直升机载空空导弹关键技术研究

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　　摘 要：直升机载空空导弹对现代战争中争夺低空制空权及火力支援具有重要的意义，近年来成为各国军备研制的重要领域。本文对直升机载空空导弹的研制现状进行了介绍，针对未来战争中直升机低空作战的性能需求，分析了直升机载空空导弹发展的方向及其关键技术。
　　关键词：直升机载空空导弹;研制现状;关键技术;协同作战;信息融合
　　中图分类号：TJ760 文献标识码：A文章编号：1673-5048（2020）01-0017-09
　　0 引言
　　在未来战争中，争夺低空和超低空的制空权将十分激烈。谁能夺取这一树之高的空中优势，谁就能获得战斗的胜利。由于直升机具有优越的机动能力和良好的超低空飞行能力，因此直升机载空空导弹必将成为这场激烈战斗中的主角。
　　目前，直升机载空空导弹主要有美国的“毒刺”空空导弹，法国的“西北风”空空导弹，俄罗斯的“针”系列空空导弹、RVV-MD空空导弹，中国的“天燕”-90等。当前直升机挂载的空空导弹仍以小型、轻质的红外型近距格斗弹为主，主要发展途径包括：与战斗机通用的近距空空导弹、便携式地空导弹的空空改进型以及武装直升机专用的空空导弹[1]。
　　1 直升机载空空导弹发展现状
　　直升机载空空导弹已大量列装世界主要军事强国部队，当前全球在役直升机载空空导弹主要有三种。
　　1.1 由固定翼飞机的近距空空导弹改装
　　此类导弹在机动性、离轴攻击范围、杀伤威力等方面具有优势，但相对于直升机而言体积重量大，低空气动性能差，且作战效费比低，故用于直升机对空作战并不完全适合[2]。
　　AIM-9L是美国空军和海军在AIM-9H/9J导弹的基础上联合研制的第三代“响尾蛇”空空导弹。该弹最大马赫数2.5，有效射程18.5 km，最大过载26g～35g[3]，如图1所示。RVV-MD是俄罗斯温贝尔设计局基于“射手”R-73研制的世界先进近程格斗空空导弹[4]，马赫数不低于2，最大射程为40 km（R-73E仅有30 km），对目标的机动过载可达12g[5-6]，如图2所示。
　　1.2 由便携式防空导弹改进研制
　　如美国的“毒刺”FIM-92C、俄罗斯的“针”、法国的“西北风”等导弹。该类型导弹在体积、重量、价格方面具备优势，但是离轴攻击能力、机动性、杀伤威力等方面先天不足[7]。
　　由雷神公司研制可装备于美军直升机及无人机的空空型“毒刺”导弹（见图3）是在防空型“毒刺”FIM-92A导弹的基础上研制的，近距打击低空或超低空飞行的固定翼飞机、直升机及无人机[8]。
　　改进型“西北风”导弹（见图4）是由法国MBDA公司研制的，其尺寸和形状与Mistral 1 ATAM相同，最大飞行速度由马赫数2.5提升到2.7，导引头更换为红外双波段导引头，截获距离更远，抗干扰能力更强。导弹采用新型控制面和尾翼，低速过载能力进一步提高[9]。
　　Igla-S是由俄罗斯FSUE KBM公司在“针”系列便携式防空导弹的基础上研发的最新改进型空空导弹，如图5所示。它采用LOMO9E435导引系统，由双脉冲固体火箭发动机提供动力，有效射程不少于6 km[10]。
　　1.3 研制武装直升机专用空空导弹
　　正是由于前两种方式改装的直升机载空空导弹存在诸多问题，部分国家也进行了武装直升机专用空空导弹的研制。中国的“天燕”-90是世界上第一种专门为武装直升机而研发的空空导弹[11]，如图6所示。
　　2 直升机载空空导弹作战性能需求及其关键技术
　　反直升机作战尤其是反武装直升机是直升机载空空导弹的主要作战任务。根据武装直升机发展趋势分析，武装直升机裝备导弹预警和红外干扰设备已经普及，采取隐身设计和加装红外抑制装置也逐渐成为主力战机的标准配置，直升机的机动性能也将大幅提升。因此，直升机载空空导弹为了实现对武装直升机等目标的有效打击，必须具备攻击远距离低辐射目标（具有红外抑制措施）的能力和超强的抗干扰能力，以适应复杂战场环境的需求。具备上述能力的直升机载空空导弹，其作战目标呈现出多样性，符合武装直升机未来作战任务多元化和作战立体化的军事需求[12]。
　　2.1 有效攻击距离远
　　可采用数据链指令制导、红外成像末制导等复合制导体制，以实现发射后截获的作战模式。从根本上解决了红外导弹迎头攻击距离受探测能力严重限制的弱点，同时为新型直升机载空空导弹配备推力可调、采用能量管理技术的先进发动机，可大幅提高对带有红外抑制目标的攻击能力[13]。
　　2.1.1 数据链组网协同作战技术
　　为有效增加直升机载空空导弹攻击距离，实现导弹射后截获发射模式，采用数据链指令制导的复合制导体制是目前行之有效的技术手段。
　　数据链技术在空空导弹领域的灵活应用，可显著增大红外型空空导弹的有效射程，增加载机对目标的探测、自身制导的多样化选择。空空导弹发射后利用友机制导信息飞向目标，载机则可随即做出规避动作撤离敌防空系统攻击区，空空导弹的作战能力和载机的生存概率均可大幅提升[14]。例如，装备双向数据链的AIM-9X导弹，就具有发射后锁定能力，最大发射距离及作战效能提升显著，对载机后半球目标和低空目标可构成攻击条件。此外，协同化作战能力还需要具备数据链网络最优规划及云协同网管技术、基于云计算与大数据的数据链多源信息智能融合与分发技术、多维度态势信息感知、全系统协同规划和编队战术决策与管理等技术[15]。
　　采用数据链网络最优规划及云协同网管技术，可满足未来联合协同作战对大规模数据链网络系统的需要。大量作战单元参与，组成多个任务组，执行不同的作战任务，一个子网内有多个任务组，每个任务组均需要分配不同的信道资源，因此在作战之前进行网络最优规划，具体包括子网规划、任务组规划等，需要为每一个任务组分配时隙，合理配置有限的信道资源，使信道利用率达到最优。同时，随着“网络中心战”以及信息技术发展，将利用云计算、大数据分析技术，为数据链网络的各节点提供分布式“云服务”，实现任务协同与网络管理。 　　基于云计算与大数据的数据链多源信息智能融合与分发技术是指利用全球一体化网络信息系统，各作战单元作为网络信息系统的“云端”，通过分布式云计算与大数据分析，进行多源信息智能融合，提取有效的战术信息，实现高效、快速信息分发与共享，支持全球跨域联合作战。随着全球覆盖的多域联合作战的发展，将要构建全球一体化网络信息系统，武器协同数据链、指挥控制数据链、情报侦察数据链等都将接入，实现海陆空天各武器装备互联互通[16]。
　　2.1.2 可调推力固体火箭冲压发动机技术
　　新一代直升机载空空导弹对动力装置提出了新的要求，既要求导弹尺寸小，满足新型武装直升机挂弹的要求，还要求发动机能够根据作战使命随机调节、控制推力和分配能量，实现全向攻击。
　　空空导弹常用的发动机为固体火箭发动机，其主要通过改变尾部喷管或者喉部气动外形等方式进而改变燃气流量来调节发动机的推力，从而拓宽超声速导弹的飞行包线，增强控制性能。喉栓式推力可调固体火箭发动机通过调节发动机喉部来控制推力的大小，而尾桨式推力可调固体火箭发动机可以通过外置的尾桨来改变燃气尾流的流动状态实现推力调节。
　　无论采用哪种方式调节，考虑经济因素，对发动机推力的建模仿真都是该技术实现的关键步骤。工程上常采用FLUENT软件对发动机气动进行仿真，计算主推力、尾桨偏角和受力、喷口阻塞面积等，从而得到发动机的推力调节规律。火箭发动机内部的高温高压流体表现出强烈的湍流特性，选择合适的湍流模型十分重要。RNG k-ε湍流模型以湍流脈动能和湍流耗散能为未知函数，适用于包含射流、管道内流动、边界层流动、分离流动等的流动，其工程运用比较广泛[16]。
　　由于传统的数值模型计算过于复杂，推力计算数据量巨大，弹载计算机难以完成这样的数据处理任务，因而可准确预测非线性映射且体积和运算量都大为减少的BP神经网络模型将更适用于弹载嵌入式计算机。该方法对发动机预先选定工作状态下的稳态推力数据进行筛选和分组，
　　再利用发动机试验数据修正以上数据，最后神经网络模型由修正后的数据库建立[17]。
　　2.1.3 固体火箭发动机能量管理技术
　　固体火箭发动机能量管理技术作为该领域新的发展趋势，能够根据武装直升机作战需求实现发动机能量最优分配，有效地控制发动机能量输出，实现间隔作业、推力矢量可调，提高导弹推进系统工作效率，大幅提高直升机载空空导弹射程，使其机动性能和作战效能实现跨越式发展。当前，能量管理技术已进入飞行验证和工程应用阶段，目前在先进飞行器研制项目中取得技术突破的关键技术主要包括固体变推力发动机、固体双脉冲发动机和固体姿轨控发动机。
　　目前在役的、代表国外发动机能量管理先进水平的主要是美国的“标准-3”海基或陆基中段反导系统。其中，第三级为MK136 高性能双脉冲发动机，第四级为MK142 弹头姿轨控动力系统（SDACS 或TDACS）。“爱国者”PAC-3 MSE 型导弹采用了更大直径、更高性能的双脉冲发动机技术。随着发动机能量管理技术的进步及其在直升机载空空导弹上的移植应用，使得空空导弹性能得到进一步提升[18]。
　　2.2 抗干扰能力强
　　提高导弹的抗干扰能力主要表现在：对低空地物背景抗干扰能力大幅提高，适应复杂战场环境的作战要求;对间隔投放或同时多枚投放的红外诱饵弹具有很强的抗干扰能力;对导弹前方的电磁干扰和来自地面的多径干扰等具有良好的抑制。
　　武装直升机依靠超低空飞行和地面、海面杂波的掩护使得其作战隐蔽性较高，先进攻击型直升机装备红外辐射抑制干扰设备和雷达波吸收或干扰设备，进一步提升其战场生存能力，这就要求直升机载空空导弹必须拥有抗杂波、抗红外抑制和人工诱饵等能力。干扰形式决定抗干扰技术，因此直升机载空空导弹根据外部作战环境需求，采用诸如红外凝视成像、双色红外成像等技术作为自身的抗干扰手段。新型红外成像导引方式通过探测敌机与外部环境间的温差，产生有差异的红外热图像以生成制导指令信息，使得导引算法抗干扰能力和位标器分辨能力更强;亦或是根据不同目标或同一目标的不同部位的热特征不同，利用导引头探测、跟踪目标和诱饵在不同波段上的辐射差别来识别区分，使导弹具有更强的目标截获能力和抗多种诱饵干扰技术后，直升机载空空导弹将具有较强的抗干扰的能力[19]。此外，利用复合制导信息的数据融合技术，配合战场各作战平台对目标的探测信息，可有效弥补红外制导受干扰时制导精度下降和脱靶量偏高的问题[20]。
　　2.2.1 双色红外成像制导技术
　　直升机载空空导弹的红外探测技术对测温分辨率不高于0.1 ℃，为弹上控制系统提供更多的目标参数，具备自适应调节能力，视场内目标影像由原来仅仅为一个点热源变为目标大致轮廓图像，从而提高了导弹的命中精度。为进一步提高武装直升机载空空导弹的抗干扰能力，双色红外成像制导技术成为一种可行方案。双色红外成像通过对比目标或干扰在两个波段内的能量比，确定目标的温度。对于干扰弹来说，为了达到一定的能量输出，只能提高温度。因此通过双色比可以判别目标与干扰。如果采用中波/长波双色制导系统，还可以提高机弹系统对环境条件的适应能力，提高探测性能[21]。
　　国外已经将多光谱红外成像制导技术实用化，并形成了武器装备。南非的A-Darter和以色列的“怪蛇”-5都采用了双色制导技术[22]。
　　2.2.2 智能信息融合处理技术
　　智能信息融合算法是空空导弹导引技术研究中的前沿技术，其任务主要是根据战场需求，设计的融合算法分析、综合由传感器按时序测量的参数信息，协助空空导弹在直升机探测系统的配合下做出一定准则下的决策。该算法通过直升机载空空导弹上的多传感器监测数据，并对数据进行关联、识别、跟踪、融合纠错和优化控制等处理，从而在不同抽象程度的决策层、数据层以及特征层给出任务信息处理结果。 　　例如，导弹的微波/红外复合导引头在目标距离较远时，利用微波传感器测量弹目角度信息，利用该角度信息设计制导律。而红外传感器同步探测目标辐射特性，在弹目相对距离、角度构成交接班条件时，进行微波至红外制导的交接班程序，最终由红外制导指令引导导弹击中目标。此外，利用微波与红外传感器探测信息的数据融合技术，可解决导弹射后受各种杂波、诱饵等干扰时，可能出现的交班至虚假目标的问题，使直升机载空空导弹导引头的抗干扰能力提升[23-24]。
　　数据融合处理技术还应用于多模复合制导领域。直升机载空空导弹的打击精度主要依赖于制导控制技术，单一制导模式容易受到天气和干扰等影响，导弹制导性能降低，战场环境适应性差。采用多模复合制导方式可以发挥各种制导方式的优点，有效提高制导精度、抗电磁和光电干扰能力、目标识别能力，可实现全天候作战。多模复合制导技术为空空导弹在复杂干扰环境和目标大机动条件下的精确制导提供了可能，它能有效提高导弹制导性能、抗干扰性能和引战配合能力。
　　多模复合制导控制系统必须解决机弹系统间的信息融合问题，基于数据融合的多模复合制导技术，将大幅提高制导精度。通过多传感器信息融合技术“合并”（包括导弹状态决策、直升机平台对准、数值关联、目标识别等）来自位标器、加速度计和陀螺等传感器采集的观测数据，计算出系统状态最优估计量，生成可靠的导引决策指令[25]。
　　目前，国内外直升机载空空导弹主要应用双模复合制导系统，针对其数据融合技术已经开展了一些工作，对于数据融合的方式和方法进行了理论和工程试验性的研究。信息融合技术在抗直升机的红外点源、新型面源诱饵弹干扰，以及電子对抗干扰方面得到了应用，使得空空导弹在制导精度和抗干扰性能方面取得了一定突破[26]。
　　2.3 良好的战场适应能力
　　为提高直升机战场适应能力，在上视上射条件、干净战场环境以及中近距攻击条件下，可采用自适应的发射后截获方式，中制导阶段无指令修正，导弹根据载机装订数据和导引头接收的图像信息，灵活采用自适应截获算法;在复杂环境或远距攻击条件下，要保证一定的导弹末制导截获概率，则可采用直升机载平台指令修正的中制导等方式实现[27]。为实现以上战场适应能力，除数据链指令中制导及数据融合处理技术、红外成像末制导技术外，直升机载空空导弹还应具备先进的飞控算法、引战和反隐身技术，以及工程可实现的通用化、模块化和小型化技术。
　　2.3.1 基于神经网络和强化学习的智能飞控导航算法
　　人工神经网络是人们期望模拟人脑神经系统处理问题的方式，运用神经网络所具有的强大学习能力和对复杂度很高的非线性模型的处理能力，解决一些传统方法很难甚至无法解决的复杂非线性系统模型。经过数十年的发展，人工神经网络模型目前已有上百种，在神经科学、控制科学、人脑机制和计算机科学等学科上取得了全面进步[28]。人工神经网络与复杂飞行器模型的融合在解决飞行器导航、制导与控制过程中的优越性能也受到了更广泛的关注和研究。
　　在导弹系统的应用中，人工智能的应用主要体现在智能感知和智能控制两方面。其中智能感知是在基于样本数据库的基础上，采用人工智能技术途径，对一些未知的目标和任务场景进行分析，有效地对战场形势判断，生成可以供导弹使用的信息，以便进行下一步的决策。此外，智能感知系统还具有主动学习，在线升级的能力，以便不断更新机弹系统的数据库，从而使系统的分析判断能力不断扩展。而智能控制则是通过弹载计算机对内外环境信息的分析制订相应的控制决策，实现导弹飞行状态的针对性调整，解决目前程序化控制难以适应复杂动态环境、无法应对突发状况的问题，降低导弹对外界信息的依赖性，实现复杂动态环境下导弹在整个作战过程中的智能化控制，提高导弹对实战条件下不完备体系的适应能力。人工智能神经网络应用于直升机载空空导弹的导航系统，主要研究关于组合导航数据融合、多目标截获锁定以及神经网络与滤波算法相结合等方面问题。利用神经网络黑箱建模、非线性映射和学习能力，则系统状态矩阵可由神经网络作为目标系统的模型和逆模型参数识别;利用神经网络的自我学习和适应性，计算新数据的实际方差和理论方差，提高滤波器精确度;利用神经网络辅助组合导航系统滤波，可在直升机或空空导弹的卫星定位信号失锁时依然保证系统有足够高的精度[29]。
　　强化学习基于马尔可夫决策过程进行动态规划，以解决智能体（例如飞行器）在与环境的交互过程中通过学习策略以达成回报最大化或实现特定目标的问题。若试验条件不变，测试数据可重复使用，强化学习可从测试数据中学习控制算法而不使用系统先验信息。强化学习已成功应用于机器人交互系统、自动控制等领域，使复杂系统通过自我试错在给定环境中学习解决任务的策略[30]。
　　基于强化学习的PID 控制方法，能较好地解决直升机载空空导弹难以进行精确的姿态控制和姿态抗干扰等难题。针对导弹PID 控制结构的系统状态调参问题，强化学习算法利用当前飞行器状态参数信息（环境状态），采取试探调参行为，以获取环境反馈对此行为的评价和新环境状态，根据评价决定算法是否产生该行为的趋势，从而控制导弹实际参数精确跟踪姿态和运动指令。强化学习使得智能PID 控制器对模型参数的变化敏感度和依赖性降低，在学习系统的控制行为与参数反馈的状态及评价的反复交互作用下，使控制参数自适应变化，且在小扰动情况下具有较好的鲁棒性。
　　2.3.2 制导引信一体化技术
　　制导引信一体化技术不仅可以精简直升机载空空导弹器件数量、降低全弹质量，更能全面调用导引头和惯导的测量数据，准确解算弹目相对位置信息和导弹脱靶信息，自适应地起爆战斗部、估算延迟时间、计算启动角提高引战配合效率。该技术统筹规划全弹制导和引信系统的结构、电气接口、数据处理等方面的设计要求[31]。
　　例如，采用信息融合的红外制导引信一体化技术，使导弹的成像引信可充分获取制导提供的弹目交会信息实现最佳引战配合起爆控制，提高引战配合效率[32]。该技术通过增加一个与红外成像探测系统同轴的微型近距激光测距系统构成成像测距一体化系统，利用红外被动成像和主动激光探测的互补性，通过二者数据融合实现弹目距离信息的探测;又由于制导引信一体化系统的红外成像探测系统和激光测距系统的开机时刻不同，故存在时统问题，为此采用异类传感器异步航迹融合方法，就可以提高跟踪精度，实现引战配合精确起爆控制[33]。 　　2.3.3 定向战斗部技术
　　定向战斗部的基本思想是集中战斗部的破坏效能于目标的方向，实现定向杀伤，显著提高战斗部的能量利用率。定向战斗部根据技术途径和结构原理的不同，也分别称为可瞄准战斗部（Aimable Warhead）、可变形战斗部（Deformable Warhead）等。可以预见，定向战斗部已成为直升机载空空导弹战斗部的发展趋势。
　　在诸多形式的定向战斗部中，偏心起爆战斗部结构简单、可靠性好、无需改变现有导弹的控制模式和结构，而且由于起爆控制比其他形式的定向战斗部较简单，这将给引战系统设计带来方便。此外，由于该方案不需在主装药引爆前对结构形式进行改变，故对杀伤元素的选择范围较宽，可针对不同的典型目标，特别是直升机选择合适的杀伤元素，如离散杆、预制破片或半预制破片等。偏心起爆驱动破片飞散方案的缺点是，破片在定向方向的速度有一定增益，但破片密度增益不够理想，若在结构形式上加以改进，如对中心波形控制器、起爆方式及其匹配关系进一步研究和改进，可望使破片数量的增益得到提高。因此，从总体性能及技术的可行性来看，偏心起爆战斗部方案是直升机载空空导弹定向战斗部的一种较好选择，可作为当前主要的研究方向。
　　近年来，研究人员对爆炸变形战斗部作了较多的研究，吸收定角飞散的优点，定向破片增益大，爆炸作用下的变形时间很短。其技术关键是辅助装药和隔爆装置的设计及其对非对称壳体变形形状的控制，同时还要求主装药可变形，考虑爆炸变形过程对导弹侧滚的影响及爆炸变形响应时间与引战配合等问题。因此，其技术难度较大，还需继续研究[34]。
　　2.3.4 通用化、模块化和小型化
　　通用化、模块化是当前先进直升机载空空导弹遵循的设计原则，考虑新型直升机载空空导弹要与多种作战平台及发控装置兼容，主要包括不同类型直升机载武器装备中尺寸和功能相似的零部件的通用、不同类型直升机的机载武器装备的通用、直升机与战斗机机载武器的通用等，从而实现其跨平台作战，兼具通用性、可维护性、经济性、可靠性等，为提升武装直升机系统作战的效费比创造条件[35]。模块化和通用化设计可大幅缩减空空导弹武器系统的研制周期，使研制过程高效、经济，产品交付后便于维护，延长其服役时间。例如，俄罗斯的RVV-MD导弹兼顾了模块化及通用化的设计原则，该弹用于装备战斗机、强击机和直升机，其气动布局、结构和外形质量特性与R-73E导弹相同[4]。
　　考虑到武装直升机负载能力有限，无论是挂載空间还是起飞重量都会限制导弹体积和质量。目前应用于空空导弹小型化设计的技术主要有小弹径高效能推进技术、小型智能引战技术、小型成像导引技术、小弹径低阻大机动气动技术、小型捷联惯导技术等[36]。
　　以导引头的小型捷联位标器为例，红外导引头的球形头罩使导引头的飞行阻力难于降低。在形状不能改变的前提下，降低头罩直径是唯一的选择。为了降低头罩直径，开发两轴捷联位标器是一种可实现的技术途径。此项技术包括俯仰/横滚两轴位标器结构设计、捷联稳定跟踪技术、探测器固定弹体的光学系统设计等。两轴位标器减少了一个轴，简化了结构，降低了体积;捷联稳定跟踪技术则通过把速率陀螺转移到弹体上而降低了平台体积和重量。探测器固定弹体的光学系统设计则把探测器转移到弹体上，既降低光学系统结构的体积，又可以采用闭环制冷机，从而使导弹的战斗巡航时间不受氮气的限制[37]。
　　2.4 关键技术总结
　　针对未来武装直升机将进一步提升其攻击范围、抗干扰能力以及复杂战场环境的适应能力的作战需求，本文介绍的直升机载空空导弹关键技术及相关领域汇总见表1。
　　3 结 束 语
　　创新求变者胜，保守僵化者败。复杂多变的战场、不断提升的需求将是直升机载空空导弹发展源源不断的动力。新的技术和方法有些尚处于理论研究和探索阶段，在直升机载空空导弹研制领域应用相对较少，可以借鉴应用于其他领域的新技术，加快导弹系统对新技术的吸纳和移植应用。分析、梳理新技术在不同平台应用中的限制条件、技术瓶颈以及不同学科的融合，将是未来研制过程中亟待解决的问题。最终，构建直升机载空空导弹高度信息融合、空中和地面整体联动的多维度协同作战必将成为克敌制胜的法宝。
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