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【科普中国军事科技】杀敌于千里之外,五代战机的利爪空空导弹有何奥秘?

来源:光明网-科普中国2023-10-16 10:48

  前两集我们讲了五代机隐身和气动设计的秘密:隐身可以使五代机在超视距空战中,对非隐身战机做到“先敌发现、先敌杀伤”;超机动则让五代机在视距内空战中,对四代机形成能量机动优势。而要完成对敌机的绝杀,就离不开先进空空导弹,飞行员动动手指就能做到“杀敌于千里之外”。那么五代机使用的先进空空导弹究竟有何奥秘?

  目前,五代机空空导弹的挂载沿用了四代机的模式,就是混挂雷达制导弹和红外制导弹,其中雷达制导弹用于超视距攻击,红外制导弹用于视距内格斗。差别主要在于导弹的数量和挂载方式。五代机在以隐身构型进行空战时,空空导弹全部采用机内弹舱内埋挂载,一般可挂6至8枚空空导弹。在以非隐身构型空战时,还可以在翼尖和翼下外挂空空导弹。以F-22为例,机腹主弹舱挂载6枚中距空空导弹,侧弹舱挂载2枚近距格斗弹。下面我们就以这两种空空导弹中的代表——响尾蛇和AIM-120为例,剖析一下先进空空导弹的技术。

【科普中国军事科技】杀敌于千里之外,五代战机的利爪空空导弹有何奥秘?

  AIM-9“响尾蛇”是最著名的红外制导空空弹之一,经过半个世纪的发展,如今的响尾蛇导弹已经发展成由多个型号组成的庞大弹族,从9L开始,“响尾蛇”导弹从普通的近距空空导弹转变为具有大离轴角全向攻击能力的近距格斗导弹。现役型号有三种,分别是AIM-9M、9P和9X。这类导弹共同特征是导弹的头部有一个圆圆的玻璃罩,用来接收目标辐射的红外信号。美国五代机装备的近距格斗弹全部是AIM-9X。

  响尾蛇导弹家族,气动设计上的一大亮点,就是尾翼上的气动陀螺舵。响尾蛇导弹采用鸭翼控制飞行方向,为了防止尾翼受到横风发生滚转,在尾翼上加装了陀螺副翼。导弹发射出去后,高速气流吹动陀螺旋转,利用陀螺旋转的进动效应产生一个反力矩,用来抑制导弹滚转,保持稳定。而最新的AIM-9X为满足五代机内埋的要求,缩小舵面面积,减小了导弹的占用空间。把前代的可动鸭翼,换成了固定鸭翼,姿态控制由尾翼偏转来实现,这样就取消了气动陀螺舵,鸭翼和尾翼都使用坚固的钛合金制造。为提高机动性,AIM-9X采用了带有推力矢量控制组件的火箭发动机、射程远,速度快、机动性强。燃气舵实现了直接力与气动力结合的复合控制,可以进行高达50G的机动,能攻击12G机动的目标。甚至可以在发射后迅速爬升,180度转向,攻击后方目标,这就是“越肩发射”。

  在制导方式上,前代响尾蛇使用点源寻的制导,目标在导弹“眼中”只是个模糊的热点,如果遇到红外诱饵弹,导弹很容易被欺骗跟丢目标。而AIM-9X采用了更先进的红外成像制导,通过扫描目标图像进行比对,提高了制导精度,更加“聪明”了,具有发射后截获和抗红外干扰能力强的特点。

  红外格斗弹通常采用咬尾攻击,以锁定敌机红外信号最强的发动机尾喷口。早期响尾蛇导弹锁定视野较窄,如果敌机做出大范围机动,很容易失去目标,而AIM-9X的视野提高到120度,红外探头装在滚-仰双框架稳定平台上,导引头视野覆盖整个前半球,大大提高了锁定效率,这样不用正对着目标也能瞄准,这就是离轴发射。同时,配合F-35的联合头盔显示系统,只要飞行员眼睛盯着目标,导弹的导引头就能自动跟踪,真正做到了“看哪打哪”。

  在这一系列设计下,AIM-9X的性能获得了重大提升,代表了如今红外格斗弹的最高水平,被称为“超级响尾蛇”,除了F-22和F-35,美军的F-15、F-16、FA-18都配备了这种导弹。

  说完了近距格斗弹,咱们再讲一下五代机超视距空战的利器——中距空空导弹。要实现超视距攻击,导弹只能采用雷达制导。雷达制导分为主动雷达制导和半主动雷达制导。半主动雷达制导由于导弹发射后需要载机全程使用机载雷达照射目标,直到命中,限制了载机的机动,目前基本已被淘汰。五代机全部配装主动雷达制导弹,就是在导弹上安装一部雷达导引头,受弹体空间的限制,雷达导引头的天线孔径比较小,探测距离有限,只能在导弹飞行的末端才开启主动雷达制导。在飞行的中段需要接受载机的制导指令,概略飞向目标;进入导弹飞行的末段,导引头雷达开机,载机就可以脱离了,由弹上雷达搜索并截获目标,引导导弹命中。所以,主动雷达制导弹可以做到发射后不管。

【科普中国军事科技】杀敌于千里之外,五代战机的利爪空空导弹有何奥秘?

  美国五代机目前配备的主动雷达制导中距导弹是AIM-120系列,有A、B、C、D等多种型号,其中A、B型已经停产。C型批次最多,最新的是D型。目前在五代机上使用的是AIM-120C-7和D型, C-7是根据五代机的需要,对C型弹的弹体进行压缩,五代机内埋挂载,F-22和F-35都可以在机内弹舱挂载6枚C型弹。

  最新的D型,最主要的改进是导弹飞行中段,采用GPS制导,导弹上加装了载机与导弹之间的双向数据链,进一步提高了发射后不管的能力,载机飞行员可以准确掌握导弹末制导雷达开机的时刻及截获状态;更为重要的是,导弹可以通过双向数据链从载机以外的平台获取制导信息,实现了第三方制导,直接催生了五代机新的空战攻击模式。同时,D型弹也扩展了攻击包线和不可逃逸区,具备大离轴角和较强的抗干扰能力,射程达到180至200千米。

  除了AIM-120,俄罗斯的R-77也是当今先进中距弹的代表。相比AIM-120梯形尾翼,R-77采用了别具一格的栅格式尾翼。传统尾翼通过调整舵面角度来实现导弹机动,而栅格式尾翼具备更大的受力面积,舵面效率更高,使导弹具备更强的机动能力,更适合对付中距偏近和高机动目标。所以,虽然同为中距弹,但从性能上看,AIM-120是兼具格斗能力的中远距离拦截弹,而R-77则是兼具中远距离拦截能力的格斗弹。

  除了AIM-120和R77,还有两种技术类型的中距空空导弹也值得一说,这里我们先了解一下导弹空战到底是怎么打的?

  空空导弹,在飞行过程中可分为2个阶段:动力阶段和惯性阶段。动力阶段就是导弹发射出去后,导弹发动机点火工作直到燃料耗尽,这个是导弹的加速阶段,就是我们平时看到的,导弹尾部呼呼冒火拉着白烟的状态。但空空导弹用的是固体燃料,烧的很快,只能工作一段时间,比如AIM-120C,发动机工作时间只有9.3秒。在发动机熄火后,导弹只能依靠之前的加速做惯性滑翔,速度就会慢慢衰减。

  玩过空战游戏朋友都应该知道:射击运动中的敌机都要打一个提前量。其实用导弹打飞机也是一样的:假如,正前方有一架敌机正在从左往右匀速飞行,超视距攻击时,我机离敌机很远,导弹就需要飞行比较长的时间,这个过程中目标同样也会有较大的位移。因此,飞机的火控系统根据敌机我机的相对关系,和目标的运动方向,计算出中距导弹与目标的预计碰撞点。导弹在发射后,就会向这个点飞行。但目标不仅在运动,还会采取机动规避措施。当己方战斗机的雷达发现敌机机动,火控系统就会计算出新的预计碰撞点,通过火控系统的指令发射机发出机动指令,让导弹飞向这个新的点。在导弹的雷达导引头开机前,这个交互过程实际上是反复实时进行的。在导弹的雷达导引头开机并抓住目标后,就由导弹自身去完成最后对目标的跟踪与攻击。

  所以,只要目标进行机动,空空导弹也要不停地机动,会损失能量,缩短导弹的射程,增大导弹的脱靶概率,也就是目标机摆脱的概率。

  所以提高射程和动能,就是空空导弹性能提升的关键。目前先进空空导弹的一大技术就是采用双脉冲发动机:第一个脉冲点火,导弹进入动力射程,当达到一定速度后推力变小进入巡航状态,进入末端攻击时,再一次脉冲点火,这样就可以大大提高导弹的命中率。

  除了双脉冲发动机,另一个技术流派是冲压发动机,代表型号就是欧洲的流星空空导弹。弹体后面有2个进气口,冲压发动机的原理,是靠速度直接把空气兜进来,然后再经过管道加压直接与燃料混合燃烧,结构非常简单。但冲压发动机启动得有一定初速,一般在后面加个固体火箭发动机来完成启动。所以流星导弹虽然末端速度很快,但需要有个加速过程,刚开始慢,后面快,它的最佳攻击范围在射程的后半段。而采用双脉冲发动机的空空导弹,全射程都有很高的攻击效率。

  由于先进中距空空导弹采用主动雷达制导,因此降低自身雷达反射信号隐身技术,就是对付这种导弹的最好方式。五代机的隐身属性配合先进中距空空导弹,就是实现在敌机看不到自己的情况下,进行超视距绝杀。

  出品:科普中国

  监制:光明网科普事业部

  科协审核:王明志

  监制:战钊

  导演:金赫

  主编:杨晓霖

  文案编辑:李科明

  后期制作:李卓

  制片人:郭默恒

  视频制作:北京光速时光科技有限公司

[ 责编:肖春芳 ]
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