电磁脉冲武器及计算机系统防护


张永庆

(总參通信部驻北京地区军事代表室)

  摘 要:概述电境脉冲武m的特点、分类和发展动态,讨论了强电磁脉冲对计算机系统的威胁与 防护措施。


1引言

  电磁脉冲(EMP)武器是一种利用强电磁脉 冲摧毁来袭导弹或破坏雷达、通信系统和武器系统 中电子设备的新概念武器。高强度的电磁脉冲能使 半径数十公里内的包括雷达、电子计算机、电视 机、电话几乎所有电子设备无法工作,甚至造成难 以修复的严重物理损伤。强大的破坏效应使它成为 未来的高科技战争中瘫痪敌方通信、雷达、军事指 挥网络的重要手段,是在未来战争中将被大量采用的常规武器。

2电磁脉冲武器

2.1电磁脉冲武器的特点

电磁脉冲武器有其它武器所不具备的特点:

1)可全天候作战;

2)具有“软杀伤”和“硬杀伤”作战能力,可根据需要灵活选择对电子设备的杀伤程度, 既可干扰电子设备,又可使电子设备硬件损坏;

3)杀伤范围大;

4)作战使用方式多种多样;

5)蹒准精度要求不高;

6)可用于攻击隐身飞机、隐身巡航导弹和反辐射导弹等常规武器难以对抗的目标。

 

2.2电磁脉冲武器的分类

电磁脉冲武器主要包括高功率微波定向发射系 统和高功率微波弹。高功率微波定向发射系统可以 多次重复使用,是新概念武器中发展较为成熟的一 种类型。高功率微波定向发射系统的组成部分包括 由能源、强功率微波源、大型聚集定向天线和系统 控制等设备。脉冲功率源主要用于产生初级能源, 为高功率微波源提供低占空比的极高峰值脉冲功率源。其关键部件包括能量存储、脉冲形成网络和对 高功率微波源(即负载)的耦合机构。高功率微 波源利用相对论速调管、返波管、磁控管、回旋管 以及虚阴极振荡器等,把电子束的动能转变为辐射 电磁能。大型聚焦定向天线把高功率电磁能量高度 集中,发射出去的高强度电磁能量可以远距离对敌 方电子系统的功能实施破坏与干扰。

高功率微波弹是一种一次性使用的武器,作为一种杀伤破坏力介于常规武器和核武器之间的新型大规模杀伤性炸弹,它通过爆炸磁通压缩发生器(MFCG)或爆炸磁流体动力学(MHD)发生器脉冲功率系统,将化学能转变为高功率电脉冲,用以 驱动微波发生器,通过天线向外辐射微波。

 

2.3电磁脉冲武器及防护发展动态

电磁脉冲武器的危害性已经引起各军事强国的 重视。各国纷纷对相关技术积极开展研究,其中美 国、俄罗斯在电磁脉冲武器的研究方面走在前列。

20世纪80年代美国就开始了研制电磁脉冲武 器。美国从事电磁脉冲武器的部门主要是国防部、 能源部、三军的一些研究机构和部分大学。其电磁 脉冲武器研制过程可分为3个阶段:第1阶段主要 是探索“中等功率”的微波武器,确定是否可用 中等功率的微波源对电子设备进行破坏。研究内容 包括高功率单脉冲与低功率同样频率的多脉冲串对 目标的摧毁效应是否相同、带宽问题、微波的压缩 与整形、最佳脉冲波形和频率等;第2阶段主要是 研究高功率微波源技术。研究重点是减小重資、体 积和尺寸,探索窄带源的功率控制和脉冲调制技 术;第3阶段主要是从研制具有一定实战功能的武 器系统。

俄罗斯在1993年就已经研制出手持式的电磁 脉冲武器,可用于在小范圏内播毁电子设备。基于小型强流加速器的RADAN电磁弹重量只有8公体积比手提公文包还小;还有小型爆炸驱动功微波电磁弹,其包括从手梱弹到155mm大炮和导弹发射的电磁脉冲炸弹。

以美、俄为代表的国家在进行攻击技术研究同时也极为重视电磁脉冲安全防护的研究。对海陆空三军的舰船、地面电子设备和航空航天飞行器美国均要求釆取电磁安全防护措施,并且颁布了一系列的加固标准和方法。美国各主要基地,对其主要的电子值息处理设施进行了屏蔽美军国防交换网和国防数据网的交换中心均设置在加固设备内关键节点和线路采取了各种抗核加固设备。在星球大战计划中,对生存能力最为脆弱的计算机和通信系统,美国也采取了全面的抗核加固措施。俄罗斯已开发出技术領先的电磁脉冲阻隔芯片。其C4ISR系统,经釆取了抗电磁脉电磁脉冲相关措施,防护技术居于领先地位。瑞典和德国共同建立了EMP防护研究的合作项目--DENEC对一般导弹的抗电脉冲效应进行研究,法国也开展了自己的高功率电磁效应方法学和相关设备研究。

我国对电磁脉冲安全防护的研究尚处于起步状 态滞后于攻击技术的研究。在役和在研的设备有电磁脉冲防护加固要求,使得信息系统设备处EMP的威胁中,这与我国釆取的积极防御的战略目标是严重背离的。主管部门一个注意到这个情况2003年10月国防科工委专家咨询委员会事电专业组和中国工程院信息与电子工程学部联合召开了题为“电磁脉冲的产生与防护学术交流会”,会议认为“电磁脉冲武器会成为现代信息战中电子设备破坏力最大的武器之",要在防御护技术上进行进一步研究,以推动这一領域的发展"

地方工业部门已经逐渐开展此项研究,并且已 经取得一定的研究成果。

目前,对电磁脉冲武器的研究,除了防护技在的研究,主要集中在电磁脉冲战斗部的研究,研究向有

1)新型的爆磁压缩发生器和微波发生装置;

2)増大峰值能量和持续时间,主要技术手段是增强爆磁压缩发生器和虚阴级振荡器的能量以及増大能量的转化效率;

3)增大目标的耦合效率,主要技术手段是制造可自行展开的大型发射天线和扩展发射微波的频率;

4)针对不同目标设计威力不同的系列电磁脉冲战斗部。

 

3电磁脉冲武器对计算机系统的威胁、评估与防护

3.1电磁脉冲武器对计算机系统的威胁

电磁脉冲炸弹在目标区域爆炸并形成电磁脉冲后,能否对目标进行有效的毁伤,还取决于电磁能量能否有效地耦合进入进入目标,只有进入目标的电磁脉冲能达到-定的强度,才能有效地摧毁和干扰电子设备。耦合方式有2种:

1)前门耦合

它是指能从电磁脉冲武器耦合进入与雷达或通信设备相连的天线。天线子系统是用来将能量从设备中导入导出的,因此它为能量从电磁脉冲武器流入设备并造成破坏提供了有效的路径。

2门耦合

它是指电磁脉冲武器产生的电磁场在与设备或主要的电力或电话网相连的电线或电缆中起强大的瞬间电流或电驻波。如果与电缆或电线相连的设备没有足够防护的话,那么它们将承受高电压脉冲或驻波。而且,如果瞬间进入设备,内部的其他的装置也将受损。

随着技术的进步,计算机系统正朝着高频、高速率、高集成度、高安装密度、低功耗小型化的方向发展,性能提升的同时也带来了新的何题,着超大规模固体集成技术的发展,硅片上容纳的元器件和电路数量一致在迅速增长,是的电子器件正常工作的电流和电压电平以及可能导致损坏的功率都在慢慢降低,这些计算机系统受到高能电磁脉冲武器打击的可能性大大提恶略的电磁环境将使计算机设备遭到破坏,造成信息处理中断。1984年,美国研制的-种电磁脉冲发生器它以新型脉冲等离子磁流体动力技术为基础,把炸药的化学能直接转化为脉冲电磁能,18x1075px的弹药桶产生了 GW级的功率,在无抗辐射条件下能使7km范围内的集成电路全部损坏。

目前为止,我军装备的一般计算机系统尚不具有抵御强电磁脉冲武器攻击的能力。随着电磁脉冲武器的日益实用化,我军计算机系统受到电磁脉冲武的威胁正在增大

 

3.2电磁脉冲武器对计算机系统的损毁能力的评估

对于计算机系统,电砥脉冲可从电源线、信线和各种端口渗透至计算机系统内部,其能量可对 计算机系统内部造成破坏。美军的试验结果表明,电磁脉冲能量密度在0.01- lmW/cm2时,可产生虚假信号,系统性能下降或是丧失部分功能;在 0.01 ~lW/cm2时,系统的芯片将被损伤;在10~ 100W/cm2时,系统元器件和逻辑电路将被烧毁, 一些敏感的模块遭受破坏;当达到1000 ~ 10000W/cm2时,整个结点将被摧毁,短时间之内难以修复。在不同情况下,轻则信息将被干扰,重则系统设备完全失效。

 

3.3计算机系统抗电磁脉冲技术

抗电磁脉冲技术和电磁兼容性以及TEMPEST 有共性技术.凡是对电磁兼容有效的措施,对 EMP防护都有一定的效果,因而可从如下几个方面考虑防护措施:

1)接地:有效的接地方式,可以在一定程度 上降低电磁脉冲对计算机设备的损伤。

2)屏蔽:屏蔽技术用来抑制电磁脉冲沿空间 的传播,即切断电磁脉冲的传播途径。对于特别重要的网络设备可考虑建立专门的屏蔽机房,将其放入屏蔽机房中。孔缝、电源接口、连接外设的端口和各种线缆都是屏蔽的重点对象。

3)滤波:加装各种滤波装置,包括电源线滤 波器、信号线滤波器,可以减少带外的耦合,滤除带外的能量。

4)断路:保险丝、继电器、断路器等,均可考虑作为加固器件或装置。当礙态响应激励期间而 致命性损伤尚未发生时,设计使用这些器件旨在从 电源上断开不太坚固的电路。

5)选用抗电磁脉冲能力强的元器件:在可实 现同等功能的前提下,网络设备应优先选用具有较 好抗电磁脉冲能力的元器件。

6)采用吸波材料作为充填材料和连接衬垫以 吸收电磁波能量。

7)各计算机结点用光缆连接:光缆除了具有 信号衰减小,传输距离大的特点外,还有较好的抗 电磁干扰能力,可以防止传输数据的丢失,保证计 算机结点之间通讯的质量稳定。

对计算机系统而言,抗电磁脉冲防护是一个系 统工程。对各个分系统、设备进行防护,对提高整个系统的生存能力非常重要。

然而,由于抗电磁脉冲毕竟不同于普通的电磁 兼容设计,为了更好的达到抗电磁脉冲的目的,可 以考虑进行相关技术的研究,如抗电磁脉冲材料、抑制器件的研制等。

 

4 结论

      电磁脉冲武器作为新式武器的杀手铜,必将对 战场形势变化起到重大影响。在未来的高科技战争中,所有的电子系统与设备均须具有抗电磁脉冲的能力。开展电磁脉冲安全防护技术研究,研制具有抗强电磁脉冲能力的计算机以及其它武器系统,是我军保持强大战斗力的重要手段之一。在现阶段情况下,我国不但要加紧研制自己的电磁脉冲武器系统,同时要加强抗电磁脉冲武器的防御能力,这样才能使我军在未来信息化战争的进攻和防御中掌握主动权,不至于在未来战争中处于被动的局面,为取得战争的胜利打下良好的基础。



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