0 引言
箔条作为一种原理简单、使用方便、费用低廉和效果显著的干扰材料被广泛应用于电子对抗领域[1]。面对日益复杂的战场环境,载机担负的作战任务多样化,受到的攻击威胁陡增,提升其作战生存能力越来越重要。箔条干扰是作战飞机在执行攻击任务时,摆脱敌方雷达的跟踪施放的一种简便而有效的干扰方式,能有效干扰雷达制导导弹的攻击威胁,保护载机平台的安全。
箔条干扰弹能在空中形成雷达反射云,遇到雷达照射作用时,在一定的空间范围产生电磁回波信号。箔条的基本用途有2种:一种是在一定空域中大量地投撒,形成箔条幕干扰走廊,以掩护机群的通过;另一种是飞机自卫时投放的箔条,快速散开形成比目标自身回波强得多的回波,使雷达的跟踪转移到箔条云上而不能跟踪在目标上。由于箔条投放形式的不同,箔条云的初态形状也就不相同。传统的机载箔条干扰弹采用护夹形式抛撒箔条载荷,布放干扰云的空间形状为“葫芦串”的长条形状。长条状箔条云的RCS方向性比较强,弹道方向箔条云长度明显较比纵向方向高,箔条云呈现不均匀空间分布,导致其形成时间较长。由于地空(空空)导弹的飞行速度一般均为超音速,导引头制导雷达波束越窄,制导雷达与飞机之间的距离越近,要求干扰弹发射后箔条云形成时间越短。对抗试验证明该箔条云形状无法实施快速、即时干扰,容易错过最佳干扰时机[2]。研究表明将箔条干扰弹布放为近似球形或椭球形的箔条云团,可显著提高对雷达制导导引头干扰的可靠性,增强干扰效果[3-4]。
1 箔条干扰弹设计
1.1 箔条干扰弹结构设计
本文中所设计的机载箔条干扰弹结构如图1所示,其主要结构由电点火具、活塞、滤芯网、支架、干扰载荷、弹壳和端盖等零部件组成。活塞采用裙边设计,侧壁设计密封沟槽,端面设计4个圆形喷孔,用于高压气流的传输;滤芯网采用多孔隙蜂窝耐高温纤维网设计,起着过滤冷却高压气体的作用;支架均匀分布4个支柱,起着传力和防止滤芯挤压变形作用。干扰载荷沿着支架法向方向按照一定规则均匀装填弹壳内腔。
图1 箔条干扰弹结构示意图
Fig.1 The diagram of chaff jamming bomb
1.2 箔条干扰弹工作原理
箔条干扰弹利用燃气发生器的工作原理,采用高压做功和低压充气的原理,将干扰载荷快速布放出弹壳,形成具有纵向布放宽度和横向长度的箔条云。
当箔条干扰弹受到投放系统的点火信号后,电点火具首先被点燃,待压强达到封口压膜片压强,膜片破裂,随后燃气和未燃完的火药进入高压室空间,火药继续燃烧并产生燃气,同时部分燃气通过滤芯网流入干扰载荷的剩余空间内。
电点火具引燃时,瞬间在弹壳和活塞之间的高压室区域形成高压燃气压力,同时一部分高压燃气通过活塞上的泄压孔进入到低压室区域,由于干扰载荷之间存在装填间隙,装填密度在45%左右,剩余间隙空间为55%为自由空间。泄漏的高压气体通过滤芯微孔进入到干扰载荷空间中,致使干扰物的空隙中也充满低压气体。另一部分高压燃气推动活塞和干扰物等向前运动,在干扰物和高压气体的合力推动作用下,剪断端盖部位剪切销钉,将干扰载荷推出弹壳,在空中布放成椭球形干扰云团。
1.3 箔条干扰弹弹道模型建立
根据箔条干扰弹工作原理,建立箔条干扰弹内弹道模型,包含高压室模型与低压室模型,高压室模型是对燃气发生器内部压强及进出低压室流量和干扰载荷发射速度进行预估计算;低压室模型是对干扰载荷内部压强变化进行预估计算。而导气活塞是高压室与低压室相互转换的桥梁,高压室气体通过导气活塞上气孔流入低压室,推动干扰载荷运动,类比文献[5]关于导气式驱动技术的原理和数学模型,开展箔条干扰弹弹道模型的建立和分析。
电点火具使用的火药,形状为管状,结合燃气发生器工作过程和假设,基于火药燃烧和燃气流动较为复杂,为方便计算,建立了简化的箔条干扰弹内弹道方程组[6-7]。
火药形状函数方程:
(1)
火药燃速方程:
(2)
式(1)、式(2)中:Ζ为火药相对燃烧厚度百分比;u1为燃烧系数;e1为火药初始弧厚一半;p为电点火具高压室内压强;χ、λ为火药形状特征量;n为火药燃烧指数。
电点火具能量守恒方程:
(3)
电点火具高压室燃气状态方程:
(4)
低压室燃气流量方程:
(5)
式(3)—式(5)中:τ为电点火具高压室内温度与火药燃烧温度之比;st为滤芯网等效孔面积;η为电点火具高压室内燃气流入低压室的流出量; f为电点火具内主火药火药力; f1为电点火具内点火药火药力; ρ为火药密度;α为电点火具主火药燃气余容;ω为电点火具主火药质量;ω1电点火具点火药质量;V0电点火具容积;V为高压室容积;φ为燃气流量损耗系数;k为电点火具燃气比热比。
(6)
P高
(7)
P低
(8)
式(6)—式(8)中:m0为干扰载荷质量;S活塞为活塞面积;P高高压室压强;P低为低压室压强;F摩擦力为活塞和干扰载荷与弹壳之间摩擦力;pa为外界大气压; β为干扰载荷自由空间系数;N为高压室气体质量;N低为流入低压室燃气体质量;S端盖为箔条干扰弹端盖面积。
1.4 箔条云布放形态分析
箔条干扰弹点火工作后,在干扰载荷飞出弹壳运动过程中,主要受到活塞的推力和迎风空气阻力作用。同时,由于干扰载荷空隙燃气气体与大气压仍存在一定的压差,干扰载荷发射出弹壳瞬间,弹壳内燃气压力以欠膨胀射流的形式喷出,形成随时间变化的初速膛口流场,压缩膛口周围空气产生横向推力和纵向推力,干扰载荷在多种力的同时作用下快速散开,布放成近似椭球状箔条烟云,而不是传统长条“葫芦串”形状。
干扰载荷主要由不同长度的箔条束组成,其中箔条束直径为D、第一层箔条束长度为L1、单束箔条质量为mc1、第二层箔条束长度为L2、单束箔条质量为mc2、…、第n层装填箔条束长度为Ln、单束箔条质量为mcn,且mc1>mc2>…>mcn、L1>L2>…>Ln。干扰载荷的布放过程主要可分为以下阶段。
1.4.1 加速运动阶段
干扰载荷在弹壳内主要受到活塞的推力和低压室的燃气压力作用下,沿着弹壳内腔做直线加速运动,直至冲破端盖销力后,在弹壳口部附近获得最大发射初速度,图2为干扰载荷在弹壳内腔YZ截面方向某一层箔条束形态示意图。
(9)
(10)
图2 干扰载荷YZ截面示意图
Fig.2 The diagram of chaff jamming YZ cross-section
1.4.2 初始扩散阶段
初始扩散阶段主要是指箔条束从弹壳发射开始,到1 s左右的过程。此阶段的箔条云团在水平方向和垂直方向快速散开。箔条束出弹壳后,转入惯性飞行阶段,此时箔条束受到迎风阻力,依靠惯性力开始沿着横向方向做减速运动。同时受到膛口流场作用产生的横向和纵向推力,每层箔条束组开始沿着弹体纵向方向加速运动,待箔条束飞行至一定距离后,在空气阻力和重力的作用下,开始初始扩散形成多束松散状箔条。图3为干扰载荷在出弹壳后YZ和XY投影方向某一层箔条束形态示意图。
(11)
图3 干扰载荷出弹壳瞬间YZ/XY截面示意图
Fig.3 The diagram of chaff jamming ejection from the shell YZ/XY cross-section
1.4.3 稳定扩散阶段
稳定扩散阶段是指1 s后箔条云团受风速和转动影响,在水平和竖直方向缓慢扩散的过程。待箔条束完全出弹壳后,每层不同长度的箔条束在X方向布放形成一定速度梯度的箔条束层,每束箔条受到迎风阻力和重力的作用,快速散开形成一定物理面积的箔条云团,4×N束箔条束云团最终呈现为具有一定长度和宽度的箔条云团。由于每种长度的箔条束散开率不同,随着时间的推移,云团受风速风向及其浮力和重力的影响,逐渐由近似倒锥体向近似椭球体变形,如图4所示。
图4 干扰载荷出弹壳瞬间XY截面示意图
Fig.4 The diagram of chaff jamming ejection from the shell XY cross-section
1.5 箔条云仿真分析
箔条干扰弹初始释放箔条后,箔条是湍流扩散运动的,因此箔条个体是向四面八方抛撒的。箔条在空中是无动力运动,其扩散过程中只受到气动力和重力[8-10]。由于箔条横截面积非常小,有较大的长细比,在一定程度上存在扰动情况,为了分析箔条云整体特性,建立从箔条散开到充分展开达到最大RCS的这一过程中箔条扩散时连续和离散运动模型。箔条在航迹坐标系中的动力学方程为:
(12)
式(12)中:V为箔条速度; θ为箔条速度倾角;γ为箔条速度倾侧角;ψ为箔条速度航向角;X、Y为分别为箔条所受阻力和升力;Cx、Cy为对应的阻力系数和升力系数; ρ为大气密度;S为箔条特征面积。
箔条干扰弹干扰载荷数目为493万根,发射初速度为25 m/s,发射仰角为0°。通过Matlab仿真,可得箔条在不同时刻的抛撒形态,如图5所示。
图5 箔条云不同时刻仿真形态
Fig.5 The simulation dispersion morphology of chaff cloud at different times
箔条出弹壳瞬间沿着弹轴方向和横向迅速扩散运动,开始散开呈现为浓密椭球体形态。随着时间增长,箔条云团中心一直处于连续扩散和离散运动状态,边界逐渐边长,箔条云体积不断变大,由浓密椭球状云团扩散为稀疏椭球状云团。箔条云体积随时间的增长呈现快速增长的特点,箔条云团密度随时间呈衰减趋势。
1.6 箔条布放试验分析
根据仿真模拟结果分析,在近似无风的条件下开展箔条干扰弹静态发射试验验证。图6为箔条弹布放瞬间某时刻的形态,通过摄像可以看出,箔条载荷在出弹壳瞬间,存在明显的横向扩散现象,干扰载荷在沿着发射方向运动的同时,沿着水平方向也快速运动,箔条载荷呈现出近似椭球状形态,体积快速增长变大,箔条云团由浓密状逐渐扩散为稀疏状态。试验结果表明,箔条云形态同仿真结果基本吻合,近似椭球体分布。随着时间的变化,箔条云团体积快速增长,云团密度快速衰减。观察箔条丝分散相对比较均匀,尤其中短长度箔条丝散布一致性较好,基本无粘连成团现象,其箔条布放效果明显优于传统式长条状形态。
图6 箔条干扰弹不同时刻布放形态
Fig.6 The experimental dispersion morphology of chaff cloud at different times
表1给出了箔条云团轴向及径向尺寸随时间的变化扩散情况,反映了箔条云的布放面积与时间的关系,试验结果与仿真结果发展趋势一致,近似成椭球形状态,长轴与短轴比变化不大。
表1 云团尺寸变化试验结果
Table 1 Test results of chaff jamming cloud size variation
时间/ms轴向a/mm径向b/mma/bt012605252.4t121008402.5t2336014702.29
2 箔条云RCS特性测试
箔条干扰弹RCS测试采用高空动态测量方法,参照GJB364A—2002《箔条云测试方法》,利用投放平台将箔条云布放在预定空间,能够真实模拟箔条干扰弹布放过程中箔条云的扩散状态[11-13],同时利用空间背景可消除背景杂波对测试的影响。测量时采用比较法,将箔条云的回波信号、距离与标准球和投放平台的回波信号、距离相比较,从而得到箔条云的雷达截面积为
(13)
(14)
式(13)、式(14)中:Pr为测量雷达接收到的箔条云团回波功率信号;Pt为测量箔条云团雷达发射功率;G为雷达天线增益;λ为测量雷达波长;R为测量雷达天线到箔条云团中心的距离;σ为箔条云团的雷达散射截面积;Lt为测量雷达发射天线损耗;Lr为测量雷达接收天线损耗;Lp为极化损耗;K为常数。
通过标准球RCS,可得:
(15)
式(15)中:σs为标准球的RCS;Prs测量雷达接收到的标准球回波功率信号;Pts为测量标准球雷达发射功率;Rs为标准球到雷达天线中心的距离。
测试系统构成示意图如图7所示,箔条干扰弹RCS测试时,箔条布放高度H,距离测试雷达L,测量雷达波束方向与箔条云团发射方向垂直。图8为利用空中发射平台空中布放箔条云物理形态,图9、图10为某传统型箔条干扰弹和改进后的箔条干扰弹RCS时间特性曲线。由测试结果可知,箔条云长宽比,相比传统型箔条布放形态显著缩短,箔条近似呈椭球状云团,箔条云形成时间显著提升,传统型厘米波段RCS其达到10 m2的形成时间约1 s,改进型箔条云各测试频点RCS在0.3 s内到达10 m2左右,相比传统型箔条干扰弹,箔条云形成时间缩短了0.7 s。测试表明,箔条云团动态RCS变化与设计比较吻合,箔条云形成时间短,且有效持续时间较长,箔条云团均匀系数比较平稳。
图7 箔条RCS测试系统框图
Fig.7 Block diagram of chaff RCS measurement system
图8 箔条RCS测试布放形态
Fig.8 The experimental aerial dispersion morphology of RCS measurement
图9 某型箔条干扰弹RCS时间特性曲线
Fig.9 RCS measurement time response of a chaff jamming bomb
图10 箔条RCS测试时间特性曲线
Fig.10 RCS measurement time response of chaff cloud
由测试曲线也可看出,箔条云RCS测试结果,随着时间变化出现忽高忽低现象,但均满足设计指标10 m2的要求。分析原因在于:投放平台和箔条干扰弹的RCS均较小,箔条干扰弹发射瞬间,与投放平台很难分辨。测试时为了保证测试的精度,实现从方位上进行快速分辨箔条云团和投放平台,要求测量雷达的天线波束非常窄,带来跟踪雷达准确捕获并精确跟踪全部箔条云团有一定的困难。波束角内的箔条丝受到横风或旋风的影响,可能出现箔条云团散开到体积比较大时,也有可能导致箔条丝飘出波束角范围,最终导致箔条云团RCS随时间变化出现波峰和波谷现象。
3 箔条干扰弹效能分析
3.1 仿真条件
设导弹距飞机距离Rm=8.5 km时开始制导,导弹飞行速度Vm=1 000 m/s(3 Ma典型速度),直升机飞行速度Vp=65 m/s,飞机和箔条的雷达散射面积σp、σc分别为5～10 m2和40 m2,箔条发射速度Vc0=35 m/s,箔条云形成时间tfc=0.5 s,导弹末制导雷达水平波束宽度 φb=2°,雷达脉冲宽度τ=0.5 μs。
3.2 仿真分析
3.2.1 箔条干扰弹发射间隔
箔条云是利用其对雷达信号的强反射,将雷达对飞机的跟踪吸引到对箔条的跟踪上[14],因此,要求在每个脉冲分辨单元内至少投放一发箔条干扰弹。以雷达波束宽度为θp=2°,雷达的脉冲宽度为τ=0.2 μs进行分析计算。箔条干扰弹投放最大弹间隔如图11所示。
图11 箔条干扰弹投放最大弹间隔
Fig.11 The maximum shooting interval of chaff jamming bomb
从以上分析可知,当雷达波束角、脉冲宽度一定时,来袭距离对箔条布放最大弹间隔影响在迎头和尾追的影响不大,在正横区域[60°,120°]箔条布放最大弹间隔可随来袭距离的增加而增加;飞行速度对箔条布放最大弹间隔影响较大,飞行速度越慢,箔条布放最大弹间隔越大。综合考虑飞机雷达告警无法获取准确距离,采取正横区域[60°,120°]、[240°,300°]的箔条布放最大弹间隔时间为1.0 s,其余区域不大于0.5 s;在距离为2 km以内时,箔条布放最大弹间隔时间不大于0.25 s。
3.2.2 箔条干扰弹压制比
从理论上分析,为使导引头视场中心快速朝干扰弹箔条云方向偏移,干扰弹压制比越大越好[15],同时考虑干扰效费比,以固定的投弹间隔和无机动情况下对压制比进行分析。不同压制比下干扰成功率如图12所示。
图12 不同压制比下干扰成功率
Fig.12 Jamming success rate under different suppression ratio
图12中,深蓝色区域代表干扰完全失败,黄色区域代表导弹被诱骗至完全脱离导弹杀伤半径范围外,其他颜色中越接近深蓝色表示越接近导弹杀伤半径,越接近黄色表示越远离导弹杀伤半径。由图12可以看出,压制比增大,成功概率越高,压制比到4以后,成功率可达到100%,综合考虑压制比在2的条件下最为经济,部分区域干扰效果不佳可通过机动的方式予以提升。
4 结论
1) 通过采用导气活塞原理设计,利用高压燃气向低压室转换,实现了箔条载荷快速布放形成近似椭球形箔条云团的形态,提高了箔条的散开率,可缩短箔条云团RCS形成时间。同时提高了箔条云团的均匀、大面积的布放效果,对于同类型箔条干扰弹的工程设计具有一定的参考和借鉴作用。
2) 通过仿真分析和试验验证,得到了箔条载荷布放的不同时刻形态效果,试验结果和数值仿真结果比较吻合。
3) 利用测试雷达对箔条载荷动态RCS测试,得到了箔条载荷不同时刻的RCS时间特性,测试结果表明箔条载荷RCS具有形成时间短和均匀平滑特点。
4) 通过箔条干扰弹投放间隔和压制比效能仿真分析,得到了箔条干扰弹不同投放间隔和压制比时的干扰成功率。
5) 对于投放策略、威胁目标来袭方向和载机机动策略,还需进一步开展研究。
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