紅外線導引
紅外線導引（InfraRed homing），也常被稱作熱導引（heat homing）或追熱導引（heat-seeking），是一種以感應、追蹤目標物與週遭環境的紅外線訊號強度差異來掌握目標的位置與動向的技術。[1]紅外線導引是視距內短程空對空飛彈的主流導引技術，同時也被多種其他類型的導引武器採用。[2]如部分短程防空飛彈和對地飛彈。[3]
技術编辑
訊號來源编辑
紅外線導引可以分成兩種，一種是攻擊方以特殊的紅外線波束照射在目標上，並利用反射的訊號作為武器導引。這種導引方式最先以夜間使用的紅外線探照燈為開端，能夠協助在夜間行駛或者是尋找目標。使用紅外波束照射目標的方法主要用於短程指令導引武器，使用無線電波束照射目標的導引方法則發展為中程半主動雷達導引技術。[4]
另外一種導引技術是根據目標本身釋放的紅外線訊號與週遭環境間的差異，從而分辨出目標位置進行自主導引的方式，這種導引模式僅被動地接收外界的紅外線，而不使用任何波束主動照射目標，因此可避免目標通過雷達告警接收器、雷射告警接收器等裝備收到襲擊警告。[5]缺點是如果目標與周圍環境的紅外訊號差異不大或者是過低而無法分辨，就會使紅外線導引裝置失效。一架噴射機的主要熱源在後燃器、引擎噴嘴及尾氣，其次是機鼻、翼尖和引擎進氣口。[2]
訊號呈現编辑
早期的紅外線導引追蹤的是目標散發出來特定波長的訊號強度，對於導引系統來說只是在尋找和追蹤指定波長下最熱的目標，至於這個熱源是不是實際上的目標就無法判斷。即使加上冷卻的技術以及改進導引裝置對訊號的靈敏度，這種設計的基本能力與限制並未改變。直到新一代的紅外線成像（IR Image，IIR）技術大幅度改善與提升紅外線導引的層次，紅外線影像不再是單純的看到一個熱源，而是進一步地看到目標大致的外型輪廓，類似以電視影像顯示的型態。這種技術為紅外線導引提供兩項新能力：分辨目標的外觀與正確地追蹤目標。[1]同時紅外線成像導引也開始被用在各式對地武器和反戰車飛彈中，如FGM-148標槍飛彈和PARS 3 LR反戰車飛彈。[6]
1970至1980年代的紅外線導引飛彈偵測紅外線的波段範圍通常為3～5微米，可靈敏偵測噴氣口排出之高熱二氧化碳的4.2微米紅外發射光譜，此類型的導引技術被稱為單波段或單色紅外線導引。1980年代後出現的R-73飛彈及魔術空對空飛彈的紅外線偵測波段範圍則為3～5微米和8～12微米，由於8～12微米波長的紅外線較不易被地球大氣層的空氣吸收，使得該波段的紅外光線能用來輔助飛彈識別正確的目標與紅外對抗措施的差異，此類型的導引技術被稱為雙波段或雙色紅外線導引。[7]
紅外線導引頭使用的感測元件材料主要有三種：早期使用的硫化鉛在未冷卻時最靈敏的紅外線偵測波長為2微米；銻化銦在冷卻至液態氮（77K）溫度時最靈敏的紅外線偵測波段為4～5微米；碲化汞鎘在冷卻至液態氮溫度時最靈敏的紅外線偵測波段為8～12微米。[8][9]目前最常用於冷卻感測元件至超低溫的裝置為焦耳-湯姆孫式微型冷卻器，[10]但如日本04式改型空對空飛彈使用的冷卻裝置則為史特林冷卻器。[11]
短程空對空飛彈编辑
早期的空對空飛彈具有很多種導引方式，如乘波導引的火闪导弹、手動視線指令導引的AA.20空對空飛彈和半主動雷達導引的AIM-7麻雀飛彈，但不久後紅外線導引與半主動雷達導引便從中脫穎而出。紅外線導引技術由於自主導引、高度反電子作戰能力、高隱匿性及生產成本較低的優點成為視距內空對空飛彈的主流導引技術，也因其短程的性質而時常被用於纏鬥空戰中，並被稱作格鬥彈（dogfight missile）。[7][12]而半主動雷達導引及日後取而代之的主動雷達導引則成為中程視距外空對空飛彈的主流導引技術。[13][5]北約飛行員發射紅外線導引空對空飛彈的無線電通訊簡碼為Fox Two。[14]
飛彈的紅外線導引裝置通常位於飛彈的最前端，並被稱作導引頭，其根據掃描方式又可分為光罩式導引頭及焦平面陣列導引頭。基本的光罩式導引頭由內而外依序為主鏡片、感測元件、旋轉光罩、次級鏡片及導引頭玻璃罩。目標的紅外線被底部的主鏡片反射至位於焦點的次級鏡片，再反射進入感測元件中。位於次級鏡片及感測元件之間的旋轉光罩會持續旋轉並週期性地遮斷紅外光，從而產生類比訊號。更先進的導引頭則使用旋轉的鏡片及固定式光罩，訊號點與參考點可被換算成目標與飛彈軸線之間的角度，從而使飛彈修正航向誤差以持續指向目標。較先進的光罩式導引頭會使用特殊設計以降低自然光源或熱誘彈的干擾，如引入瞬間視場（IFoV, Instantaneous Field of View）掃描法，或是改進訊號處理等。[8]
焦平面陣列導引頭則是另一種更昂貴但先進的設計，使用一片排滿多個紅外感測元件的方型晶片偵測來自外界的光線，並經訊號處理成紅外線成像，如此飛彈的處理器便可識別目標的外觀，並以此分辨紅外誘餌與目標的差別，從而大幅提高反紅外對抗措施能力，同時也使其鎖定直升機、無人機等低紅外訊號目標的能力提升。[6]
短程空對空飛彈可根據其導引頭性能、飛彈機動能力及各項參數分為數個世代。[13][15]
- 第一代
- 第一代短程空對空飛彈使用的紅外線導引頭性能有限且視野相當狹小，很容易被太陽或熱誘彈等高熱物體干擾。發射者通常需要在目標的後方±30°內對準其引擎，或者目標發動後燃器時才能讓飛彈穩定鎖定目標。[13]越戰中的美軍飛行員通常在一次空戰中需要5—7分鐘才能取得一次發射機會，[16]且響尾蛇飛彈的命中率僅有15%。[17][18]
- 例：AIM-9B響尾蛇飛彈、AA-2飛彈[19]
- 第二代
- 鑒於第一代空對空飛彈的表現，1960年代各國開始提升導引頭的性能，使第二代紅外線導引空對空飛彈獲得更大的視野，可以鎖定與發射者航向偏離約±10°以內（±10°離軸攻擊能力）的目標，且發射者僅需位於目標航向後方約±45°以內。[13][16]如AIM-9響尾蛇飛彈的D型號使用液態氮冷卻導引頭以提升靈敏度；E型號引入熱電冷卻技術；H和J型號則首次使用固態電子元件。[17]儘管性能獲得可觀的提升，但第二代紅外線導引空對空飛彈仍需要飛行員進行一定程度的纏鬥以定位至目標的斜後方。[16]
- 例：AIM-9E響尾蛇飛彈、蜻蜓二型飛彈[19]
- 第三代
- 第三代紅外線導引空對空飛彈的先驅為1971年的AIM-9L響尾蛇飛彈，該型號的響尾蛇飛彈將感測元件材料從硫化鉛更換成銻化銦並使用氬氣冷卻，使其導引頭靈敏度大幅提高，[17]從而獲得“全向攻擊能力”，[13]可在較小的全向作戰距離內鎖定處於任何朝向的目標，且AIM-9L響尾蛇飛彈還可以鎖定與發射者航向偏離約±30°以內（±30°離軸攻擊能力）的目標，使飛行員能在空戰中取得更多的射擊機會。[16]第三代空對空飛彈的引入使得纏鬥戰的平均時間下降至3分鐘，[20]福克蘭戰爭中的響尾蛇飛彈命中率甚至達到了73%，但不久後戰鬥機生產商便開發出了熱誘彈，導致十多年後的波斯灣戰爭中響尾蛇飛彈的命中率回落至23%。[18]
- 例：AIM-9L響尾蛇飛彈、巨蟒三型飛彈[19]
- 第四代
- 1990年10月兩德統一後，西德接收了前東德國家人民軍空軍的R-73飛彈，從而使R-73的驚人性能公諸於世，並成為第四代紅外線導引空對空飛彈的先驅。[21]R-73飛彈引入了雙色紅外線導引頭，具有不錯的反紅外對抗措施能力，而且首度使用能大幅提高機動能力的推力向量控制裝置，並能搭配飛行員的頭盔瞄準器攻擊導引頭視野外的目標，從而大幅提高其離軸攻擊能力至±75°。[22]在美軍的多次模擬中，使用頭盔瞄準器與R-73飛彈的蘇-30MK戰鬥機皆成功擊敗了使用雷達導引飛彈的F-15C鷹式戰鬥機。[20]為此北約各國開始加速研發第四代或更先進的短程空對空飛彈。
- 例：R-73E飛彈、巨蟒四型飛彈[19]
- 第五代
- 第五代短程空對空飛彈使用先進的焦平面陣列紅外線成像導引頭，並使用更先進的訊號處理系統，使飛彈能看到目標的紅外線影像。[13]
- 例：AIM-9X響尾蛇飛彈、巨蟒五型飛彈[23]
飛彈系統编辑
空對空飛彈编辑
地對空飛彈/艦對空飛彈编辑
反戰車飛彈编辑
反艦飛彈编辑
- 雄風二型反艦飛彈(主動雷達導引及影像式紅外線尋標器，雙導引)
- AGM-119企鵝反艦飛彈
參見编辑
參考資料编辑
引文编辑
- ^ 1.0 1.1 Maini & Maini 2015a，第78頁.
- ^ 2.0 2.1 Maini 2015，第78頁.
- ^ Maini 2015，第83頁.
- ^ Maini & Maini 2015b，第68頁.
- ^ 5.0 5.1 Mets 1998，第71頁.
- ^ 6.0 6.1 Maini 2015，第82頁.
- ^ 7.0 7.1 Maini 2015，第79頁.
- ^ 8.0 8.1 Maini 2015，第80頁.
- ^ Hollway 2013，第55頁.
- ^ Singhal et al. 2023，第458頁.
- ^ 航空開発実験集団 現在の実用試験等. [2015-01-01]. （原始内容存档于2016-02-10） （日语）.
- ^ Mets 2000，第65頁.
- ^ 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 Maini 2015，第84頁.
- ^ DTIC 1997，第14頁.
- ^ Robinson 2002，第52頁.
- ^ 16.0 16.1 16.2 16.3 Robinson 2002，第50頁.
- ^ 17.0 17.1 17.2 Hollway 2013，第58頁.
- ^ 18.0 18.1 John Stillion, Scott Perdue. Air Combat Past, Present and Future (PDF). RAND corporation. [13 September 2013]. （原始内容存档 (PDF)于4 April 2023）.
- ^ 19.0 19.1 19.2 19.3 Robinson 2002，第56頁.
- ^ 20.0 20.1 Robinson 2002，第51頁.
- ^ IRIS-T: Ziel Luftüberlegenheit. Europaeische Sicherheit. 2008 [13 July 2014]. （原始内容存档于5 June 2008）.
- ^ R-73E. Rosoboronexport. [2 February 2020]. （原始内容存档于2023-05-28）.
- ^ Maini 2015，第86頁.
- ^ Raj 2023，第22頁.
- ^ IRIS-T FUTURE COMBAT AIR-TO-AIR MISSILE (IRIS-T FCAAM). [8 April 2024].
書目编辑
- （英文）Maini, Anil Kumar; Maini, Nakul. Precision-Guided Munitions: Guidance Techniques. Electronics For You. Vol. 3 no. 10. February 2015: 76–83. ISSN 0013-516X.
- （英文）Maini, Anil Kumar; Maini, Nakul. Precision-Guided Munitions: Radar-Guided Weapons. Electronics For You. Vol. 4 no. 1. May 2015: 68–73. ISSN 0013-516X.
- （英文）Maini, Anil Kumar. Precision-Guided Munitions: Infra-Red-Guided Weapons. Electronics For You. Vol. 3 no. 12. April 2015: 78–86. ISSN 0013-516X.
- （英文）Mets, David R. To kill a stalking bird. Airpower Journal. 1998, 12 (3): 71. ISSN 0897-0823.
- （英文）Mets, David R. Fodder for Your Professional Reading on the Implements of Strategy and Tactics for Conventional Air War. Aerospace Power Journal. 2000, 14 (3): 57–76. ISSN 1535-4245.
- （英文）Multi-service Air-Air, Air-Surface, Surface-Air brevity codes (PDF). Defense Technical Information Center (DTIC). 25 April 1997 [1 June 2012]. （原始内容 (PDF)存档于9 February 2012）.
- （英文）Robinson, Tim. The Market for 4th Generation Dogfight Missiles. Military Technology. Vol. 26 no. 7. July 2002: 50–58. ISSN 0722-3226.
- （英文）Raj, Anil. Present and future air-to-air missiles. Military Technology. Vol. 47 no. 1. 2023. ISSN 0722-3226.
- （英文）Singhal, Mayank; Kumar, Rajesh; Walia, Ravinderjit Singh; Pandey, Sanjay Kumar. Experimental Investigation and Thermophysics Analysis of Joule-Thomson Cooler Applicable to Infrared Imaging. Defence Science Journal. July 2023, 73 (4): 457–467. ISSN 0011-748X. doi:10.14429/dsj.73.18686.
- （英文）Hollway, Don. FOX TWO!. Aviation History. Vol. 23 no. 4. March 2013: 54–59. ISSN 1076-8858.