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红外线导引

一种导弹制导技术

红外线导引（InfraRed homing），也常被称作热导引（heat homing）或追热导引（heat-seeking），是一种以感应、追踪目标物与周遭环境的红外线讯号强度差异来掌握目标的位置与动向的技术。[1]红外线导引是视距内短程空对空飞弹的主流导引技术，同时也被多种其他类型的导引武器采用，[2]如便携式防空导弹和对地飞弹。[3]

技术

 
光罩式红外线导引头的配置：1.主镜片。2.次级镜片。3.透镜。4.旋转光罩。5.红外线感测元件。6.永久磁铁转子。7.玻璃罩。8.偏移量线圈。9.进动量线圈。10.驱动线圈。11.检测线圈。
 
早期AIM-9响尾蛇飞弹的导引头扫描产生类比讯号的方式

飞弹的红外线导引装置通常位于飞弹的最前端，并被称作导引头或寻标器，其根据扫描方式又可分为光罩式导引头（reticle）及焦平面阵列导引头（focal-plane array）。基本的光罩式导引头由内而外依序为主镜片、感测元件、旋转光罩、次级镜片及导引头玻璃罩。目标的红外线被底部的主镜片反射至位于焦点的次级镜片，再反射进入感测元件中。位于次级镜片及感测元件之间的旋转光罩会持续旋转并周期性地遮断红外光，从而产生类比讯号。更先进的导引头则使用旋转的镜片及固定式光罩，讯号点与参考点可被换算成目标与飞弹轴线之间的角度，从而使飞弹修正航向误差以持续指向目标。较先进的光罩式导引头会使用特殊设计以降低自然光源或热诱弹的干扰，如引入瞬间视场（IFoV, Instantaneous Field of View）扫描法，或是改进讯号处理等。[4]光罩式红外线导引头的光罩为此系统中最复杂的装置，因为光罩负责产生目标位置的讯号及抑制背景干扰，故不同的设计将影响到导引头的性能。[5]

焦平面阵列导引头则是另一种更昂贵但先进的设计，使用一片排满多个红外感测元件的方型晶片侦测来自外界的光线，并经讯号处理成红外线成像（IR Image，IIR），如此飞弹的处理器便可识别目标的外观，并以此分辨红外诱饵与目标的差别，从而大幅提高反红外对抗措施能力，同时也使其锁定直升机、无人机等低红外讯号目标的能力提升。[6]

讯号来源

早期的红外线导引可以分成两种，一种是攻击方以特殊的红外线波束照射在目标上，并利用反射的讯号作为武器导引。这种导引方式最先以夜间使用的红外线探照灯为开端，能够协助在夜间行驶或者是寻找目标。使用近红外线波束照射目标的方法后来发展为短程乘波导引及半主动雷射导引（英语：Laser guidance）技术。[7]

另外一种导引技术发展为现今的被动红外线导引，根据目标本身释放的红外线讯号与周遭环境间的差异，从而分辨出目标位置进行自主导引的方式，[5]这种导引模式仅被动地接收外界的红外线，而不使用任何波束主动照射目标，因此可避免目标通过雷达告警接收器、雷射告警接收器（英语：Laser warning receiver）等装备收到袭击警告。[8]缺点是如果目标与周围环境的红外讯号差异不大或者是过低而无法分辨，就会使红外线导引装置失效。一架喷射机的主要热源在后燃器、引擎喷嘴及尾气，其次是机鼻、翼尖和引擎进气口。[2]喷射机尾气的温度约为950℃，在启动后燃器时可达到2000℃。使用传统涂装的机身对阳光的反射率约为60%，而较先进的低红外特征灰色涂料的反射率约为5~10% 。[5]

讯号呈现

 
大气层内的红外线吸收光谱，5～8微米波长的红外线容易被吸收而不适合用于导引。

早期的红外线导引追踪的是目标散发出来特定波长的讯号强度，对于导引系统来说只是在寻找和追踪指定波长下最热的目标，至于这个热源是不是实际上的目标就无法判断。即使加上冷却的技术以及改进导引装置对讯号的灵敏度，这种设计的基本能力与限制并未改变。直到新一代的红外线成像技术大幅度改善与提升红外线导引的层次，红外线影像不再是单纯的看到一个热源，而是进一步地看到目标大致的外型轮廓，类似以电视影像显示的型态。这种技术为红外线导引提供两项新能力：分辨目标的外观与正确地追踪目标。[1]同时红外线成像导引也开始被用在第三代反战车飞弹，如FGM-148标枪飞弹和PARS 3 LR反战车飞弹。[6]

1970至1980年代的红外线导引飞弹侦测红外线的波段范围通常为3—5微米，可灵敏侦测喷气口排出之高热二氧化碳的4.2微米红外发射光谱，此类型的导引技术被称为单波段或单色红外线导引。1980年代后出现的R-73飞弹及魔术空对空飞弹的红外线侦测波段范围则为3—5微米和8—12微米，由于8—12微米波长的红外线较不易被地球大气层的空气吸收，使得该波段的红外光线能用来辅助飞弹识别正确的目标与红外对抗措施的差异，此类型的空对空飞弹导引技术被称为双波段或双色红外线导引。[9]

另外，用于第三代人员携行式防空飞弹的双色导引头则通常指代波长2—5微米的红外线波段及300—400奈米的紫外线波段。[10]此波段的紫外线讯号主要源自环境中的太阳光，喷射机、直升机及地形等不透明物体会吸收部分紫外线而使讯号减弱，但MTV（英语：Magnesium/Teflon/Viton）型铝热剂热诱弹则会发射紫外线讯号，因此紫外线与红外线感测器搭配使用，便可以协助飞弹导引头分辨讯号源为目标还是诱饵。[11]

红外线导引头使用的感测元件材料主要有三种：最早使用的硫化铅在未冷却时最灵敏的红外线侦测波长为2微米；锑化铟在冷却至液态氮（77K）温度时最灵敏的红外线侦测波段为4～5微米；碲化汞镉（英语：Mercury cadmium telluride）在冷却至液态氮温度时最灵敏的红外线侦测波段为8～12微米。[4][12]目前最常用的超低温冷却装置为焦耳-汤姆孙式微型冷却器，[13]但如日本04式改型空对空飞弹使用的冷却装置则为史特林冷却器。[14]

短程空对空飞弹

 
一次典型空战缠斗中，第四、五代短程红外线导引空对空飞弹能自1号位发射，第三代飞弹能自2号位发射，第一、二代飞弹则需缠斗至3号位时才能发射。[15]

早期的空对空飞弹具有很多种导引方式，如乘波导引的火闪导弹、手动视线指令导引的AA.20空对空飞弹和半主动雷达导引的AIM-7麻雀飞弹，但不久后红外线导引与半主动雷达导引便从中脱颖而出。红外线导引技术由于自主导引、高度反电子作战能力、高隐匿性及生产成本较低的优点成为视距内空对空飞弹的主流导引技术，也因其短程的性质而时常被用于缠斗空战中，并被称作格斗弹（dogfight missile）。[9][16]而半主动雷达导引及日后取而代之的主动雷达导引则成为中程视距外空对空飞弹的主流导引技术。[8][17][18]北约飞行员发射红外线导引空对空飞弹的无线电通讯简码（英语：Brevity code）为Fox Two。[19]

短程空对空飞弹可根据其导引头性能、飞弹机动能力及各项参数分为数个世代。[17][20]

第一代
第一代短程空对空飞弹使用的红外线导引头性能有限且视野相当狭小，很容易被太阳或热诱弹等高热物体干扰，[5]目标发散的红外线讯号也很容易被二氧化碳、水气、云雨等环境吸收而降低至第一代导引头难以侦测的水准，因此飞行员很快便发展出躲避至云后及迅速爬升至高处，使导引头被太阳干扰等对策。[18]发射者通常需要在目标的后方±30°内对准其引擎，或者目标发动后燃器时才能让飞弹稳定锁定目标。[17]越战中的美军飞行员通常在一次空战中需要5—7分钟才能取得一次发射机会，[21]且响尾蛇飞弹的命中率仅有15%。[22][23]
例：AIM-9B响尾蛇飞弹、AA-2飞弹[24]
第二代
鉴于第一代空对空飞弹的表现，1960年代各国开始提升导引头的性能，使第二代红外线导引空对空飞弹获得更大的视野，可以锁定与发射者航向偏离约±10°以内（±10°离轴攻击能力）的目标，且发射者仅需位于目标航向后方约±45°以内。[17][21]如AIM-9响尾蛇飞弹的D型号使用液态氮冷却导引头以提升灵敏度；E型号引入热电冷却技术；H和J型号则首次使用固态电子元件。[22]尽管性能获得可观的提升，但第二代红外线导引空对空飞弹仍需要飞行员进行一定程度的缠斗以定位至目标的斜后方。[21]1973年的赎罪日战争中，以军战斗机飞行员据称用AIM-9响尾蛇飞弹及蜻蜓飞弹击落约200架阿拉伯方的战机，且命中率接近50%。[25]
例：AIM-9E响尾蛇飞弹、蜻蜓二型飞弹[24]
第三代
第三代红外线导引空对空飞弹的先驱为1971年的AIM-9L响尾蛇飞弹，该型号的响尾蛇飞弹将感测元件材料从硫化铅更换成锑化铟并使用氩气冷却，使其导引头灵敏度大幅提高，[22]从而获得“全向攻击能力”，[5][17]可在较小的全向作战距离内锁定处于任何朝向的目标，且AIM-9L响尾蛇飞弹还可以锁定与发射者航向偏离约±30°以内（±30°离轴攻击能力）的目标，使飞行员能在空战中取得更多的射击机会。[21]第三代空对空飞弹的引入使得缠斗战的平均时间下降至3分钟，[26]福克兰战争中的响尾蛇飞弹命中率甚至达到了73%，但不久后战斗机生产商便开发出了热诱弹，导致十多年后的波斯湾战争中响尾蛇飞弹的命中率回落至23%。[23]
例：AIM-9L响尾蛇飞弹、巨蟒三型飞弹[24]
第四代
 
英国皇家空军台风战斗机的头盔显示器
1990年10月两德统一后，西德接收了前东德国家人民军空军的R-73飞弹，从而使R-73的惊人性能公诸于世，并成为第四代红外线导引空对空飞弹的先驱。[27]R-73飞弹引入了双色红外线导引头，具有不错的反红外对抗措施（英语：Infrared countermeasure）能力，而且首度使用能大幅提高机动能力的推力向量控制装置，并能搭配飞行员的头盔显示器攻击导引头视野外的目标，从而大幅提高其离轴攻击能力至±75°。[28]第四代空对空飞弹于缠斗战中取得射击机会所需的时间仅为5—30秒，[15]在美军的多次模拟中，使用头盔瞄准器与R-73飞弹的苏-30MK战斗机皆成功击败了使用雷达导引飞弹的F-15C鹰式战斗机。[26]为此北约各国开始加速研发第四代或更先进的短程空对空飞弹。
例：R-73E飞弹、巨蟒四型飞弹[24]
第五代
第五代短程空对空飞弹使用先进的焦平面阵列（英语：Focal-plane array (radio astronomy)）红外线成像导引头，并使用更先进的讯号处理系统，使飞弹能看到目标的红外线影像，大幅提高反红外对抗措施能力。[17]此世代的部分飞弹具有发射后锁定及数据链路等功能，能通过接收雷达、头盔显示器提供的数位讯号取得目标位置，并能180°掉头攻击正后方的目标。[29][30][31]
例：AIM-9X响尾蛇飞弹、巨蟒五型飞弹[32]
第六代
目前唯一宣布开发的第六代短程空对空飞弹为迪尔防务的IRIS-T FCAAM飞弹，迪尔防务宣称该飞弹与原版IRIS-T飞弹相比，不同之处包括将大多数飞弹的圆柱型弹身改为具有匿踪技术的多边柱形、双向数据链路、使用多光谱段智慧成像导引头、AI优化目标辨识与选择攻击点、基于网路的集群作战系统、根据目标状态自主切换导引模式、以及曾用于LFK NG飞弹的多段式脉冲火箭发动机技术。[33][34]

便携式防空飞弹

主条目：人员携行式防空飞弹

人员携行式防空飞弹的主流导引技术为被动红外线导引，但也有乘波导引、视线指令导引等类型。[35]2007年一篇论文指出便携式防空飞弹对无防备的飞机的杀伤机率为70%，且造成的损害占所有军机损失的80%。[36]

第一代
第一代红外线导引便携式防空飞弹于1960年代至1970年代投入使用，装备侦测波段在2～2.7微米的硫化铅感测元件，由于这一代的防空飞弹只能侦测到飞机尾气或引擎的高热讯号，因此又被称作追尾飞弹（tail chasers）。第一代便携式防空飞弹抗背景干扰（太阳等其他来源的红外线辐射）的能力很差，所以相当容易被热诱弹干扰而脱靶，因此开始出现各种反红外对抗措施设计以解决此问题。[35][37]
例：9K32“箭-2”Mod.0 (SA-7A)、9K32M“箭-2”Mod.1(SA-7B)、FIM-43红眼便携式防空飞弹[35]
第二代
第二代红外线导引便携式防空飞弹于1970年代至1980年代投入使用，装备侦测波段在3～5微米的超低温冷却锑化铟感测元件，能侦测到目标本身发散的热辐射，因此获得有限的全向攻击能力，并且也具备一定程度的反红外对抗措施能力，有些飞弹配备了早期的能侦测红外线、紫外线的双波段导引头。[35][38]
例：9K34“箭-3” (SA-14) 、XFIM-92A刺针便携式防空飞弹[39]
第三代
第三代红外线导引便携式防空飞弹于1980年代至1990年代投入使用，具有更复杂的反红外对抗措施技术来对抗热诱弹，并且导引头通常都配备了能侦测红外线、紫外线的双波段导引头，且全向攻击能力更高，因此被称为全向飞弹（all-aspect）。[39]
例：9K38“针”(SA-18)、西北风便携式防空飞弹、FIM-92A/B/C/D/E刺针便携式防空飞弹[39]

飞弹系统

空对空飞弹

地对空飞弹/舰对空飞弹

反战车飞弹

反舰飞弹

参见

参考资料

引文

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