红外空空导弹整流罩技术的新进展

2008年第2期航空兵器2008No.2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2008年4月AEROWEAPONRYApr.2008

红外空空导弹整流罩技术的新进展

孟庆超,段　萌,张运强,姜成舟

(中国空空导弹研究院,河南洛阳　471009)

　　摘　要:整流罩是空空导弹关键部件之一,蚀的双重作用。构优点。,空空导弹上的应用。

关键词:空空导弹.　文献标识码:A　文章编号:1673-5048(2008)02-0024-04

NewDevelopmentonDomeofInfraredAir2to2AirMissile

MENGQing2chao,DUANMeng,ZHANGYun2qiang,JIANGCheng2zhou

(ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,China)

　　Abstract:Thedomeisoneofthekeycomponentsofair2to2airmissile,itactsonbothimprovingthe

aerodynamiccharacteristicsandpreventingtheinneropticalelementsfrombeingeroded.Thedometech2nologyofair2to2airmissileisdescribed,andthecharacteristicsandstructureofsometypeofdomesdevel2opedinthepastareexplained.Itispointedthattheapplicationofconformaldomeusedinair2to2airmis2sileisthedevelopmenttrendoffuture,anditisstatedwithemphsiseinthisarticle.

　　Keywords:air2to2airmissile;infrareddome;conformaldome

0　引　　言

红外空空导弹在现代战争中占据着重要位置,在被导弹击落的飞机中,绝大多数是被红外空空导弹击落的

[1]

外形。因此,人们对整流罩的形状及性能进行了优化设计,先后研制出了多种类型的整流罩以适应

导弹高速飞行的要求。

。红外整流罩是空空导弹的关键部

1　以往整流罩的结构形状及特点

近年来,国内外整流罩的发展取得了长足进展,为了满足战争的需要,研制性能良好的空空导弹,发达国家及军事强国投入了大量的人力、物力、财力研制红外整流罩。1.1　球形浅穹整流罩

早期的红外空空导弹的整流罩大多采用球形整流罩,性能指标和技术水平相对较低,导弹的攻角较小,因而整流罩的口径和包角都比较小。整流罩的内外表均为球面,并且两球面的球心重合,内部光学系统的回转中心和整流罩的球心重合,位标器在寻的过程中整流罩对光学系统形成的像差是均匀不变的,如图1所示。随着空空导弹技术的

件之一。由于在导弹高速飞行过程中,整流罩要承受高的气动加热温度和大的气动压力,并遭到风沙侵蚀以及雨水和冰雹的侵袭,因此要求整流罩或窗口材料具有良好的光、机、热学性能。随着红外空空导弹速度的不断增高,射程变得更远,尤其是在超音速飞行时导弹的减阻问题就显得十分重要。这就要求处于导弹最前端的整流罩除了具有良好的光、机、热性能以外,还要具有良好的气动

收稿日期:2007-01-24

作者简介:孟庆超(1978-),男,河南南阳人,工程师,硕士,研究方向是光学系统设计。

孟庆超等:红外空空导弹整流罩技术的新进展

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发展,整流罩的长径比逐渐增大,口径也在增大以满足导弹大攻角的要求。鉴于球形整流罩的安装及实际应用条件,长径比(整流罩的口径与高度的比值)最大为0.5,即半球形整流罩,如图2所示,图中2L=D。第三代以前及部分第四代空空导弹的整流罩长径比均小于0.5

。

形基片拼粘组成,整流罩的前端是一个耐高温的金属鼻锥,如图4所示。该整流罩最大优势在于阻力小,研究表明,采用八棱锥整流罩对导弹性能有一定的改善,相对球形头罩来说,可以降低全弹的零阻,大大提高全弹的升阻比,提高导

[2]

弹的机动能力。这种整流罩可用于大马赫数飞行的空对空和地对空导弹,如法国玛特拉公司生产的“西北风”导弹,我国的“HY-6”肩射地空导弹等。斯普林特”长箭”导弹。但是,锥罩。人显示,长细比为2∶1的锥形头罩,视角从0°～20°变化时,透过率从70%～33%变化。透过率的下降

[1]

主要是因为锥面的反射而损失的。在实际应用中,背景辐射尤其是太阳处在前方视场范围时,太阳光在整流罩内多次反射,形成杂光,增加了背景噪声,降低了系统分辨率。从另一方面考虑,基片之间的粘接也是一项十分复杂的技术,势必引起

[3]

成本的增加。

图1　

图2　半球形整流罩

球形整流罩易于加工,后面的光学系统的设

计也比较容易,但是从整个导弹的气动外形来看不具有最佳空气动力学外形,受到的压力比较大。在高速飞行中空气和整流罩在大压力下快速摩擦而骤然生热,导致整流罩的温度高、温度梯度大,尤其是驻点温度最高,产生很大的局部应力,这对整流罩的机械性能也是一大挑战。因不满足环境要求而破裂的现象并非鲜见,如图3所示

。

图4　八棱锥拼接整流罩

1.3　激波针型红外整流罩

激波针型红外整流罩利用了尖整流罩低阻力的

优点,又保留了圆整流罩反射损失少的优点,是一种圆罩+罩面驻点镶嵌激波针的组合结构,如图

5

图3　因气动热效应而破裂的整流罩

1.2　八棱锥拼接整流罩

鉴于球形整流罩空气阻力大的缺陷,人们

研制出了能够经受高速飞行要求的八棱锥整流罩。八棱锥整流罩采用八片厚度均匀的红外梯

图5　激波针型红外整流罩

・26・

航空兵器　2008年第2期

所示。此组合结构与八棱锥拼接整流罩相比透过率损失减少约15%～20%,而气动阻力系数仅高出2%～3%。俄罗斯的SAM-18空空导弹已成功地

采用了此技术。但是,风洞试验表明,导弹速度在6马赫、攻角为0°时,整流罩受气流激波的影响很

小,导弹的攻角为5°时,激波针根部的温度比没有激波针时的整流罩驻点温度还要高,这就说明此时激波针反而增加了导弹的阻力

[4]

方法连接,针对半球形整流罩的连接只有焊接技

[6-7]术。美国AIM-9X空空导弹整流罩呈半球形,该型整流罩的连接方法即采用了焊接方法。

由于蓝宝石整流罩的诸多特点,国外的第四代空空导弹如美国的AMI-9X、英国的ASRAAM、德国等多国联合研制的IRIS2T、以色列的“怪蛇5”、南非的A-Darter等大都采用了蓝宝石整流罩。

。由此可见,激

波针对整流罩的保护及改善气动外形是有条件的。

3　未来整流罩的发展方向

3.1　保形整流罩

2　第四代空空导弹用整流罩

导引头的迎头作用距离提高到,的工作范围提高到不低于3马赫数。关键技术之一,,为满足全天候、全方位作战和高马赫数飞行的要求,对整流罩材料也有了更高的要求。以往整流罩多采用氟化镁、硫化锌、尖晶石等中等硬度的材料制作整流罩,第四代空空导弹大多选用硬度仅次于金刚石的蓝宝石作为整流罩材料。因为蓝宝石材料具有更强的硬度、强度、热传导率等优点,这样整流罩厚度可以做得更薄,耐热冲击性能会提高。

国外对蓝宝石材料的研究相对较早,生产及加工技术比较先进,已经研制出应用于飞机、导弹窗口的大面积蓝宝石平板和大口径整流罩。国内对蓝宝石整流罩也进行了全面的研究。目前已经研制成功了口径大于130mm的半球形蓝宝石整流罩,如图6所示。对加工出的蓝宝石样品进行了高温、常温透过率测试,高温、常温强度试验,耐雨蚀等试验,各项指标均满足红外成像制导要求

[5]

。遗憾的是长径比为0.5的,不能获得最佳的空气动力学外形,安装半球形整流罩空空导弹的相当一部分阻力来自整流罩。

为了减小阻力、获得好的隐身能力和目标视场,可使用与机身或弹体形状一致的整流罩,称之为保形整流罩(ConformalDome)。图7左边就是使

[8]

用保形整流罩的导弹。这项光学技术的特点表现在组成外部窗口的元件除了光学性能的需求外更适合于空气动力学的要求,在很大程度上提高了空空导弹的空气动力学性能。图8描述了导弹在不同马赫数飞行时整流罩的阻力系数和长径比的关系。可以看出,随着长径比的增大,整流罩的阻

[9]

力系数明显减小。

。

图7　

装有保形整流罩的导弹和传统导弹对比示意图

图6　大口径半球形整流罩

鉴于第四代空空导弹±90°的跟踪场,要求整流罩具有半球形结构,也就是说长径比达0.5。大口径半球形蓝宝石整流罩的连接技术便成了一个难题,目前大口径近半球形整流罩可采用滚压的

图8　不同长径比的整流罩的阻力系数与飞行速度关系

　　保形整流罩可以减小导弹的阻力,这就要求保形整流罩相对于相同截面积的球形整流罩来说

孟庆超等:红外空空导弹整流罩技术的新进展

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更尖、更长,导弹可以有更远的射程、更短的发射时间,或者有更大的有效载荷,导弹的直径可以适当加大,保形系统可能设计出更大的无渐晕跟踪场,实现大于±90°的搜索、跟踪

[10]

。

保形光学系统的研制是一项庞大而又复杂的研究课题,需要解决许多难题,诸如设计、加工、检测、组装、测试等。目前人们进行的保形头罩设计的材料主要是氟化镁、氧氮化铝和硫化锌等中等硬度的材料。这些材料制作的整流罩只能在较低速度下应用,在更高速导弹(5马赫以上)上保形整流罩驻点温度将高于1000℃,因此,为满足未来更高速的空空导弹的耐高温、保形整流罩材料采用蓝宝石、也成为可能。

3.2　　　图10　保形光学导引头对美国F-16战机在美国

,人们创造性地设计出了不同结构形式的整流罩以获得最

佳的作战效能。保形光学整流罩作为一个重要的发展方向,给导弹整流罩的设计带来了革命性的变化。虽然保形整流罩的设计、加工成本昂贵,但是,以其无可比拟的性能必将成为未来红外导弹整流罩的发展方向。参考文献:

[1]李玉民,李瑾.红外光学材料及整流罩技术的新发展

[J].红外与激光技术,1995,24(5).

[2]邢秀华.八棱锥头导弹减阻特性研究[J].航空兵器,

1996,(5).

[3]战术战略导弹用高性能锥形整流罩[J].马竹先,译.

国内在保形光学系统方面正在进行多方面的研究,已有少数介绍性的文章发表,美国在这方面的研究已取得长足进展。美国国防部高级研究计划局(DARPA)于1996年资助“保形光学”研究发展项目,于1999年10月宣布世界上第一个保形光学系统研制成功,其结构如图9所示

[11]

。图10是

保形光学系统的导引头对美国F-16战机在美国图森国际机场起飞时的成像照片,图中可以明显看到战斗机的轮廓和发动机喷出的高温气流

。

航空兵器,2000,(5).

[4]HarrisDC.MaterialsforInfraredWindowsandDomes

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[5]潘国庆.大口径蓝宝石半球形红外整流罩研制及性能

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[11]ShannonRR.OverviewofConformalOptics[A].SPIE,

1999,Vol.3705.

SPIE,2001,Vol.

图9　装有保形整流罩导引头示意图

保形光学系统以满足导弹的气动外形为第一要务,由于它特殊的结构形式给光学设计带来了很大难度,像差校正的不完美性导致了保形光学系统像质下降,人们努力达到可接受的范围内。保形整流罩的提出及研制成功为空空导弹的发展指出了新的发展方向,同时,也为光学系统的设计和光学材料的加工等方面提出了新的挑战

。