大氣環(huán)境對(duì)制導(dǎo)炸彈的影響分析

?；埽n強(qiáng)，李明

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，制導(dǎo)炸彈具有威力大、成本低、作戰(zhàn)使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，戰(zhàn)績(jī)顯著。其地位越來(lái)越重要，并且精確制導(dǎo)炸彈的比例也在不斷提高。為了提高制導(dǎo)炸彈的命中精度，激光制導(dǎo)、紅外制導(dǎo)、電視制導(dǎo)等制導(dǎo)方式相繼出現(xiàn)，導(dǎo)引頭作為決定制導(dǎo)精度的關(guān)鍵器件，其探測(cè)和識(shí)別能力尤為重要。當(dāng)導(dǎo)引頭在制導(dǎo)炸彈飛行過(guò)程中受到外界因素影響時(shí)，會(huì)嚴(yán)重降低其探測(cè)和識(shí)別能力。隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化，制導(dǎo)炸彈的作戰(zhàn)環(huán)境也將面臨各種惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，其中大氣環(huán)境是最主要的影響因素。常見(jiàn)的雨雪、云霧、氣溶膠、太陽(yáng)光和晝夜變化等都會(huì)降低導(dǎo)引頭的性能，影響制導(dǎo)炸彈的飛行彈道和命中精度。

1 大氣環(huán)境

大氣環(huán)境是軍事活動(dòng)中最重要的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件之一。充分認(rèn)識(shí)大氣環(huán)境，對(duì)武器的研制試驗(yàn)以及順利完成作戰(zhàn)等任務(wù)具有重要意義。大氣環(huán)境中，氣溫、風(fēng)、雨、云、霧等特殊天氣以及太陽(yáng)光、晝夜變化對(duì)軍事行動(dòng)影響嚴(yán)重，經(jīng)常使制導(dǎo)炸彈在飛行過(guò)程中受到影響，這極大地限制了制導(dǎo)炸彈的作戰(zhàn)效能。只有充分了解戰(zhàn)場(chǎng)上大氣環(huán)境的特點(diǎn)，才能有效分析其對(duì)制導(dǎo)炸彈的影響，避免不利因素，提高武器的作戰(zhàn)效能[1]。

1.1 特殊天氣

通常情況下，制導(dǎo)炸彈的使用高度在海平面以上15 km左右，主要處于大氣的對(duì)流層，天氣過(guò)程也主要發(fā)生在該層，而晴空大氣對(duì)制導(dǎo)炸彈的影響較小。當(dāng)大氣環(huán)境中存在云、霧、霾、氣溶膠粒子、降水等惡劣氣象環(huán)境時(shí)，采用激光、紅外、電視等末制導(dǎo)體制的制導(dǎo)炸彈分別有以下影響。

當(dāng)大氣存在惡劣氣象環(huán)境時(shí)，會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生吸收、散射、折射等現(xiàn)象，削弱激光的能量。激光大氣透過(guò)率[2-3]通過(guò)入射光強(qiáng)和消光后光強(qiáng)的比值來(lái)確定，總的大氣透過(guò)率的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：τsc為散射透過(guò)率；τab為吸收透過(guò)率；L為傳輸距離。

大氣中的二氧化碳、水蒸氣、臭氧等分子對(duì)激光有明顯吸收作用，制導(dǎo)炸彈中應(yīng)用較多的波長(zhǎng)是1.06 μm，針對(duì)1.06 μm激光只需要考慮水蒸氣的吸收，其他分子可忽略不計(jì)。水蒸氣吸收透射率的經(jīng)驗(yàn)公式（適用于零海拔）為：

式中：ERF為誤差函數(shù)；w為水蒸氣含量；零海拔的水蒸氣含量w0=55 mm。

大氣分子和氣溶膠對(duì)激光有明顯吸收作用，大氣分子對(duì)1.06 μm的激光影響微弱，可忽略不計(jì)。氣溶膠是分散在大氣中的顆粒，最大半徑可達(dá)20 μm，一般分為三類：煙霧和云、氣溶膠、雨雪。

1) 煙霧和云引起的散射透射率為：

式中：Rv為0.55 μm激光能見(jiàn)距離；q為常數(shù)。

2) 除塵、除雜效果差。由于梗來(lái)料時(shí)裝于麻袋中，投料時(shí)梗中摻雜有大量麻繩。除塵、除雜效果不明顯，造成浸梗時(shí)水中漂浮的麻繩量大。在風(fēng)選剔除與浸梗過(guò)程中未被剔除的麻繩進(jìn)入梗處理后段，存在工藝隱患。

煙霧和云引起的散射透射率與傳輸距離、能見(jiàn)度的變化關(guān)系如圖1所示。煙霧和云引起的散射透射率隨著傳輸距離的增加而減少；相同傳輸距離時(shí)，煙霧和云引起的散射透射率隨著能見(jiàn)度的增加而增加；能見(jiàn)度小于11 km時(shí)，煙霧和云引起的散射透射率隨著能見(jiàn)度的變化較為明顯；能見(jiàn)度大于11 km時(shí)，煙霧和云引起的散射透射率隨著能見(jiàn)度的變化不太明顯。

圖1 煙霧和云引起的散射透射率與傳輸距離、能見(jiàn)度的變化關(guān)系 Fig.1 Relationship between scattering transmittance with transmission distance and visibility caused by smoke and cloud

2) 氣溶膠引起的散射透射率為：

從圖2中可以看出，氣溶膠引起的散射透射率隨著傳輸距離的增加而減少；相同傳輸距離時(shí)，氣溶膠 引起的散射透射率隨著能見(jiàn)度的增加而增加。

3) 雨雪引起的散射透射率為：

式中：δ為雨或雪的衰減系數(shù)，δ與降雨（雪）量的關(guān)系見(jiàn)表1[4]。

表1 不同天氣條件對(duì)應(yīng)的降雨和降雪量與δ的關(guān)系 Tab.1 Relationship between rainfall and snowfall and δ under different weather conditions

從圖3中可以看出，雨或雪引起的散射透射率隨著降雨（雪）量和傳輸距離的增加逐漸減小，下降非 常明顯。當(dāng)傳輸距離為2 km時(shí)，小雨（雪）對(duì)應(yīng)的散射透射率為0.87，相對(duì)較高；暴雨（雪）對(duì)應(yīng)的散射透射率為0.35，下降了59.8%。

圖3 雨或雪引起的散射透射率與傳輸距離的變化關(guān)系 Fig.3 Relationship between scattering transmittance with transmission distance caused by rain and snow

總的散射透射率為：

總的透射率為：

不同天氣情況的總透射率與傳輸距離的變化關(guān)系如圖4所示?？偟耐干渎孰S著傳輸距離的增加逐漸減小，在2～6 km之間下降非常明顯。隨著激光大氣透射率的減小，導(dǎo)引頭對(duì)激光的探測(cè)距離減小，制導(dǎo)炸彈的作戰(zhàn)效能受到影響；同時(shí)，機(jī)載照射器或地面激光指示系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離大大縮短，當(dāng)云層以及濃霧遮擋地面目標(biāo)比較嚴(yán)重時(shí)，甚至無(wú)法發(fā)現(xiàn)攻擊目標(biāo)物。

圖4 總透射率與傳輸距離的變化關(guān)系 Fig.4 Relationship between total scattering transmittance with transmission distance

制導(dǎo)炸彈導(dǎo)引頭具有記憶跟蹤功能，在一定的記憶時(shí)間內(nèi)，對(duì)云層具備一定的抗干擾能力。激光末制導(dǎo)的作用距離主要與大氣能見(jiàn)度有關(guān)，還與照射器參數(shù)（脈沖能力、脈寬）、照射距離有關(guān)。通常情況下，激光的作用距離隨著能見(jiàn)度的降低而降低。為避免激光大氣后散射對(duì)導(dǎo)引頭的影響，應(yīng)盡量將照射器與激光導(dǎo)引頭模擬器擺放在不同位置，并根據(jù)照射器的參數(shù)，估算不同能見(jiàn)度下激光的作用距離，通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，得到激光導(dǎo)引頭與照射器的最佳作用距離，從而滿足制導(dǎo)炸彈的作戰(zhàn)性能[5-7]。

1.1.2 對(duì)紅外圖像末制導(dǎo)的影響

在復(fù)雜的大氣環(huán)境中，目標(biāo)背景的紅外特性通過(guò)大氣傳輸?shù)郊t外導(dǎo)引頭時(shí)，會(huì)受到一定的衰減。研究表明[8]，在長(zhǎng)波紅外制導(dǎo)方式下，制導(dǎo)武器的作用距離可降低60%左右。通常情況下，制導(dǎo)炸彈的紅外導(dǎo)引頭采用非制冷長(zhǎng)波紅外成像導(dǎo)引頭。在惡劣的天氣條件下，長(zhǎng)波紅外成像導(dǎo)引頭的圖像對(duì)比度急劇下降，圖像質(zhì)量退化，甚至無(wú)法探測(cè)到目標(biāo)，紅外探測(cè)距離隨能見(jiàn)度的降低而降低。

對(duì)于紅外成像制導(dǎo)，大氣濕度和觀測(cè)角度是較為關(guān)鍵的因素，紅外透過(guò)率與觀測(cè)角度和濕度的變化關(guān)系如圖5所示。相對(duì)濕度越低，紅外透過(guò)率越高；紅外透過(guò)率隨著觀測(cè)角度的降低而降低。在濕度較低時(shí)，長(zhǎng)波和短波紅外均可正常工作，但在高溫高濕條件下，長(zhǎng)波紅外受水汽的吸收較嚴(yán)重，其作用距離會(huì)急劇下降；紅外探測(cè)距離隨濕度的增大而降低[9-10]。在實(shí)際作戰(zhàn)時(shí)，制導(dǎo)炸彈應(yīng)盡量避免在十分惡劣的氣象環(huán)境條件下使用，或通過(guò)任務(wù)規(guī)劃調(diào)整飛行彈道，盡量減小天氣的影響。

圖5 紅外透過(guò)率與觀測(cè)角度和濕度的變化關(guān)系 Fig.5 Relationship between infrared transmittance and observation angle and humidity

1.1.3 對(duì)電視末制導(dǎo)的影響

電視末制導(dǎo)是利用目標(biāo)反射的可見(jiàn)光信息進(jìn)行制導(dǎo)。因此，在云霧引起的能見(jiàn)度較低的天氣情況下，電視末制導(dǎo)的導(dǎo)引頭探測(cè)距離降低，使最大探測(cè)距離小于當(dāng)?shù)氐哪芤?jiàn)度，導(dǎo)致作戰(zhàn)效能明顯下降[11-12]。通過(guò)研究戰(zhàn)場(chǎng)大氣環(huán)境的衰減因數(shù)和目標(biāo)背景的反射因數(shù)等參數(shù)，以及半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)電視導(dǎo)引頭性能進(jìn)行評(píng)估，并針對(duì)性地采取有效的突防措施，增大電視導(dǎo)引頭的作用距離，從而提高制導(dǎo)炸彈的作戰(zhàn)效能。

1.2 太陽(yáng)角

太陽(yáng)角是光學(xué)制導(dǎo)武器的光軸與入射太陽(yáng)光之間的夾角，也是影響作戰(zhàn)效能的重要因素。當(dāng)太陽(yáng)光的光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，大氣能見(jiàn)度好，炸彈以順光或側(cè)順光進(jìn)入目標(biāo)，有利于提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度，便于穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)；一般在側(cè)逆光條件下，也能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。但在逆光時(shí)，背景光很強(qiáng)烈，疊加到目標(biāo)和背景上會(huì)造成對(duì)比度下降，甚至將信號(hào)淹沒(méi)，圖像呈現(xiàn)為低對(duì)比度。在實(shí)際作戰(zhàn)時(shí)，可以根據(jù)導(dǎo)引頭的參數(shù)確定制導(dǎo)炸彈正常工作的最小太陽(yáng)角。盡量滿足在末制導(dǎo)階段導(dǎo)引頭視場(chǎng)角大于最小太陽(yáng)角，才能有效地保證制導(dǎo)炸彈的命中精度。

1.3 晝夜變化

在白天，由于太陽(yáng)光的照射，目標(biāo)和背景溫度升高；而在夜晚，目標(biāo)和背景溫度逐漸降低。由于目標(biāo)和背景物理特性的不同，兩者的升溫和降溫過(guò)程也不同。在太陽(yáng)照射下，不同的地物背景（如土壤、沙漠和植被等）晝夜24 h內(nèi)的紅外輻射溫度的變化規(guī)律是不同的。不同目標(biāo)類型在冬夏兩個(gè)季節(jié)的0點(diǎn)和12點(diǎn)的溫度變化如圖6所示，夏季的溫度變化比冬季大；道路晝夜時(shí)間內(nèi)的溫度變化相對(duì)較大；橋墩晝夜時(shí)間內(nèi)的溫度變化范圍相對(duì)較小。制導(dǎo)炸彈在作戰(zhàn)使用時(shí)，可根據(jù)典型目標(biāo)和背景的參數(shù)，計(jì)算出該目標(biāo)的不可分辨率時(shí)間窗口，避開該時(shí)間段，從而保證導(dǎo)引頭的探測(cè)性能。

圖6 目標(biāo)類型在冬夏0點(diǎn)和12點(diǎn)與溫度的變化關(guān)系 Fig.6 Relationship between target types and temperature at 0 and 12 o'clock in winter and summer

2 其他環(huán)境

2.1 地理環(huán)境

影響制導(dǎo)炸彈的戰(zhàn)場(chǎng)地理環(huán)境主要包括山地、丘陵和高原等。當(dāng)制導(dǎo)炸彈攻擊的目標(biāo)處于山地、丘陵等地域時(shí)，起伏不連貫的山脊對(duì)目標(biāo)具有遮蔽作用[13]，便于敵方隱藏作戰(zhàn)意圖，導(dǎo)致制導(dǎo)炸彈的進(jìn)入方向和末制導(dǎo)時(shí)炸彈對(duì)目標(biāo)的探測(cè)受到限制，最終造成無(wú)法命中目標(biāo)。所以，在確定對(duì)該地域的目標(biāo)實(shí)施打擊任務(wù)時(shí)，要充分考慮地形對(duì)于末端炸彈彈道和末制導(dǎo)的影響。例如，可根據(jù)地形的不同，采用不同的入射角或大于該地形坡度的落角實(shí)施打擊；或提升制導(dǎo)炸彈導(dǎo)引頭的跟蹤識(shí)別能力，對(duì)山地和丘陵地域的目標(biāo)進(jìn)行反斜面攻擊[14]。

高原作戰(zhàn)時(shí)，載機(jī)的飛行高度有限，目標(biāo)高度的大幅增加，發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)高度的下降，以及高原空氣密度較低等因素，均會(huì)降低制導(dǎo)炸彈在高海拔地區(qū)的滑翔性能和末端動(dòng)能；而且在高原作戰(zhàn)時(shí)，炸彈末端的動(dòng)壓較低、阻尼小、彈體響應(yīng)慢，根據(jù)發(fā)射條件的不同，對(duì)命中精度也會(huì)有一定程度地影響。炸彈在飛行彈道上，風(fēng)的分布不斷變化，存在風(fēng)切變。風(fēng)切變的強(qiáng)度越大，對(duì)炸彈的射程偏差影響越大[15-17]。因此，應(yīng)根據(jù)高原地區(qū)的作戰(zhàn)特點(diǎn)制定制導(dǎo)炸彈的高原射表，并通過(guò)提高載機(jī)的投彈高度或投彈速度來(lái)提高制導(dǎo)炸彈的飛行穩(wěn)定性和命中精度。

2.2 城市環(huán)境

城市作戰(zhàn)環(huán)境的顯著特點(diǎn)是建筑形成的復(fù)雜地形，城市樓群產(chǎn)生了類似山地、丘陵的地貌，目標(biāo)周邊的建筑有可能會(huì)擋住載機(jī)觀察目標(biāo)的視線、炸彈末制導(dǎo)時(shí)導(dǎo)引頭的探測(cè)和炸彈的飛行彈道等。由于城市高層建筑大量使用的是玻璃幕墻，若制導(dǎo)炸彈采用激光照射，玻璃幕墻對(duì)激光產(chǎn)生透射和反射的影響，在末制導(dǎo)時(shí)會(huì)影響對(duì)目標(biāo)的命中精度。隨著城市的快速發(fā)展和建設(shè)，目標(biāo)周邊的環(huán)境不斷地發(fā)生變化，會(huì)影響紅外制導(dǎo)炸彈或電視制導(dǎo)炸彈圖像的匹配概率[18-19]。因此，在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時(shí)，要合理地規(guī)劃彈道，充分考慮目標(biāo)周邊樓群對(duì)于炸彈進(jìn)入方向的影響，使用具有大視角攻擊能力的制導(dǎo)炸彈進(jìn)行頂攻或側(cè)攻，能夠?qū)Ω邔咏ㄖ偷叵拢ò氲叵拢┠繕?biāo)進(jìn)行有效毀傷[20]。利用激光末制導(dǎo)時(shí)，合理地選擇激光照射點(diǎn)，減小光滑樓層外的玻璃材質(zhì)對(duì)激光照射光束的透射和反射的影響。利用紅外末制導(dǎo)時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)更新圖像模板，提高圖像模板的實(shí)效性，減小地面景物變化帶來(lái)的影響，從而保證紅外圖像匹配的精度。

2.3 爆炸生成物

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中還存在一些特殊因素，主要由各種爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)光、燃燒物、揚(yáng)起的煙塵、強(qiáng)沖擊波造成的大氣湍動(dòng)等組成，這極大地影響了制導(dǎo)炸彈的作戰(zhàn)效能。強(qiáng)光和熱輻射的強(qiáng)度超過(guò)導(dǎo)引頭探測(cè)器的數(shù)千倍，在1 s內(nèi)會(huì)使探測(cè)器失去作用。爆炸后的氣團(tuán)溫度高、熱量大、輻射強(qiáng)，會(huì)降低光電導(dǎo)引頭在各波段工作的探測(cè)能力。掀起的煙塵使戰(zhàn)場(chǎng)硝煙彌漫，煙幕中的微粒對(duì)激光進(jìn)行散射、吸收，從而損失了入射的光，對(duì)光電導(dǎo)引頭有遮蔽和干擾作用。實(shí)驗(yàn)表明[21]，與其他波長(zhǎng)的激光束相比，1.06 μm的激光束被吸收得最多。強(qiáng)沖擊波造成大氣湍動(dòng)，使光束波前發(fā)生畸變，造成光束漂移和圖像跳動(dòng)，使目標(biāo)圖像模糊；對(duì)激光波束，還會(huì)使束散角變大。爆炸后，目標(biāo)外形輪廓的變化，會(huì)造成紅外成像末制導(dǎo)時(shí)無(wú)法與戰(zhàn)前制備的目標(biāo)圖像模板匹配。因此，制導(dǎo)炸彈應(yīng)采用激光傳輸特性和穿透能力較好的導(dǎo)引頭。同時(shí)，在制導(dǎo)炸彈的使用上，要避免與前面的攻擊時(shí)間間隔過(guò)短，從而影響制導(dǎo)炸彈的末制導(dǎo)性能[22-23]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，大氣環(huán)境是影響制導(dǎo)炸彈的主要因素。其中，云霧、雨雪和氣溶膠粒子等特殊天氣以及逆光和晝夜變化等，能夠衰減激光的透射率，降低紅外成像導(dǎo)引頭的圖像匹配率，縮短電視導(dǎo)引頭的探測(cè)距離，使制導(dǎo)炸彈的命中精度降低。其他的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，山地、丘陵和高原等復(fù)雜地理環(huán)境以及建筑群遍布的城市環(huán)境，會(huì)影響制導(dǎo)炸彈的瞄準(zhǔn)和投放條件；散布在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的強(qiáng)光、煙塵等爆炸混合物，會(huì)遮擋和干擾制導(dǎo)炸彈的導(dǎo)引頭，使其丟失目標(biāo)。

因此，為了提高制導(dǎo)炸彈的環(huán)境適應(yīng)能力，前期需要開展試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累和戰(zhàn)前偵察、搜集作戰(zhàn)地形的情報(bào)信息，對(duì)作戰(zhàn)時(shí)間、作戰(zhàn)方式和武器裝備等進(jìn)行合理規(guī)劃，充分發(fā)揮激光、紅外、電視等導(dǎo)引頭的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不同的作戰(zhàn)任務(wù)選擇不同導(dǎo)引頭的制導(dǎo)炸彈。同時(shí)，要不斷研究突破新的制導(dǎo)技術(shù)，如復(fù)合制導(dǎo)。將兩種或多種制導(dǎo)方式結(jié)合起來(lái)，綜合單一模式的制導(dǎo)特點(diǎn)，增強(qiáng)導(dǎo)引頭的抗干擾能力，提高制導(dǎo)精度和導(dǎo)引頭的全天候使用能力，從而滿足惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行精確制導(dǎo)的作戰(zhàn)需求。