全球獨家爆料:英國星光導彈的秘密

星光導彈是英國軍火巨頭Thales公司研製的便携式短程超音速防空導彈:

英國星光導彈

幾天前,英國援助烏克蘭的星光導彈成就了它實戰中第一次斬獲,擊落了一架俄軍米28攻擊直升機:

一架俄軍米28攻擊直升機被擊落
俄軍米28攻擊直升機

本來,我給自己的定位是有軍事知識的政評人,從來不針對某一款武器做節目。但這款導彈太獨樹一幟、特立獨行了,充滿了創新。全世界中英文的軍事刊物沒有一家知道它是如何工作的。於是我技癢了。

現有的各類防空導彈

在星光導彈問世之前,反飛機導彈只有二種制導方式:紅外制導和雷達制導。因爲紅外綫傳播距離有限,紅外制導導彈都是中短程。美軍AIM-9響尾蛇空對空導彈直徑13厘米,長3米,重85公斤,射程35公里:

AIM-9響尾蛇空對空導彈

美軍雷達制導的AIM-54鳳凰空對空導彈直徑38厘米,長4米,重470公斤,射程195公里:

AIM-54鳳凰空對空導彈

單兵肩扛式導彈必須將重量限制在25公斤以内,因爲這是大多數士兵都能夠操作的重量上限,否則班裏只有有人高馬大的彼得才能操作,他要是傷病陣亡了,班裏就沒人用得了了。因爲這個重量的限制,導彈的直徑15厘米是上限,這個尺寸不可能放進一個雷達,所以在星光導彈問世之前,當兵肩扛式防空導彈只有紅外制導。最著名、最戰功卓著的是美國的FIM-95毒刺:

FIM-95毒刺

但紅外綫制導的導彈易受飛機發射的誘餌彈的干擾:

誘餌彈散發的紅外綫比飛機大得多,導彈往往會追逐誘餌而錯過敵機。

AGM-114地獄火空對地導彈是激光制導,一隻激光光束必須恆定地照射在目標上,導彈追逐激光的反射而命中目標。但激光制導不適合用於飛機,因爲飛機飛得太快,又可能做各種機動,地面上的射手很難保證那束激光一直照在飛機上。

星光導彈的設計理念

單兵肩扛式防空導彈用於攻擊目視範圍内的敵機。在目視範圍内内,人眼、人腦辨識真假目標的能力任何導彈都望塵莫及。如果導彈能由操作員指定目標,那麽誘餌彈就不再是問題。

這是星光導彈設計師的的最初的初衷。

其實,操作員制導的方式早就大量用於光纖制導的反坦克導彈上。最初大量使用的70年代的蘇製AT-1:

蘇聯AT-1光纖制導反坦克導彈

導彈向前飛行,後面脫著一根纖細的光纖,光纖的另一端鏈接在一個類似下圖的操縱桿上(下圖不是AT-1所用的操縱桿,只是類似):

和蘇製AT-1光纖制導反坦克導彈的操作杆相似

如下圖所示,操作員從目鏡裏看見敵軍坦克和向前飛行的導彈的尾部的噴火。在左下圖,導彈噴火出現在目標右上方,於是操作員向左下方扳動操縱桿,導彈就會向左下方飛行,儅噴火和目標重合時,操作員將操縱桿回中,導彈恢復向前飛行,此時人眼、導彈、目標三點成一綫。

蘇製AT-1光纖制導反坦克導彈的操作員目鏡裏面的形象

這種制導方式所依賴的是人眼和人腦,是不會受到誘餌彈欺騙的。但光纖制導只適合攻擊慢速行駛的車輛,偶爾也有成功擊落懸停或慢速飛行的直升機的案例,但不適合攻擊高速、大過載機動的固定翼戰機,因爲第一,儅導彈大過載機動時,會甩斷後面的光纖;第二,幾百米以外的坦克開得再快,在目鏡裏也幾乎是靜止的,這時人只需要慢慢將導彈噴火移動到和坦克重合。儅飛機高速機動時,操作員要想讓導彈噴火和飛機重合非常困難。就算一個反應極其機敏的人能夠讓導彈的噴火一直和敵機重合,導彈也不可能打到飛機,因爲它必須要取提前量:

打飛機必須取提前量

人眼、人腦分辨真假目標的能力最好,但要計算提前量就不行了,而計算機只要算法正確就可以瞬間計算出最佳的提前量。

星光導彈以極其創造力的方式,將現有紅外制導導彈和光纖制導導彈融合,取二者的長處,去二者的短處:

  1. 它保持了光纖制導導彈的長處:它由人指定目標,不會被誘餌彈欺騙。
  2. 它以無綫方式向導彈傳遞指令,不需要拖曳光纖。
  3. 它由導彈内部的微型計算機來計算提前量。

星光的結構

星光的結構

星光的後半部是火箭發動機,前半部是三支鎢合金飛鏢,每隻僅2厘米粗,四十厘米長,900克重,沒有火箭推進裝置,完全靠慣性飛行。裝450克炸藥,鎢合金外殼内部划網格細縫,以便爆炸后形成均匀碎片。擊中飛機后穿透進機體内部再爆炸,以保證最大破壞效果。導彈發射后,火箭發動機將上圖中整個結構加速到超音速四倍,然後三隻飛鏢脫離主體,間距1.5米,各自靠慣性飛行。

星光奇妙的制導方式

在星光的目鏡裏,操作員看到的圖像和光纖制導反坦克導彈的操作員看到的類似:

星光制導設備目鏡所見

這個圖像和光纖制導反坦克導彈的有二個不同:

  1. 有三枚導彈。
  2. 操作員不需要用操縱桿控制導彈的方向。他只需要做一件事:始終讓十字綫中心落在敵機上。

不是說那三枚飛鏢沒有火箭推進裝置嗎?怎麽目鏡裏還能看見三枚飛鏢的噴火?這是飛鏢的尾部特意發出的光,而且三枚飛鏢尾部發出的光不同。操作員肩扛的、包括目鏡在内的制導裝置就能在圖像中辨識出每一枚飛鏢的位置。

肩扛的制導裝置内的計算機將上面的圖像劃分成網格:

此時此刻,

  • 第一枚飛鏢在第6行第3個網格裏。
  • 第二枚在第6行第2個網格裏。
  • 第三枚在第7行第3個網格裏。

上述所有信息用6個數字就可以表達:6,3,6,2,7,3。

實際上這個網格划得比我的示意圖要細得多。具體劃分成幾行几列我不知道,應該是100以上。如果那三枚飛鏢能夠接收到這6個數字,它們就能非常準確地知道自己和敵機的相對位置(傳送的數字不包括敵機位置,因爲敵機位置永遠在十字綫中心),知道自己應該朝哪個方向運動。

肩扛的制導裝置每秒幾百次把不斷變化的這6個數字傳輸給飛鏢,飛鏢裏面的計算機做如下的運算:

  1. 我先向敵機方向機動。
  2. 如果下一次傳來的數字告訴我,我和敵機的距離更近了,而且接近的速度恰好,這就説明我向敵機方向的機動過載正合適。
  3. 如果下一次傳來的數字告訴我,我和敵機的距離更遠了,説明我剛才的機動過載不夠,敵機正在逃逸,我就加大過載量。
  4. 如果下一次傳來的數字告訴我,我接近敵機的速度太快,有可能冲過頭,我就降低過載程度。

如果飛鏢在大過載右轉,但敵機和飛鏢之間的距離沒有變化,就説明敵機也在大過載右轉。所以,飛鏢計算機可以通過自己的運動方向和過載、敵我之間相對位置的變化,推算出敵機的運動方向和過載。

推算出了敵機的運動方向和過載,飛鏢就知道如何計算提前量。

如果敵機在向右直綫飛行,飛鏢的最佳運動方向是這個:

如果敵機在向上方轉彎,那麽飛鏢的最佳運動方向就是這個:

看到這裏,你應該明白了:星光這個設計,是集中了光纖制導反坦克導彈和紅外制導反飛機導彈的優點,而摒棄了二者的缺點:

  1. 星光通過操作員將目鏡十字綫放到敵機上來向飛鏢指示目標。這樣,敵機發射的誘餌就無法欺騙星光了。這是光纖制導反坦克導彈的優點,避免了紅外制導導彈的缺點。
  2. 光纖制導反坦克導彈是由操作員的手來操縱的,而星光則是由肩扛制導裝置告訴飛鏢它和敵機之間的相對位置,由飛鏢的計算機來計算運動方向和提前量,這是紅外制導導彈的優點。
  3. 星光不使用光纖,避免了光纖制導導彈的缺點。

那麽,不用光纖,如何將那二個數字高頻率地傳送給飛鏢呢?

星光飛鏢和肩扛制導裝置之間的通訊

你知道收音機是怎麽接收到廣播電臺的播音的嗎?有一個信號轉換過程叫“調製”,就是把有用的數據轉換成高頻無綫電信號:

在上圖中,信號頻率的變化傳遞了數據,就好像老式電報所使用的莫爾斯碼通過發報員按鍵的長短變化傳遞字母一樣。

接收一方找出信號中頻率的變化,從而得到被傳遞的數據,這個過程叫“解調”。

調製-解調技術太普通了,有無數芯片可以做。但戰場上各種電磁信號混雜,敵人還可能進行電子戰,完全壓制無綫電信號,所以星光沒有使用無綫電作爲信號的載體。肩扛的制導裝置向飛鏢發射寬幅的二種波段的激光,激光以高頻通斷的方式傳遞數據,飛鏢的尾部有激光傳感器,接收到信號后再解調,就得到了上面的6個數字。采用二種波段是加大可靠性,一個波段被塵霧過濾了,另一個還能通過。

讀到這裡,你已經驚嘆星光的設計師的想像力和創造力了吧?

別急,更奇妙的還在後面。

星光奇妙的機動方式

本文前面列出的所有其他導彈,都有一前一後兩套彈翼,每套都是彼此垂直的四片,其中一套固定,與彈體主軸方向一致,起到穩定導流作用,另一套可以轉動,對面的兩片是互聯的。

在下圖中,導彈在向我們迎面飛來:

一般導彈的四片機動彈翼

在上圖中,上下兩片彈翼轉動,會導致導彈左右轉向;左右兩片彈翼轉動,會導致導彈上下轉向。在計算機控制下,兩對彈翼分別轉動不同的角度,導彈就可以向任何方向做出幅度不同的轉向。在彈體内部有兩臺彼此獨立的電機,分別用來驅動上下、左右兩對彈翼的轉動。

但星光的飛鏢的直徑只有二厘米,外殼還必須足夠厚,否則破片破壞力不夠,又要裝足夠炸藥,内部如果要同時裝兩部用來控制彼此垂直的兩對彈翼的電機,每個電機就只有黃豆大小,輸出力不可能控制彈翼進行好幾個G的過載。

這時,設計師鬼斧神工的創造力就登場了。

在星光照片上,我畫了一個紅色的箭頭,指向飛鏢前部和後部之間的縫隙:

飛鏢的彈頭和主體

那條縫將飛鏢分成二部分:前面的是可以旋轉的彈頭,後面的是不旋轉的主體,彈頭和主體之間由摩擦力極小的軸承連接。主體尾部有和其他導彈一樣的固定的彼此垂直的四片彈翼,彈頭則只有二片鴨翼,也是固定在彈頭上的,而且方向與飛鏢中心軸綫不一致,二片鴨翼的偏向大概一致,但有細微的差異:

星光可旋轉的彈頭

如果彈頭不能旋轉,和主體固定接合,那麽這枚飛鏢打出去后,偏向的鴨翼會導致飛鏢一直向左轉彎,一圈圈地繞圈。但因爲那兩片鴨翼的偏轉角度略有不同,氣流對兩片鴨翼的阻力是不同的,在幾倍音速的氣流作用下,彈頭就會高速旋轉,就好像一隻風車。因爲彈頭高速旋轉,鴨翼對飛鏢施加的力的方向每一微秒都在改變。彈頭在几毫秒内轉一圈,在這几毫秒内,飛鏢在各個方向上都受到了同樣的轉向力,彼此互相抵消,飛鏢就會沿直綫向前飛行。

圖中,如果計算機決定彈頭需要向轉向,一個刹車裝置會等彈頭轉到上圖位置時給彈頭刹住。傾斜的鴨翼就會持續將彈頭推向面。儅計算機決定轉向完畢時,只需提起刹車,高速氣流就會重新讓彈頭高速旋轉,於是飛鏢不再轉向,直綫前進。

如果計算機決定彈頭需要向轉向,刹車裝置會在彈頭轉到圖的位置時給彈頭刹車。傾斜的鴨翼就會持續將彈頭推向面。

儅飛鏢需要右轉時

同樣原理,如果需要飛鏢向或者向轉向,刹車裝置會等彈頭轉到下圖位置時刹車。如果此時是向轉向,彈頭轉180度后刹車,則會導致飛鏢向轉向。

儅飛鏢需要右轉時

這樣一來,不需要二台準確的步進電機,只需一個只有開、関兩個狀態的刹車裝置,就可以控制飛鏢在三維空間裏靈活機動。

鬼斧神工的創造力!

總結

看到這裏,你或許明白了星光導彈爲什麽無法避免其唯一的弱點:飛鏢沒有近炸引信,只能撞擊引爆。設計師的思路是這樣的:

  1. 我要用人眼、人腦來給導彈指引目標,所以導彈不需要向前看的、追蹤敵機的傳感器。
  2. 因為導彈沒有向前看的、追蹤敵機的傳感器,只有向後看的傳感器,來接收肩扛制導裝置發射的數據,所以導彈不知道自己什麽時候接近敵機。即使導彈和敵機在目鏡裏面重合,制導裝置和導彈仍然不知道此時導彈離飛機有多遠,因爲目鏡裏面的圖形是二維的,不是三維的。所以導彈無法近炸。
  3. 因爲導彈無法近炸,只能撞擊,它的命中率就比近炸要低,所以設計師才會把一枚導彈分成三枚,來增大發生撞擊的幾率。
  4. 因爲導彈分成三枚,每枚的直徑就非常小,無法内置控制彈翼的電機,設計師才會用兩片傾斜但傾斜度不一樣的鴨翼導致彈頭高速旋轉,然後用一隻微型刹車將彈頭固定于不同位置,來控制飛鏢方向。如果設計師沒有想出這最後一招,星光導彈就不可能達到設計目的,前面的所有創造力都沒有用。

只要飛機在操作員視綫範圍内,操作員在高分辨率、放大好幾倍、具有高級光學防抖功能的目鏡内用十字準綫對准敵機就毫無困難,即使敵機在七千米之外做九個G的機動 —— 這是戰機所能做的最大過載 —— 飛鏢仍然能夠追上它。

烏克蘭的俄軍飛行員又多了一個做噩夢的理由。

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