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“响尾蛇”的故事

发布时间:2013-04-17  原作者:Silencsrv   点击数:

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  响尾蛇导弹是一种热寻的、短程空对空导弹,被广泛运用于各种军用作战飞机和部分武装直升机上。五十年来,响尾蛇的各种变形和改进型被各国空军(海军航空兵)使用。北约规定,当空战中发射热寻的空空导弹的时候,北约飞行员必须在无线电广播中使用暗语:“Fox Two”来提示友军导弹发射。

Fox Two

  响尾蛇是迄今西方阵营使用最广泛的导弹——超过 110,000 枚导弹被美国和其他盟国(目前有 27 个国家和地区具备生产它的能力,其中包括瑞典等国家根据许可证进行生产)生产出来,而其中可能有百分之一在空战中被使用。响尾蛇是迄今使用最古老、价格最低廉、设计最成功的一型空空导弹,估计迄今至少击落 270 个空中目标。

  响尾蛇的设计中一大亮点就是结构简单、方便升级。据说最初响尾蛇设计的目标就是:生产一种性能可靠、效果良好的导弹,它的电子系统复杂度只相当于一台收音机;而它的机械系统复杂度只相当于一台洗衣机。这个目标在早期生产的导弹中被很好地实现了。2002 年,美国海军专门举行了一场纪念仪式,纪念响尾蛇诞生 50 周年。

  响尾蛇导弹的英文名称是:Sidewinder,取自一种蛇类的名称,这种蛇体积很小,平时使用红外线感知器官来捕捉温血猎物。

Sidewinder,角响尾蛇亦译侧进蛇。亦作 horned rattlesnake。蝰蛇科(Viperidae)小型夜出性蛇,学名为 Crotalus cerastes。产于墨西哥和美国西南部的沙质荒漠。体长约 45~75 公分,眼上方各有一角状鳞。淡黄、粉红或灰色,背部和身体两侧呈不显眼的斑点。在沙漠上侧向盘绕前进,留下特有的 S 形痕迹。有毒,咬人后一般不会使人致命

红外探测的物理原理

  上个世纪 20 年代,人们发现当硫化铅暴露在红外线——一种热辐射下时,会导致前者的电阻抗降低。这种现象的学名叫光电导性,或者光电导率。光电导性在其他波长光照下也会出现。于是一种初步设计方案产生了:通过硫化铅电阻抗值的变化计量当前红外线辐射的强度,同时根据强度强弱控制导弹飞行。进而设计一种导引头,引导导弹飞向散发着红外热辐射的目标——或者是飞机,或者是导弹。

  整个二战中,各主要交战国都曾经尝试运用光电导率原理和图像增强技术来生产专供夜间使用的显示器,而且几乎全部针对远程飞行物探测的。但是这些尝试都不是很成功,只有纳粹德国研制的一种名为“”扳手“的夜视系统最终投入了生产,这个系统使用一根长长的镜筒放在飞机风挡前方,飞行员在夜里通过它可以看到正前 方的情况。但是这些系统有个共同的问题就是视野距离太短,伴随着机载雷达系统的投入使用,前者陆续中止了研制和使用。

Enzian 红外制导导弹,弹体周围有 4 个助推器

  此外,红外成像显示器还被广泛运用于各种地面战斗系统,包括坦克装甲车辆甚至狙击步枪,直到一系列车辆夜视系统(据说为了躲避盟军战略轰炸,德军 V-1/V- 2 导弹车队就是在夜间进入阵地,而搭载导弹的车辆就使用了这种像增强夜视系统)。随着这方面经验的累计,德国科学家也试验了一种自动化的导弹导引系统,用来在国土防空作战中通过追踪敌机引擎发出的热量来引导他们研制的 Enzian 导弹命中目标。Enzian 导弹使用一个简单的探测器作导引头的核心部分,这个探测器安放在一个望远镜的焦点位置,同时在导引头和望远镜组成的导弹弹体上有四个舵面。Enzian 导弹就是通过探测器来感知望远镜焦点的变化,进而实现控制导弹飞向目标。不过没等这种导弹研发完成,战争就结束了。

Enzian 红外制导导弹结构图

响尾蛇的早期研发

  响尾蛇于 1946 年在海军军械测试站(NOTS)开始研制,该站位于美国加州的 Inyokern,就是今天著名的美国海军中国湖武器试验中心的前身。最初这个项目仅仅被当成一个机构内部的研究项目,提出这一构想的是一位名叫 William B. McLean 的工程师。McLean 最初将他自己的项目称为“Local Fuze Project 602”。这个项目靠实验室基金,志愿者的帮助甚至保险基金来维持开发(当时被称为一种寻热火箭)。而直到 1951 年以前,这个项目没有接到任何官方资助。直到当年响尾蛇被展示给 William "Deak" Parsons 海军上将——海军军械局的代表时,它的性能已经十分不错。而到了 1952 年,该型武器按照指定流程受到了官方代号。通过使用一些新技术,响尾蛇的结构十分简单,而性能却又比空军开发的同类产品(AIM-4 猎鹰导弹)更可靠。通过在越南战场的实践,美国空军也对猎鹰的性能深表失望,最后还是使用了响尾蛇。

William B. McLean,响尾蛇之父

  响尾蛇在设计上借鉴了 Enzian 导弹设计上的一些独到之处,但是更多的还是革新,这些革新最终显著地提高了它的性能。首先,它的导引头结构酷似人眼的结构:使用一个矩形透镜(这个透镜的横截面应该是抛物面形状,类似于放大镜)替代了 Enzian 导弹控制系统中原有的“操舵”镜,前者被安装在响尾蛇导弹的头部,其对角线交点被垂直固定在导弹轴线上,透镜可以围绕这个圆心水平转动。红外线感应器则被安装在透镜的后方。当透镜平面的长轴、导弹的中轴线还有从目标通过镜片折射到红外线感应器的红外线处于一个平面时,目标发射的红外线就可能被红外线感应器感知(当然早期响尾蛇红外线感应器视界很窄,导致目标离开导弹轴线不能很远,远了就不行了)。因此透镜折射目标热辐射到达红外线感应器的连线和导弹中轴线之间夹角可以引导导弹飞向目标所在大致方向。

早期响尾蛇导弹引导头原理图

  响尾蛇探测到的目标偏离导弹轴线的角度大小取决于目标热辐射到达透镜时,其折射点距离透镜边缘有多远。如果目标距离透镜固定轴(就是透镜的对角线交点)很远,被红外线感应器捕捉到的目标红外辐射肯定是通过接近透镜边缘的区域折射来的,反之会落在透镜中央。由于透镜以固定角速度围绕导弹中轴作自旋,所以当目标发出红外线落在透镜边缘的时候,角速度一定的情况下,透镜边缘自旋的线速度肯定会很快,反之红外线折射点处于镜子中央的时候,线速度会很慢。目标离轴角度可以根据透镜上折射红外线持续时间长短被估算出来(目标离轴越远,折射红外线在透镜上留存时间越短;反之则越长)。

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