孙永军

(西安电子科技大学,西安710071)

 

 电磁脉冲武器是一种新兴的大规模电子杀伤武器,具有极大的军事应用价值。

本文介绍了电磁脉冲武器的特点、分类及其原理,最后说明对电磁脉冲武器的防护措施。

主题 电磁脉冲武器高能微波武器FCG

 

1 序言


什么是电磁脉冲武器?顾名思义,就是依靠高能量的电磁脉冲摧毁作用范围以内的各种电子信 息设备。据称,电磁脉冲炸弹引爆以后可以在微妙时间内产生万亿瓦的电磁能。电磁脉冲武器的构思可以追溯到1925年物理学家Arthur H. Compton在研究原子核反应时发现了超乎想象的电磁能辐 射,从而为其用作攻击性武器奠定了基础。

1962年7月美国在太平洋上空试爆了一颗1.4百万吨级的氢弹,辐射出巨量的伽马射线,强烈冲 击空气中的氧气和氮气后释放出大量的电子,使3千公里以外的夏威夷路灯爆裂,甚至使远在澳大利 亚的无线电导航也陷入混乱达18小时之久。正是认识到电磁脉冲武器的巨大潜力,美国军方正加紧 进行研究工作。

1961年10月31日,苏联在新地岛上空35公里处进行空爆核试验,不料氢弹不仅毁灭爆心附近 的一切,还对数千公里范围内的电子系统产生冲击,苏军地面的防空雷达被烧坏,无法探测空中的飞 行目标;数千公里长的通讯中断,部队1个多小时处于无法指挥状态。

当时人们并不能解开这个谜。后来经过几年的研究,才发现这是氢弹爆炸所产生的电磁脉冲造 成的恶果。原子弹爆炸会产生冲击波、光辐射、早期核辐射和放射性污染四种效应,而氢弹爆炸又增 加了另一种效应,即电磁脉冲。

 

2电磁脉冲武器的原理及特点

2.1  电磁脉冲武器的特点

电磁脉冲弹增强了电磁脉冲效应,而减少其他四种效应,是一种“干净”的核武器,它属于第三代 核武器。与雷达或雷电的电磁脉冲相比,核电磁脉冲有作用范围广、电场强度高、频率范围宽和作用 时间短等特点。电磁脉冲弹产生的强大脉冲可通过天线、动力线、电讯线路和金属管道等渠道进入电 子设备,使无防护的电子元件暂时失效或完全损坏[2,3],使计算机中的存储器丧失记忆能力,使整个 网络无法继续工作,从而使整个作战系统陷于瘫痪,给敌方以致命的打击。核电磁脉冲所占据的频率 范围非常广,从低频到超高频,可以覆盖现代电子设备所使用的全部工作频段,使通讯中断,或引起工 作紊乱,控制失灵。这种专门破坏计算机网络和电子战设备的电磁脉冲弹,对计算机网络、通信指挥 系统、雷达系统的破坏将是摧毁性的。

电磁脉冲武器分为两类:一类是通常所说的电磁脉冲炸弹或电子炸弹,实际上是指低频电磁炸 弹;另一类是指高功率微波武器或者称为高功率微波炸弹(HPM)

电磁脉冲武器与电子战武器的比较:

两者的共同点在于,都是用电磁频谱对抗敌方电子设备。两者的区别在于:电子战武器局限于干 扰对方电子设备,并且只当电子战设备工作时才能影响敌方系统,当电子战设备关闭后,敌方的通信 能力恢复正常状态。并且电子战设备工作时必须有敌方系统的先验知识,从而只干扰敌方系统的相 应频率和调制方式的信号,并且敌方的系统还必须处于工作状态,才能体现出干扰的作用。而电磁脉 冲武器将会对目标造成严重的甚至是致命的打击。利用电磁脉冲武器摧毁电子设备,一般不认为是 专门的信息战或电子战方法,但却是,成本效益非常高的硬杀伤手段。电磁脉冲武器所产生的电磁脉 冲效应,虽然仅相当于核爆炸全部能量的极小部分,但对以电子设备为基础元件的武器导控雷达、 C4ISR系统等仿害却特别大。

电磁脉冲武器与电子战武器的主要区别是:

不需要敌方电子系统的确切知识;

通过破坏电子元器件、电路核心系统造成对地方电子设备持续的影响;

即使敌方系统关闭,也能造成影响;

为了反打击,敌方必须加固整个系统,而不是单个的元件或电路。

 

2.2电磁脉冲武器的种类及原理

制造电磁脉冲武器的技术多数都是成熟技术,主要分为爆炸泵磁通压缩产生器(FCG)、爆炸或推 进剂驱动磁流体动力产生器(MHD)和各种高功率微波器件(HPW),如虚阴极振荡器等。

2.2.1爆炸泵磁通压缩产生器(FCG)

FCG的主要特点是技术成熟和强大的威力,它可以在数十到数百微秒时间内产生一万亿以上的 峰值功率(10,2W-10,3W)产生的电流甚至超过一般闪电的一千倍以上。它的工作原理是利用瞬间 爆炸力得到高度压缩的磁场,将爆炸机械能转化为瞬间电磁能,其工作原理和基本结构可以用图II加 以说明。

爆炸泵磁通产生器的常见结构为圆柱形,设计上有些类似电动机,包括定子和转子部分。FCG的 最外层是保护层,一般由玻璃纤维等高强度绝缘材料组成,用来防止在高能量电磁脉冲产生之前就被 破坏;保护层里面是定子,这里的定子借用了发电机的术语,它是由高强度铜线绕组构成的,用来在通 电以后产生磁场,定子的两端分别为电流输入环和输出环;在往里面是由一段铜管构成的电枢管,对 应于发电机的转子,它的中间填充高能量的爆炸物或推进剂。定子和电枢管之间有一段自由空间,磁 场将在这段空间被压缩。FCG的工作过程是,首先在定子两端加上很大的电流,强度要求达到数千安 培到百万安培数量级,这可以用高压电容组来驱动,或者用一个小一些的FCG产生器驱动更大的 FCG等到电流启动达到峰值以后,开始引爆电枢中的炸药,从爆破透镜处引爆后,会使电枢管膨胀, 并形成圆锥体迅速向前扩张。带来的效果一是快速挤压定子和电枢管之间的空间面积,使其中的磁 通量面密度突然压缩;第二个效果是铜管内爆炸力使铜管膨胀到定子内壁,随着爆炸波前进,将定子的绕组从电流输入环到电流输出环为止逐步短路,使绕组的电感量逐步减小一直到零。压缩磁场和 短路线圈减少电感的联合效果是产生出高强度的电流脉冲,其宽度为几十到几百微妙。

可以看出,FCG有很强的电流放大能力,能把初始的输入电流放大到几十倍甚至上百倍。但是在 电磁脉冲武器的实际运用中,处于体积和质量的考虑,往往不能提供很大的电流源,一种可行的方法 是釆用FCG的级联。

2. 2. 2爆炸或推进剂驱动磁流体动力产生器(MHD)

MHD的基本原理是用在磁场中高速运动的等离子体来产生高强度电场,这种等离子体是通过爆 炸或推进剂燃烧产生的高压气体电离以后形成的。在爆炸物或推进剂中增加必要的添加剂可以提高

 

 

                                                     图一  FCG原理图

 

电离程度。由于尺寸和质量限制,MHD用作电磁脉冲武器远远没有FCG方便,直接运用在战场还不 成熟。据报道,美国现在正试图使用高温超导来产生高强度磁场。

2.2.3高功率微波武器(HPW)

由于微波技术的发展,高功率微波武器在技术上也是比较成熟的。它的主要特点是可以使用的 频段很宽。作为高功率微波产生器件,有很多现成的装置可以使用,比如虚阴极器件、速调管、磁控 管、反射真空三极管、火花隙器件等。作为电磁脉冲武器使用,要求能产生极高功率的电磁脉冲,覆盖频段要很宽,而器件本身的机械结构要简单、小巧、坚固。在这些方面,虚阴极振荡器是很好的选择, 因此成为高功率微波电磁脉冲武器的首选。

2为虚阴极振荡器的原理图,在阳极高压的牵引下,阴极发射的电子束高速撞击阳极电网,由 于速度接近光速,部分电子束将击穿阳极电网,从而在阳极后方形成一团自由电荷团,称为虚阴极。 如果电压足够高,那么这团自由电荷将会把后来的电子发射回去,这些电子就在阴极与虚阴极之间来 回振荡而产生微波。微波频率与其电子束密度平方根成正比,如果利用一外加轴向磁场改变其电子 束密度,就可以改变其所产生的微波频率;如果外加磁场作快速变化,则其产生的微波波长也随之做 快速变化。由于振荡频率与电子束特性参数密切相关,且虚阴极本身有随电子束电流量变化而改变 模态和频率漂移的特性,因此适当的调控电子束电流,可变频至较宽的频段。在适当的条件下,将不 稳定的虚阴极放在微波谐振腔中振荡,就可以产生稳定的电磁波。


                            

                                              图2虚阴极振荡器原理图


3 电磁防护

⑴屏蔽

屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减少电磁能的传输,达到电磁防护的一种重要手段。有效的加固方 法是使设备完全置于一个导电的法拉第笼内,这种箱体不让电磁场到达被保护的设备。但是,所有的 电子设备都要获得电力,也都要与外界通信,这些进入点为高能电磁武器的电气瞬态过程的进入提供 了机会。可以改用光纤通信以满足传送数据的要求,还必须对所有进入箱体的导电通路加装电磁抑 制器件。

接地处理

接地处理是将电子设备通过适当的方法和途径与大地连接,以提高电子设备电路系统工作的稳 定性,有效地抑制外界电磁场的影响,避免机壳电荷积累过多导致放电而造成的干扰和损坏。

滤波

滤波器可以由电阻、电感、电容一类无源或有源器件组成选择性网络,以阻止有用频带之外的其 余成分通过,完成滤波作用;也可以由铁氧体一类有损耗材料组成,由它把不希望的频率成分吸收掉, 达到滤波的作用。

最有效的防御就是设法摧毁敌方的投放平台或飞行器。但这往往是很困难的。

4 结论

可以看出,电磁脉冲武器是一种以破坏敌方电子和信息设备为目标的大规模杀伤性武器。而现 代化战争高度依赖于电子和信息设备,因此电磁脉冲武器的出现将会大大改变未来战争的样式和战 法。对电磁脉冲武器的研究及其防护势在必行。


参考文献


1 Kopp C.The electromagnetic bomb:a weapon of electrical eass destruction.Proceeding of Info WarCbn 5 ,NCSA ,Sep. 1996

2候印鸣等.综合电子战-现代战争的杀手铜.北京:国防工业出版社.2001

3袁 俊.国外微波武器及其发展.中国航天.2001(5)

作者简介

孙永军1974年生,西安电子科技大学博士研究生。主要研究方向:通信对抗及通信信号处理。


电磁脉冲武器原理及其防护

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