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1、拦截弹中的红外技术来源：激光与红外 王戎瑞摘要简要地叙述了红外寻的器在弹道导弹防御系统的拦截弹中的应用。关键词红外寻的器，拦截器。1前言在 1991 年的海湾战争中，弹道导弹与反弹道导弹首次在实践中作了攻防较量。尽管美国爱国者导弹成功地拦截并摧毁飞毛腿导弹弹头的效果，并不像美国军方所吹嘘的那样高，但毕竟在实践中演示了用反弹道导弹防御弹道导弹的技术可行性。为了有效地拦截并杀伤来袭的战区弹道导弹(TBM)，许多国家都采用各种先进技术和方法来提高反导拦截精度，以便在空中摧毁 TBM 弹头。当前对付来袭 TBM 弹头最为有效的手段是直接碰撞功能拦截器技术。为此，主要的是采用先进的测量手段和控制方法来提
2、高制导控制精度，在防空导弹末级动能拦截器的精确末制导技术中，在目标探测方法上，主要采用红外成像或毫米波精确探测技术，其使用视拦截阶段不同而有所不同；另外，导弹自身测量采用捷联惯导或惯导加 GPS 组合导航系统，其定位精度可达厘米级。一些世界先进国家更加重视动能拦截技术的发展，以满足在局部战争和周边战争中对付 TBM 进攻的需要。目前，战区导弹防御系统，可根据防御区域的大小和被拦截导弹所处飞行阶段不同分为三大类。第一类称为点防御系统或称末段防御系统，通常在 30km 高度以下大气层拦截 TBM，主要用于保护点目标如机场、港口和指挥中心等。爱国者导弹防御系统和海上低层防御系统、美国与德国和意大利正
3、在联合研制的“扩大的中程防空系统”(MEADS)等都属此类系统，具有反 TBM、反飞机和反巡航导弹能力。第二类称为区域防御系统或称中后段拦截系统，由于这类系统设计在大气层 30km 以上高度或大气层外 100km 以上高度拦截来袭TBM，因此也称高层防御系统。这类系统有美国战区高空区域防御(THAAD)系统和以色列与美国联合研制的箭式导弹系统，都具有防御战略弹道导弹攻击的能力。第三类称为助推段/上升段拦截系统，用于拦截刚发射不久的处于助推段的战区弹道导弹。在助推段的导弹非常容易探测和跟踪，因为目标太容易被拦截，被拦截导弹会落到导弹发射方本土上，可以保护导弹要攻击的任何地区。因此，国外都在积极研
4、究这类防御系统，包括用有人或无人飞机发射高速动能拦截弹方案和机载激光器方案。上述三种战区弹道导弹防御系统组合起来可构成各种各样的多层 TBM 防御系统，在来袭导弹整个飞行过程中对其进行多层次拦截。本文重点介绍拦截器中末制导用的红外探测和寻的技术发展现状及其趋势。2动能拦截器概况所谓动能拦截器(KI)，通常是指新一代高层拦截防空导弹的末级，它在被送到需要高度、达到需要速度并捕获目标后的末段飞行中具有独立拦截目标的能力，因此它基本包括：(1)寻的导引头，通常选用红外成像导引头或毫米波导引头；(2)导弹自身测量装置，一般采用捷联惯导或惯导加 GPS 组合导航系统；(3)制导计算机和软件；(4)制导、
5、控制执行机构，通常用轨、姿控发动机；(5)辅助杀伤装置等(根据制导精度确定要求 )。国外在研的新一代具有反导能力的防空导弹大多采用 KI 直接碰撞动能杀伤目标，为此采用先进的精确末制导控制技术和目标精确探测技术。目前 KI 上目标精确探测技术主要采用红外成像和毫米波探测技术，对于高空拦截主要采用红外成像探测技术，而对中低空拦截则较多采用毫米波探测技术。除此之外，美国还在对其他探测技术进行研究。红外探测技术包括中波或长波红外探测技术以及中、长波红外复合探测技术。美国在THAAD 的导引头上采用了中波红外探测技术，在大气层外动能拦截器 ERIS 的导引头上采用了长波红外探测技术，在大气层内外拦截器
6、 E2I 的导引头上采用中、长波红外复合探测技术。由于红外探测距离远、精度高，美国已把它视为反战术弹道导弹的一种重要探测和跟踪手段。美国还正在对紫外探测、可见光探测、激光雷达探测技术的可行性进行研究。据称，利用紫外探测空间飞行的弹道导弹比预计的要容易得多，因而将来发展轻型的紫外探测技术是有可能的。随着导弹速度的增加，紫外信号的强度也成倍增加，但要到导弹上升到5070km 时才能探测到。由于紫外探测器不需要冷却系统，它可以做得更小、更轻、更便宜。发展紫外探测可以对抗速燃导弹找到一条新的探测途径。现在紫外探测技术还处于探索研究阶段。3THAAD 系统THAAD 是美国战术导弹防御(TMD)的一项核
7、心计划，由陆军管理，其主要合同者是Lock-heed Martin 公司。现阶段的 THAAD 正处于飞行试验阶段。THAAD 作用范围从高约150km 真空空间到高约 40km 的上层大气缘，由于受到红外寻的器加热的限制，它的最大拦截距离约 200km，它不能在稠密大气层中工作，因此对于 300km 以内短程导弹防御效果不好。THAAD 采用 KI 直接动能杀伤目标。KI 采用中波红外寻的导引头对目标进行探测与跟踪，并安装在沿侧窗的伺服平台上，导引头原来采用 PtSi 凝视焦平面阵列，但因在 1997年 3 月又一次拦截导弹实验失败之后，主承包商 Lockheed Martin 公司准备改用
8、 InSb 焦平面阵列；KI 上面安装有小型激光陀螺 IMV、GPS 接收机和制导控制计算机构成组合导航系统，以精确测量 KI 的位置与姿态，并形成制导控制指令。中波红外寻的导引头对目标的精确探测与跟踪，组合导航系统对 KI 的精确测量，再加上采用轨、姿态控制发动机系统作为制导控制系统快速响应的执行元件，是保证 KI与 TBM 弹头直接碰撞的最重要手段。 THAAD 的红外导引头的指标是：瞬时视场1.5；对 TBM 弹头目标最大探测距离 42km；波段 35m；数据采样频率对探测、跟踪和拦截分别为 16Hz、 50Hz 和 100Hz。该弹在执行常规拦截任务时，首先利用惯性制导飞向地面雷达预先
9、设定的拦截点，当杀伤器弹体分离后，保护鼻锥被抛掉，使红外导引头露出来，利用红外末制导导引导弹直接碰撞目标。1996 年该项目进行了重大调整。调整后美国 BMDO 计划尽早部署有限 THAAD 能力，但将放慢整个计划，减少风险。完整的 THAAD 系统研制时间将延长到 2004 年，部署推延到 2006 年。 4箭导弹系统以色列国防和工业界正准备在 1998 年部署美以联合研制的箭导弹。计划在本世纪末使箭导弹具有完整的作战能力。以色列空军计划将箭导弹与已部署的“霍克”和爱国者防空系统一体化。如果发展顺利，那么以色列将成为世界拥有摧毁来袭导弹和对付多数导弹威胁的第一个国家。箭 2 导弹是箭导弹改进
10、型。例如，它利用美国 Amber 公司的 InSb 焦平面阵列，据报导，其捕获距离和目标鉴别能力都优于 PtSi 焦平面阵列。箭导弹中也利用在 THAAD 设计中的相同结构。Martin 公司声称，美国和以色列都关注用无人机载高速拦截武器击落助推段弹道导弹的具体技术问题，而美国已用机载激光武器进行助推段拦截试验，美以一起开发便携式战术高能激光武器，用来对付短程火箭和炮弹。5美国海军战区宽域导弹防御系统战区宽域导弹防御系统，以前称之为海军上层防御系统，它以海军 Aegis 舰为载体，用舰上 SPY-1 雷达探测导弹或用遥感器提示，一旦有足够精度的跟踪，拦截器就向预定拦截点方向发射。当拦截器离开大
11、气层后，保护盖就打开，露出了红外寻的器，并开始寻找目标。美国海军的战区宽域导弹防御系统有若干竞争性杀伤拦截器，但目前还没有一种能拦截成功。下一次拦截试验，计划在 2000 年前，并打算试验轻型大气层外射弹(LEAP)。目前 LEAP 计划的前期工作差不多完成，其中包括固体轴向级发动机与标准导弹的一体化，GPS/INS 制导系统和向 LEAP 传输目标校准数据等。下一步是将 LEAP 和第三级助推器装在标准 4A 型导弹上从装有宙斯盾系统的舰上发射。由以休斯为主和波音北美火箭动力公司联合成立设计小组，正在研究 LEAP，已设计了新的混成式 LEAP，其中休斯提供红外寻的器，火箭动力公司提供制导、
12、结构和火箭第三级分离机构。休斯公司 KV 采用长波红外寻的器；而火箭动力公司采用中波红外寻的器，对室温目标灵敏度较低。休斯公司采用 256256 元凝视型 HgCdTe 焦平面阵列，在 1995 年飞行试验中能捕获 136km 远的目标，但设计的捕获距离为 300km。新的 LEAP 计划中，采用 Block4 标准导弹，沿着比通常高度更斜的弹道飞行，以试验改进的自动驾驶仪和其他系统。LEAP 捕获试验计划在波音 767 机载监视试验台(AST)上进行，预计在 2000 年进行拦截试验。在海军和 BMDO 计划中，Block4A 导弹首先提供海军舰载战区导弹防御。红外寻的器装在 Block4A
13、 导弹内，用来终端制导，如图 1 所示，其中与新的前视射频引信和改进型侧视射频引信组合，以提高杀伤能力。为了对付反舰巡航导弹和飞机，Block4 导弹提供最佳的侧视射频引信，而其观察角可变，使得它有更大的前视角。另外，在导弹头部靠近前视半主动射频寻的器附近增加一个前视射频引信，这样就能提供更精确距离和距离速率数据。红外寻的器、Block4 中途制导和推进系统将接近生产；对冷却系统需要做改进，它使红外窗保持冷却，以便红外寻的器通过窗进行观察。导弹内有一个为红外寻的器用的制冷剂容器，还有二个大的制冷剂容器用来从红外寻的器整流罩前的槽中喷射气体，以此减弱冲击波，降低整流罩周围空气流动和温升，以达到冷
14、却整流罩的目的。此项工作在 Block4 导弹点火试验中做得十分成功。6大气层外杀伤飞行体(EKV)目前美国 BMDO 正在检查四种杀伤飞行体(KV)方案，即(1)LEAP 的 KV，由 BMDO 投资的优先发展项目，它重 4555 磅；(2)THAAD 的 KV，由陆军 /BMDO 投资，重 130 磅，这意味着飞出速度较低；(3)大气层拦截器技术(AIT)的 KV，由陆军/BMDO 投资，还没有做飞行试验；(4)EKV，由陆军/BMDO 投资，为国家级导弹防御系统而研制，重约 100 磅，也没有进行飞行试验。EKV 是国家导弹防御系统的一部分，尽管在 1997 年初试验失败而调整试验方案，
15、预计 1999 年选定合同。计划有波音北美公司和休斯导弹系统公司二家参与合同竞争。计划 1998 年和 1999 年二家公司进行一次传感器试飞和二次拦截器试验。传感器试飞需要 EKV 的寻的器，内装焦平面阵列和处理器，并且射向包含模拟再入飞行体、诱铒气球、非核再入飞行体的目标群。目标由凡登堡空军基地发射，几分钟后由垮贾林岛发送寻的器。寻的器发射后，对目标进行成像，并尽量跟踪目标。地面雷达和光学跟踪器将跟随寻的器和交会期间的目标群。传感器试飞总体上是要观察寻的器性能，收集目标特征数据。然后在地面站运用 EKV 目标鉴别处理算式进行非实时处理，以确定它们区分再入飞行体的能力。目前，EKV 计划的重
16、点是研制红外寻的器和识别软件。波音北美公司采用工作温度13K 的硅掺砷红外寻的器。该公司在发展寻的器中面临两个问题，首先，寻的器要在高噪声背景中工作，过去虽有使用硅掺砷寻的器的经验，但限于低噪声监视应用；其次，发展快速制冷和能保温的制冷器。大多数寻的器在地面就开始制冷，需要制冷约 1.5min，而EKV 飞行速度达到7km/s ，有时高达 10km/s。一旦达到制冷温度，飞行器还需要保持制冷温度约 2min 时间。波音公司采用二级 J-T 制冷器。最初在制冷器内外室都用氮制冷，而后用氢充入制冷器内室，允许在真空中膨胀，这样让氢固化，形成“冰菱体” ，然后升华，使寻的器保持恒定的低温。波音的 EKV 共有前、中、后三个舱，前舱装寻的器、数据处理器、飞行体动力分配系统和惯性测量单元(IMV)。早期的 EKV 也采用可见光传感器，作为星跟踪器，目前采用 GPS 接收机执行 IMV，以消除助推段的定位误差。波音的 EKV 曾经过多次地面试验，其中包括寻的器样机试验，飞行级试验。休斯导弹系统公司的 EKV 采用
