3 完善的气动光学效应测试能力和相似准则是解决气动光学效应的基础

构建完善的气动光学效应测试能力是获取高质量气动光学效应数据的基础。同时，高质量的气动光学效应测试数据是验证工程设计、仿真结果、耦合控制模型、材料及组件性能，最后进行杀伤力效果评估的基础。只是，很多时候测试状态并不一定能够完全复现实际的飞行状态，尤其是对于稠密大气中的高超声速飞行器而言。因此，气动光学效应相似准则的构建又变得至关重要。尽可能完善的气动光学效应测试能力耦合完备的气动光学相似准则，理论上可以较好的预测实际飞行状态气动光学效应的具体影响，进而为谋求气动光学效应的抑制和校正提供基础。

3.1 构建完善的气动光学效应模拟测试能力

受到相关项目的牵引，美国在气动光学效应实验模拟研究方面起步最早，研究范围最广，研究深度最深，并且已经部分突破了气动光学效应对于工程应用的限制。20世纪八九十年代，美国对于高超声速流动的气动光学效应研究进行了大量的研究。美国空军的阿诺德工程发展中心(Arnold engineering development center,AEDC)在这方面的研究中发挥了重要作用[16]。AEDC依托其强大的地面风洞实验系统以及气动光学效应测试设备，形成了相对比较完善的地面气动光学效应模拟实验能力[17]。如图6所示，为AEDC的工程师们进行高超声速导引头气动光学效应测试准备时的场景。美国在短时间内针对高超声速导引头气动光学效应研究投入巨大，最终收获颇丰。公开资料显示，目前相对比较成熟的多型高超声速红外成像制导拦截弹，例如THAAD、“箭-2”，主要依赖于美国多年来在高超声速气动光学效应研究中获得的技术积累。

图6 工程师正在AEDC #9风洞中进行高超声速导 引头气动光学效应测试的准备工作Fig.6 Engineers were preparing to test the aero-optical effect of the hypersonic seeker in the AEDC #9 wind tunnel

需要注意的是，这些导弹飞行高度相对较高，对应大气比较稀薄，气动光学效应相对比较弱，对成像制导精度影响相对较小。对于稠密大气中的高超声速武器而言，受到地面风洞实验模拟能力的限制，目前，稠密大气中的高超声速气动光学效应研究仍旧比较有限。不过，得益于近年来国内外风洞实验能力的不断增强，依托于具有强大实验能力的风洞构建气动光学效应模拟测试平台，着重研究稠密大气中高超声速气动光学效应对导引头成像质量的影响，对于高超声速气动光学效应研究意义重大。目前，国内气动光学效应研究在相关单位持续的支持下已经取得了诸多成果，包括初步建立了具有一定能力的气动光学效应地面测试平台，搭建了多套气动光学效应测试平台，形成了一定的气动光学效应理论体系。但是，总体而言，气动光学效应专用实验测试平台还相对匮乏，而且模拟测试能力相对较弱，从而限制了高超声速气动光学效应的进一步深入研究。

3.2 构建完备的气动光学效应相似准则

依托气动光学效应地面模拟测试装置实现对于全飞行状态高超声速飞行器气动光学效应研究是不现实的。一方面这类实验设备数量较少，很难满足大频次实验的需求；另一方面即便是实验能力如此之强的设备，也很难完全模拟所有的飞行状态。高超声速气动光学效应研究最重要的实验范围覆盖了速度1.8～4.6 km/s，高度15～46 km。这对地面实验设备提出了非常高的要求，比如，为了在等效高度23 km处实现4.3 km/s的速度，需要试验总温和总压分别达到8 000 K和280 MPa[18]。这就使得构建气动光学效应相似准则，依靠理论扩展实验包络变得至关重要。

对于高超声速飞行器而言，其飞行状态参数一般包括飞行Ma、高度以及姿态角等。飞行状态的改变，会使得成像窗口外部相关流动参数发生变化，进而导致气动光学效应发生改变。通过研究不同飞行状态参数对于气动光学效应的具体作用规律，构建完备的气动光学效应天地一致性准则，有助于合理规划高超声速飞行器红外成像制导飞行路径和姿态，具有十分重要的工程意义[3]。

4 高超声速红外成像导引头综合优化设计是降低气动光学效应的可靠途径

4.1 高超声速红外成像导引头综合降温结构设计

考虑到红外成像制导器件对于温度非常敏感，而高超声速飞行时又伴随严重的气动加热作用。为克服严重气动加热对红外成像探测的影响，必须运用一定的导引头环境控制措施以抑制气动加热导致的高温窗口热辐射和导引头内部温升。具体而言，可采用多种致冷技术，诸如：外部喷流冷却、内部通道致冷以及采用高导热硬质膜等，以减小气动加热对红外成像探测系统应用的影响[15]。如图7所示，为可供参考的常见基础热防护机制[19]。

具体而言，高速红外成像导引头受到的气动加热作用比较强烈，导致其成像窗口需要承受比低速红外成像导引头更大的气动加热量。为了减小气动加热对于窗口的影响，降低冷却系统设计难度，更多的使用侧面成像窗口而非头部共形窗口。20世纪90年代，美国针对带侧窗光学头罩进行了大量的探索，提出了包括内流道窗口冷却、制冷马赛克式窗口、外部离散缝喷流冷却、斜向喷流冷却、切向喷流冷却等多种窗口冷却方式，以实现对于高温主流的隔离[20]。如图8所示，为利用基于纳米示踪粒子的平面激光散射(Nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术获取的压力匹配(喷流出口静压与局部主流静压相等)状态下切向超声速冷却气膜流动显示结果[21]。

图7 基础热防护机制分析Fig.7 Basic thermal protection mechanism analysis

4.2 多目标优化高超声速红外成像导引头气动外形设计

在进行高超声速红外成像导引头设计时，需要耦合考虑多种设计要素的影响。包括成像制导系统，气动光学效应，头部防热，红外窗口以及气动阻力等问题。结合这些设计需求，建立了图9所示的带切向喷流高超声速红外成像导引头平面侧窗几何参数以及成像光束参数示意图[22]。

总体而言，高超声速光学头罩设计是弹头热流指标、成像系统指标、冷却性能指标、气动力学性能指标、容积率指标以及气动光学效应强弱指标综合权衡的结果。通过运用目前比较成熟的多目标优化方法，理论上可以对高超声速导引头气动外形进行优化设计，以实现上述多参数问题的最优化处理。就目前而言，除了气动光学效应强弱指标外，其他指标都已经具有相对比较成熟的理论可以指导具体设计，这也再次体现了构建气动光学效应相似准则的重要意义。

图8 切向超声速冷却气膜流动显示结果Fig.8 Flow visualization results of tangential supersonic cooling film

图9 典型带切向喷流平面侧窗几何参数以及成像光束参数示意图Fig.9 Schematic of geometric parameters and imaging beam parameters of a typical plane side window with tangential jet

4.3 基于主/被动流场控制的光传输效应抑制方法从本质上讲，气动光学效应中的光传输效应是由流场密度脉动引起的。理论上，通过抑制流场中的密度脉动，可以起到气动光学效应抑制的作用。Childs提出利用窗口横向汇聚(lateral convergence,LC)和流向弯曲(streamline curvature,SC)2种方法抑制湍流强度，进而降低密度脉动达到抑制气动光学效应的目的[23]。并利用大涡模式(large eddy simulation,LES)方法初步验证了上述2种方法在气动光学效应抑制方面的有效性。Smith and Gordeyev提出了2种抑制湍流边界层气动光学效应的方法：方法1，使用全部或部分壁面冷却的方法，实现边界层总温降低，减小边界层内密度脉动的强度，以此实现气动光学效应抑制;方法2，使用大涡破碎(Large-eddy break-up,LEBU)装置来抑制大尺寸、外层湍流结构，这些结构通常被认为是气动光学效应主要的来源[24-26]。总体而言，气动光学效应抑制方法最基本的原理便是通过各种主/被动流动控制方法实现对于密度脉动的抑制，具体体现在对于大尺度湍流结构的抑制，进而减小成像窗口绕流对于红外成像探测的影响。

5 结束语

作为21世纪世界航空航天事业发展的重要方向之一，高超声速飞行器的发展与应用将给世界军事带来重大影响，进而形成未来空天对抗新的焦点。在此背景下，高超声速武器与集光、机、电为一体的红外成像制导技术的结合，将形成各种远程高超声速红外成像制导的精确打击拦截武器，实现飞得快而且打得准，更充分发挥高超声速武器的威力。稠密大气中高超声速导引头红外成像面临着较为严重的气动光学效应，严重制约了红外成像制导技术在高超声速武器中的应用。本文重点分析了红外成像制导技术在高超声速武器红外成像精确打击中的应用，指出了该技术发展可能遇到的主要技术难点，提出了一些可供参考的解决方法。