响尾蛇空空导弹的故事和工作原理

   导读：响尾蛇空空导弹的故事和工作原理，响尾蛇导弹是利用响尾蛇捕杀猎物的原理，来研制成功的首款用来打飞机的导弹，是军用领域的里程碑。射出后的响尾蛇导弹，可以自行追踪目标，直到炸毁目标。

   响尾蛇在台海空战中的首次亮相使得苏联加大了在空空导弹方面投入的精力。台海空战之后不久，苏联开始生产他们自己的红外制导空空导弹——K-13/R- 3S 空空导弹（北约命名为 AA-2“环礁”）。它实际上是响尾蛇的苏联翻版。至于苏联人如何得到响尾蛇导弹实物（要知道响尾蛇在当时是十分尖端的武器，要得到它并非易事），有种推测，台海空战中有一枚 AIM-9B 型导弹击中了一架 MiG-17，但不知道为什么导弹没有爆炸。于是 MiG-17 就带着这枚插在机身上的导弹飞回了基地。而 Ron Westrum 在他的著作《响尾蛇》中则提到，苏联人通过一名名叫 Stig Wennerström 的瑞典上校得到了响尾蛇的实物。经过紧张的工作，AA-2 于 1961 年开始投入使用。由于是仿制响尾蛇，AA-2 的结构和响尾蛇十分接近，以至于连零部件的数目都一模一样。许多年后，苏联工程师们承认，通过仿制响尾蛇导弹，苏联工程技术人员们就好像上了一堂很不错的“导弹设计课”，由此苏联及其东方阵营的导弹设计水平也大大的提高了。K-13 及其后来的各种改型持续生产了差不多 30 年。而 60 年代由于 K-13 的服役，美国战术空军的轰炸战术被迫进行改变，由以往的高空轰炸改为低空轰炸，为的就是躲避对方雷达和导弹的共同监视和拦截。

K-13 响尾蛇斯基

K-13 的引导头组件

   现在从我国资料来看，苏联获得的响尾蛇的确是我方提供的。据《世纪》2009 年第 03 期杂志刊载的文章，在 9 月 24 日温州地区的空战中，国民党空军发射了 5 枚美国响尾蛇导弹，其中一枚弹头坠地而未爆炸。中国政府发动了大规模抗议活动，并将导弹的部分残骸作为美国的罪证在北京展出。事后，我方获得未爆炸的“响尾蛇”导弹 1 枚和部分残骸。这枚导弹被运到北京后，中央有关部门决定解剖分析和仿制“响尾蛇”导弹，汤定元接到了参加这一解剖分析工作的通知。1958 年 10 月 3 日上午，在国防部内召开了布置解剖分析及仿制“响尾蛇”导弹的任务，定名为“55 号”任务，要求到 11 月 25 日复制出一枚来。此举成为我国空空导弹发展的开端。“55 号”任务由一个委员会领导，委员会的主任是聂荣臻元帅，实际负责人是三机部部长助理钱之道，他后来调任科学院技术科学部副主任。

   这是 F-86 使用响尾蛇偷袭的照相枪照片，此战国民党空军以四架飞机在高空拉烟吸引解放军海航米格-15 战斗机前去追击（因为米格到高空也会拉烟，便于响尾蛇瞄准），却从低空发射响尾蛇导弹偷袭，因为解放军当时对于国民党方面已经有了响尾蛇导弹还没有情报，结果一架战斗机被敌击落，飞行员王自重牺牲。解放军方面一度认为王曾经与蒋军战机发生格斗并击落敌机，从这张照片看，国民党军偷袭的意图和战斗角度都十分清晰，目标正是三号机王自重。王能够还击的机会很小。综合台湾方面资料，台军损失的一架 F-86，很可能是自己用导弹打下了自己的飞机，在对新武器性能不太熟悉的时候，这种误射是常有的事情（萨苏）

   探测原理：

   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。

   基本导引原理：

   响尾蛇在设计上借鉴了 德国二战中研制的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。

   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）。

   导弹跟踪目标原理：

   响尾蛇通过改进跟踪方式来提高自己的命中率。Enzian 导弹通过将望远镜捕获的影像直接输送给控制系统来控制导弹飞向目标，就好像前者就是一个操纵杆一样。这意味着导弹在几乎所有条件下都只能直接飞向目标，通过尾追的方式来击落目标。为此导弹不得不在航程内保持足够的速度优势来追逐目标，以便在追踪过程中击落目标。

   而响尾蛇则采取了不同的跟踪方式——一种被称为偏置导引的跟踪方式：

   响尾蛇并不直接飞向红外线感应器感知到的目标方向，而是飞向目标未来将要到达的位置，在那里与目标“会合”。

   所谓偏置导引，最早被用于舰船导航，为的是防止两艘舰船在海上相撞而采用的一种导航方式。后来被扩展到导弹跟踪，特别是对空中目标的跟踪上。这个算法的核心思想就是：在两个动目标之间的碰撞过程中，它们之间的连线在二维坐标系中的方向应该保持不变。所以在跟踪动目标的过程中，导弹的速度矢量应当随着目标位置、速度和运动方向的变化而变化，以保持它们之间连线方向保持不变，距离逐渐缩短，直到最后相交。

   例如，当连续两次测量后发现目标保持在导弹左前方 5 度角的位置的时候，导引头不会要求控制系统改变导弹当前飞行方向。而当目标正在以和导弹相同速度偏转到导弹右前方 45 度角的位置的时候，导引头会发出信号要求导弹向右偏转来追踪目标。而如果导弹的飞行速度是目标的四倍情况下，导弹只要保持向右偏转 11 度就可以保证在未来某个时间点和目标“会合”了。只要保证无论在何种情况下，导弹和目标之间连线只要保持方向不变，二者总有交会的那一刻。这就是偏置导引技术的精髓，而且这种算法的技术实现也十分简单，在空战实践中这种技术十分有效。

   但是仅仅靠这个还是不够的，响尾蛇必须具备飞行中修正自身飞行方向的能力。如果飞行过程中导弹一直以导弹长轴为轴心进行自旋，那么势必影响导引头中透镜自旋时的速度恒定性，进而影响导弹跟踪目标时的精度。为了修正导弹自旋带来的精度偏差，要设计一种感应器来感知和修正这些偏差。所以在导弹尾部的稳定翼面外 侧又加装了很小的控制翼面，它们被称为“陀螺舵”。飞行过程中高速气流流过这些翼面，如果导弹开始自旋，高速气流流过控制翼面时产生的扭转力矩迫使导弹恢复稳定状态，从而保证了跟踪精度。这样响尾蛇的设计师们用一种很简单的机械装置达到了与复杂的控制系统相同的效果。