2009年3月13日星期五

响尾蛇导弹工作原理

如果没有携带任何武器,战斗机武装直升机轰炸机上采用的所有昂贵技术在战场上就没有多少用武之地。虽然枪炮、导弹和炸弹并不像军用运载装置那样昂贵或复杂,但它们是在战斗中发挥作用的终端技术。现今的大部分导弹和炸弹已凭借其自身的功能特性成为十分卓越的飞行器。智能武器不只是能够在空中飞行;它们实际上可以自己搜寻和追踪目标。







F/A-18大黄蜂攻击战斗机发射出一枚AIM-9响尾蛇导弹。
美国国防部供图
F/A-18大黄蜂攻击战斗机发射出一枚AIM-9响尾蛇导弹。


在本文中,我们将了解美国军械库中一种服役时间最长、最成功的智能武器,具有传奇色彩的AIM-9响尾蛇导弹。正如我们将要看到的,体积小巧、结构简单的响尾蛇导弹借助惊人的独创性设计技术,实现了电子技术和爆炸威力的高效结合。 AIM-9响尾蛇导弹(空中拦截导弹9)在分类上属于短程、空对空导弹。简单来讲,它的工作是从飞行中的飞机上发射,“消灭”敌机(破坏敌机使其坠落)。类似“响尾蛇”的导弹被称为智能武器,因为它们具有内置制导系统,使其能够导向目标追踪。







响尾蛇导弹是一种用于空对空战斗的短程导弹。
美国空军供图
响尾蛇导弹是一种用于空对空战斗的短程导弹。


智能武器技术在第二次世界大战之后的十年中真正得到了发展。大多数早期制导武器原型建立在雷达技术的基础上,然而实践证明这种武器造价昂贵、前途难料。这些导弹具有自己的雷达探测器,但是显然无法携带自己的雷达发射器。为了使制导系统锁定敌机,一些远程雷达系统必须通过发射明显的雷达波束“照亮”目标。在大多数情况下,这意味着在发射导弹后飞行员必须将飞机保持在易受攻击的位置,以保持雷达锁定敌机,直到导弹找到敌机。另外,导弹上的雷达装置体积庞大、造价高昂,导致武器本身体积庞大、成本高昂。大多数此类导弹的失误率在90%左右(发射10枚导弹,有9枚会错过目标)。


在下一部分中,我们将了解如何在建造新的瞄准系统时解决该失误率问题。 1947年,美国海军物理学家Bill McLean自己开发了一种更好的系统——导弹能够搜寻敌机引擎系统发出的热量。因为导弹将瞄准目标自身发出的能量,而不是反射的无线电能量,所以飞行员可以“发后不理”——这就是说,他在发射导弹后即可离开。取代庞大的雷达装置,导弹将使用相对小巧的热敏光电池“观察”目标。这意味它可以建造得比当时的雷达原型小很多,并且制造成本也低很多。







飞行员在搬运重量为86公斤的小型响尾蛇导弹。
美国国防部供图
飞行员在搬运重量为86公斤的小型响尾蛇导弹。


据官方声明,美国海军对非雷达制导系统并没有兴趣,但是在McLean工作的位于加利福尼亚中国湖(China Lake)的美国海军军械试验站(NOTS)中,研究人员有充分的自由从事非传统方案。在导弹引信开发的借口下,McLean和他的同事设计出第一个响尾蛇导弹原型。在6年后的1953年9月,响尾蛇导弹首次进行了发射试验并取得成功。


从那以后,响尾蛇导弹开发了多种不同型号,每开发一种型号都会加入新技术和新功能(有关具体型号的详细信息,请查看F-16.net:AIM-9响尾蛇导弹)。因为现今的半导体制导系统比原始设计中采用的真空管更加先进,所以整体操作十分精准。在接下来的两部分中,我们将详细了解最新的响尾蛇导弹型号AIM-9M,而且还会大致看一看即将推出的替代型号AIM-9X。







响尾蛇导弹统计数据
(针对AIM-9M)


  • 长度:约2.9米
  • 直径:约13厘米
  • 重量:约85公斤
  • 翼展:约63厘米
  • 造价:84,000美元
  • 最大速度:2.5马赫
  • 射程:约29公里
  • 制造商:Raytheon





正如我们在上一部分看到的内容,响尾蛇导弹系统的主要思想在于导向追踪从敌机发出的热量或红外线能量(来自引擎排气装置或发热机身本身)。基本上,导弹的工作是一直保持朝向红外线能量飞行直到命中目标。然后导弹会爆炸,破坏敌机。







F/A-18战斗机发射了一枚响尾蛇导弹
美国国防部供图
F/A-18战斗机发射了一枚响尾蛇导弹


若要完全实现此功能,响尾蛇导弹需要九个主要组件:



  • 火箭发动机:提供推力驱使导弹在空中飞行。


  • 后稳定翼:提供必要的升力保持导弹飞行高度。


  • 导引头:观察从目标发出的红外线。


  • 制导控制电子设备:处理来自导引头的信息,并计算导弹的正确飞行路线


  • 动作控制部分:根据制导电子设备发出的指令调整导弹前端附近的飞行翼片。


  • 飞行翼片本身:控制导弹在空中的飞行方向——就好像飞机机翼上的副翼,运动的飞行翼片在导弹的一侧产生拉力(增加风的阻力),使其转向该方向。


  • 弹头:实际摧毁敌机的爆炸装置。


  • 引信系统:当导弹到达目标时引爆弹头


  • 电池:为弹载电子设备提供电源






响尾蛇导弹结构图
美国国防部供图

为了了解所有这些组件是如何一起工作的,下面让我们仔细分析典型的攻击顺序。






响尾蛇导弹结构图
美国国防部供图


在发射之前,导弹位于一个机翼下面,通过几个吊架安装在机翼的发射装置上。导弹前端附近的“脐带缆线”将弹载电子控制系统连接到飞机的计算机系统。当飞行员使飞机就位时——理想情况是位于敌机之后——他就会激活发射控制。飞机的计算机向导弹控制系统发出命令,激活Mk36火箭发动机,然后发射导弹。







正在将响尾蛇导弹安装到F-15鹰式战斗机的导弹发射装置
美国国防部供图
正在将响尾蛇导弹安装到F-15鹰式战斗机的导弹发射装置


火箭发动机燃烧固体推进剂,产生从导弹后面喷出的高压气流(该发动机使用专用低烟推进剂来帮助隐藏导弹,防止敌人发现)。这为导弹从发射装置中射出提供了必要的初始推力,推动导弹在空中以超音速飞行(最新型号导弹的飞行速度大约为2.5马赫)。推进剂燃尽之后,导弹就依靠惯性向目标滑行。







从F/A-18大黄蜂战斗机发射的一枚响尾蛇导弹。
美国海军供图
从F/A-18大黄蜂战斗机发射的一枚响尾蛇导弹。


四个尾翼提供必要的升力保持导弹飞行,每个尾翼上都配备了名为滚转安定翼的简单稳定装置。基本上,滚转安定翼是带有凹口的齿状金属轮。导弹在空中高速飞行时,气流会使滚转安定翼像风车一样旋转。







尾翼上的滚转安定翼帮助飞行中的导弹保持稳定。
美国国防部供图
尾翼上的滚转安定翼帮助飞行中的导弹保持稳定。


如果您曾经读过陀螺仪原理,就会知道旋转的轮子可以抵抗对其施加的横向力量。在这种情况下,陀螺运动会抵消导弹滚转(绕中心轴旋转)的倾向。结构简单、造价低廉的滚转安定翼能够使导弹在空中快速飞行时保持稳定,从而防止在高速飞行时导引头装置发生转动。正如我们在下一部分将要看到的,这使得导弹更便于跟踪目标。




响尾蛇导弹导引头类似于摄像机中的电荷耦合器件(CCD)。它有一排传感器,当暴露在发热物体发出的红外线下时,会产生电信号。因此它只能根据“很热”和“不很热”的情况探测物体,红外线系统比可见光探测系统(如普通摄像机)更简单。另外,红外线导引头不需要外部光源,因此它们在白天或黑夜都能很好地工作。






响尾蛇导弹的导引头前端装置和飞行翼片
美国国防部供图
响尾蛇导弹的导引头前端装置和飞行翼片


在最新型号的响尾蛇导弹中,红外线传感器阵列与圆锥形扫描系统相连。圆锥形扫描系统的基本思想是在一个小圈内连续移动馈源喇叭(由透镜和反光镜组成的装置,可将光线直接发射到传感器),为了使说明更加形象化,可以想像一只手稳稳地握着铅笔的橡皮端不动,同时以环形路线移动笔尖。总体上,移动的馈源喇叭可以扫描天空中的一大片区域。当馈源喇叭沿环形路线移动时,制导控制系统可根据探测到的红外线波动确定目标的位置。例如,如果目标在导弹左侧,传感器在馈源喇叭瞄准左侧时探测到的红外线要比瞄准右侧时探测到的红外线更强。 制导控制系统的主要目标是将敌机的红外线映像粗略地保持在中心位置,以便导弹的前端能够持续指向目标。如果红外线映像偏离了中心位置,控制系统会向伺服装置发送信号。该伺服装置包括一个气体发生器,向气动活塞提供高压气体。这些活塞与摇杆相连,推动翼片来回移动。制导控制系统发出命令信号激活电子螺线管,螺线管可打开和关闭通向这些活塞的阀门,致使翼片从一侧向另一侧倾斜。







一名荷兰空军军备技术人员正在维修AIM-9响尾蛇导弹上的制导系统。
美国国防部供图
一名荷兰空军军备技术人员正在维修AIM-9响尾蛇导弹上的制导系统。


为了补偿目标的自身运动,控制系统采用了称为比例导航的策略。此方法的基本思想是过度补偿轨迹修正。控制系统可以计算出目标偏离中心位置的距离,根据倍增器按比例调整导弹的飞行角度。例如,如果倍增器的值为2,导弹偏离轨迹的夹角为10°,那么导弹将以20°夹角更改其飞行方向。然后,在0.1秒之后它会重新计算飞行方向,并重新调整翼片角度。


通过这样过度修正,控制系统可预测目标移动路线,这种方法与橄榄球四分卫提前向跑动中的接球者抛球的方法相同,需要提前预测当橄榄球实际落下时接球者将达到的位置。


在下一部分中,我们将了解当导弹到达其目标时接下来将会发生什么。 响尾蛇导弹并没有设计成在实际击中目标时引爆;而是设计成在与目标非常接近时引爆。导弹控制系统采用独创性的光学目标探测器来计算进入射程范围的时间。


该探测器包括八个激光发射器二极管和八个光学传感器二极管,分布在导弹弹体外侧四周,紧靠飞行翼片之后。响尾蛇导弹在飞行期间,探测器会在导弹四周以轮辐模式不断发射激光束。如果导弹已与目标足够接近,激光束将遇到飞机机体发生反射,并散射回传感器二级管。控制系统确认导弹正好接近目标后就会引爆弹头。







一架F-22猛禽(Raptor)战斗机发射出一枚响尾蛇导弹。
美国空军供图
一架F-22猛禽(Raptor)战斗机发射出一枚响尾蛇导弹。

最新式的响尾蛇导弹及其代替者AIM-9X携带着重量为9公斤的WDU-17/B弹头。WDU-17/B包括壳体组件、大量PBXN-3高爆速炸药、增压板、起爆装置和大约 200根钛质爆炸碎片棒。当目标探测器探测到敌机时,它会激活引信装置,通过起爆装置(由低爆速炸药制成的导火线)将爆炸冲量发送到增压板。来自起爆装置的爆炸冲量会点燃增压板管道中的低爆速炸药,低爆速炸药再点燃高爆速炸药周围的爆炸性弹丸。然后,这些弹丸点燃高爆速炸药,使它短时间内释放出大量热气。

气体膨胀产生的强大爆炸力向外炸开钛质爆炸棒,将爆炸棒炸碎后形成几千块金属碎片,所有碎片以极大速度呼啸着穿过空气。如果弹头在目标范围内爆炸,高速钛质碎片将炸碎敌机机身。有时候,导弹可能会直接插入敌机的排气管,从内部粉碎敌机。WDU-17/B又被称为环状爆炸碎片弹头,因为爆炸力会将金属碎片向所有方向以环状形式传播。







除了战斗机之外,您还能在武装直升机上看到响尾蛇导弹,例如图中的AH-1W眼镜蛇(Cobra)武装直升机。
美国海军供图
除了战斗机之外,您还能在武装直升机上看到响尾蛇导弹,例如
图中的AH-1W眼镜蛇(Cobra)武装直升机。

更新的AIM-9X型响尾蛇导弹的最终爆炸效果与当前AIM-9M型非常相近,而且更新的AIM-9X有几处重要改进,增加了它在第一时间发现目标的机会。升级的导引头设计扩大了导引头系统的视野,因此它可以实现良好的离轴发射目标定位(换句话说,就是在发射导弹时,打击目标不必在飞机正前方)。

新的推力矢量系统可使导弹更加灵活敏捷,利用此系统导弹能够在空中进行急转弯。其基本思想非常简单:除了对飞行翼片进行操作外,制导控制系统还控制导弹尾部的小叶片,使火箭发动机发出的热气流转向。通过改变火箭热气流的方向,这些叶片利用推力转变导弹的方向。例如,当叶片将热气流向右转时,产生的推力会将导弹的后部向左推动,而导弹的前部会向右转动。这使得导弹在行进中能够快速调整方向,跟踪高速目标。







一架眼镜蛇(Cobra)武装直升机在军事演习中释放了一排照明弹。照明弹在远离飞机处产生的极大热量改变了响尾蛇导弹和其他热寻导弹的方向。
美国海军供图
一架眼镜蛇(Cobra)武装直升机在军事演习中释放了一排照明弹。照明弹在远离飞机处产生的极大热量改变了响尾蛇导弹
和其他热寻导弹的方向。


上述这些改进以及制导系统的改善和加入的其他技术,将提升响尾蛇导弹性能,使其与新式飞机、武器和反导弹技术相比继续保持竞争力。在长达半个世纪的服役期后,未来许多年内响尾蛇导弹仍然会在世界主流导弹系统中占有一席之地。

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