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红外制导导弹的先驱——“响尾蛇”空空导弹

红外制导导弹的先驱——“响尾蛇”空空导弹
撰稿:张欣


 
在空空导弹发展史上有一款以毒蛇的名字命名的导弹,它是迄今为止生产数量最大,装备国家最多,服役时间最长、价格最低廉、实战效果最好的一型空空导弹。它,就是美国的红外制导—“响尾蛇”空空导弹。
 
空空导弹在机载武器中出现是最晚的,但发展速度却是最快的。
空空导弹主要分为红外制导型和雷达制导型两种。
雷达型空空导弹,采用雷达主动或被动寻的方式,具有攻击距离远、全天侯、全向攻击等优点。它们还可以较为方便改型为地空导弹和舰空导弹。中程拦射多使用雷达制导空空导弹。
红外制导是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身辐射的能量来实现寻地制导的技术。任何绝对温度零度以上的物体,由于原子和分子结构内部的热运动,向外界辐射包括红外波段在内的电磁波能量。红外非成像制导技术就是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身所辐射的红外能量来实现精确制导的一种技术手段。它的特点是制导精度高,不受无线电干扰的影响;可昼夜作战;由于采用被动寻的方式,攻击隐蔽性好。
红外制导型空空导弹的特点是“发射后不管”、高机动、使用简单、成本低廉等。而空战近距格斗几乎都采用红外制导空空导弹,
 
上世纪20年代,人们发现当硫化铅遭遇红外线时,电阻抗就会降低。人们把这种现象叫做光电导性。光电导性在其他波长光照下也会出现。于是产生了通过硫化铅电阻抗值的变化,计量当前红外线辐射的强度,同时根据强度强弱控制导弹飞行的想法。
第二次世界大战期间,各主要交战国都曾尝试运用光电导率原理和图像增强技术,研制专供夜间使用的红外成像显示器,以运用于各种地面战斗系统,包括坦克装甲车辆甚至狙击步枪,但不是很成功。
只有纳粹德国研制的“扳手“夜视系统最终投入生产,但因视野距离太短,中止了研制和使用。
此于此同时,德国科学家研究出一种自动化的导弹导引系统,来引导他们的“龙胆草”导弹。
“龙胆草”使用简单的探测器作导引头的核心部分,这个探测器放在一个望远镜的焦点位置,同时,导引头和望远镜组成的导弹弹体上有四个舵面。“龙胆草”导弹就是通过探测器来感知望远镜焦点的变化,进而实现控制导弹飞向目标。不过没等这种导弹研发完成,战争就结束了。
 
二战结束后,美国充分利用从德国获取的火箭技术,开发各种类型的新型导弹。
1946年,海军军械测试站开始实验新型空空导弹。最初,这个项目仅当成一个机构内部的研究项目,而经费主要靠实验室基金,志愿者的帮助甚至保险基金来维持开发。
1951年,这种新型空空导弹被展示给海军军械局的代表时,它的性能已经十分不错,第二年该型武器按照指定流程受到了官方代号。
新型空空导弹在德国“龙胆草”导弹的基础上,进行了许多大胆的创新。
首先,导引头结构酷似人眼的结构。其使用一个矩形透镜替代了“龙胆草”导弹控制系统中原有的“操舵”镜,前者被安装在响尾蛇导弹的头部,其对角线交点被垂直固定在导弹轴线上,透镜可以围绕这个圆心水平转动。
红外线感应器则被安装在透镜的后方。当透镜平面的长轴、导弹的中轴线从目标通过镜片折射到红外感应器的红外线处于一个平面时,目标发射的红外线就可能被红外线感应器感知。因此透镜折射目标热辐射到达红外线感应器的连线和导弹中轴线之间夹角可以引导导弹飞向目标所在大致方向。
新型空空导弹探测到的目标偏离导弹轴线的角度大小,取决于目标热辐射到达透镜时,其折射点距离透镜边缘有多远。如果目标距离透镜固定轴很远,被红外线感应器捕捉到的目标红外辐射肯定是通过接近透镜边缘的区域折射来的,反之会落在透镜中央。由于透镜以固定角速度围绕导弹中轴作自旋,所以当目标发出红外线落在透镜边缘的时候,在角速度一定的情况下,透镜边缘自旋的线速度肯定会很快,反之红外线折射点处于镜子中央的时候,线速度会很慢。目标离轴角度可以根据透镜上折射红外线持续时间长短被估算出来。
这种新型空空导弹的结构十分简单,而性能却又比空军开发AIM-4猎鹰导弹可靠。
1953年9月,测试型号XAAM-N-7成功试射,这就是后来的AIM-9A。
1956年,最初的生产型号—AAM-N-7正式投入使用,并将其命名为“响尾蛇”。
响尾蛇是生活在美洲沙漠里的一种毒蛇,它的头部具有对热能十分敏感的器官,用于发现目标。当它发起攻击时,尾巴竖起,抖动作响。用"响尾蛇"命名这种导弹可以说是名符其实。
 
"响尾蛇"空空导弹,长2.87米,弹径0.127米,射程18.53千米,最大飞行速度每秒850米,全弹品质不同型号差别很大,B型最小,为75千克,D型最大为89千克,最大有效射程迎头攻击不大于12千米,尾追攻击约7千米。
该弹采用鸭式气动布局,全弹由制导控制舱、引信与战斗部、动力装置、弹翼和舵面所组成。采用普通装药的破片杀伤战斗部,用来摧毁目标。
该型导弹采用红外寻的制导,探测距离和灵敏度有很大提高,选用镭射引信,提高了炸点精确度,既具有近距离格斗的能力,又能全方向、全高度、全天候作战。
 
导引控制段主要用来控制导弹飞行。最前端是红外线探头,包括旋转标线、反射镜、四个光敏电阻元件、电动马达还有电枢。红外线探头被布置在导弹弹头的球形玻璃罩内。探头之后是导弹控制系统:包括数据采集、信号分析、直到最终生成控制信号来引导导弹飞行。
导引控制段后面是目标探测器。响尾蛇的引信历经无线近炸、红外近炸和激光近炸三个发展阶段,其中红外近炸引信成为技术最成熟、使用最广泛的一种组件:由四个红外线发射器和对应的探测器构成,他们用来探测导弹和敌机的相对距离是否发生变化。当距离拉远时,战斗部不会爆炸;反之,引信发出信号导致战斗部爆炸。
动力系统采用 Mk36无烟发动机。
导弹尾部的尾翼用来保证导弹飞行稳定,避免飞行中翻滚,而尾翼上的陀螺舵则用来避免导弹飞行中出现自旋。
 
从当时的工业和科技水平来看,这种航空武器确实是导弹工程的经典之作。
  1962年,为统一名称,美军将“响尾蛇”正式的编号为AIM-9,基本型号为AIM-9B。
 
响尾蛇空空导弹第一次投入实战,是上世纪60年代的越南战争。
由于当时电子管电路稳定性较差,红外导引头容易被阳光云层干扰,影响到导弹的战场发挥。再加上许多战斗机飞行员不能熟练运用导弹,把握不好发射导弹的时机,经常错过战机。
此外,配备响尾蛇导弹的战斗机,都是为了拦截大中型战略轰炸机设计,实战中却被用来和对方战斗机进行空中格斗,夺取制空权,导弹和飞机的性能都和实际要求有距离。结果,响尾蛇在越战中的表现并不理想。
最初美军的F-4鬼怪战斗机只搭载空空导弹,没有安装航炮,但实战中却发现无论是响尾蛇、猎鹰还是麻雀,可靠性都很差,发射出去的导弹经常脱靶,轻则贻误战机,重则给自己带来危险,结果只好心急火燎地重新安装上航炮。
而越南空军的飞行员也遇到相同的情况,他们原本对刚拿到手的米格-21和K-13空空导弹满怀信心,可是实战中却大失所望。在一次空战中,米格-21连续发射了14枚导弹全都没有击中目标,自己还损失了一架战机!无奈之下也只好重新装上了空空火箭弹。
交战各方都对这种情况进行分析与改进。
越南空军在仔细研究了米格-21的技战术特点后,放弃了在米格使用上的低空缠斗的打法,转而采取“掠袭”战术。即利用米格-21高空高速性能攻击对方机群,高速脱离后再第二次攻击。
而美军除了加紧改进响尾蛇的性能外,也积极改进空战技术,还专门开设了空战技术培训学校。
1972年4月6日,美国恢复对越南的大规模轰炸,著名的"后卫"战役爆发。
美国海军VF-96战隼中队的“公爵”科宁汉姆中尉于4月19日,5月8日和5月9日,使用响尾蛇导弹先后击落5架米格
10月13日美军的柯蒂斯.威斯特法尔中校驾驶F-4也用空空导弹击落一架米格。
而越南方面,7月5日,927中队的两位飞行员发射K-13导弹,各自击落一架F-4。
越南飞行员还驾驶米格-21,使用K-13导弹击落多架B-52轰炸机
至此,导弹开始真正成为空战中的重要武器。据不完全统计,在之后的多次局部战争中,被空空导弹击落的飞机有200多架。
 
1981年8月,美国海军的两架F-14“雄猫”战斗机在1分钟内击落利比亚的两架苏-22式攻击机,使用的就是“超级响尾蛇”导弹。
1982年马岛战争中,英军10架"海鹞"式战斗机发射27枚“超级响尾蛇”导弹,击落了24架阿根廷飞机。响尾蛇导弹也因而被西方传媒称为“具有划时代意义的空中杀手”。
 
中国与“响尾蛇”导弹有着很深的渊源。
1958年的台海空战中,为争夺台湾海峡的制空权,解放军空军的米格-17与台湾空军的F-86佩刀多次交锋。米格-17拥有更好的垂直爬升性能,加上大口径航炮,F-86明显处于劣势。
为扭转这一局面,美国在高度保密情况下,秘密提供了一小批响尾蛇导弹给台湾,同时派遣一个小组的专门负责改装F-86,以便能够搭载并发射响尾蛇导弹。
 
1958年的9月24日,我机群与敌机再次相遇。因为事先不知道对方机上载有空空导弹,解放军空军仍按常规战术展开攻击。结果一架战机被F-86发射的“响尾蛇”导弹击落。而台湾方面则宣称一举击落大陆10架战机。这是世界空战史上第一次使用空空导弹并第一次击落战机。
大陆虽然损失了一架战机,但并不是全无收获。
F-86发射的一枚响尾蛇没有爆炸,坠落后被大陆军民找到。
这枚导弹被运到北京后,中国政府还发动了大规模抗议活动,并将导弹的部分残骸作为美国的罪证公开展出。
1958年10月3日上午,国防部召开会议,决定解剖,分析及仿制“响尾蛇”导弹,定名为“55号”任务。“55 号”任务由一个委员会领导,委员会的主任是聂荣臻元帅,实际负责人是三机部部长助理钱之道,具体执行人汤定元。

导弹武器,特别是红外制导的导弹,当时在国内还是件新鲜事,没有任何技术基础。因而周恩来总理出面从苏联请来了一个10人专家小组,帮助中方解剖分析。在解剖分析过程中,其中有一位苏联专家介绍了导弹对红外探测器的要求,如需要用黑体辐射来标定入射辐射的功率,需要测定红外探测器的信噪比等等,这对汤定元为首的研制小组来说都是全新的知识。
“响尾蛇”导弹的解剖、分析工作结束之后,苏联专家带走了分析总结报告和部分导弹残骸实物。两年之后,苏联在“响尾蛇”的基础上,研制成功一款新型空空导弹,型号为K-13,并作为米格-21战斗机的制式武器。
K-13结构和响尾蛇十分接近,以至于连零部件的数目都一模一样。许多年后,苏联工程师们承认,通过仿制响尾蛇导弹,苏联工程技术人员们就好像上了一堂很不错的“导弹设计课”,苏联的导弹设计水平也因此得到大幅度的提升。
K-13及各种改型持续生产了差不多30年。由于K-13的服役,美国战术空军的轰炸战术被迫进行改变,由以往的高空轰炸改为低空突防,为的就是躲避对方雷达和导弹的监视和拦截。
限于中国当时科技和工业水平,并没有仿制成功“响尾蛇”导弹。直到1962年,在引进米格-21战斗机技术的同时,作为配套武器引进了K-13空空导弹的技术,将其国产化之后,成为中国空军装备的第一代空空导弹,霹雳-2。
 
响尾蛇导弹自诞生之日起,相继有AIM-9B、AIM-9C、9D、9G、9H、9E、9J、9N、9P、9L、9M等10多种改进型,总共生产10万多枚。先后装备于F-86、100、104、105、F-111,F-4、5、8、14、15、16、18,“幻影”F-1、III,Saab35、37,“狂风”等战斗机,A-4、6、7、10,“美洲虎”、“鹞”、“海鹞”等攻击机。
响尾蛇导弹先后出口到英国、法国、德国、意大利、加拿大、荷兰、西班牙、瑞典、挪威、澳大利亚、日本、菲律宾等20多个国家和地区。
 
21世纪初,第4代“响尾蛇”AIM-9X问世。AIM-9X采用先进的自动驾驶仪飞行控制系统,机动控制能力得到大幅提高。
AIM-9X弹身细长,长3米,弹径0.127米,重85千克。只有4个很小的矩形尾翼,空气阻力几乎减少了一半,马赫数超过3。
 AIM-9X采用的新一代红外线导引头,具有在晴空下更高的目标辨识能力,能清楚分辨是人工热源还是自然热源。
AIM-9X在飞向目标过程中还具有抗干扰能力。它已具有很好的偏离轴线射击能力,就是说不单会直线攻击,还能选择不同角度甚至向后方向攻击。因此,飞行员能选择更佳机会攻击目标。以前各个型号的“响尾蛇”只能在20度角的范围内寻找目标,而AIM-9X可以在90度角的范围内寻找目标,能防御敌机从尾后偷袭。
美军现役的F-15C、F-16C、F/A-22和F/A-18C/D/E/F系列战机都装设LAU-12X或LAU-7发射架。飞行员装备与AIM-9X“响尾蛇”导弹配套的头盔。使得飞行员的战斗能力有了“质的飞跃”。美海军计划采购5000枚,美空军计划采购5100枚。
而与AIM-9X针锋相对,旗鼓相当的则是俄罗斯的AA-11“箭手”近程空对空导弹。
 
据国外媒体报道,目前,中国空空导弹的各项技战术指标,以进入世界先进行列。并在某些领域处于领先地位。
 
 
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