半主動激光精確末制導武器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢＊

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 長春 130033)

1 引言

從近幾次的世界局部戰(zhàn)爭可以發(fā)現(xiàn)精確制導武器在戰(zhàn)場上發(fā)揮著越來越重要的作用。精確制導武器的概念為當采用精導技術后可以實現(xiàn)武器的直接命中概率達到50%以上[1]。精導武器按有無動力部可以分為自帶動力裝置的導彈和不帶發(fā)動機的精導彈藥,而后者則又可分為末導彈藥和末敏彈藥兩種。按制導方式可以分為激光制導、紅外制導、GPS制導、電視制導、無線電制導、雷達制導及由上述制導方式組合而成的各種復合制導方式。在各種制導方式中精度最高、成本最低、結構最簡單的制導方式為激光末制導,其精度已達0.1～1m,而同代的GPS/INS制導的導彈,命中精度在10m左右,紅外制導時的武器的命中精度則為3m[2]。激光末制導武器包括主動式和半主動式兩種,主動式激光末制導采用的是發(fā)射后不管策略,具有較高的作戰(zhàn)效能,但由于技術的限制此種方式目前還不成熟,半主動式激光末制導則是當前應用于發(fā)展的主流。如何把握當前激光末制導武器的發(fā)展現(xiàn)狀對于我國在該領域的研究具有重要價值,本文以激光半主動式末制導武器的特點、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢為研究對象進行探討。首選對激光末制導的概念進行了綜述,然后對國內(nèi)外在該領域的發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析,最后對該領域中亟待解決的問題進行探討。

2 激光半主動末制導技術

激光自尋的半主動制導是由彈外的激光束照射到目標上,彈上的激光導引頭利用目標漫反射的激光,實現(xiàn)對目標的跟蹤,同時將偏差信號送給彈上控制系統(tǒng),操縱攻擊彈藥飛向目標。半主動激光制導系統(tǒng)由彈上設備(激光導引頭和控制系統(tǒng))和制導站的激光指示器組成,激光指示器主要由激光發(fā)射器和光學瞄準器等組成[3]。只要瞄準器的十字線對準目標,激光發(fā)射器發(fā)射的激光束就能照射到目標上,因為激光的發(fā)散角較小,所以能準確地照射目標,激光照射在目標上形成光斑,其大小由照射距離和激光束發(fā)散角決定。激光和普通光一樣,是按幾何學原理反射的,導引頭接收到目標反射的激光后,經(jīng)光學系統(tǒng)會聚在探測器上,激光束在光學系統(tǒng)中要經(jīng)過濾光片,濾光片只能透過激光器發(fā)射的特定波長的激光,濾光片可以在一定程度上排除其他光源的干擾,四象限探測器將接收到的激光信號轉換成電信號輸出[4～5]。照射目標的激光指示器可用地面激光器,也可以配用機載激光指示器,載機發(fā)射導彈后可以隨意機動(發(fā)射后不管),但激光指示器必須一直照射目標[6]。半主動激光末制導武器主要包括制導導彈、炮彈、炸彈等類型。

攻擊瞄準吊艙載機(激光指示器)一般采用圍繞目標盤旋的方式指示目標,半徑大約為3～4km,盤旋坡度大約為30°～40°、高度3000m以上,以避開輕型防空武器的威脅。炸彈載機從進入到投擲有一個時間窗口,以確保炸彈到達目標上空時正好處于激光照射的最佳輻射角度區(qū),這個時間窗口需要通過協(xié)同訓練來掌握,一般飛行員以照射機的位置作為參照,進入讀秒階段[7]。當照射機到達合適位置,攻擊機就可以發(fā)動攻擊了。一架照射機最多可以支持20架攻擊機對同一目標進行打擊,為了避免爆炸引起的煙塵影響,投彈會采用較大的間隔時間方式魚貫進入,這種投彈方法對照射機要求很高,需要長時間在高威脅地區(qū)盤旋。由于目前使用的1.064μ m激光很難提供大于7km的照射距離,照射機飛行高度大多都在3800m以下,激光制導炸彈的發(fā)射距離根據(jù)高度不同從5～10km不等。隨著防空武器的日益完善,特別是單兵肩扛防空導彈的大量普及,這樣的飛行高度對于照射機相當危險。該問題也是當前激光半主動制導武器發(fā)展中亟待解決的重要問題之一。按技術發(fā)展激光半主動制導武器的導引頭部分可以分為兩代,第一代采用外部風標結構,第二代則采用全封閉式結構,這種結構改善了武器在空中飛行的機動性,可以滿足打擊移動目標的要求。第一代結構成本非常低,因此在大批量的精確制導炸彈和炮彈攻擊時仍被采用。第二代結構在武器的技術性能上有了較大的提高,目前正被各國大力研究與發(fā)展。

3 激光半主動制導武器的特點與發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 激光半主動制導武器的特點

本節(jié)從激光半主動制導武器的飛行規(guī)律、工作方式及抗干擾措施等幾個方面分別對其特點進行探討。

當前的激光半主動末制導武器的飛行軌道控制方式主要有比例導航軌道、直線導航軌道、瞄準線導航軌道等幾種。比例導航方式的應用非常廣泛,其軌道依靠其自身附帶的導引頭對目標進行跟蹤確定的[8]。此種控制方式需要滿足制導武器上附帶能夠精確跟蹤目標的尋的器、具有能夠精確測量制導武器與目標間的變化速率的監(jiān)測設備、能夠控制武器飛行路線與瞄準線變化速率成比例的控制系統(tǒng)三個條件。直線飛行主要依靠陀螺儀控制武器的直線飛行線路[9～10]。其應用對象為短距離固定目標或速度較低的運動目標,其發(fā)射點與命中點間的飛行路線在發(fā)射前便已被確定,其特點為飛行路線無法改變、攻擊距離近、超音速速度飛行。瞄準線導航軌道方式為令武器在飛行中處于觀測點與目標間的瞄準線上,其要求為武器需要極大的加速度能力,其適用于低成本、短射程半主動激光制導導彈的飛行控制。一般認為尋的傳感器的作用距離只能達300km左右。作用距離在300km以內(nèi)的制導武器可以采用自尋的比例導航軌道飛行。作用距離太大時就必須采用中制導與末制導相結合的方式進行,按兩種飛行軌道飛行。比較普遍的方式是以慣性制導作為中制導,使導彈沿著近似彈道軌道飛行,將制導武器引到空間某個位置[11]。此處必須在尋的器的作用距離以內(nèi),然后,啟動作為未制導的自尋的器,導引目標沿著比例導航軌道飛行,最后將目標摧毀。

激光半主動制導武器工作部件主要包括制導武器戰(zhàn)斗部、動力部及導引頭等武器本身與激光指示器及其附屬裝備兩大部分。激光指示器主要有兩種,分別為機載形式和深入敵方的地面人工形式。機載激光目標指示器一般都采用指示器吊艙懸掛在飛機下面的方式,吊艙的前面有一個旋轉的掃描跟蹤頭,其后為其他各種設備。轉塔內(nèi)有掃描反射鏡,它一般用陀螺穩(wěn)定平臺穩(wěn)定,并可實施控制[12]。當前的激光指示器的激光波長為1.06μ m,脈沖能量為50～300mJ,脈沖寬度為10～30ns,重復頻率為10～20Hz,束散角為0.1～0.5mrad。激光照射的最佳反射點大致在目標上以照射激光束成20°～30°錐角范圍內(nèi),因此激光導引頭需要在上述角度范圍內(nèi)實現(xiàn)捕獲與跟瞄[13]。在一般情況下激光導引頭搜索視場是跟蹤視場的2倍,跟蹤視場一般為12°左右,導引頭的瞬時視場一般為2°左右。

目前半主動激光制導武器的抗干擾措施主要有設置編碼信號和進行脈沖錄取波門的時間控制。一次制導時間一般只有10～15s,而制導信號的頻率又較低(10～40pps),所以可行的只能是脈沖間隔編碼(PCM),有限位隨機周期脈沖序列,位數(shù)較低的偽隨機碼等。另外,追蹤最新國外發(fā)展動態(tài),發(fā)現(xiàn)還可能采取另外幾種編碼方式,主要有等差級數(shù)碼、跳頻碼、頻碼捷變型式。經(jīng)過總結發(fā)現(xiàn)當前的激光末制導炸彈與炮彈大多采用單重頻脈沖間隔編碼。實時型波門的設置對于武器自身的抗干擾能力的提高也具有非常重要的意義[14]。隨著各種干擾能力的提高,實時型編碼的研究也在各國受到重視。

3.2 國外在該領域的發(fā)展現(xiàn)狀

美國在激光制導武器領域的發(fā)展走在世界前列,各種類型的激光半主動激光制導武器均有代表性產(chǎn)品,下面分別從激光制導炸彈、導彈、炮彈三個方面對其進行探討。各種系列的寶石路激光制導炸彈在近年來的歷次局部戰(zhàn)爭中均發(fā)揮了重要作用,可以認為此系列激光半主動制導炸彈代表著當前該領域的最新發(fā)展狀況。該系列炸彈已經(jīng)發(fā)展了四代,共五種系列,每個系列則有多種型號。2006年開始裝備美國部隊的寶石路III-DMLGB型采用激光+全球定位+慣性的復合制導方式,采用掃描、預置和自動跟蹤功能的導引頭。其彈長為3.33～4.32m,彈徑273～475mm,全重達2.3t,炸彈內(nèi)裝填了306kg高爆炸藥,其投彈方式根據(jù)不同的載體和目標可分為俯沖,水平,上仰三種情況,投彈距離為4～15km,Ⅰ型和Ⅱ型圓概率誤差為3m,Ⅲ型則達到了1m,其導引頭跟蹤視場約為15°～18°。被稱為第四代的寶石路Ⅳ(復合雙模)激光制導炸彈在2008年便開始了測試,其彈重為227kg,戰(zhàn)斗部裝藥為89kg,可打擊移動或隨機目標,飛行員可隨時轉換導引頭模式。此型號解決了惡劣天氣、沙塵、人造煙霧、GPS干擾機的影響,同時該型號采用了延時臂技術,該技術使炸彈在撞擊目標前2s才由制導系統(tǒng)將準確信息傳給引信,這樣炸彈在整個下落中,引導頭和引信不會相互干擾,免得出以外,只有當炸彈精確命中預定目標時,引信才起爆,假如炸彈沒有命中目標,那么即使炸彈從很高的高空投下,引信也根本不會引爆戰(zhàn)斗部。另外在第三代高精度導引系統(tǒng)的基礎上,重點放到了改善單純激光制導炸彈射程短和需要照射的問題,通過在激光半主動導引的基礎上增加其他類型的制導裝置,發(fā)展出在常規(guī)激光導引基礎上增加GPS/INS模式的制導炸彈,并且還通過為炸彈增加增程滑翔彈翼以實現(xiàn)防區(qū)外發(fā)射,并且有可能通過為炸彈添加動力組件的方式進一步延長射程,增程的彈翼和動力組件使制導炸彈和導彈之間的界限進一步模糊。在激光制導導彈中美國的海爾法導彈從1982年開始投產(chǎn),該導彈模塊化設計,可一彈多頭,導彈長1.625m,彈徑178mm,質量45.7kg,其最大射程為8km(Ⅰ型)和9km(Ⅱ型),命中概率96%。而美國的小牛地空導彈則于1985年開始服役,該導彈需依靠空中或地面上的激光照射器照射目標,并由飛行員向選定導彈輸入與激光照射器相匹配的密碼,顯示器上的光斑線停止閃亮。接近目標區(qū)時飛行員按下觸發(fā)器按鈕,使選定的導彈處于待發(fā)狀態(tài),按下旋轉指令按鈕,使導引頭位標器向下轉到相應的飛機俯沖角位置,松開旋轉指令按鈕使導引頭按設定的角度自動進行位掃描,搜索載機前約16km范圍的目標。一旦探測到有關的編碼信號,顯示器上顯示出綜合視頻信號,導引頭就自動鎖定和跟蹤目標。這種導彈的射程為24km,巡航速度為略超音速。而美國的激光制導炮彈的代表產(chǎn)品為銅斑蛇炮彈,該炮彈全長1.372m,彈徑155mm,彈重62kg,戰(zhàn)斗部為6.4kg,最大射程20km,最小射程4km,最大飛行速度600m/s,尋的器框架角一般為±20°,動態(tài)視場為±12.5°。另外近年來美國發(fā)展的魔爪激光制導火箭彈和聯(lián)合直接攻擊彈藥則代表著當前該類武器的最新發(fā)展成果,前一種已于2010年投產(chǎn),后一種則仍在評估中[15～16]。

其他國家在激光半主動制導武器的發(fā)展方面也進行了大量的研究與應用。比較有代表性的有法國的阿科爾激光制導炸彈,其于1992年開始服役。前蘇聯(lián)的KAB-500型于1973年開始服役,其長度只有3m,直徑為400mm,炸彈尾部跨度為750mm,重量為560kg,其中460kg的彈頭中裝載有200kg的炸藥。該炸彈以500～5000m高空以550～1100千英里/小時的飛行速度投擲,在10km的可見度下,27N1激光制導器可截取5～7km內(nèi)的激光信號,精確轟炸范圍在6～9m,打擊范圍是3～9km。UPAB-1500KR俄羅斯第一種滑翔式激光制導炸彈,是KAB-1500KR的改進型,其于2005年開始測試,其射程為50～70km。另外南非的“猛禽”Ⅱ采用自動和手動雙重制導方式,作用距離為60km。激光制導導彈中以色列的LAHAT(炮射導彈)分彈徑為105和120mm兩種,其有效射程為6km,命中精度則為0.7m。激光制導炮彈中俄羅斯的紅土地2K25在1984年裝備部隊,共有155mm,120mm,240mm三種型號,其新型號圓概率誤差達0.5～1m。以色列的火球炮彈在2008年論證,具有26km射程。

3.3 我國在該領域的發(fā)展現(xiàn)狀

在激光半主動制導武器領域,我國在上世紀80年代便有成型的產(chǎn)品服役。最早的7721型激光制導炸彈采用風標式導引頭和速度跟蹤導引方式,該型炸彈在1985年便進行了試射,不久便服役部隊。該炸彈屬于第一代激光制導武器,其彈長3.68m,彈徑為377mm,重490kg,投彈高度為1000～6000km,投彈距離為900～7000m,其投射的圓概率誤差為5m,導引頭成功捕獲目標的最大距離為4km,捕獲視場為25°,其激光指示器采用1.064 μ m波段激光。2004年服役的LT-2是我國新一代激光制導炸彈,其總重量為500kg,其制導控制方式為采用發(fā)射2條平行互有間距的激光導引線,而制導炸彈則在這樣的一個范圍內(nèi)進行Z型反復尋的前行,直至命中被擊毀目標。其投彈距離最遠可達10km,而命中的圓概率誤差則比7712明顯提高,能夠達到2.5m,導引頭成功捕獲目標的距離與第一代一致,也為4km。目前正在測試的LT-3型激光半主動制導炸彈代表當前的發(fā)展趨勢,其采用復合制導方式,根據(jù)需要可在GPS,INS,激光制導方式中進行切換,從而更好地適應戰(zhàn)場環(huán)境。其長度為3.58m,彈徑為0.38m,重量為500kg,該型炸彈增加了折疊的滑翔彈翼,可極大地提高投射距離,若配備鉆石背滑翔翼其投射距離可達50km,另外其全透明激光導引頭,采用了扇形面發(fā)射激光架速引導炸彈系統(tǒng)。在條件合適和氣候良好時可以使用精度較高的激光制導,當戰(zhàn)場煙霧或氣候環(huán)境影響到激光導引系統(tǒng)正常使用,或者目前的防空火力導致激光制導對載機存在過大危險時,LT-3可以采用INS/GPS制導以實現(xiàn)真正意義上的發(fā)射后不管,利用INS/GPS制導系統(tǒng)對目標進行遠距離的隱蔽攻擊。

4 激光末制導武器發(fā)展中存在的問題與發(fā)展趨勢

半主動激光末制導武器的優(yōu)點非常多,如價格低廉、命中精度高、結構簡單等,甚至將目前的炸彈稍加改造便可以做成效費比遠遠高于普通炸彈效費比的激光半主動制導炸彈。因此這種制導方式得到極為廣泛的應用。但針對這種制導武器的對抗措施也不斷發(fā)展,如半主動激光制導所必須的激光指示器很容易暴露,而無論是機載指示器還是單兵攜帶的指示器工作室均要求其距離目標在一定范圍內(nèi),如此激光指示器及其載機等很容易受到對方的打擊,而一旦激光指示器被破壞或屏蔽則己方的激光制導武器便失去了引導,無法準確命中目標。另外當前的激光告警、激光轉發(fā)欺騙甚至大功率激光反導彈、反炸彈裝備在各國的的研制與裝備也給該類武器的研究與發(fā)展提出了進一步的挑戰(zhàn)。

根據(jù)當前的發(fā)展狀況出現(xiàn)了一系列新的發(fā)展趨勢,而這些發(fā)展則主要針對激光導引頭與激光指示器及其相互的配合幾個方面,下面對此分別進行探討。

在激光導引頭方面以復合式引導的多模控制為發(fā)展特點,如在激光導引方式中增加GPS引導、慣性引導、電視引導等多種引導方式,這樣當戰(zhàn)場環(huán)境不適于進行激光引導時則人工或自動切換到其他更為合適的引導方式,從而極大地提高武器的環(huán)境適應能力。另外在抗干擾方面在激光引導方式的編碼中不斷采用更加復雜并帶有密碼的編碼方式,這使得對方的激光告警無法及時的對編碼進行破壞,從而提高導引頭的抗干擾措施。

在激光指示器的發(fā)展中以提高距離和運動中進行目標激光指示的方式提高指示器載機的生存能力。即發(fā)展作用距離大于10km的高精度激光指示器,同時發(fā)展能夠在載機快速運動狀態(tài)下實現(xiàn)高精度目標指示的技術,防止對方在目標機進行指示的過程中對目標機進行打擊和干擾[17]。從近年來的報道發(fā)現(xiàn)制導武器發(fā)射載機與激光指示器載機正朝著同一化、多用途及相互引導、相互支持的方向發(fā)展,這種集群式攻擊思路可以明顯提高攻擊的效率。

在當前半主動激光制導方式無法由發(fā)射后不管的主動制導方式取代的情況下,攻擊方式的變化也在理論上提高了激光半主動制導武器的生存能力與攻擊效能[18]。如國外文獻報道的在戰(zhàn)術上可把照射點移到離目標15～20m處,然后在控制周期結束前的2～3s再把照射光點平穩(wěn)地移至要毀傷的目標。這樣照射目標的實際時間僅有2～3s,對方難以快速做出反應。同樣,這種方案使實施射擊的過程變得復雜,也明顯降低了目標命中概率。如何解決此情況下的命中概率問題則是該技術的發(fā)展難點與趨勢。另外傳統(tǒng)的激光半主動制導武器的攻擊角往往小于30°,這為對方的對抗贏得了時間,為此一般用于攻擊坦克和艦船的垂直式攻擊也在激光半主動式制導武器的研究中得到了發(fā)展,據(jù)報道全球首款垂直式激光半主動制導導彈在2010年7月由法國研制成功。采用垂直攻擊可以縮短攻擊時間,并由于武器較大的天頂角速度而使對方的主動干擾裝置難以有效工作。

5 結語

激光半主動制導武器的發(fā)展在當前得到了各國的重視,無論是導彈、炸彈還是炮彈均具有廣闊的應用空間。該類武器正向著作用距離更遠、抗干擾能力更強、戰(zhàn)場適應能力更強的方向發(fā)展。本文概述了當前國內(nèi)外流行的激光半主動制導武器的發(fā)展現(xiàn)狀,并總結了該類型武器在發(fā)展過程中存在的問題及其發(fā)展趨勢,為我國在該型武器的研制及針對該型武器的對抗系統(tǒng)的研究方面提供了重要參考。

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