便携式防空导弹装备现状及发展趋势分析

2020-11-26钱坤龚旻陈梅娄树根

现代防御技术 2020年5期

钱坤，龚旻，陈梅，娄树根

(1.中国华腾工业有限公司，北京 100080；2.沈阳航天新乐责任有限公司，辽宁沈阳 110034)

0 引言

便携式防空导弹诞生于20世纪60年代，指由单兵或兵组携带，采用单兵肩扛发射或兵组架上发射方式的防空导弹武器系统，在多次局部战争中经受了实战考验，其体积小、质量轻、制导精度高、价格低，已成为地面部队有效的低空超低空反恐武器[1]。红外制导的便携式防空弹，采用被动制导方式，操作简单，作战隐蔽，使用灵活，已成为国际军贸市场主流产品。当前国际市场第3代便携式防空导弹主要有美国“毒刺”(Stinger RMP blockⅠ)、俄罗斯“针-S”(Igla-S)、法国的“西北风-2”(mistral-2)、中国QW-12/18/19、 FN-16等，主要技术特征是采用单通道旋转控制方式，制导方式采用多波段、多点元红外圆锥扫描制导，发动机采用发射发动机+单室双推主发动机方式，红外体制便携式防空弹在国际市场上占据了较大市场份额。

但近年来随着技术发展、战争形势的变化，第3代便携式防空弹对新出现的空中目标探测制导和目标杀伤能力不够;同时，肩扛发射方式过于单一，多任务、多平台扩展能力明显不足。2015年俄罗斯新一代VERBA“维巴”便携式防空弹已实现国际市场成交，引起了便携式防空弹装备升级换代的趋势，导致国际市场用户对便携式防空弹升级提出了新要求。本文研判国际市场用户需求，分析国内外便携式防空导弹装备现状及未来发展趋势，提出了新一代便携式防空导弹主要技术特征。

1 市场态势分析

1.1 国际用户需求分析

近年来，叙利亚、利比亚等局部热点地区战例，使国际军贸市场用户对便携式防空导弹产生了新需求动向，具体有以下几个方向：

一是能够拦截低红外特征目标。便携式防空导弹传统低空、超低空目标已发生颠覆式转变，典型空中威胁已转向隐身飞机、无人机等低红外特征目标。当前战斗机红外隐身技术不断提高，主要采用对发动机热源辐射的屏蔽、遮挡或者抑制，某型国外武装直升机采取上述措施后，红外辐射强度仅为10W/Sr左右。2017年俄军驻叙基地和2019年沙特阿美石油公司炼油厂遭遇无人机群袭击事件表明，传统制式武器拦截无人机(电动机或活塞发动机)等新型低红外特征目标明显能力不足。因此，低红外特征目标对便携式防空弹的探测、拦截能力构成了较大挑战。

二是能有效对抗红外干扰。随着新型红外诱饵弹、定向红外干扰系统的应用，便携式防空导弹作战效果受到严重威胁[2]。战机可以利用高强度、多批次、连续投放红外诱饵，这对点源制导的便携式防空弹形成了严重干扰，以至于无法跟踪目标。

三是增加多任务、多平台扩展功能。该类型导弹除具有传统单兵肩扛发射能力外还能搭载于有/无人机载、舰载、车载平台，同时具备对小型无人机、地面轻型机动目标、海面高速小艇等新目标类型的打击能力。

1.2 国际军贸市场交易分析

根据SIPRI数据，2009-2018年，国际军贸市场便携式防空弹交易量近1.73万枚，其中，俄罗斯产品交易量10 137枚[3-4]，同期该类产品国际市场销售占比58.6%。美国蒂尔集团预测数据显示，2019-2023 年，便携式防空弹需求约10 210枚，其中年度预测数量分别为2 160，1 910，2 010，2 060和2 070枚，年均2 042枚，总体需求平稳。值得注意的是，蒂尔集团将年均1 200枚的便携式防空弹出口数量定位在俄罗斯产品上，俄制“维巴”便携式防空弹未来的国际市场份额不容小觑。由此可见，一是俄罗斯红外制导体制的便携式防空弹产品在国际军贸市场上仍是主流；二是国际军贸市场未来5年对便携式防空弹总体需求平稳，我国缺少一型新型多用途灵巧便携式防空弹。

1.3 国内外便携式防空弹技术性能对比分析

本文对当前国际军贸市场上主流红外制导便携式防空弹技术水平进行了对比分析[5-14]，分析结果如表1所示。

通过上表1中分析，可以得出以下结论：一是国内便携式防空弹与国际上主流产品(除“VERBA”外)技术水平相当；二是俄罗斯推出的新一代便携式防空弹“VERBA”在低红外特性目标探测能力、多波段抗干扰能力、战斗部威力等方面均优于我国同类产品,性能比“Igla-S”有所提升，但是仍属于三代产品的改进升级，与国际用户对未来近程/末端防空作战要求仍有一定差距。

2 新一代便携式防空弹总体技术指标分析

根据上文分析，为应对新的威胁、满足国际用户未来末端防御作战需求，同时应对当前及未来国际军贸市场上同类型产品更加激烈的竞争态势，新一代便携式防空弹主要技战术指标需满足以下技术特征：

(1) 制导探测：红外凝视成像制导，工作波段3～5 μm，成像分辨率建议不低于128×128；

(2) 目标探测能力：对典型武装直升机类的目标建议不低于10 km；

(3) 控制方式：三通道稳定控制；

(4) 作战空域:高界4 000 m，低界10 m，远界6 000 m，近界500 m；

(5) 引信类型：触发、激光近炸复合引信；

(6) 单发杀伤概率：建议优于0.8。

表1 国内外主流红外制导便携式防空弹技术性能对比Table 1 Comparison of performances of major IR guided SAM at home and aboard

新一代便携式防空弹若采用红外凝视成像体制，建议采用三通道稳定控制方式，即飞行中弹体不再旋转。该红外凝视成像导引头应具较高的空间分辨率、良好的成像像质和丰富的信息量，导引头可利用图像中的辐射强度、辐射面积、空间形态等信息进行目标和干扰识别，有较强的抗干扰能力，并且其作战空域大、战斗部威力大、具有打击红外隐身飞机、无人机、制导弹药、巡航导弹等弱小目标的能力。具备上述技战性能的新一代便携式防空弹对比上文表1所列举当前主流便携式防空弹具有较为显著的技术优势。

3 新一代便携式防空弹主要分系统技术发展趋势分析

按照上述新一代便携式防空弹主要技战术指标，下文对新一代便携式防空弹主要分系统技术发展趋势进行详细分析。

3.1 红外导引头

红外导引头采用红外凝视成像制导体制，为保证探测距离，使用制冷型红外探测器，在便携式防空弹领域基于成本及体积考虑，探测器基本采用 J-T 制冷方式，国内某型成熟产品技术参数如表2 所示,产品外形尺寸如图1所示。

表2 红外探测器主要技术参数Table 2 Main performances of IR detector

图1 国产某型J-T制冷红外探测器外形图Fig.1 Type of a domestic J-T IR detector

便携式防空弹的位标器所采用的主要类型有动力陀螺式、平台稳定式等几种。其中动力陀螺式位标器由于其体积小、成本低、结构相对简单等特点被广泛应用于小型导弹导引头，前3代便携式防空导弹导引头普遍采用该种类型位标器。新一代便携式防空弹由于采用红外凝视制导体制，不再适合采用动力陀螺式位标器结构，因此需采用其他类型位标器。

结合国内外技术发展趋势，凝视成像型导引头多采用平台稳定式位标器，此类位标器又分为框架式和滚仰式，其中方位、俯仰两自由度的框架式平台，结构简单、技术发展成熟，在国内外大量的导弹上得到应用。但由于其探测器和光学物镜必须同时随动于方位或俯仰框架才能实现较大的观察范围，受限于框架结构、光学物镜和探测器的总长度，无法在便携弹防空弹的弹径空间内实现大的轴角范围，因此需要引入运动光学元件使镜头与探测器分离，在该弹径空间内实现较大的观察视场。

滚仰式位标器结构采用滚转外框架、俯仰内框架结构，其中外框架滚转轴与弹体纵轴一致，内框架俯仰轴与外框架滚转轴正交[15]，其结构如图2所示[16]。

图2 滚仰式位标器结构示意图Fig.2 Schematic of pitch-roll coordinator

其引入滚仰式光滑环光路，光学系统前组位于内框架，光学系统后组位于外框架，探测器与弹体固连，光学系统前组与后组分离，可实现外框架N×360°滚转，内框架俯仰范围可达90°，使导引头观察视场覆盖整个前半球。滚仰式位标器在第4代空空导弹上已实际应用装备，典型代表是美军的第4代“响尾蛇”导弹AIM-9X，其是目前世界上最先进的近距空中格斗红外制导导弹之一。1996年，美军曾计划研制“毒刺”BlockⅡ便携式防空弹，其成像型红外导引头就是采用AIM-9X导弹的导引头，可探测低红外特征的巡航导弹、采用红外抑制器的直升机和无人机等目标，同时提高抗干扰能力。后由于其研制单位休斯公司被雷神公司收购等原因，该计划被美军放弃。因此，新一代便携式防空弹导引头位标器宜采用滚仰式结构，其主要技战指标如表3所示。

表3 红外导引头主要技术参数Table 3 Main performances of IR seeker

3.2 发动机

发动机建议仍采用第3代便携式防空弹普遍使用的两级发动机技术，即发射发动机和单室双推力主发动机配置。发射发动机在发射筒内即工作完毕并与主发动机分离，同时推动导弹飞出发射筒，赋予导弹初始飞行速度。同时，建议去除推进剂的有烟成分，消除发动机工作时产生的白色烟迹和明亮火焰，提高作战隐蔽性，减小作战使用人员暴露危险。

3.3 引战系统

为提高对低空突防目标、小目标的杀伤能力，引信仍建议采用触发及激光近炸复合引信，通过设计激光近炸引信光路角和起爆瞬发度，在弹目碰撞情况下触发引信优先作用，当弹目不能碰撞时，激光近炸引信作用。

战斗部根据作战任务需求，可模块化换装杀伤、爆破型或定向聚束式战斗部，通过优化整弹结构，增大战斗部装药量，以实现对地面轻型车辆、水面小艇、小型无人机等目标杀伤能力。同时具有发动机余药引爆技术，通过引爆发动机剩余装药增大对近距目标的杀伤力。

3.4 舵机系统

为适应新一代便携式防空弹三通道稳定控制方式，在原有第3代便携式防空弹上普遍采用的一对固定舵机加一对燃气/电动舵的基础上改为两对独立控制的电动舵机，提高制导控制精度。

4 关键技术及解决途径分析

新一代便携式防空弹采用红外凝视成像制导体制、三通道稳定控制方式等技术，完全不同于前3代便携式防空弹一直延续使用的多元红外扫描、旋转弹体单通道控制方式，因此也带来一些需解决的关键技术，主要有以下几点：

(1) 滚仰式位标器稳定跟踪问题

滚仰式平台导引头的一大难点就是弧顶区域的稳定与跟踪问题，是指离轴角很小时目标在导引头光轴上的微小动作，如闪烁将引起框架大幅滚转，在框架结构和框架角等都受限时，导致导引头跟不上目标。通过仿真分析可知过顶跟踪时需要滚转轴有很大的角速度和角加速度，因此在后续研制中可以采用大转速的滚转电机，同时在跟踪算法中加入卡尔曼滤波预测目标轨迹的方法避免目标进入过顶区域等措施解决弧顶区域的稳定跟踪问题。

(2) 三通道稳定控制技术

传统的便携式防空弹受限于空间体积，只能安装一对舵面及舵机，因此只能采取单通道控制方式。这种单通道控制方式的缺点是控制效率低(继电舵效率2/π，正弦舵1/2)，同时鸭式布局使舵面局部攻角大，易出现失速，极大地限制了单通道旋转控制导弹的机动能力；同时这种弹旋体制给红外凝视成像带来了消旋问题，目前解决消旋问题光学设计难度较大。为了适应红外凝视成像及提高导弹机动能力，本文所提新型便携式防空导弹采取弹体不再旋转的三通道稳定控制方式，而舵机系统小型化及稳定控制算法就将是必须解决的关键问题。在后续研制中拟采用一种基于两对舵面配合控制的三通道控制方式，能够较好解决上述问题。

(3) 抗多发红外干扰弹技术

当前战机突防一般采取连续、密集发射多发红外干扰弹的方式，可在导引头图像上形成连续、长期的遮挡和粘连，此时无法区分干扰和目标，并且无法有效检测和更新目标的位移变化率信息和辐射强度信息，因此需要采用其他方法。光流法等运动分析方法可以获取图像的速度场，速度场的中心源就是目标的位置，采取这种算法可以获取连续强遮挡导致完全无法观测到飞机目标的信息和位置，可以较好地解决抗多发红外干扰弹的问题。

(4) 多任务、多平台拓展能力

需对红外导引头和制导控制舱进行一体化设计，采用多核Soc信息处理平台，根据不同的任务及作战目标，可装订不同的跟踪识别与制导控制算法，实现多任务、多平台拓展。