迎头方向隐身导弹红外辐射特性分析

梁晓东，王 佳，姚林海，刘 彤，王明歆

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

隐身导弹是通过控制技术降低自身的各种可被探测信息特征，从而降低被探测系统发现的概率。为了提高导弹的生存能力，新型导弹均采用了隐身设计，尤其是在雷达隐身的基础上开始广泛应用红外隐身技术，进一步降低导弹被探测的概率，有效地提高导弹的生存能力和突防能力[1]。红外隐身是用于对抗红外警戒和跟踪设备的一种综合性技术，通过降低导弹的红外辐射特性，即红外探测器探测波段范围内的红外辐射，进而降低被红外探测设备发现的概率，以提高导弹的突防能力[2-4]。

导弹的红外隐身技术是采用屏蔽、涂低发射率涂料或控温涂料、热抑制等技术，降低导弹表面和尾焰的辐射率或者温度，从而降低或者改变导弹的红外辐射特征[5-8]。目前公开报道的隐身导弹有：美国AGM-158B、AGM-158C、AGM-129 等隐身导弹，俄罗斯Kh-59MK2、Kh-102 等隐身导弹，法国风暴阴影等[9-10]，其中AGM-158B、风暴阴影已经在叙利亚空袭中得到应用。AGM-158C 隐身远程反舰导弹（LRASM）是美军目前最新型的多平台发射的隐身亚音速巡航导弹，具有射程远、隐身性好、抗干扰能力强、智能化程度高等特点，目前已经小批量进入美国空军服役。

目前国内外大部分文献主要对导弹红外隐身技术的原理、技术途径和发展趋势等进行介绍和说明，对红外隐身技术的隐身效果尚无详细的研究。本文以AGM-158C 导弹为参考，通过工程计算方法对隐身导弹的红外辐射特性进行估算，并与典型亚音速巡航导弹的辐射特性数据进行对比，研究导弹红外隐身技术的隐身能力，对提高现有红外探测器系统在探测隐身导弹时的性能具有一定的借鉴作用，同时可为反隐身导弹红外探测系统的设计提供一定的参考。

1 隐身导弹红外辐射特性分析与计算

考虑导弹来袭方式，迎头方向探测的红外辐射是最小的，因此理论计算红外探测系统探测来袭导弹的红外辐射特性时主要分析导弹迎头方向的红外辐射。辐射来源主要有：蒙皮由于气动加热引起的红外辐射，蒙皮对周围环境辐射的反射，尾焰辐射[11]。

导弹尾焰红外辐射一般集中在中波波段（3 μm～5 μm），蒙皮辐射主要集中在长波波段（8 μm～14 μm）[12]，所以红外探测系统的工作波段也主要集中在中波和长波波段。本文对AGM-158C 隐身导弹的红外辐射特性计算仅考虑中波和长波的辐射特性，根据英国简氏公开资料可知，AGM-158C 导弹特征数据如表1所示。

表1 AGM-158C 特征数据Table 1 Characteristic data of AGM-158C

1.1 目标蒙皮红外辐射强度

目标飞行速度为0.9 Ma（1 马赫≈340 m/s），根据气动加热公式可以计算出目标蒙皮驻点温度，目标蒙皮平均温度略小于驻点温度，必须进行修正。

1)目标蒙皮等效温度计算公式为

式中：T为目标表面蒙皮温度，单位K；T0为环境温度，单位K；δ为目标蒙皮温度等效修正系数，取0.9；Ma为飞行马赫数。

2)黑体指定波段的光谱辐射出射度计算公式[13]为

式中：W(λ)为黑体的光谱辐射出射度；λ为波长。

3)目标指定波段的辐射出射度计算公式[11]为

式中ε为目标比辐射率。隐身导弹应用低辐射率涂料时目标比辐射率约为0.2～0.3。

4)目标辐射强度计算公式[11]为

式中Sm为目标辐射面积，取0.635×0.45=0.286 m2。

假设环境温度为25 ℃，目标比辐射率取0.3，则导弹以0.9 Ma 飞行时迎头蒙皮的红外辐射强度为J（3～5）μm=0.48 W/Sr 和J（8～12）μm=5.43 W/Sr。

1.2 目标蒙皮反射周围背景的红外辐射强度

处于低空飞行状态的目标会对周围背景辐射（太阳、大气、海面等）进行反射，工程上将目标反射的周围背景辐射等效为环境温度下黑体辐射的反射进行估算。

设目标蒙皮的比辐射率为0.3，考虑到没有透射时反射率取0.7，则通过计算可得目标对环境辐射反射的红外辐射强度为J（3～5）μm=0.35 W/Sr 和J（8～12）μm=7.46 W/Sr。

1.3 目标尾焰红外辐射强度

公开渠道尚未见AGM-158C 尾焰特性的有关报道。正常情况下导弹的尾焰温度与尾喷口的温度有关，计算公式为[14]

式中：T为尾焰温度；T1为尾喷口气体温度；P1为尾喷口内气体压力；P为尾焰的气体压力；v为气体的定压热容量和定容热容量之比，取1.3。

AGM-158C 导弹的发动机是经过红外隐身处理的F107-WR-105 涡扇发动机。对于涡扇发动机，取P/P1=0.4，再考虑到红外隐身措施可以有效降低尾焰温度ΔT，则修正计算公式为

假定喷管排气温度为315 ℃，采取红外隐身措施降低尾焰温度为150 K，则通过公式（6）计算出隐身导弹尾焰的平均温度为325 K。

目标等效直径约为0.6 m，一般导弹尾焰直径是弹体直径的3 倍，即1.8 m，尾焰截面积为2.54 m2。迎头观察时考虑遮挡，尾焰实际有效截面积为2.26 m2。设尾焰中波比辐射率为0.3，长波比辐射率为0.07，可计算得到目标尾焰的红外辐射强度为J（3～5）μm=2.93 W/Sr 和J（8～12）μm=8.9 W/Sr。

综上所述，在背景温度298 K（25 ℃）时目标的红外辐射强度约为3.76 W/Sr（中波）和21.79 W/Sr（长波）。不同背景温度下目标的红外辐射强度如图1所示。

图1 不同背景温度下目标的辐射强度曲线Fig.1 Radiation intensity curves of target under different background temperatures

2 红外探测能力分析

分析与计算探测目标的红外辐射特性是红外探测系统设计的基础与前提。红外探测系统尤其是成像探测系统设计时，不仅关注目标的辐射强度，更关注目标的辐射亮度，因为红外警戒或跟踪系统能否探测到感兴趣的目标，主要取决于目标成像像元与背景成像像元的灰度值差异。在同等背景条件下辐射亮度越大，目标成像像元灰度值越大，目标越容易被探测[15]。

将上述仿真计算结果与典型未使用红外隐身技术的亚音速导弹飞行时（飞行速度0.9 Ma，截面积0.1 m2）的迎头红外辐射特性数据[11]进行对比，结果如表2所示。

表2 目标辐射特性数据对比Table 2 Comparison of target radiation characteristic data

由表2 可以看出，典型亚音速导弹的中波尾焰辐射亮度大约是弹体的3.6 倍，长波弹体辐射亮度大约是尾焰的2.3 倍。因此，红外探测系统设计时尾焰探测通常选用中波红外探测器，弹体探测通常选用长波红外探测器。

从表2 还可以看出，中波弹体和尾焰的辐射均有所降低，中波尾焰辐射经过红外隐身措施降低明显，隐身导弹的尾焰中波辐射约是亚音速导弹尾焰辐射的8%，这将导致中波红外探测系统在对隐身导弹探测时作用距离大大降低。

隐身导弹长波弹体和尾焰的辐射亮度相对于亚音速导弹也有所降低，其中长波尾焰辐射亮度经过红外隐身措施后降低明显，约是亚音速导弹尾焰辐射亮度的17.3%，但弹体辐射仍是亚音速导弹的84.7%。因此对于隐身导弹，长波红外探测系统的探测性能相对降低较小。

3 结论

本文对典型隐身导弹迎头观察时的红外辐射进行了估算和分析，分析结果表明：1）采用红外隐身措施后，导弹的中、长波红外辐射均有所下降；2）在3 μm～5 μm 波段，蒙皮加热引起的红外辐射和蒙皮对环境反射的辐射所占比例较小，主要辐射仍来源于尾焰，但采用红外隐身措施后尾焰温度降低，尾焰的中波辐射明显下降，因此探测隐身导弹时，现有的中波红外探测系统的探测性能明显下降；3）在8 μm～12 μm 波段，尾焰辐射的贡献较小，可以忽略，蒙皮加热引起的红外辐射和蒙皮对环境反射的辐射也有所下降，但是比例不大，因此探测隐身导弹时现有的长波红外探测系统的探测性能小幅下降。