迎頭方向隱身導(dǎo)彈紅外輻射特性分析

梁曉東，王 佳，姚林海，劉 彤，王明歆

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

隱身導(dǎo)彈是通過控制技術(shù)降低自身的各種可被探測信息特征，從而降低被探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的概率。為了提高導(dǎo)彈的生存能力，新型導(dǎo)彈均采用了隱身設(shè)計(jì)，尤其是在雷達(dá)隱身的基礎(chǔ)上開始廣泛應(yīng)用紅外隱身技術(shù)，進(jìn)一步降低導(dǎo)彈被探測的概率，有效地提高導(dǎo)彈的生存能力和突防能力[1]。紅外隱身是用于對抗紅外警戒和跟蹤設(shè)備的一種綜合性技術(shù)，通過降低導(dǎo)彈的紅外輻射特性，即紅外探測器探測波段范圍內(nèi)的紅外輻射，進(jìn)而降低被紅外探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)的概率，以提高導(dǎo)彈的突防能力[2-4]。

導(dǎo)彈的紅外隱身技術(shù)是采用屏蔽、涂低發(fā)射率涂料或控溫涂料、熱抑制等技術(shù)，降低導(dǎo)彈表面和尾焰的輻射率或者溫度，從而降低或者改變導(dǎo)彈的紅外輻射特征[5-8]。目前公開報(bào)道的隱身導(dǎo)彈有：美國AGM-158B、AGM-158C、AGM-129 等隱身導(dǎo)彈，俄羅斯Kh-59MK2、Kh-102 等隱身導(dǎo)彈，法國風(fēng)暴陰影等[9-10]，其中AGM-158B、風(fēng)暴陰影已經(jīng)在敘利亞空襲中得到應(yīng)用。AGM-158C 隱身遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈（LRASM）是美軍目前最新型的多平臺(tái)發(fā)射的隱身亞音速巡航導(dǎo)彈，具有射程遠(yuǎn)、隱身性好、抗干擾能力強(qiáng)、智能化程度高等特點(diǎn)，目前已經(jīng)小批量進(jìn)入美國空軍服役。

目前國內(nèi)外大部分文獻(xiàn)主要對導(dǎo)彈紅外隱身技術(shù)的原理、技術(shù)途徑和發(fā)展趨勢等進(jìn)行介紹和說明，對紅外隱身技術(shù)的隱身效果尚無詳細(xì)的研究。本文以AGM-158C 導(dǎo)彈為參考，通過工程計(jì)算方法對隱身導(dǎo)彈的紅外輻射特性進(jìn)行估算，并與典型亞音速巡航導(dǎo)彈的輻射特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，研究導(dǎo)彈紅外隱身技術(shù)的隱身能力，對提高現(xiàn)有紅外探測器系統(tǒng)在探測隱身導(dǎo)彈時(shí)的性能具有一定的借鑒作用，同時(shí)可為反隱身導(dǎo)彈紅外探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 隱身導(dǎo)彈紅外輻射特性分析與計(jì)算

考慮導(dǎo)彈來襲方式，迎頭方向探測的紅外輻射是最小的，因此理論計(jì)算紅外探測系統(tǒng)探測來襲導(dǎo)彈的紅外輻射特性時(shí)主要分析導(dǎo)彈迎頭方向的紅外輻射。輻射來源主要有：蒙皮由于氣動(dòng)加熱引起的紅外輻射，蒙皮對周圍環(huán)境輻射的反射，尾焰輻射[11]。

導(dǎo)彈尾焰紅外輻射一般集中在中波波段（3 μm～5 μm），蒙皮輻射主要集中在長波波段（8 μm～14 μm）[12]，所以紅外探測系統(tǒng)的工作波段也主要集中在中波和長波波段。本文對AGM-158C 隱身導(dǎo)彈的紅外輻射特性計(jì)算僅考慮中波和長波的輻射特性，根據(jù)英國簡氏公開資料可知，AGM-158C 導(dǎo)彈特征數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 AGM-158C 特征數(shù)據(jù)Table 1 Characteristic data of AGM-158C

1.1 目標(biāo)蒙皮紅外輻射強(qiáng)度

目標(biāo)飛行速度為0.9 Ma（1 馬赫≈340 m/s），根據(jù)氣動(dòng)加熱公式可以計(jì)算出目標(biāo)蒙皮駐點(diǎn)溫度，目標(biāo)蒙皮平均溫度略小于駐點(diǎn)溫度，必須進(jìn)行修正。

1)目標(biāo)蒙皮等效溫度計(jì)算公式為

式中：T為目標(biāo)表面蒙皮溫度，單位K；T0為環(huán)境溫度，單位K；δ為目標(biāo)蒙皮溫度等效修正系數(shù)，取0.9；Ma為飛行馬赫數(shù)。

2)黑體指定波段的光譜輻射出射度計(jì)算公式[13]為

式中：W(λ)為黑體的光譜輻射出射度；λ為波長。

3)目標(biāo)指定波段的輻射出射度計(jì)算公式[11]為

式中ε為目標(biāo)比輻射率。隱身導(dǎo)彈應(yīng)用低輻射率涂料時(shí)目標(biāo)比輻射率約為0.2～0.3。

4)目標(biāo)輻射強(qiáng)度計(jì)算公式[11]為

式中Sm為目標(biāo)輻射面積，取0.635×0.45=0.286 m2。

假設(shè)環(huán)境溫度為25 ℃，目標(biāo)比輻射率取0.3，則導(dǎo)彈以0.9 Ma 飛行時(shí)迎頭蒙皮的紅外輻射強(qiáng)度為J（3～5）μm=0.48 W/Sr 和J（8～12）μm=5.43 W/Sr。

1.2 目標(biāo)蒙皮反射周圍背景的紅外輻射強(qiáng)度

處于低空飛行狀態(tài)的目標(biāo)會(huì)對周圍背景輻射（太陽、大氣、海面等）進(jìn)行反射，工程上將目標(biāo)反射的周圍背景輻射等效為環(huán)境溫度下黑體輻射的反射進(jìn)行估算。

設(shè)目標(biāo)蒙皮的比輻射率為0.3，考慮到?jīng)]有透射時(shí)反射率取0.7，則通過計(jì)算可得目標(biāo)對環(huán)境輻射反射的紅外輻射強(qiáng)度為J（3～5）μm=0.35 W/Sr 和J（8～12）μm=7.46 W/Sr。

1.3 目標(biāo)尾焰紅外輻射強(qiáng)度

公開渠道尚未見AGM-158C 尾焰特性的有關(guān)報(bào)道。正常情況下導(dǎo)彈的尾焰溫度與尾噴口的溫度有關(guān)，計(jì)算公式為[14]

式中：T為尾焰溫度；T1為尾噴口氣體溫度；P1為尾噴口內(nèi)氣體壓力；P為尾焰的氣體壓力；v為氣體的定壓熱容量和定容熱容量之比，取1.3。

AGM-158C 導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)是經(jīng)過紅外隱身處理的F107-WR-105 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。對于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，取P/P1=0.4，再考慮到紅外隱身措施可以有效降低尾焰溫度ΔT，則修正計(jì)算公式為

假定噴管排氣溫度為315 ℃，采取紅外隱身措施降低尾焰溫度為150 K，則通過公式（6）計(jì)算出隱身導(dǎo)彈尾焰的平均溫度為325 K。

目標(biāo)等效直徑約為0.6 m，一般導(dǎo)彈尾焰直徑是彈體直徑的3 倍，即1.8 m，尾焰截面積為2.54 m2。迎頭觀察時(shí)考慮遮擋，尾焰實(shí)際有效截面積為2.26 m2。設(shè)尾焰中波比輻射率為0.3，長波比輻射率為0.07，可計(jì)算得到目標(biāo)尾焰的紅外輻射強(qiáng)度為J（3～5）μm=2.93 W/Sr 和J（8～12）μm=8.9 W/Sr。

綜上所述，在背景溫度298 K（25 ℃）時(shí)目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度約為3.76 W/Sr（中波）和21.79 W/Sr（長波）。不同背景溫度下目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 不同背景溫度下目標(biāo)的輻射強(qiáng)度曲線Fig.1 Radiation intensity curves of target under different background temperatures

2 紅外探測能力分析

分析與計(jì)算探測目標(biāo)的紅外輻射特性是紅外探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與前提。紅外探測系統(tǒng)尤其是成像探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅關(guān)注目標(biāo)的輻射強(qiáng)度，更關(guān)注目標(biāo)的輻射亮度，因?yàn)榧t外警戒或跟蹤系統(tǒng)能否探測到感興趣的目標(biāo)，主要取決于目標(biāo)成像像元與背景成像像元的灰度值差異。在同等背景條件下輻射亮度越大，目標(biāo)成像像元灰度值越大，目標(biāo)越容易被探測[15]。

將上述仿真計(jì)算結(jié)果與典型未使用紅外隱身技術(shù)的亞音速導(dǎo)彈飛行時(shí)（飛行速度0.9 Ma，截面積0.1 m2）的迎頭紅外輻射特性數(shù)據(jù)[11]進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 目標(biāo)輻射特性數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of target radiation characteristic data

由表2 可以看出，典型亞音速導(dǎo)彈的中波尾焰輻射亮度大約是彈體的3.6 倍，長波彈體輻射亮度大約是尾焰的2.3 倍。因此，紅外探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)尾焰探測通常選用中波紅外探測器，彈體探測通常選用長波紅外探測器。

從表2 還可以看出，中波彈體和尾焰的輻射均有所降低，中波尾焰輻射經(jīng)過紅外隱身措施降低明顯，隱身導(dǎo)彈的尾焰中波輻射約是亞音速導(dǎo)彈尾焰輻射的8%，這將導(dǎo)致中波紅外探測系統(tǒng)在對隱身導(dǎo)彈探測時(shí)作用距離大大降低。

隱身導(dǎo)彈長波彈體和尾焰的輻射亮度相對于亞音速導(dǎo)彈也有所降低，其中長波尾焰輻射亮度經(jīng)過紅外隱身措施后降低明顯，約是亞音速導(dǎo)彈尾焰輻射亮度的17.3%，但彈體輻射仍是亞音速導(dǎo)彈的84.7%。因此對于隱身導(dǎo)彈，長波紅外探測系統(tǒng)的探測性能相對降低較小。

3 結(jié)論

本文對典型隱身導(dǎo)彈迎頭觀察時(shí)的紅外輻射進(jìn)行了估算和分析，分析結(jié)果表明：1）采用紅外隱身措施后，導(dǎo)彈的中、長波紅外輻射均有所下降；2）在3 μm～5 μm 波段，蒙皮加熱引起的紅外輻射和蒙皮對環(huán)境反射的輻射所占比例較小，主要輻射仍來源于尾焰，但采用紅外隱身措施后尾焰溫度降低，尾焰的中波輻射明顯下降，因此探測隱身導(dǎo)彈時(shí)，現(xiàn)有的中波紅外探測系統(tǒng)的探測性能明顯下降；3）在8 μm～12 μm 波段，尾焰輻射的貢獻(xiàn)較小，可以忽略，蒙皮加熱引起的紅外輻射和蒙皮對環(huán)境反射的輻射也有所下降，但是比例不大，因此探測隱身導(dǎo)彈時(shí)現(xiàn)有的長波紅外探測系統(tǒng)的探測性能小幅下降。