作为最典型的反辐射武器,反辐射导弹在现代战场中得到了最广泛使用,下面就以反辐射导弹为主要对象,说明反辐射武器的构成和功能。一般而言,反辐射导弹主要由导引系统、控制系统、战斗部、推进系统、弹体和弹上电源等几个部分组成 [7] 。
导引系统包括被动导引头、惯性基准平台和导引指令形成装置,其中被动导引头是核心,它一般由天线分系统、天线分系统支架、伺服系统、接收机(测频、测向接收机)、信号处理器、控制管理器、预置参数及指令接收组件、测试接口等组成,如图2.1所示 [7] 。
图2.1 被动导引头组成框图
1)天线分系统
天线分系统包括天线和微波组件,宽带天线是被动导引头不可或缺的部分,平面螺旋天线具有频带宽、结构紧凑、体积小、质量轻、圆极化性能好、效率高等优点,比较适合作为被动导引头天线。
微波组件用于形成所需要的空间波束。一般最少需要4个子天线形成和差波束,但考虑到和差矛盾 [2] ,一发射、五接收、三通道的五阵元单脉冲馈源是常见的类型,如图2.2所示为两种典型被动导引头五阵元馈源示意图,其中图2.2(a)所示是比幅比相体制的五阵元馈源,图中A/B/C通过比幅测角和干涉仪测角来实现俯仰测量,而D/B/E通过比幅测角和干涉仪测角来实现方位测量;图2.2(b)所示是均匀圆阵干涉仪的馈源分布图,其中五条对角线作为低频段测向基线,五条边线作为高频段测向基线。这种方法与全频段采用单一基线的测向系统相比,解模糊运算量和测向精度比较均衡 [9] 。
图2.2 被动导引头五阵元馈源示意图
2)天线分系统支架和伺服系统
按导引头坐标系相对于弹体坐标系是静止还是动态的关系,可分为固定式导引头和活动式导引头,其中活动式导引头又可以分为活动非跟踪式导引头和活动跟踪式导引头。
固定式导引头(即捷联导引头)与弹体直接固定相连,天线电轴与弹体轴重合,只跟踪目标视线与弹轴之间的角偏差,主要用于直接瞄准法引导导弹。
活动非跟踪式导引头可以改变导引头坐标系相对于弹体坐标系方向,但不在过程中实时跟踪,可用于追踪法和平行接近法引导导弹。
活动跟踪式导引头类似于单目标跟踪雷达,能够始终跟踪目标转动,可用于瞄准法、追踪法、比例导引法和平行接近法引导导弹,活动跟踪式导弹头工作在3个连续阶段:搜索阶段、跟踪阶段和制导阶段。
活动跟踪式导引头才有伺服系统,它能够根据被动导引头测向接收机输出的角度误差信号,由系统执行器件带动天线机械转动,使天线始终指向目标,并为导弹提供视线角速度信号,用于比例制导等。
3)测频接收机和测向接收机
常用的侦察接收机体制有瞬时测频、信道化和超外差等几种。信道化接收机优点在于多信号处理能力强,但组成复杂、设备量大、成本高,不太适合导引头这种应用场合;瞬时测频接收机频带宽、体积小、测频精度高,但不能处理同时到达信号,不能对脉冲内部特征进行分析,灵敏度较低;超外差数字接收机是比较适合的导引头接收机体制,其基本原理是运用多通道接收中频信号并进行互相关处理来达到匹配接收的目的,首先应用高速A/D对中频进行采样,然后将采样后的数据进行存储,最后对一定时间内的数据进行相关处理,抑制噪声,增大信噪比。
测向功能是被动导引头的核心功能,下面将会重点介绍,这里不再赘述。
在测频或者测向接收机内,还需要实现信号参数的测量,包括脉冲到达时间TOA、脉冲宽度PW和脉冲重复周期PRI。
4)信号处理器
在脉冲信号环境中,接收机把输出的脉冲描述字PDW(包括载波、脉冲宽度、到达时间、脉冲幅度、到达角度)送至信号处理器,信号处理器根据不同的信号特征,对输入的实时PDW信号流进行分选、识别、威胁程度判断、辐射源跟踪和目标视线角(角速度)的输出。
如图2.3所示,信号处理器一般由预处理、主处理、跟踪、辐射源数据库及控制模块等组成。预处理模块的主要功能是接收脉冲信号流,对随机交迭的脉冲信号流进行脉冲参数匹配分析和去交错,达到稀释脉冲信号流的目的,实现预分选。预处理进行的是多参数预分选(主要是载波频率分选和脉冲宽度分选),形成预分选信号子空间,供主处理模块进一步处理。主处理模块按照一定的算法,对已经稀释的分辨单元(每个预分选子空间)的信号进行PRI分选(即去交错),分离出单部辐射源脉冲序列,然后进行信号识别、威胁等级判别以及跟踪目标信号的确定工作。跟踪模块的作用就是根据选定的跟踪目标信号形成多参数的跟踪波门,同时向预处理和主处理模块提供跟踪波门参数,从当前跟踪波门内选出所需跟踪的目标加以跟踪,滤除异步信号的干扰。辐射源数据库用于存放已知辐射源数据以及先验知识,并向预处理模块和主处理模块提供相关处理所需的数据支撑。控制模块用于协调各个模块之间的有序工作。
图2.3 信号处理分系统组成框图
控制系统主要包括自动驾驶仪、惯性导航系统及伺服机构等,它与导引系统一起合称为制导系统。反辐射武器制导系统的主要功能:在带飞段与机载火控系统协同工作,完成系统初始状态和射击诸元的装定,根据机载火控系统信息,完成对目标的探测和跟踪;在自主飞行段,按飞行轨迹控制规律实现导弹或无人机姿态的稳定和控制;在末段按预定的导引规律引导导弹飞向目标。遇到干扰时,具有一定的抗干扰能力,继续引导武器平台飞向目标。
导弹控制系统是指导弹自动驾驶仪和弹体构成的闭合回路,前者是控制器,后者是受控对象,自动驾驶仪稳定导弹绕质心的角运动,并根据制导指令正确而快速地操纵导弹的飞行。导弹的控制系统一般包括信号综合放大器、敏感元件(陀螺仪、加速度计等)、执行装置(舵回路)等,控制系统加上导引装置共同形成的制导回路如图2.4所示。
从控制系统的组成和回路分析可以看出,导弹控制系统的特点是多回路、三通道铰链、非线性、变参数和变结构 [7] 。
图2.4 制导回路框图
图2.5 给出了目标和背景特性与制导系统、引信、战斗部的关系,其中战斗部是导弹的有效载荷,是直接完成预定战斗任务的分系统。目前导弹战斗部主要有:爆破型战斗部、聚能爆破战斗部、半穿甲战斗部、破片战斗部、云爆战斗部、集束战斗部等。战斗部类型选择的依据有:目标的特性、导弹系统分配给战斗部的质量和尺寸、制导偏差。目标特性包括目标易损性、目标密集程度、目标要害部位的分布和目标所处的位置。对同一目标,并不是只有一种战斗部可选用,应根据允许的战斗部质量、尺寸和制导精度,确定战斗部的最佳类型。
图2.5 目标和背景特性与制导系统、引信、战斗部的关系
引信是利用环境信息和目标信息,或按预定条件(如时间、压力、指令等)起爆或引燃战斗部主装药的控制系统,是导弹武器系统的一个重要组成部分,用于控制战斗部在相对于目标最有利的位置或时机起爆,以充分发挥其威力。现代导弹引信必须具备四个基本功能:保险、解除保险、觉察目标和确定炸点、起爆战斗部。在引信总体设计时,必须考虑以下主要战术技术要求:安全性要求、对目标作用可靠性要求、作战性能要求、抗干扰性能要求、环境适应性要求等。
对雷达目标而言,目标易损性是指目标易损部位的面积和易损部位结构的等效钢板厚度。雷达的天线部分属于软目标,宜用破片战斗部攻击。但是地空导弹的搜索制导雷达站也有装甲部分,因此需在战斗部上设置聚能装药。根据对目标易损性和导弹制导精度的分析以及对地面雷达目标压制杀伤的有关要求,确定战斗部的类型为爆破为主、破片杀伤为辅的爆破杀伤战斗部。这种战斗部的设计原则是在战斗部的尺寸和质量一定的条件下,尽可能多装炸药。附加的破片按一定的方式排列,使战斗部爆炸后能形成覆盖范围较大的破片杀伤区。
战斗部装药采用高爆热的混合炸药。炸药爆炸产生的冲击波超压和比冲对目标雷达天线和设备起爆破杀伤作用,而破片可击穿目标雷达的构件。根据导弹接近目标时的典型入射角范围-25°~-45°,战斗部的半预置破片可以对爆破杀伤范围外的目标起一定的辅助杀伤作用。
反辐射导弹的引信有两种:触发式引信和非触发式引信。触发式引信靠导弹与目标或地面物体直接碰撞产生巨大冲击力引爆。非触发引信分为无线电引信和激光近炸引信。它们采用无线电或激光测距原理,当导弹与目标之间的距离处于最佳位置时,引爆战斗部。
需要特别指出的是,这里的目标无源定位系统不是指反辐射导弹的被动导引头,而是指携带反辐射导弹的武器平台的电子支援系统。
实战中的反辐射导弹武器系统一般有相应的机载电子支援系统的支持,后者承担发射前的电子侦察定位工作。无源定位系统与导弹被动导引头两者协同工作,实现对辐射源的目标侦察、定位的全部工作。因而可以说,机载电子支援系统的工作是导弹攻击目标的第一步。例如,苏联为其装备部队的第三代反辐射导弹X-58(AS-11)专门研制了一种称为“暴风雪”的反辐射电子支援吊舱。
为了使读者对反辐射导弹的机载无源定位系统有一个全面清晰的了解,在此以美国的携带哈姆反辐射导弹的“狂风”为例进行介绍。
狂风ECR飞机上的辐射源定位系统是一种高截获率系统,可对敌辐射源进行探测、识别和定位,以支援反辐射武器系统的行动。该系统由天线罩、天线/转换器、信道化接收机、本振、处理器、电源、控制器和分析接收机八部分组成,工作频率范围几乎覆盖了全部的地空和空空导弹的威胁频率。它设有相位干涉仪天线阵,装有信道化接收机和 1750A数字处理机,因而可实现精确测向和无源测距。当该系统中的瞬时带宽接收机接收到待定信息后,就将该信息与预置存储在辐射源数据库中的已知参数相比较,以实现对待定辐射源的识别。该数据库包含了在作战环境中可能会遇到的全部雷达辐射源的详尽参数。在识别辐射源信息参数时需要考虑的因素包括发射频率、脉宽、脉冲重复周期、脉内调制特性和极化方式等,根据这些信息即可判定辐射源信号的个体特征。此外,还可以对辐射源进行分类,如敌方、友方或未知方等。该无源定位系统通过MIL-STD-1553B数据总线将系统截获的数据信息送至操作员观测的战术显示器屏幕上,由操作员对威胁进行评估,并选择对抗措施。